Note d’application | ElastoSens™ Bio
Mesure des propriétés mécaniques du tissu cardiaque à l'aide d'ElastoSens™ Bio
Introduction
La capacité du cœur à pomper le sang dépend non seulement de son activité électrique, mais aussi des propriétés mécaniques de ses tissus. Ces propriétés — qui vont de l’élasticité à la rigidité en passant par la viscoélasticité — régissent la manière dont le myocarde s’étire, se contracte et se relâche tout au long du cycle cardiaque. De légères modifications de ces propriétés mécaniques peuvent être le signe d’une maladie précoce, tandis que des altérations plus marquées altèrent la capacité du cœur à se remplir et à éjecter le sang. En les étudiant, les scientifiques et les cliniciens peuvent mieux comprendre le fonctionnement d’un cœur sain, détecter les premiers signes de maladie et mettre au point des traitements visant à restaurer ou à préserver ses performances.
Principales propriétés mécaniques du cœur
Élasticité
L’élasticité reflète la capacité du myocarde à retrouver sa forme initiale après avoir subi une déformation. Elle est essentielle au remplissage diastolique, car elle permet aux ventricules d’accueillir le sang entrant, puis de se contracter efficacement en vue de la contraction suivante.
Rigidité
La rigidité correspond à la résistance à la déformation ; elle est souvent quantifiée à l’aide de paramètres tels que le module d’élasticité ou les relations pression-volume. Elle varie de manière dynamique tout au long du cycle cardiaque, avec une faible rigidité pendant la diastole et une rigidité plus élevée pendant la systole.
Conformité
La compliance, qui est l’inverse de la rigidité, décrit la capacité du cœur à se dilater lorsqu’il se remplit. Une compliance réduite limite la capacité de remplissage et constitue un signe caractéristique d’un dysfonctionnement diastolique.
Viscoélasticité
Le cœur présente à la fois un comportement élastique et visqueux, ce qui signifie que sa réponse dépend non seulement du degré d’étirement, mais également de la vitesse de déformation. Cette viscoélasticité influe sur la manière dont le myocarde dissipe ou stocke l’énergie pendant la contraction et la relaxation.
Anisotropie
En raison de la complexité de son architecture fibreuse, le myocarde est anisotrope : son comportement mécanique varie en fonction de la direction de la force appliquée. Cette anisotropie contribue à un épaississement efficace de la paroi et à un pompage coordonné.
Lien entre les maladies et les propriétés mécaniques du tissu cardiaque
Insuffisance cardiaque avec fraction d'éjection préservée (HFpEF)
L’HFpEF est étroitement associée à une rigidité myocardique accrue et à une compliance réduite. Ces modifications altèrent le remplissage diastolique, limitant ainsi la capacité du cœur à répondre aux besoins circulatoires malgré une fraction d’éjection normale.
Fibrose
La fibrose cardiaque, caractérisée par un dépôt excessif de collagène, rigidifie la matrice extracellulaire et modifie son anisotropie. Ce remodelage perturbe la mécanique normale du cœur, contribuant ainsi à un dysfonctionnement tant systolique que diastolique.
Lésion d'ischémie-reperfusion
Au cours de l’ischémie et de la reperfusion qui s’ensuit, la rigidité myocardique évolue de manière dynamique. Les études d’élastographie par ondes de cisaillement mettent en évidence une modification de la rigidité systolique et diastolique, reflétant une altération de la contractilité et de la relaxation au niveau du tissu lésé.
Cardiomyopathie dilatée
Dans la cardiomyopathie dilatée, les modifications des propriétés mécaniques passives et actives — notamment une compliance accrue et une viscoélasticité altérée — entraînent une dilatation des cavités cardiaques, une diminution de la contractilité et une insuffisance cardiaque progressive.
Comment évalue-t-on la mécanique des tissus cardiaques ?
Techniques in vivo (cliniques)
Sur le plan clinique, la rigidité cardiaque peut être évaluée à l’aide de techniques tant invasives que non invasives. L’analyse de la boucle pression-volume par cathétérisme reste la référence en matière d’évaluation de la rigidité des cavités cardiaques. Les approches non invasives sont de plus en plus courantes, notamment l’élastographie par ondes de cisaillement (SWE), qui suit la propagation des ondes dans le myocarde, ainsi que des outils d’imagerie avancés tels que l’élastographie par résonance magnétique (MRE) et l’imagerie par impulsions de force de rayonnement acoustique (ARFI). Ces méthodes fournissent des informations précieuses sur les fonctions diastolique et systolique et jouent un rôle essentiel dans la détection précoce des modifications liées à la maladie.
Techniques ex vivo (recherche)
Dans le domaine de la recherche, les méthodes ex vivo permettent une caractérisation détaillée des propriétés mécaniques du tissu cardiaque. Parmi les techniques couramment utilisées figurent les essais de traction, la rhéométrie de cisaillement et l’indentation (à l’échelle nanométrique et micrométrique), appliquées aussi bien à des cellules isolées qu’à des échantillons de cœur entier. Ces techniques permettent de mettre en évidence l’élasticité, la viscosité et le comportement viscoélastique dans des conditions contrôlées, aidant ainsi les chercheurs à établir un lien entre les modifications moléculaires et la mécanique globale du myocarde.
Étude de cas : Caractérisation mécanique du tissu cardiaque avec ElastoSens™ Bio
Dans le domaine de la biomécanique cardiaque, le ElastoSens™ Bio propose une approche de pointe pour les essais ex vivo. Cet instrument permet une mesure continue et non destructive des propriétés viscoélastiques, garantissant ainsi le maintien de l’intégrité des tissus tout au long des expériences. Sa technologie permet une caractérisation précise des échantillons cardiaques mous et prend en charge la réalisation d’essais répétés sur de longues périodes dans différentes conditions environnementales, élargissant ainsi les informations disponibles au-delà des essais mécaniques traditionnels.
Afin de démontrer les capacités de l’ElastoSens™ Bio, nous avons mené une étude ex vivo sur des échantillons de tissu cardiaque. La section suivante décrit le matériel et les méthodes utilisés dans le cadre de cette expérience, puis présente les résultats, illustrant ainsi un exemple concret d’application de l’appareil.
Matériel et méthodes
Les cœurs de porc et de mouton provenaient d’une exploitation agricole locale. Des échantillons de tissu de forme approximativement cylindrique (diamètre interne de 23 mm, hauteur variable) ont été prélevés à l’aide d’un emporte-pièce de type biopsique. Chaque échantillon a été soigneusement placé dans le support macro de l’instrument ElastoSens™ Bio. Les mesures ont été effectuées à température ambiante, chaque échantillon ayant été testé pendant une minute.
L’instrument fournissait des paramètres viscoélastiques en temps réel, notamment le module de stockage en cisaillement (G′) et le coefficient d’amortissement (Tan𝛿). Pour chaque condition, les résultats ont été exprimés sous forme de valeurs moyennes obtenues à partir de cinq échantillons indépendants, prélevés au même niveau anatomique sur cinq cœurs différents (n = 5).
Figure 1. Échantillon de tissu cardiaque placé dans le support ElastoSens™ Bio macro en vue d’une caractérisation mécanique non destructive.
Résultats et discussion
À l’aide du système de contrôle non destructif ElastoSens™ Bio, la figure 2 montre que le tissu cardiaque de porc présentait un module de stockage en cisaillement plus élevé (G′ = 7,8 ± 1,3 kPa) que celui de mouton (4,1 ± 1,3 kPa), ce qui indique une plus grande rigidité et un stockage d’énergie élastique plus important. À l’inverse, le tissu ovin présentait un coefficient d’amortissement plus élevé (Tanδ = 0,42 ± 0,05 contre 0,36 ± 0,05), ce qui traduit une plus grande dissipation d’énergie visqueuse. Ces propriétés viscoélastiques spécifiques à chaque espèce soulignent que le myocarde porcin est mécaniquement plus rigide, tandis que le myocarde ovin est plus dissipatif.
Nos valeurs concernant le cœur de porc concordent avec celles rapportées par Kolipaka et al. (2010) et Nenadic et al. (2009), qui ont mesuré le myocarde porcin à l’aide de l’élastographie par résonance magnétique et de la vibrométrie par ondes de cisaillement, et ont rapporté des modules de cisaillement compris entre 7,69 et 12,7 kPa. Pour le myocarde ovin, des essais de traction biaxiaux ont fait état de modules de stockage de cisaillement équivalents compris entre 4,4 et 10,2 kPa, avec une moyenne d’environ 6,5 kPa (Pandelani et al., 2025), reflétant des variations régionales et directionnelles au sein des ventricules. Dans l’ensemble, l’ElastoSens™ Bio permet d’effectuer des mesures ex vivo sur des tissus avec une manipulation minimale, dans des conditions contrôlées d’hydratation et de charge. Ce dispositif contrôlé réduit les sources externes de variabilité et permet de saisir la réponse viscoélastique intrinsèque du tissu myocardique.
Figure 2 : Propriétés viscoélastiques du tissu cardiaque chez le mouton et le porc : module de stockage en cisaillement (G′) (à gauche) et rapport d’amortissement (Tan𝛿) (à droite) obtenus à l’aide du système d’analyse non destructive ElastoSens™ Bio (moyenne ± écart-type, n = 5).
Conclusions et perspectives
Les propriétés mécaniques du tissu cardiaque, notamment l’élasticité, la rigidité, la viscoélasticité et l’anisotropie, sont essentielles à la compréhension tant de la fonction physiologique que du remodelage pathologique. La présente étude confirme que les essais viscoélastiques non destructifs réalisés à l’aide de l’ElastoSens™ Bio permettent une mesure fiable des propriétés mécaniques du tissu cardiaque, en capturant des paramètres clés tels que le module de stockage de cisaillement (G′) et le coefficient d’amortissement (Tan𝛿). Cette approche garantit des données précises et reproductibles, offrant ainsi une base solide pour des études comparatives entre différentes espèces et dans diverses conditions.
Au-delà de ces résultats, l’ElastoSens™ Bio offre des avantages uniques pour la recherche dans les domaines cardiovasculaire et des biomatériaux :
- La simplicité de la préparation et de la mise en place réduit au minimum les manipulations et préserve l’hydratation et l’architecture du myocarde.
- La haute sensibilité et la répétabilité garantissent des mesures cohérentes dans les différentes régions cardiaques (oreillettes, ventricules, septum), permettant ainsi de rendre compte de la variabilité intra-organique.
- L’analyse comparative interespèces permet de mener des études translationnelles en comparant directement la mécanique cardiaque chez les modèles animaux et chez l’être humain.
- La polyvalence de cette plateforme permet de tester divers tissus cardiaques et biomatériaux dans des conditions identiques, ce qui s’avère utile pour la mise au point de patchs cardiaques, de matrices de soutien ou de prothèses valvulaires.
- Les applications liées aux tissus artificiels tirent parti de mesures non destructives et répétées qui permettent de suivre l’évolution dynamique des structures myocardiques issues de la bio-ingénierie.
- Une incubation contrôlée et des tests répétés permettent de suivre l’évolution des propriétés viscoélastiques au fil du temps, qu’elle soit due à une ischémie, à des interventions pharmacologiques ou à la progression d’une maladie.
Ensemble, ces capacités font d’ElastoSens™ Bio un outil précieux pour faire progresser la recherche sur les tissus cardiaques, la physiologie comparative et le développement de biomatériaux de synthèse.
Références
Villalobos Lizardi, J. C., Baranger, J., Nguyen, M. B., Asnacios, A., Malik, A., Lumens, J., … & Villemain, O. (2022). A guide for assessment of myocardial stiffness in health and disease. Nature Cardiovascular Research, 1(1), 8-22.
Emig, R., Zgierski-Johnston, C. M., Timmermann, V., Taberner, A. J., Nash, M. P., Kohl, P., & Peyronnet, R. (2021). Passive myocardial mechanical properties: meaning, measurement, models. Biophysical reviews, 13(5), 587-610.
Caenen, A., Keijzer, L., Bézy, S., Duchenne, J., Orlowska, M., Van Der Steen, A. F., … & Vos, H. J. (2023). Continuous shear wave measurements for dynamic cardiac stiffness evaluation in pigs. Scientific Reports, 13(1), 17660.
Kolipaka, A., Araoz, P. A., McGee, K. P., Manduca, A., & Ehman, R. L. (2010). Magnetic resonance elastography as a method for the assessment of effective myocardial stiffness throughout the cardiac cycle. Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 862–870.
Nenadic, I., Urban, M. W., & Greenleaf, J. F. (2009). Ex vivo measurements of myocardial viscoelasticity using shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV). Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2895–2898.
Pandelani, T., Mashosho, E., Walker, C., Scheffer, C., & Franz, T. (2025). Passive biaxial mechanical and microstructural characterization of adult ovine heart ventricles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1500585.
Découvrez comment notre technologie mesure de manière non destructive les propriétés viscoélastiques des biomatériaux mous et des tissus en utilisant des micro-volumes d’échantillons
Articles connexes
La peau n’est pas seulement le plus grand organe du corps, mais également une barrière mécanique dynamique qui protège contre les agressions environnementales, régule l’équilibre hydrique et contribue à la perception sensorielle. Son fonctionnement dépend fortement de l’organisation structurelle du collagène, de l’élastine et d’autres composants dermiques, qui, ensemble, donnent lieu à des comportements mécaniques uniques tels que l’élasticité, la rigidité et la viscoélasticité. La mesure de ces propriétés permet de mieux comprendre comment la peau réagit aux forces exercées au quotidien, qu’il s’agisse d’étirement, de compression ou de cisaillement.
Toutes les cellules du corps humain sont exposées à des forces mécaniques qui régulent leur fonctionnement et le développement des tissus, et chaque type de cellule est spécifiquement adapté aux propriétés mécaniques du tissu dans lequel il se trouve. Les propriétés de la matrice des tissus humains peuvent également évoluer en cas de maladie et, à leur tour, favoriser sa progression.
L'intestin est un segment hautement spécialisé du tube digestif, chargé de l'absorption des nutriments, de l'équilibre hydrique et d'une interaction continue avec le microbiome. Son fonctionnement dépend non seulement de l'activité biochimique, mais également des propriétés mécaniques de la paroi intestinale, qui déterminent la manière dont celle-ci se dilate, se contracte et transporte le contenu luminal. La paroi intestinale est une structure stratifiée composée de la muqueuse, de la sous-muqueuse, de la couche musculaire et de la séreuse, chacune apportant des comportements mécaniques distincts tels que l’élasticité, la compliance et l’anisotropie.
La bio-impression 4D introduit le « temps » comme quatrième dimension, permettant ainsi aux objets imprimés d’évoluer au fil du temps. Des stimuli physiques tels que la lumière, la température ou le magnétisme peuvent induire des transformations. Le processus de bio-impression peut également permettre une libération ciblée de médicaments grâce à des variations de température ou de pH. Les nano-hydrogels peuvent servir de vecteurs de médicaments, guidés par des champs magnétiques, et se dégrader rapidement sous l'action d'enzymes. De plus, les hydrogels peuvent réagir à des signaux biologiques, contribuant ainsi au traitement des tumeurs en libérant des médicaments avant de se biodégrader progressivement.