Une paire d’expériences explorant la densité osseuse, conçues par des ingénieurs de l’Université du Michigan, a quitté la rampe de lancement de Wallops Island, en Virginie, à bord d’une fusée Northrop Grumman Corp. Antares pour la Station spatiale internationale (ISS).
Allen Liu, professeur agrégé de génie mécanique à l’UM, et les membres de son équipe de recherche détaillent comment les expériences dans l’espace peuvent faire la lumière sur l’ostéoporose, une maladie qui touche des centaines de millions de personnes dans le monde, ainsi que comment assurer la sécurité des astronautes.
Quel est le lien entre la densité osseuse, l’ostéoporose et la gravité qui rend cette recherche spatiale pertinente pour les gens ordinaires ?
Allen Liu : L’ostéoporose affaiblit et fragilise les os à mesure que les individus vieillissent, provoquant des fractures même avec des contraintes et des chutes légères. On estime qu’il existe 10 millions de cas aux États-Unis et que 43 millions supplémentaires présentent des signes de faible densité osseuse.
Un environnement en apesanteur, ou microgravité, peut provoquer des changements physiologiques dans les os et présente un environnement de recherche unique sans les contraintes mécaniques typiques de la gravité. Il modifie également rapidement la façon dont les cellules se développent et fonctionnent sans l’utilisation de médicaments ou de génie génétique.
La rigidité d’une cellule peut nous indiquer son âge biologique, prédire comment elle peut décliner en fonction ou sa susceptibilité aux maladies chroniques au fil du temps. Nous testons l’hypothèse selon laquelle lorsque les cellules ne repoussent pas la gravité, cette réduction de la rigidité les rend sensibles au même type de changements que nous voyons dans l’ostéoporose. Mais nous pensons également que nous pouvons prévenir ces effets sur la santé en comprimant mécaniquement les cellules d’une manière qui imite la gravité.
Comment allez-vous regarder la rigidité des cellules dans l’espace ? Qu’est-ce que cela peut vous apprendre sur les astronautes ?
Nadab Wubshet, doctorant en génie mécanique : Nous émettons l’hypothèse que l’absence de gravité peut induire un ramollissement dans les cellules, ce qui pourrait être à l’origine de la perte osseuse observée chez les astronautes après de longs séjours sur l’ISS. Les astronautes font des exercices de résistance à bord pour créer l’effet de compression qui est absent sans gravité.
Pour tester la rigidité des cellules sur l’ISS, nous utilisons un dispositif microfluidique automatisé qui utilise des fluides pour piéger des cellules individuelles et augmenter lentement la pression sur chaque cellule pour induire une déformation. Des marqueurs fluorescents permettent de voir sa forme à chaque niveau de pression. Notre appareil est également intégré dans un système qui prend des instantanés et des vidéos qui nous permettent de collecter des données pour mesurer la rigidité de la cellule.
Comment cela pourrait-il être bénéfique pour la santé humaine ?
Wubshet : Si notre hypothèse s’avère exacte, nos résultats fourniront un excellent aperçu de la façon dont les changements dans les forces physiques comme la gravité affectent les caractéristiques mécaniques des cellules osseuses et la formation osseuse. Une meilleure compréhension de l’impact des forces natives telles que la gravité sur la formation osseuse pourrait fournir des informations sur de meilleurs diagnostics et traitements pour les personnes aux prises avec la carie osseuse.
Mais les applications dans l’espace sont également importantes, surtout compte tenu de l’intérêt croissant pour l’exploration spatiale qui pourrait avoir des astronautes en microgravité pendant de plus longues périodes. Nous espérons développer des solutions pour maintenir la densité osseuse de ces astronautes.
Dans la deuxième expérience, vous essayez de réduire la détérioration des cellules osseuses. Qu’espérez-vous apprendre ?
Grace Cai, doctorante en physique appliquée : Les cellules que nous appelons les « cellules osseuses » sont des ostéoblastes, qui déposent des minéraux et des protéines pour construire l’os quand et où c’est le plus nécessaire. Dans notre étude, nous étudions comment la microgravité affecte l’activité des ostéoblastes.
Les cellules en microgravité subissent une faible tension cellulaire, et nous pouvons augmenter la tension cellulaire en appliquant une compression mécanique. En plaçant des amas sphériques de cellules ostéoblastes humaines en apesanteur et en appliquant une compression, nous pouvons tester si cela favorise le développement et le maintien des cellules osseuses, tout en prévenant la perte osseuse.
Comment les échantillons seront-ils renvoyés sur Terre et comment voyez-vous leur analyse bénéficier aux futurs astronautes ?
Cai : Alors que la première expérience sera gérée à l’ISS, les échantillons de cette deuxième expérience seront renvoyés sur Terre par SpaceX CRS-26 en janvier pour analyse. Nos découvertes ici devraient faire la lumière sur la question de savoir si les combinaisons spatiales et les vêtements compressifs pourraient prévenir la perte osseuse et améliorer la santé osseuse des astronautes exposés à des conditions de microgravité. Ces types de technologies pourraient aider à protéger les équipages voyageant vers et depuis l’ISS, ainsi que vers d’autres destinations.
En plus d’éclairer la recherche sur l’ostéoporose sur Terre, nous prévoyons que nos découvertes seront probablement pertinentes pour d’autres maladies et cancers liés à l’âge. La mécanique cellulaire et les architectures que les cellules construisent, qui sont d’une importance fondamentale pour notre propre étude, sont également importantes dans ces domaines.
Quelles sont les choses les plus intéressantes que vous ayez apprises en tant qu’ingénieur mécanique préparant des expériences pour l’espace ?
Liu : L’un des défis du travail dans un environnement de microgravité est que tout est en apesanteur, donc la manipulation de fluide devient extrêmement difficile. Tout doit être fermé et nos cellules doivent être conservées dans un sac plutôt que sur une boîte de Pétri. Et parce que l’espace est limité sur l’ISS, chaque expérience est emballée dans un petit conteneur CubeLab, d’environ 6,3″ de haut, 8,2″ de long et 12,3″ de large.
En tant que chercheur, je pense que nous sommes habitués aux incertitudes, mais c’est très différent. Beaucoup de choses peuvent mal tourner avec une expérience sur Terre, et il est encore plus difficile de réussir l’expérience dans l’espace. Nous espérons que les expériences se dérouleront sans heurts, et je suis juste content que nous ayons fait le vol.