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Un inventeur dans l'âme
Inspiré par les leçons qu'il a apprises au MIT, Ronald Berger '81 essaie de perfectionner une méthode indolore pour prévenir l'arrêt cardiaque. 21 février 2012
Au Boston Museum of Science, le public se rassemble autour du générateur Van de Graaff pour regarder deux millions de volts crépiter entre des sphères métalliques jumelles tandis que l'opérateur, qui se tient à proximité dans une simple cage, n'est pas affecté. Ce spectacle de foudre montre une cage de Faraday, une enceinte qui empêche les charges électriques d'entrer ou de sortir. En 1999, lorsque Ronald Berger '81, SM '83, PhD '87, a emmené ses enfants au spectacle de Boston, ce n'était pas seulement pour le plaisir. Il était au milieu d'un complot pour installer une cage de Faraday autour du cœur humain.
Si Berger peut le faire fonctionner, son appareil améliorera les conditions des patients souffrant de problèmes cardiaques. L'arrêt cardiaque soudain, l'une des principales causes de décès, résulte d'une arythmie grave appelée fibrillation ventriculaire. Dans cette situation d'urgence, le seul moyen de rétablir un rythme normal est d'utiliser un défibrillateur, qui délivre un coup de poing saisissant de centaines ou de milliers de volts. Depuis plus de trois décennies, les patients considérés à risque de crise cardiaque ont pu installer un défibrillateur cardiaque interne (DCI) sous la peau pour détecter les battements cardiaques irréguliers. Un fil qui passe du DAI au cœur par une veine délivre les chocs nécessaires. Cependant, les chocs sont douloureux et les patients les redoutent souvent ou choisissent de renoncer au traitement à cause d'eux. C'est un problème important, dit Berger. Je suis très intéressé à rendre la défibrillation indolore. Et une sorte de cage de Faraday pourrait être la réponse.
Berger, qui est codirecteur de l'électrophysiologie cardiaque à Johns Hopkins, a obtenu trois diplômes du MIT en génie électrique et en informatique, puis a obtenu son doctorat en médecine par la division Harvard-MIT des sciences et technologies de la santé en 1987. Reflétant son éducation, il est à la fois ingénieur et docteur. Plus précisément, c'est un électrophysiologiste cardiaque, quelqu'un qui comprend que nous pouvons tromper Mère Nature et interrompre la propagation de l'impulsion [électrique] dans les cœurs, comme il le dit. Berger passe 75 pour cent de son temps à l'enseignement de Johns Hopkins, en tant qu'administrateur et en exécutant des procédures pour calmer le dysfonctionnement électrique cardiaque ou l'arythmie. Le reste du temps, il recherche et invente.
Berger a toujours inventé. Pour sa thèse de premier cycle au MIT, il a conçu une nouvelle façon de diriger et de dévier les faisceaux laser à travers les cristaux. Le résultat, rappelle son directeur de thèse, le professeur EECS Cardinal Warde, était l'une des meilleures thèses de premier cycle jamais réalisées dans mon laboratoire. Peu de temps après que Berger ait rencontré son meilleur ami, Joseph Smith, SM '82, PhD '85, dans le laboratoire de l'ingénieur biomédical du MIT Richard Cohen en 1980, ils ont transformé un téléviseur de poche noir et blanc en un appareil ECG capable de lire le cœur activité électrique à la surface du corps. Aujourd'hui, Berger a délivré 25 brevets pour des méthodes et des équipements de cardiologie.
Il y a quinze ans, Berger est devenu obsédé par la douleur que les chocs du DAI causaient à ses patients. Il savait que la douleur ne venait pas du cœur. L'organe lui-même a si peu de capacité à ressentir la douleur que les patients peuvent rester éveillés pendant que les cardiologues effectuent une ablation, brûlant le tissu cardiaque chroniquement défectueux avec un fil qui a été serpenté dans un vaisseau sanguin. Berger a donc conclu que les impulsions électriques du DAI doivent s'échapper lorsque les nerfs et les muscles de la paroi thoracique s'activent.
Quelque chose a cliqué. Je me suis dit, ne serait-ce pas cool s'il y avait un moyen de garder l'activité électrique confinée au cœur ? dit Berger. C'est alors qu'il se souvint d'une leçon sur la cage de Faraday de 8.022, Électricité et magnétisme, un cours qu'il avait suivi avec le professeur Claude Canizares en 1977. Berger se demandait s'il serait possible de rengainer le cœur à l'intérieur d'une cage de Faraday pour contenir un choc qui a stoppé l'arythmie.
Un problème, cependant, est qu'une cage de Faraday autour du cœur ne garderait pas seulement l'électricité confinée au cœur ; cela empêcherait également l'entrée d'électricité provenant d'une autre source. Cela signifiait que les patients ne pourraient pas bénéficier d'une défibrillation externe d'urgence si leur insuffisance cardiaque était suffisamment extrême pour nécessiter un choc plus important. Pour faire face à cela, Berger a commencé à penser à une configuration de panneaux métalliques qui ne seraient pas entièrement contigus. Ils seraient simplement assez proches pour agir comme une cage de Faraday lorsque l'électricité les traverserait. Il se souvient qu'un chercheur en avait parlé à sa femme, qui lui a suggéré de coudre le treillis métallique dans un bas en nylon. Elle a même produit un prototype. C'était une cage de Faraday ou, plus précisément, une chaussette de Faraday.
Choc électrique: Le prototype de chaussette cardiaque de Ronald Berger est composé de plusieurs électrodes flexibles qui sont reliées électriquement entre elles pour agir comme une cage de Faraday. La cage de Faraday empêche la fuite du champ électrique vers les tissus environnants, réduisant ainsi la douleur causée par le choc d'un défibrillateur implanté.
En pratique, la chaussette s'adapterait autour du cœur et servirait d'électrode du circuit de délivrance de choc ; lorsqu'un capteur connecté détectait une activité cardiaque anormale, une bobine électrique implantée à l'intérieur du cœur délivrait la secousse. En 2005, lorsque Berger et son équipe de recherche ont testé le prototype sur des chiens, l'appareil a réinitialisé le rythme cardiaque en utilisant moins d'énergie qu'un DAI standard. Plus important encore, les muscles de la poitrine des chiens se contractaient beaucoup moins, ce qui signifiait que moins d'électricité s'échappait et causait de la douleur.
Les collègues de Berger et Johns Hopkins ont affiné la conception au cours de la dernière année, en utilisant une modélisation mathématique pour trouver l'espacement optimal pour les panneaux. Dans la version la plus récente, les panneaux s'unissent électriquement dans un bouclier contigu et n'agissent comme une cage de Faraday que dans les 10 millisecondes juste avant et pendant le moment où le choc est délivré.
Malgré les progrès, certains cardiologues remettent en question le potentiel de la chaussette. Le bio-ingénieur Igor Efimov de l'Université de Washington à St. Louis souligne que couvrir le cœur avec le treillis nécessiterait une intervention chirurgicale majeure à poitrine ouverte. Qui accepterait une chirurgie aussi dramatique avec des bénéfices cliniques peu clairs ? il dit. Il prédit également que du tissu cicatriciel incrusterait les lattes de fil de l'appareil et les empêcherait de s'ouvrir. À moins qu'il n'y ait une percée dans les biomatériaux, je ne pense pas qu'il puisse être utilisé, dit-il. Berger convient que le tissu cicatriciel pourrait être un problème, mais il garde l'espoir que son invention peut fonctionner. Il note que des entreprises privées ont déjà inventé des chaussettes en maille élastique pour réduire le stress du muscle cardiaque chez les patients souffrant d'insuffisance cardiaque. Berger suggère que sa cage de Faraday pourrait être intégrée à l'une de ces chaussettes. Les patients cardiaques qui ont déjà besoin d'une chirurgie invasive pour implanter la chaussette pourraient obtenir une solution deux pour un.
Berger et son ami Smith, qui est maintenant médecin-chef du West Wireless Health Institute, ont passé de nombreuses nuits à Baltimore à discuter de la chaussette Faraday et de la façon dont Berger pourrait la concrétiser. C'est l'une de ces choses qui ne vient que d'un ingénieur brillant capable de comprendre le problème d'un point de vue physique mais aussi de voir les applications cliniques, dit Smith.
Ces deux talents complémentaires ont commencé à se mélanger peu de temps après que Berger a commencé au MIT en 1976. Un jour, il est entré dans le bureau de son conseiller, George W. Pratt, et a remarqué une grande peinture d'un cheval. Il était perplexe jusqu'à ce que Pratt, un passionné de courses de chevaux, commence à dessiner des diagrammes à la craie de résistances électriques et de condensateurs pour modéliser le système sanguin équin ; le cœur agissait comme une batterie et les vaisseaux sanguins comme un condensateur chargé. Pour Berger, ces leçons sont toujours une révélation 35 ans plus tard. Il dit : C'est une chose étonnante : les principes de l'ingénierie électrique sous-tendent la façon dont une impulsion native du cœur passe d'une cellule à l'autre.
Aujourd'hui, Berger essaie d'améliorer la défibrillation à l'endroit même où la technique est née. En 1933, une société d'électricité de New York a financé les efforts des chercheurs de Johns Hopkins pour trouver des solutions aux fréquents accidents d'électrocution de l'époque ; après avoir étudié ce qui se passe lorsque le rythme cardiaque est décalé, ces hommes ont été les premiers à faire en sorte que le cœur d'un chien cesse de fibriller. Les médecins de Hopkins ont implanté le premier DAI chez un patient en 1980.
Mais bien que la technologie ait ses racines dans la clinique Johns Hopkins, Berger dit que son esprit revient chaque jour au MIT. Je dis toujours que pratiquer l'ablation me rappelle beaucoup mon cours de premier cycle 6.082, où nous déplacerions la sonde d'un point à un autre dans un circuit pour la déboguer, dit-il. Il pense à ces projets de laboratoire chaque fois qu'il place l'extrémité du cathéter au bon endroit dans le cœur d'un patient et regarde l'arythmie disparaître pendant qu'il délivre la brûlure.