Crédit :ESA/NASA
La magnétosphère terrestre nous protège des rayons cosmiques les plus nocifs qui bombardent notre planète mais au-delà de ce bouclier naturel, les astronautes sont soumis à des radiations cent fois plus importantes qu'au niveau de la mer.
Les risques des rayonnements sont au cœur des efforts de recherche de l'ESA. La première « université d'été sur les rayonnements » a eu lieu l'année dernière pour former des étudiants et stimuler de nouvelles idées pour la recherche sur les effets des rayonnements spatiaux sur les humains.
Les jeunes chercheurs ont reçu une introduction à la physique des rayonnements et à la biologie et ont dû penser à des expériences biologiques à exécuter dans un certain nombre d'accélérateurs de particules partenaires de l'ESA en Europe. Les meilleures propositions ont remporté l'opportunité d'allumer l'accélérateur et de tirer des particules atomiques lors de leur expérience.
Irradier les cellules souches
Le premier prix de l'école d'été sur le rayonnement 2019 est allé à Emiliano Bolesani, un chercheur basé en Allemagne, désireux d'identifier la réponse physiopathologique des cellules cardiaques lorsqu'elles sont exposées au rayonnement cosmique. Pour faire ça, Emiliano a proposé d'utiliser des cellules souches pour faire croître des structures de tissu cardiaque qui seront ensuite placées à l'extrémité réceptrice de l'accélérateur de particules du centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds à Darmstadt, Allemagne.
La nouveauté de cette approche est la croissance de microtissus cardiaques pour imiter la composition cellulaire du cœur humain.
Impression d'artiste (pas à l'échelle) idéalisant la façon dont le vent solaire façonne les magnétosphères de Vénus (en haut), Terre (au milieu) et Mars (en bas). Contrairement à Vénus et Mars, La Terre a un champ magnétique interne qui dévie les particules chargées du vent solaire lorsqu'elles s'éloignent du Soleil, creusant une « bulle » – la magnétosphère – autour de la planète. Sur Mars et Vénus, qui ne génèrent pas de champ magnétique interne, le principal obstacle au vent solaire est la haute atmosphère, ou ionosphère. Tout comme sur Terre, le rayonnement ultraviolet solaire sépare les électrons des atomes et des molécules dans cette région, créant une région de gaz électriquement chargé – ionisé :l'ionosphère. Sur Mars et Vénus cette couche ionisée interagit directement avec le vent solaire et son champ magnétique pour créer une magnétosphère induite, qui agit pour ralentir et détourner les particules du vent solaire autour de la planète. Crédit :ESA
Emiliano veut découvrir quel type de cellules sont les plus sensibles aux dommages dus aux radiations :les cardiomyocytes, cellules endotheliales, cellules musculaires lisses ou fibroblastes - et identifier comment ils s'influencent les uns les autres. Les données aideront à créer un modèle analytique pour prédire comment les cellules interagiront les unes avec les autres face au rayonnement.
"J'espère que le système pourra également être utilisé à l'avenir pour dépister des molécules qui pourraient empêcher les cellules des dommages causés par les radiations, " dit Emiliano, de la faculté de médecine de Hanovre.
"C'est passionnant d'utiliser les installations exclusives proposées, mais d'autant plus que cette recherche pourrait avoir des implications directes pour limiter les effets indésirables sur le système cardiovasculaire après radiothérapie. Cette stratégie pourrait être étendue à d'autres organes à l'avenir et pourrait aider à protéger la santé des astronautes tout en explorant l'espace lointain."
L'accélérateur annulaire SIS-18 peut projeter des ions sur des cibles, notamment des cellules biologiques, recréer le rayonnement cosmique. L'analyse de la façon dont les ions interagissent aidera les concepteurs de missions à développer de nouvelles façons de minimiser les risques de rayonnement cosmique. Les ions sont accélérés avec des aimants à 90% de la vitesse de la lumière, soit 270 000 km/s. Cette image montre un élément de diagnostic de faisceau, qui permet aux scientifiques d'analyser la forme du faisceau d'ions lors de son passage. Crédit :Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Un nouvel accélérateur international, la Facilité de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), actuellement en construction près de Darmstadt, Allemagne, au GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI) existant, fournira des faisceaux de particules comme ceux qui existent dans l'espace et les mettra à la disposition des scientifiques pour des études qui seront utilisées pour rendre les engins spatiaux plus robustes et aider les humains à survivre aux rigueurs des vols spatiaux. Par exemple, les chercheurs pourront étudier comment les cellules et l'ADN humain sont altérés ou endommagés par l'exposition au rayonnement cosmique et dans quelle mesure les micropuces résistent aux conditions extrêmes de l'espace. L'élément central de FAIR sera un nouvel anneau accélérateur d'une circonférence de 1100 m, capable d'accélérer des protons à des vitesses proches de la lumière. Les accélérateurs GSI existants seront réutilisés pour servir de pré-accélérateurs pour la nouvelle installation FAIR. Cette image montre l'équipement de haute technologie qui génère les particules, qui sont ensuite injectés dans les systèmes accélérateurs GSI et FAIR. Crédit :GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH/Jan Michael Hosan 2018
Le rayonnement cosmique pourrait augmenter les risques de cancer lors de missions de longue durée. Les dommages au corps humain s'étendent au cerveau, cœur et du système nerveux central et ouvre la voie aux maladies dégénératives. Un pourcentage plus élevé de cataractes précoces a été signalé chez les astronautes. Le champ magnétique et l'atmosphère de la Terre nous protègent du bombardement constant de rayons cosmiques galactiques - des particules énergétiques qui voyagent à une vitesse proche de la lumière et pénètrent dans le corps humain. Une deuxième source de rayonnement spatial provient d'événements de particules solaires imprévisibles qui délivrent de fortes doses de rayonnement en peu de temps, conduisant au « mal des radiations » à moins que des mesures de protection ne soient prises. Crédit :ESA
Suivant… les cellules d'astronautes
Emiliano a travaillé avec une équipe pour proposer une idée plus détaillée pour la collecte de cellules d'astronautes avant et après un vol spatial. Les tissus et organes issus des cellules des astronautes pourraient être placés sous le faisceau d'un accélérateur de particules pour voir leur réaction au rayonnement spatial simulé.
Cette étude pourrait faire la lumière sur les indices cellulaires et moléculaires qui sous-tendent la réponse individuelle au rayonnement spatial.
"Chacun de nous a une sensibilité différente aux radiations, " explique Emiliano, "c'est un problème pour la radiothérapie car elle peut influencer l'efficacité des traitements sur Terre, ainsi que d'avoir des implications pour les astronautes exposés au rayonnement spatial.
"L'autre question derrière cette étude de suivi potentielle est de savoir si les cellules s'adaptent pendant les vols spatiaux et se "souviennent" après leur retour sur Terre - les changements épigénétiques et physiologiques durent-ils plus longtemps ? En d'autres termes, les vols spatiaux sont-ils « capturés » comme une empreinte dans notre ADN ? »
