Quelles traces laissent 1 an dans l’espace ? La “Twins Study” (NASA).

Quelles traces laissent 1 an dans l’espace ? La “Twins Study” (NASA).


Alors que Christina Koch a été choisie pour rester 10 mois de plus en orbite dans la station spatiale internationale, la résistance du corps humain aux conditions de vie spatiales fait toujours office de sujets de recherches en médecine spatiale. Ces recherches et analyses sont utilisées afin de comprendre comment le corps réagit dans l’espace et également au temps passé en microgravité. Tout cela bien sûr pour pouvoir préparer de futurs voyages spatiaux vers d’autres astres plus lointains.

C’est en avril dernier (2019) que le résultat d’une étude scientifique réalisée en partenariat avec la NASA a été publié. Cette étude scientifique s’est centrée sur deux astronautes qui ont une petite particularité, ce sont des jumeaux. Je parle des frères Mark et Scott Kelly, astronautes de la NASA. Ces deux astronautes ont tout les deux passés quelques mois à un an dans l’espace.

 

Qui sont les frères Mark et Scott Kelly ?

Photographer: Robert Markowitz

Les jumeaux Kelly sont des astronautes Américains de la NASA. Tous les deux pilotes de chasse, ils ont été sélectionnés en tant qu’astronautes et  pilotes de la Navette Spatiale en 1996.

Mark Kelly a participé à 4 missions navettes entre 2001 et 2011 ; STS-108, STS-121, STS-124 et STS-134. Les deux premières missions comme pilote et les deux dernières comme commandant de mission. Son frère Scott quant à lui a participé à deux missions navettes mais également à deux missions à bord de l’ISS de 1999 à 2011: STS-103, STS-118, Expéditions 25/26, Expéditions 43 à 46.

Mais, la particularité de Scott Kelly est qu’il a passé 1 an à bord de l’ISS durant les expéditions 43 à 46. Le but de cette mission était d’étudier le corps des frères Kelly et les changements dus à une longue période passée en microgravité pendant que l’un était dans l’ISS et l’autre sur Terre. Comme son frère jumeau, Mark, restait sur Terre, les scientifiques ont pu faire une comparaison biologique entre les deux frères après que Scott soit revenu de sa mission.

Le but de cette étude, réalisée par le NASA Human Research Program et des laboratoires de recherche en médecine spatiale, était de comprendre comment les conditions extrêmes de l’Espace, peuvent affecter la physiologie du corps humain. Menée par plusieurs équipes de chercheurs travaillant dans différents domaines scientifiques, 84 chercheurs de 8 États différents et 27 mois ont été nécessaires pour réunir toutes les données utiles à la bonne réalisation de cette étude.

 

 

Qu’est-ce que ça implique de vivre en micropesanteur ?

Photo Credit: (NASA/Bill Ingalls)

Le corps humain n’est pas « fait » pour vivre dans des conditions telles que celles de l’espace. C’est-à-dire que notre corps est parfaitement adapté pour vivre en présence de la gravité Terrestre c’est à dire 1g. Tout le corps se repose sur la gravité. Par exemple, sur Terre, nos vertèbres ont tendance à se « tasser » car nous sommes attirés par la gravité. C’est pour cela que les astronautes « grandissent » dans l’espace, car faute de gravité, la colonne vertébrale s’allonge, ce qui les fait « grandir ». Mais tout cela revient à la normale dès le retour sur Terre. Beaucoup de phénomènes naturels de notre corps fonctionnent grâce à la gravité, comme tout simplement le fait de se nourrir et de digérer (tout est attiré vers le bas).

Comme vous pouvez l’imaginer, quand il n’y a plus de gravité, le corps humain doit se réadapter pour continuer à fonctionner correctement.

 

Vivre dans l’espace implique d’autres contraintes pour notre cher corps de Terrien. Sur Terre, nous sommes protégés des radiations du soleil et des rayons cosmiques. Mais pas dans l’Espace. On estime que les astronautes ont beaucoup plus de chance de développer des cancers au cours de leur vie, notamment à cause du degré de radiations reçu lors de leur séjour dans l’Espace. En effet, l’atmosphère ne les protégeant pas, ils sont directement exposés aux radiations même si les couches isolantes de l’ISS offrent une protection supplémentaire. Le danger de ces radiations sont qu’elles peuvent changer ou briser les molécules d’ADN ce qui peut endommager ou carrément tuer des cellules. 1 jour passé dans l’Espace revient à un an de radiations reçues sur Terre. Comme quoi, on rigole pas trop avec ça…

 

Crédit: ESA.

Le fait de vivre en microgravité pendant un certain temps, équivaut à avoir une vie sédentaire. Sur Terre, le corps est constamment soumis à la force de la gravité et nos muscles (plus précisément les muscles de maintient ou muscles squelettiques) doivent donc en permanence compenser l’effet de cette gravité. Au cours de la journée, nos muscles de maintient vont donc dépenser de l’énergie à notre insu pour contrer la gravité. Le problème, c’est que dans l’espace, le corps ne fait aucun effort pour se déplacer à cause du manque de gravité, il ne se dépense donc pas. C’est l’équivalent de rester avachi sur un canapé pendant 6 mois en continuant de s’alimenter « normalement ». Ce qui augmente la probabilité de développer un diabète de type 2 et tous les problèmes de santé qui peuvent être causés par un mode de vie sédentaire.

 

 

La perte de densité osseuse et musculaire est également un problème pour les astronautes. Du au manque d’utilisation des jambes à cause de la microgravité, les muscles et les os perdent en densité et se fragilisent. Par exemple, des analyses ont été faites en comparant des os atteints d’ostéoporose et des os d’astronautes, le constat était que les os de l’astronaute avaient la même densité que les os atteints d’ostéoporose. Ce qui, en micropesanteur, ne pose pas réellement de problème. C’est surtout dès le retour sur Terre que cela devient plus grave. En effet, la perte de densité osseuse augmente le risque de fractures. C’est également pour ça que les astronautes ont l’obligation de faire 2h30 de sport par jour à bord de l’ISS, pour limiter cette perte de densité osseuse et musculaire (atrophie).

 

Comparaison os “normaux” et os atteints d’ostéoporose. Après un séjour dans l’espace, les os des astronautes ont des similitudes avec les personnes atteintes d’ostéoporose. Crédit: CSA (Canadian Space Agency).

La vision est également perturbée à cause de l’environnement en microgravité. En effet, tous les fluides corporels remontent vers le haut du corps, c’est pour ça que lorsqu’on voit les astronautes dans les premiers jours de leur séjour spatial, leur tête paraît « gonflée ». C’est avec cette pression due à la microgravité qu’est provoquée (souvent) une hypertension intracrânienne. C’est-à-dire que le volume des « fluides » comme le sang et le liquide céphalo-rachidien augmente et compresse les nerfs du système nerveux central et le nerf optique. Ce qui, de moyen-terme à long-terme peut provoquer des problèmes de visions sévères.

Pour réaliser à bien cette mission, des analyses et tests on été effectués avant la mission. Ces tests ont servi de comparaison pour les analyses pendant le séjour et après le retour sur Terre. C’est pour ça qu’on parlera de phases « Preflight (Avant vol), Inflight (En vol) et Postflight (après vol) ».

 

Qu’est-ce qui a changé ?

Scott Kelly travaillant sur une expérience de biologie cellulaire dans le laboratoire Kibo de l’ISS. Crédit NASA.

L’ADN de Scott Kelly a bien été endommagé à cause des radiations durant son séjour. Une augmentation de la fréquence de certaines modifications des chromosomes (qui contiennent notre ADN) a été observée. De telles modifications (inversion et translocation chromosomiques) avaient déjà été montrées chez d’autres astronautes et une étude de 2016 a proposé ces modifications comme marqueur de forte exposition aux radiations. Les modifications sont apparues pendant la phase d’inflight et ont été conservées en postflight. Ces dernières étant des témoins de réarrangement et d’instabilité du génome, ce qui pourrait associer les voyages spatiaux de longues durées avec des effets à long terme sur notre ADN, ainsi que d’éventuels effets néfastes sur notre santé.

Durant cette étude, la NASA s’est également penchée sur l’impact de l’impesanteur sur le système cardiovasculaire. Pour ce qui est de Scott Kelly, la façon dont les fluides corporels remontent vers le haut du corps a été analysée avec attention. Comme je l’ai précisé plus haut, le sang remonte vers la tête et les fluides cérébraux peuvent compresser les nerfs principaux à cause de la pression. Par exemple, sa veine jugulaire s’est épaissie, son débit cardiaque a augmenté, ainsi qu’une augmentation d’épaisseur de la choroïde (une des couches de la paroi du globe oculaire) située en dessous de la fovéa (zone de la rétine où la vision des détails est la plus précise). La paroi des artères carotides de Scott Kelly s’est également épaissie pendant son séjour dans l’ISS, de la phase preflight à postflight (jusqu’à 4 jours près l’atterrissage).

 

Des échographies étaient réalisées pour surveiller l’état des vaisseaux sanguins comme ici ceux affectant la vision. Crédit: NASA.

 

 

Pourtant, certains de ces symptômes sont revenus à la normale dans la phase postflight malgré que d’autres ont subsisté et peuvent présenter un risque important d’aggravation si une autre mission était à prévoir.

 

 

Des signes d’inflammation ont été découverts chez Scott Kelly après sont retour sur Terre. Différentes analyses concernant l’expression des gênes ont indiqué que les voies immunitaires avaient changé à travers tous types de cellules. Les fonctions immunitaires ont été analysées pour découvrir des signes d’inflammation (trois signatures d’inflammations ont été découvertes). Certaines de ces signatures ont augmenté après le retour sur Terre, d’autres ont diminué.

Un autre signe de changement du à la microgravité sont les télomères. Les télomères sont les régions d’ADN répétitives situées aux extrémités des chromosomes. Ils protègent l’intégrité physique de l’ADN pour éviter qu’il ne se détériore. Les télomères raccourcissent au fil des années (division cellulaire), avec l’âge mais également avec le rythme de vie (stress, inflammation etc). Plus les télomères sont courts plus il y aura un risque de maladies liées à l’âge. Dans le cas de Scott Kelly, ses télomères se sont allongés durant la mission mais se sont raccourcis dès sont retour sur Terre du au stress de l’atterrissage, et ont repris une longueur normale quelques mois plus tard. L’équipe en charge de l’étude des télomères en a déduit que l’élongation des télomères pouvait provenir d’un rythme de vie très sain. Durant cette mission, Scott Kelly a suivi un régime alimentaire très strict et contrôlé ainsi que des activités sportives régulières. Cependant, la cause même de l’élongation des télomères reste inconnue.

 

Scott Kelly a également perdu 7 % de sa masse corporelle durant la mission. Les marqueurs concernant la formation et dégradation des os, ont augmenté de 50 à 60 % durant les premiers 6 mois de mission. Durant les 6 mois qu’il restait, ces marqueurs ont diminués jusqu’au retour sur Terre. La formation des os a diminué lors des derniers mois de mission à cause d’une blessure (diminution des exercices physiques).

 

 

Qu’est-ce qui n’a pas (ou très peu) changé ?

Scott Kelly s’injectant le vaccin contre la grippe. Crédit: NASA.

Les fonctions cognitives de Scott Kelly n’ont presque pas été impactées en vol. Son corps s’est plutôt bien adapté à l’environnement spatial. Des changements ont été constastés lors de la phase postflight comme un déclin de vitesse de réaction et de précision. Ce déclin de performances cognitives a persisté pendant 6 mois après être rentré de son séjour sur l’ISS.

Pendant la mission, une première en immunologie à été réalisée : le premier vaccin dans l’espace. Le but était de voir comment le système immunitaire de Scott Kelly allait réagit au vaccin contre la grippe, tout en étant en micropesanteur. Résultat, son système immunitaire à très bien réagit. Le vaccin a agit correctement durant toutes les phases de la mission.

Les changements au niveau du microbiome (bactéries qui se trouvent dans les intestins) ont également été étudiés. En comparant le système digestif de Scott et Mark, ils ont pu remarquer qu’il y avait eu peu de changements pour Scott (adaptation du microbiote à un changement diététique). Son microbiome s’est très bien adapté à l’environnement spatial.

 

Mark Kelly s’injectant aussi le vaccin contre la grippe, sur Terre. Crédit NASA.

Globalement, le corps de Scott Kelly s’est plutôt bien adapté à la vie en micropesanteur. Mais malgré cela, des signes biologiques assez importants peuvent présenter des risques très grave pour le corps humain si il était amené à rester plus longtemps ou à voyager plus longtemps dans l’espace. Et oui, je parle bien des voyages vers Mars. Par exemple, le fait d’être exposé très fortement aux radiations pose un problème assez conséquent pour ce genre de missions (dommages dans l’ADN). Les fluides corporels peuvent provoquer des hypertensions intracrâniennes pouvant altérer la vision à long terme. Les performances cognitives pourront être très perturbées après un voyage très long (si il y a un atterrissage sur Mars) comme des étourdissements et des problèmes d’orientation dans l’espace. La perte de densité osseuse comme musculaire sera également un problème malgré des activités sportives pratiquées régulièrement.

Tous ces éléments montrent que l’être humain n’est pas encore prêt pour supporter un séjour très long en étant dans un environnement spatial. Autant il sera dangereux car il n’y aura pas ou très peu de communications et ou de repères, autant physiologiquement parlant le corps aura subit un énorme stress et modifications biologiques à cause du manque de gravité.

 

Pourtant comme le prouve cette étude, la NASA et les scientifiques sont toujours en quête de recherche et d’innovations pour diminuer tous ces facteurs et problèmes liés au voyage spatial de longue durée.

En France, nous avons également des scientifiques et des médecins qui travaillent sur les effets de la microgravité sur le corps humain. Nous avons des infrastructures comme le MEDES, qui se spécialisent dans la  recherche en médecine et physiologie spatiale.

 

 

Le MEDES, c’est quoi ?

Le MEDES est l’Institut de Médecine et de Physiologie Spatiales. Il se situe à Toulouse, réunissant plusieurs membres comme le CNES, les Hopitaux de Toulouse, le CHU d’Angers et des Universités. Il est constitué de 25 personnes travaillant en médecine, physiologie, ingénierie, informatique etc. Le MEDES se spécialise dans la médecine spatiale (missions spatiales, recherche clinique, recherche technologique) mais aussi dans la recherche clinique (spatial et santé), dans l’e-santé et l’épidémiologie.

Le MEDES apporte un support médical aux missions spatiales : médecine opérationnelle (Suivi médical des astronaute européens à l’EAC), participation à la sélection des astronautes, expertise médicale, et suivi de la réalisation d’expériences de physiologie à bord de l’ISS.

Un des principaux objectifs du MEDES est le support à la recherche médicale spatiale. Via des méthodes de simulation de l’impesanteur comme l’alitement anti-orthostatique, le MEDES essaye de trouver des méthodes pour prévenir les effets de la microgravité et de l’environnement spatial sur le corps humain. Ce système permet d’imiter l’absence de pression sur le squelette et les muscles. Ce qui permet de reproduire le manque d’activité subit par les astronautes au cours de missions spatiales. Cette façon de simuler le manque de gravité permet de comprendre comment le corps humain peut être impacté dans l’environnement spatial et trouver des solutions pour y remédier.

Crédit: MEDES.
Le lit est incliné de façon à ce que le sang remonte plus facilement vers le haut du corps. Credit: MEDES.

Le MEDES utilise également un bac à « immersion seche » qui sert à reproduire l’effet de la microgravité sur le système « sensori-moteur » et cardiovasculaire. C’est un bac rempli d’eau recouvert par une bâche , tenue par des angles. Le sujet de l’expérience vient ainsi s’allonger dans le bac (sur la bâche). Il se retrouve ainsi allongé, sans appui. La masse corporelle de la personne se retrouve allégée par la pression de l’eau. C’est comme si on se baignait dans une piscine mais en étant entièrement au sec, avec la même sensation de flottement.

Crédit: MEDES.

 

 

L’être humain a toujours été en quête d’exploration au fil des siècles. Découvrir d’autres lieux et paysages fait partie de notre condition de “Terrien”. Poser le pied sur Mars est devenu un des objectifs du 21ème siècle. Sauf, que à l’heure actuelle, le corps des Hommes, reste une des contraintes à ce voyage. Physiologiquement parlant, nous ne sommes pas encore capables d’atteindre des planètes aussi lointaines. C’est grâce à des études comme la Twins Study, que nous comprendrons comment repousser tous ces effets néfastes causés par l’environnement spatial. En attendant de nouvelles recherches et innovations, l’ISS et les missions Lunaires restent les premières étapes, avant d’envisager de voyager vers d’autres contrées lointaines de notre galaxie.

 

Remerciements

 

Je remercie chaleureusement, Simon Begrem, doctorant au MMS (Mer Molécules Santé) de Nantes, pour m’avoir aidé tout au long de l’écriture de cet article. (aka le Biologiste de poche).

 


Sources:

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/eaau8650

https://www.space.com/14876-astronaut-spaceflight-vision-problems.html

http://www.asc-csa.gc.ca/eng/sciences/osm/concerns.asp

http://www.asc-csa.gc.ca/eng/sciences/osm/bones.asp

http://www.asc-csa.gc.ca/eng/sciences/osm/muscles.asp

http://www.asc-csa.gc.ca/eng/sciences/osm/radiation.asp

https://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/The_radiation_showstopper_for_Mars_exploration

Article d’Espace & Exploration Mai/Juin 2019, « La Science des Jumeaux Kelly » par Olivier Sanguy.