La biopile enzymatique au glucose

Dès les années 1930, est apparu le stimulateur artificiel de Hyman dans lequel une manivelle entraînait un générateur de courant alternatif dont les impulsions étaient dirigées vers l’oreillette droite du patient à travers une électrode-aiguille intercostale (1). Les stimulateurs cardiaques sont ensuite devenus portables, sous forme d’appareils externes alimentés par batterie. L'introduction du stimulateur cardiaque entièrement implantable a constitué un réel progrès, suivi par les stimulateurs sans plomb. Les stimulateurs sans batterie, qui utilisent par exemple le mouvement mécanique cardiaque pour générer du courant, font l’objet d’investigations actives (2).

La stimulation cardiaque sans sonde a été établie cliniquement comme une alternative faisable et sûre chez les patients ayant une indication de stimulation monochambre ventriculaire droite. Cependant, des rapports sur la perte de la télémétrie et de la sortie de stimulation en raison d'une brusque panne de batterie ont sérieusement remis en question la sécurité de l'un des systèmes disponibles (3).

Une biopile enzymatique implantable

L’idée de la biopile enzymatique implantable était de générer de l’énergie électrique grâce à des enzymes immobilisées sur des électrodes, à partir de glucose et d’oxygène, présents dans l’organisme et potentiellement inépuisables, du moins tant que les enzymes fonctionnent et que les substrats diffusent librement. Le glucose est oxydé à l’anode par la glucose oxydase qui fournit des électrons au circuit. Ces électrons sont récupérés au niveau de la cathode. La pile produit du courant grâce à l’oxydation du glucose par l’oxygène. Cette oxydation prend normalement beaucoup de temps, mais elle est accélérée par des catalyseurs.

La preuve que ce concept est réaliste a été fournie dès 2010 par l'équipe du Pr Philippe Cinquin (Grenoble) avec la mise au point d'un dispositif de quelques millimètres. Les électrodes biologiques ont la forme d’une pastille contenant les enzymes immobilisées dans un réseau tridimensionnel de matériau nanostructuré.

De multiples avantages

La biopile au glucose fournit suffisamment d’énergie pour alimenter des dispositifs comme un pacemaker. Alors que les stimulateurs conventionnels sont d'assez grande dimension en raison du stockage de la pile, la pile au glucose, théoriquement perpétuelle, est compacte (10 fois plus petites qu’un pacemaker habituel), sûre, puissante et ne nécessite aucun recyclage (car non métallique).

La conception et l'ingénierie des piles à biocarburant progressent et suscitent un intérêt croissant (4). Les défis résident dans l'acquisition d'une puissance suffisante avec un niveau stable, la biocompatibilité, l'encrassement biologique de la pile… La considération des défis physiologiques et éthiques sont également essentiels pour pouvoir envisager des applications cliniques humaines.

D’après la communication du Pr Donald Martin (Grenoble), Printemps de la cardiologie
(1) Nelson GD. Texas Heart Inst J 1993;20:12–8.  
(2) Mulpuru SK et al. J Am Coll Cardiol 2017;69:189-210. 
(3) Richter S et al. Circulation 2018;137:2408-10. 
(4) Zebda A et al. Bioelectrochemistry 2018;124:57-72.