Performances mécaniques et physiologiques des assistances circulatoires de courte durée (ECMO) à pompe centrifuge

Mechanical and physiological performances of centrifugal pump based Extracorporeal Membrane Oxygenation

• Auteur / Autrice : Benoit Brassart
• Direction : Mouhamed Moussa, Francesco Romanò
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Recherche clinique, innovation technologique, santé publique - MED
• Date : Inscription en doctorat le 30/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Evaluation des technologies de santé et des pratiques médicales

Mots clés

Mots clés libres

Assistance circulatoire

Mécanique des fluides numérique

Oxygénation extracorporelle sur oxygénateur à membrane

Hémolyse

Fonction plaquettaire

Mechanical circulatory support

Computational fluid dynamics

Extracorporeal membrane oxygenation

Hemolysis

Platelet function

Résumé

L'ECMO (ExtraCorporeal Membrane Oxygenation) est une technique de circulation extracorporelle de sauvetage permettant le support circulatoire et respiratoire chez les patients présentant un choc cardiogénique réfractaire aux traitements médicaux. Elle comprend un circuit avec deux canules (artérielle et veineuse), une pompe générant un débit et une membrane permettant d'oxygéner et de décarboxyler le sang. Le contact du sang avec les canules la pompe et l'oxygénateur déclenche une cascade inflammatoire et de coagulation. La mise en place d'un traitement anticoagulant est donc nécessaire pour limiter le risque thrombotique En même temps que cette activation de la coagulation, l'ECMO entraine une hémolyse ainsi qu'une majoration des saignements à cause de phénomènes de cisaillement, d'écoulement turbulent, de cavitation et de stress mécanique lié au passage de sang dans la pompe, responsables d'un lyse des érythrocytes et des plaquettes, et d'une baisse de l'expression ou d'une dégradation des protéines qui permettent une adhésion plaquettaire (GPIb, fibrinogène, facteur de Willebrand). Depuis leur introduction, les pompes à sang centrifuges sont considérées comme causant moins de traumatismes sanguins et réduisant l'activation plaquettaire et la réponse inflammatoire par rapport aux pompes à galets. La génération de pompes centrifuges la plus récente utilise une technologie de moteur à sustentation magnétique pour actionner la pompe sans aucun contact entre la pompe et le moteur. La lévitation magnétique élimine l'utilisation d'une tige de rotation, susceptible de favoriser l'hémolyse et la formation de thrombus. Avant sa mise sur le marché, chaque modèle de pompe passe un test standardisé sur banc d'essai, qui n'explore que l'hémolyse dans des conditions bien définies qui ne reflètent pas forcement la pratique clinique. La mécanique des fluides numérique (computational fluid dynamics ou CFD) permet une évaluation de la pompe par modélisation 3D et simulation de l'écoulement des fluides. Ces essais « in-silico » permettent d'analyser et d'optimiser à moindre coût les design et les performances des pompes en terme de performance hydraulique et d'hémocompatibilité. Certaines équipes ont comparé plusieurs modèles de pompe in vitro et in silico, mais n'ont pas pris en compte les modèles les plus récent, et se sont principalement intéressés à l'évaluation de l'hémolyse sur des valeurs de débit standard. Ainsi l'objectif de ce travail de recherche sera de réaliser une évaluation multidimensionnelle des pompes d'ECMO utilisées en routine dans notre service, en intégrant les modèles les plus récents. Nous analyserons de manière rétrospective les différentes pompes utilisées dans notre service, et nous étudierons les performances hydrauliques de chaque pompe, ainsi que leur impact sur l'hémolyse, la fonction plaquettaire et la capacité de coagulation sur sang total, in vitro sur banc d'essai, in silico par simulation et in-vivo sur modèle animal.

ECMO (ExtraCorporeal Membrane Oxygenation) is a life-saving extracorporeal circulation technique that provides circulatory and respiratory support to patients with refractory cardiogenic shock. It includes a circuit with two cannulas (arterial and venous), a pump generating a flow rate and a membrane to oxygenate and decarboxylate the blood. The contact of the blood with the cannulas, the pump and the oxygenator triggers an inflammatory and coagulation cascade. Use of anticoagulant treatment is therefore necessary to limit the thrombotic risk. At the same time as this activation of coagulation, ECMO causes hemolysis as well as an increase in bleeding due to shear-stress, turbulent flow, cavitation and mechanical stress linked to the passage of blood in the pump, responsible for lysis of erythrocytes and platelets, and a decrease in the expression or a degradation of proteins that allow platelet adhesion (GPIb, fibrinogen, von Willebrand factor). Since their introduction, centrifugal blood pumps have been considered to cause less blood trauma and reduce platelet activation and the inflammatory response compared to roller pumps. The most recent generation of centrifugal pumps uses magnetic levitation motor technology to drive the pump without any contact between the pump and the motor. Magnetic levitation eliminates the use of a rotating rod, which can promote hemolysis and thrombus formation. Before being put on the market, each pump model undergoes a standardized test on a test bench, which only explores hemolysis under well-defined conditions that do not necessarily reflect clinical practice. Computational fluid dynamics (CFD) allows an evaluation of the pump by 3D modeling and simulation of fluid flow. These “in-silico” trials make it possible to analyze and optimize at a lower cost the design and performance of pumps in terms of hydraulic performance and hemocompatibility. Some teams have compared several pump models in vitro and in silico, but have not taken into account the most recent models, and have mainly focused on the evaluation of hemolysis at standard flow values. Thus, the objective of this research work will be to carry out a multidimensional evaluation of the ECMO pumps used routinely in our clinical department, integrating the most recent models. We will retrospectively analyze the different pumps used in our department, and we will study the hydraulic performances of each pump, as well as their impact on hemolysis, platelet function and coagulation capacity on whole blood, in vitro on a test bench, in silico by simulation and in-vivo on an animal model.