Alors que les humains se préparent à s'aventurer plus profondément dans l'espace, y compris les voyages potentiels vers Mars, les chercheurs travaillent dur pour essayer de comprendre et d'atténuer les effets de la faible gravité et des radiations sur le corps des voyageurs spatiaux.

"Les gens pensent que la technologie est le facteur limitant du vol spatial, mais ce n'est pas, " dit Thomas Lang, Doctorat, professeur de radiologie et d'imagerie biomédicale à l'UC San Francisco. "La physiologie humaine est le facteur limitant."

Les vols spatiaux semblent avoir un effet particulièrement notable sur l'appareil locomoteur, systèmes cardiovasculaire et immunitaire. De nombreux changements observés par les chercheurs à la suite des vols spatiaux sont similaires à ceux observés avec le vieillissement, bien qu'ils se produisent beaucoup plus rapidement dans l'espace.

"Nous sommes habitués à vivre dans la gravité, " dit Lang.

Alors que les entreprises aérospatiales privées et la NASA rivalisent pour être les premiers à atterrir sur Mars, Chercheurs de l'UCSF, et bien d'autres dans tout le pays, étudient les effets des voyages spatiaux et tentent de trouver des moyens de compenser ces impacts.

Perte osseuse, Mal de dos et prunes séchées

Depuis les premiers vols spatiaux d'Apollo dans les années 60 et 70, les effets de l'espace sur les muscles et les os ont été évidents. Après seulement huit jours en orbite, les astronautes d'Apollo étaient si faibles qu'ils ont dû être retirés de leurs capsules d'atterrissage.

Dans les décennies suivantes, astronautes, comme ceux de la Station spatiale internationale (ISS), ont commencé à faire de l'exercice pour garder leurs os et leurs muscles en forme pendant leurs séjours de six mois. Toujours, de nombreux astronautes souffrent de maux de dos pendant des années après leur retour sur Terre.

Pour comprendre pourquoi le mal de dos survient après l'exposition à une faible gravité, Jeffrey Lotz, Doctorat, la chaire David Bradford de chirurgie orthopédique à l'UCSF, ont récemment étudié la colonne vertébrale des astronautes après leur séjour dans l'espace.

Ce qu'il trouva le surprit.

Il s'était imaginé que les maux de dos provenaient de disques gonflés d'eau qui seraient normalement expulsés en gardant une posture droite en raison de la gravité. Au lieu, il a découvert que la source du mal de dos était le déconditionnement des muscles multifidus, petits muscles qui relient et soutiennent les vertèbres.

Lotz travaille avec la NASA pour concevoir un programme d'exercices multifidus que les astronautes peuvent faire dans les contraintes d'un vaisseau spatial en apesanteur.

L'exercice est la clé non seulement pour la force musculaire, mais aussi pour la santé des os, et Lang étudie l'effet des voyages spatiaux sur les os depuis des décennies. "Les os ne sont pas seulement une charpente dure, ", a-t-il dit. "Ils grandissent et se réparent en réponse aux charges de support contre la gravité."

Un manque de gravité interrompt le cycle naturel de la fonction osseuse, ce qui ressemble à ceci :les cellules osseuses appelées ostéocytes détectent des régions de tension réduite ou de dommages au tissu osseux, déclencher d'autres cellules, appelés ostéoclastes, pour résorber l'os qui n'est plus nécessaire pour faire face à la contrainte ou qui a été endommagé par des contraintes répétitives. Le travail des ostéoclastes déclenche encore une autre cellule, l'ostéoblaste, pour s'installer et reconstruire l'os là où il est nécessaire.

En l'absence de gravité, la reconstruction ne semble pas se produire en raison de la pression réduite sur l'os. Cela peut mettre les astronautes en danger de perte osseuse et de fractures pendant leurs missions. Daniel Vélo, MARYLAND, Doctorat, professeur de médecine et de dermatologie, en utilisant des études sur la souris, ont déterminé que la microgravité affecte la communication entre les cellules osseuses nécessaires au processus de croissance et de réparation osseuse.

"C'est une voie de signalisation bidirectionnelle, " dit Bikle. " Les cellules osseuses régulent la fonction les unes des autres. " Le manque de gravité produit une interruption dans cette signalisation, et les ostéoclastes continuent à résorber l'os, mais les ostéoblastes ne le reconstituent pas. Bikle pense que cette même voie pourrait être impliquée dans l'ostéoporose. Si c'est le cas, démêler les détails devrait fournir un aperçu qui profite à une population bien plus nombreuse que les voyageurs de l'espace.

Lang a évalué la densité osseuse des astronautes revenant de l'ISS et a découvert qu'après six mois, elles avaient perdu entre 6 et 9 pour cent de la densité osseuse totale de leurs hanches – en perdant environ autant en un mois qu'une femme ménopausée en perd en un an. Dans une étude portant sur la perte osseuse de la hanche, Lang et ses collègues ont découvert qu'un an après le vol, la masse osseuse totale a été presque entièrement récupérée mais l'os récupéré a été redistribué, résultant en une architecture osseuse ressemblant à celle d'une personne âgée.

Exposition aux radiations, en plus de la microgravité, pendant les vols spatiaux provoque une perte osseuse pour les astronautes, bien qu'une étude pointe vers une prescription surprenante pour cela.

Bernard Halloran, Doctorat, professeur au Département de médecine, ont constaté que les souris soumises à des radiations et nourries avec un régime contenant de la poudre de prune perdaient beaucoup moins d'os.

Ses prochaines étapes consistent à discerner quels composés dans les pruneaux sont responsables de l'effet. « Cette approche est très prometteuse, mais ce n'est pas aussi simple que d'envoyer des gens dans l'espace avec un camion plein de pruneaux, " a-t-il dit. "Nous devons isoler le composé et le mettre dans une pilule."

Au cœur du problème :le système cardiovasculaire

Le rayonnement et la faible gravité de l'espace ont également un impact sur le système vasculaire du corps, provoquant des problèmes circulatoires pour les astronautes à leur retour sur Terre et un risque accru de crise cardiaque plus tard dans la vie.

Marlène Grenon, MARYLAND, professeur agrégé de chirurgie vasculaire, s'intéresse depuis longtemps aux effets des vols spatiaux sur le système vasculaire. « Les astronautes sont en forme, et les protocoles d'exercice font partie de leur vie, " dit Grenon. " Alors nous voulons savoir ce qui se passe ici. Est-ce un rayonnement ? La gravité? D'autres facteurs physiologiques ?"

Grenon, qui a un diplôme en sciences spatiales de l'Université internationale de l'espace et a développé le premier cours de l'UCSF sur l'effet des vols spatiaux sur le corps, a étudié les effets de la microgravité simulée sur la fonction des cellules endothéliales vasculaires qui tapissent l'intérieur des vaisseaux sanguins.

Grenon a cultivé ces cellules et les a placées dans un environnement simulant une très faible gravité. Elle a découvert que le manque de gravité provoque une diminution de l'expression de certains gènes dans les cellules qui affectent l'adhérence de la plaque à la paroi des vaisseaux. Bien que les implications de ces changements ne soient pas encore claires, il est évident qu'un manque de gravité affecte la fonction cellulaire.

En outre, des travaux antérieurs de Grenon ont montré que la microgravité crée des changements dans les cellules qui conduisent l'électricité dans le cœur, ce qui peut exposer les astronautes à un risque d'arythmie cardiaque.

Les collègues de Grenon Sonja Schrepfer, MARYLAND, Doctorat, et Tobias Deuse, MARYLAND, également professeurs de chirurgie, aident à assembler les pièces de ce puzzle en déterminant quels changements dans la fonction des cellules vasculaires sont évidents après un vol spatial.

Schrepfer en 2016 a étudié les systèmes vasculaires de souris ayant passé du temps sur l'ISS, ainsi que des cellules vasculaires cultivées dans un environnement de microgravité sur Terre. Son équipe analyse toujours leurs données, mais jusqu'à présent, il semble que les parois des artères carotides se soient affinées chez les souris dans l'espace, peut-être parce que la gravité inférieure exigeait moins de pression artérielle pour la circulation.

L'équipe a également découvert que les cellules cultivées présentaient des changements dans l'expression et le contrôle des gènes qui ressemblent aux changements observés chez les patients atteints de maladies cardiovasculaires sur Terre.

Bien que ces changements puissent ne pas nuire à la microgravité de la Station spatiale, sur Terre, ils entraînent une mauvaise circulation sanguine.

"Quand les astronautes retournent à la gravité terrestre, la faiblesse musculaire n'est qu'une partie de la raison pour laquelle ils ne peuvent pas se tenir debout, " a déclaré Schrepfer. " Ils n'ont pas non plus assez de sang dans leur cerveau, parce que la fonction de leurs vaisseaux est altérée."

Il y a de l'espoir :Schrepfer et son équipe ont identifié une petite molécule qui empêche l'amincissement des parois vasculaires chez la souris. Elle et son équipe prévoient de faire des essais d'innocuité de cette molécule sur des humains dans un avenir proche.

Système immunitaire et réparation cellulaire

Schrepfer a également reçu un prix pour étudier les effets de la microgravité sur le système immunitaire en tant que modèle de vieillissement, à la fois dans l'espace et après son retour sur Terre. Elle a une âme sœur en Millie Hughes-Fulford, Doctorat, professeur adjoint de médecine et la première femme scientifique à travailler dans l'espace. Hughes-Fulford a effectué des expériences à bord de la navette spatiale Columbia en 1991, et a étudié les changements dans l'expression des gènes dans les cellules T dans l'espace depuis environ 2003.

"Plus de la moitié des astronautes d'Apollo avaient une sorte de problème immunitaire, " dit-elle. " Alors, nous savions à l'époque que le système immunitaire ne fonctionnait pas bien dans l'espace."

Son travail actuel consiste non seulement à examiner l'expression des gènes, mais également le rôle des microARN (miARN) – de minuscules molécules qui peuvent activer ou désactiver les gènes. Ses recherches ont révélé cinq de ces miARN, dont chacun contrôlait les gènes qui activent les cellules T, ne fonctionnaient pas correctement.

"Avant ça, on pourrait dire que les gènes n'étaient pas activés, mais nous ne savions pas pourquoi, " a déclaré Hughes-Fulford. " Maintenant, nous connaissons les régulateurs des gènes. "

Ces changements sont les mêmes que ceux observés avec le vieillissement, laissant les personnes âgées avec un système immunitaire moins robuste. Dans l'espace, bien que, les changements commencent à se produire après 30 minutes, alors que chez un humain, ils peuvent prendre 30 ans. Les recherches de Schrepfer et Hughes-Fulford pourraient aider les personnes qui voyagent dans l'espace, mais c'est aussi une opportunité d'étudier des changements qui peuvent être difficiles à suivre tout au long des décennies sur Terre.

D'un autre côté, certaines recherches confirment que d'autres fonctions physiologiques peuvent supporter les vols spatiaux.

Fathi Karouia, Doctorat, chercheur professionnel à l'UCSF School of Pharmacy et scientifique au NASA Ames Research Center, a participé à une étude montrant que le processus de réparation de l'ADN - vital pour la santé à long terme d'un organisme - semble être relativement peu affecté par l'environnement des vols spatiaux.

Karouia, qui, au cours des trois dernières années, a participé à de nombreuses expériences sur la fonction cellulaire dans les vols spatiaux, collaboré avec Honglu Wu, Doctorat, du Centre spatial Johnson de la NASA, pour étudier les cellules fibroblastiques cultivées à bord de l'ISS. Leur enquête a examiné comment les vols spatiaux, et la microgravité en particulier, affecte la réponse des cellules aux dommages de l'ADN.

Évaluer les cellules fibroblastiques à leur retour, Karouia et ses collègues ont constaté que les cellules exposées à l'espace réparaient leur ADN aussi efficacement que des cellules similaires restées sur Terre.

"L'histoire n'est pas claire, bien que, " a déclaré Karouia. " La réparation de l'ADN dépend également du type de cellule et des conditions de croissance. Ce genre de travail pourrait nous aider à comprendre les processus de réparation de l'ADN dans toutes les cellules, comment certaines cellules cancéreuses parviennent à se réparer malgré une radiothérapie dommageable. Karouia a dit, des études comme celles-ci aideront à gérer les risques de rayonnement pendant un vol spatial prolongé, y compris la mission vers Mars.

Alors que les recherches sur les effets des voyages spatiaux sur le corps humain se poursuivent, les chercheurs s'accordent à dire qu'avant de pouvoir envoyer des humains sur Mars, nous devons en savoir plus sur ce qui est nécessaire à leur milieu de vie pour les garder en vie et en bonne santé.

"La meilleure façon de tuer un programme est de tuer les personnes qui y participent, " a déclaré Hughes-Fulford. " Si nous envoyons des vaisseaux spatiaux sur Mars, nous devons comprendre comment soutenir les personnes qui y vivent."