Même l’activité physique intense des astronautes ne peut compenser l’atrophie musculaire causée par la microgravité. Cette atrophie est due en partie au mécanisme régulant l’absorption du calcium. Des études récentes ont montré que les vols spatiaux altèrent l’absorption du calcium par les muscles. Cependant, les mécanismes moléculaires à l’origine de ces changements sont mal compris.
Des chercheurs du Centre de recherche Ames ont étudié ces mécanismes en utilisant l’apprentissage automatique (AA) pour identifier des tendances dans des ensembles de données obtenus auprès de souris exposées à la microgravité. Les méthodes d’AA sont particulièrement efficaces pour identifier des tendances dans des données biologiques complexes et conviennent parfaitement à la recherche en biologie spatiale, où de petits ensembles de données sont souvent combinés pour accroître la puissance statistique. Ce résultat a été rapporté dans l’étude «Explainable Machine Learning Reveals Multi-omics Signatures of Muscle Response to Spaceflight in Mice», Microgravity, décembre 2023.
ISS032-E-011701 (4 août 2012) – L’astronaute de la NASA Sunita Williams, ingénieure de vol de l’Expédition 32, équipée d’un harnais élastique, effectue des exercices sur le tapis roulant à résistance externe à charge de travail combinée (COLBERT) du nœud de tranquillité de la Station spatiale internationale. NASA
Cette image montre l’astronaute de la NASA Sunita Williams, ingénieure de vol pour l’Expédition 32, s’entraînant sur un tapis roulant à bord de l’ISS. La musculation peut contrer les effets négatifs de la microgravité sur l’atrophie musculaire, mais une nouvelle étude du Centre de recherche Ames de la NASA vise à comprendre les mécanismes physiologiques impliqués dans ce processus et à identifier des biomarqueurs susceptibles de servir de base à des contre-mesures innovantes. Cette étude était un projet du Programme de formation aux sciences de la vie spatiales de la NASA, financé par le Centre de recherche Ames de la NASA.
L’analyse par apprentissage automatique identifie les facteurs moléculaires responsables des modifications physiologiques de la pompe SERCA (canal calcique du réticulum sarcoplasmique/endoplasmique) qui entraînent des modifications et une perte de masse musculaire chez les rongeurs lors des vols spatiaux. Des modèles d’apprentissage automatique ont été créés pour identifier des protéines capables de prédire la tolérance à la microgravité en termes d’absorption de calcium musculaire. Les protéines Acyp1 et Rps7 se sont révélées être les biomarqueurs les plus prédictifs associés à une augmentation de l’absorption de calcium dans les muscles à contraction rapide.
Cette étude présente la première étude des effets de l’apprentissage automatique sur l’absorption du calcium musculaire en microgravité. Elle démontre le rôle de l’initiative «Science ouverte» de la NASA dans l’accélération du développement de la biologie spatiale grâce à son utilisation au sein de l’Open Science Data Repository (OSDR) et des groupes de travail d’analyse ARC, ainsi qu’à la participation d’une équipe de recherche internationale composée des États-Unis, du Canada, du Danemark et d’Australie. Il est à noter que le premier auteur de l’article était un étudiant de l’UC Berkeley, ce qui démontre le potentiel infini de la collaboration NASA-Berkeley en matière de recherche en sciences de la vie, notamment au sein du futur Centre spatial de Berkeley, au sein du parc de recherche de la NASA.
Des scientifiques ont découvert que les cellules cardiaques «ne se portent pas bien dans l’espace». Des scientifiques de l’Université Johns Hopkins ont envoyé 48 échantillons de tissu cardiaque bio-ingénié à la Station spatiale internationale, où ils ont été surveillés pendant 30 jours et comparés à des échantillons identiques sur Terre.
Une équipe de scientifiques a étudié comment la faible gravité affecte des mesures telles que la force de contraction cellulaire, connue sous le nom de force contractile, et tout modèle de battement irrégulier.
Les résultats ont été alarmants: les scientifiques ont découvert que les cellules cardiaques «se comportaient vraiment mal dans l’espace», se contractant avec environ la moitié de la force des échantillons de contrôle sur Terre, mais ce n’était pas inattendu.
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Des études antérieures ont montré qu’après leur retour sur Terre, les astronautes présentaient une diminution de la fonction cardiaque et des troubles du rythme cardiaque, appelés arythmies. Si certains de ces effets du voyage spatial s’estompent avec le temps, ce n’est pas le cas de tous, ce qui aura de graves conséquences sur les missions spatiales de longue durée.
Kim Duk-Ho, professeur de génie biomédical et de médecine à la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins, a dirigé le projet d’envoi de tissu cardiaque vers la station spatiale. Avec son étudiant de troisième cycle, Jonathan Tsui, il a créé du tissu cardiaque bio-ingénié à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines (CSPi).
Les cellules ont été cultivées dans des dispositifs « organes sur puce » : des modèles miniatures de divers organes dans lesquels des tissus et cellules, artificiels ou naturels, sont cultivés à l’intérieur de puces microfluidiques. Dans ce cas, la puce 3D a été conçue pour imiter un cœur humain adulte dans une chambre deux fois plus petite qu’un téléphone portable standard.
«Une quantité incroyable de technologie avancée dans le domaine des cellules souches et de l’ingénierie tissulaire, des biocapteurs et de la bioélectronique, ainsi que de la microfabrication, a été utilisée pour garantir la viabilité de ces tissus dans l’espace», a déclaré Kim dans un communiqué.
Les scientifiques ont constaté que le tissu confiné présentait des niveaux accrus d’inflammation et de dommages oxydatifs; les protéines appelées sarcomères, qui contribuent à la contraction des cellules cardiaques, sont également devenues plus courtes et plus désordonnées. Ces changements sont comparables à ceux observés chez les personnes atteintes de maladies cardiovasculaires.
De plus, les mitochondries des cellules, leurs centrales énergétiques, sont devenues plus grandes, plus rondes et ont perdu leur forme caractéristique. Ceci suggère également que les cellules cardiaques ont subi un stress ou un dysfonctionnement important dans l’espace, ce qui a probablement entraîné une perturbation de la production d’énergie. Cela pourrait avoir contribué à l’affaiblissement des contractions des cellules cardiaques et à la détérioration générale des cellules observée pendant l’expérience. Ces dommages pourraient également avoir affecté la capacité globale des cellules à fonctionner normalement.
«Beaucoup de ces marqueurs de dommages oxydatifs et d’inflammation sont systématiquement détectés lors des examens post-vol des astronautes», a déclaré Mayr Eun Hyun Ahn, professeur associé au Département de génie biomédical, dans un communiqué.
Les chercheurs ont l’intention de continuer à perfectionner leur «cœur sur puce» pour recueillir davantage de données qui leur permettront de déterminer exactement comment ces dommages se produisent au niveau moléculaire, et ainsi trouver des moyens de garantir la sécurité des astronautes pendant les vols spatiaux de longue durée qui pourraient bientôt devenir une réalité.
Évaluation du FOP en lien avec la maladie de décompression (MDD) en conditions de vol spatial et lors des essais au sol. La maladie de décompression (MDD) est une affection résultant de la formation de bulles de gaz dissous (principalement d’azote) dans le sang et les tissus.
Elle survient généralement lors d’une chute brutale de la pression ambiante, comme lors de la plongée sous-marine, du vol en haute altitude ou d’autres conditions de haute pression. Les bulles de gaz libérées ont divers effets physiologiques et peuvent obstruer les vaisseaux sanguins, provoquer une inflammation et endommager les tissus, provoquant ainsi les symptômes de la MDD.
La NASA classe actuellement les MDD en deux catégories: les MDD de type I, moins graves, entraînent généralement des symptômes musculo-squelettiques, notamment des douleurs articulaires ou musculaires et des éruptions cutanées. Les MDD de type II, plus graves, entraînent généralement des symptômes neurologiques, auriculaires et cardiopulmonaires. Le risque de MDD en vol spatial survient lors des activités extravéhiculaires (EVA), lorsque les astronautes effectuent des tâches de mission à l’extérieur du vaisseau spatial, vêtus d’une combinaison spatiale pressurisée à une pression inférieure à celle de la cabine.
Les protocoles d’atténuation des MDD, basés sur des stratégies visant à réduire la charge systémique en azote, sont mis en œuvre grâce à une combinaison de paramètres environnementaux, de pression de la combinaison et de procédures de préparation du gaz respiratoire (protocoles de préconditionnement) afin de garantir des interventions sûres et efficaces. La physiopathologie des MDD reste mal comprise, car des cas sont observés malgré l’absence de bulles de gaz détectables. Cependant, il s’agit d’une embolie gazeuse veineuse (EGV) de droite à gauche par plusieurs mécanismes potentiels, dont un foramen ovale perméable (FOP).
Un foramen ovale perméable (FOP), l’ouverture entre les oreillettes gauche et droite du cœur, est connu pour être une cause d’accident vasculaire cérébral (AVC) chez les jeunes. S. Mazzucco, L. Lee, L. Binnie, P. M. Rothwell. Département de neurosciences cliniques de Nuffield.
Un foramen ovale perméable (FOP) est un shunt entre les oreillettes droite et gauche du cœur, vestige de la connexion physiologique qui existait dans le cœur fœtal. L’augmentation de la pression auriculaire gauche pendant la période postnatale comprime généralement la valve interseptale contre le septum secundum, et au cours des deux premières années de vie, les septa finissent par fusionner en raison du développement d’adhérences fibreuses. Ainsi, tout le monde naît avec un FOP, et dans environ 75% des cas, celui-ci fusionne après la naissance. Parmi les 25% de personnes chez qui le FOP ne fusionne pas, environ 6% présentent ce que certains considèrent comme un FOP volumineux (> 2 mm). Le diamètre du FOP peut augmenter avec l’âge.
Le problème du foramen ovale perméable (FOP) est que, lors d’un shunt auriculaire droit-gauche, le gaz embolique veineux peut circuler de l’oreillette droite (veineux) vers l’oreillette gauche (artériel) (le « shunt »), contournant la filtration pulmonaire normale des emboles veineux, qui les empêche de pénétrer dans le système artériel. Sans filtration, la présence de bulles dans le système artériel peut entraîner un accident neurologique tel qu’un accident vasculaire cérébral (AVC). Toute activité augmentant la pression auriculaire/veineuse droite par rapport à la pression auriculaire/artérielle gauche (par exemple, manœuvre de Valsalva, compression abdominale) peut faciliter le passage du sang et/ou des emboles à travers le FOP/shunt.
L’objectif du groupe de travail était d’examiner et d’analyser l’état et les progrès de la recherche et des interventions cliniques visant à réduire le risque de FOP et de MDD pendant les vols spatiaux. Les cas de MDD identifiés lors des essais atmosphériques terrestres de la NASA en chambres pressurisées ont conduit à prioriser ce sujet pour une évaluation externe.
Le groupe de travail s’est réuni pendant deux jours au Centre spatial Johnson de la NASA et comprenait des experts et des parties prenantes de la NASA, ainsi que des évaluateurs externes invités issus de domaines tels que la cardiologie, la médecine hypobare, la médecine spatiale et la santé militaire. Au cours de ces travaux, les participants ont été invités à examiner les rapports et les preuves antérieurs relatifs au risque de FOP et de MDD, les documents et informations relatifs à l’expérience et aux pratiques actuelles de la NASA, ainsi que les études de cas et les processus décisionnels ultérieurs. Le groupe de travail a conclu ses délibérations lors d’un forum ouvert, au cours duquel des recommandations pour les pratiques actuelles et futures ont été formulées, lesquelles ont ensuite été synthétisées dans un rapport de synthèse final disponible sur le site web public du groupe de normalisation de l’OCHMO de la NASA.
Maladie de décompression (MDD): Des bulles se forment dans le sang et les tissus, provoquant des lésions localisées. L’embolie gazeuse artérielle (AGE) survient lorsque des bulles pénètrent dans la circulation sanguine et bloquent le flux sanguin, ce qui peut entraîner des lésions tissulaires. Drs Peter N. Shochet et Hau S. Lee, Dr Shochet et Dr Lee, pneumologues pédiatriques.
Dans les contextes à risque extrême/élevé, l’exclusion des personnes présentant un foramen ovale perméable (FOP) et son traitement ne réduisent pas nécessairement le risque de développer un syndrome de décompression (SD) ni ne créent un environnement «sûr». Cela peut entraîner des différences supplémentaires et réduire légèrement le risque global, mais ne l’élimine pas. D’autres facteurs physiologiques contribuent également au risque de développer un SD et peuvent avoir un impact plus important.
Compte tenu des données actuelles et du risque d’exposition continue à la décompression (conformément aux protocoles de la NASA et aux exigences de la norme NASA-STD-3001 visant à atténuer le risque de MDD), le dépistage des anomalies du foramen ovale chez les participants aux vols spatiaux ou aux essais au sol n’est pas recommandé. La meilleure stratégie pour atténuer le risque de MDD consiste à créer l’environnement le plus sûr possible en toute situation, notamment en appliquant des protocoles de pré-décompression efficaces, en garantissant la sécurité et en assurant une prise en charge rapide de la MDD en cas d’apparition de symptômes.
Les experts estiment qu’aucune étude spécifique n’est actuellement nécessaire pour caractériser davantage le FOP avec DCS et exposition à l’altitude en raison du faible risque et de la préférence pour la mise en œuvre de protocoles de sécurité adéquats et pour garantir la disponibilité du traitement à la fois sur Terre et dans l’espace.
Lors de la réalisation de protocoles d’ingénierie sur le terrain, il est nécessaire de garantir le même niveau de capacités de traitement (une chambre de traitement à proximité immédiate du site d’essai) que lors des protocoles de recherche. La capacité à traiter immédiatement les patients atteints de DCS est essentielle pour garantir la sécurité des sujets d’essai.
Risque de thromboembolie veineuse pendant les vols spatiaux. En octobre 2024, le Bureau du médecin-chef de la NASA (OCHMO) a mis en place un groupe de travail chargé d’examiner l’état d’avancement des recherches et des interventions cliniques visant à réduire le risque de thromboembolie veineuse (TEV) pendant les vols spatiaux. Ce groupe de travail s’est réuni pendant deux jours au Centre spatial Johnson de la NASA ; une deuxième réunion sur ce sujet a eu lieu en décembre 2024 au siège de l’Agence spatiale européenne (ESA) à Cologne, en Allemagne.
Le groupe de travail a été formé d’experts internes en la matière de la NASA (SME), du groupe de normalisation OCHMO de la NASA, des parties prenantes de la NASA et de l’ESA et de PME externes, notamment des médecins et des professionnels de la santé d’universités et de centres médicaux de premier plan aux États-Unis et au Canada.
La thrombose veineuse associée aux vols spatiaux (TSV) est un phénomène survenant lors d’un vol spatial, au cours duquel un thrombus (caillot sanguin) se forme dans la veine jugulaire interne (et/ou le système vasculaire associé). Ce thrombus peut être symptomatique (thrombus accompagné, entre autres, d’un gonflement visible de la veine jugulaire interne, d’un gonflement du visage dépassant le degré d’adaptation «nominal» au vol spatial, d’un œdème des paupières et/ou de céphalées) ou asymptomatique. Des thrombus obstructifs ont été détectés chez un très petit nombre de membres d’équipage.
Ce dessin est fourni à titre indicatif uniquement ; les emplacements sont approximatifs et les dimensions ne sont pas à l’échelle. Emplacements approximatifs des caillots sanguins identifiés chez les membres d’équipage. Adapté de «Thrombose veineuse sinusale cérébrale» – Université du Colorado à Denver.
Grâce au traitement, les membres de l’équipage ont pu mener à bien leur mission, et les anticoagulants ont été interrompus plusieurs jours avant l’atterrissage afin de minimiser le risque de saignement en cas de blessure. Certaines thromboses ont complètement disparu après l’atterrissage, tandis que d’autres ont nécessité un traitement complémentaire.
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La pathogénèse proposée de la TVP est appelée triade de Virchow et suggère que la TVP résulte de:
– Des altérations du flux sanguin (c’est-à-dire une congestion),
– Des lésions/modifications de l’endothélium vasculaire, et/ou
– Des modifications de la composition sanguine conduisant à une hypercoagulabilité (c’est-à-dire une prédisposition héréditaire ou une hypercoagulabilité acquise).
Triade de facteurs de risque de thrombose veineuse de Virchow. Bushnitsa, 2017
La stase veineuse, ou congestion veineuse, est un état caractérisé par un ralentissement du flux sanguin dans les veines, entraînant une stagnation. Ce ralentissement peut être dû à des valvules veineuses endommagées ou affaiblies, à l’immobilité et/ou à un manque de contraction musculaire. Les symptômes associés incluent un gonflement, des modifications cutanées, des varices et des ulcères à cicatrisation lente. En médecine terrestre, la thrombose veineuse est généralement causée par des valvules veineuses endommagées ou affaiblies, ce qui peut être dû à de nombreux facteurs, notamment le vieillissement, les caillots sanguins, les varices, l’obésité, la grossesse, la sédentarité, la prise d’œstrogènes et les antécédents familiaux.
Outre les facteurs de risque terrestres de thromboembolie veineuse, des modifications physiologiques associées aux vols spatiaux pourraient jouer un rôle dans le développement de la thromboembolie veineuse en microgravité. Plus précisément, les chercheurs ont étudié les effets des conditions de microgravité et la modification subséquente observée de la circulation sanguine cérébrale, ainsi que son impact potentiel sur la circulation sanguine. Les membres d’équipage de la Station spatiale internationale (ISS) sont en apesanteur en raison de la microgravité, ce qui entraîne une redistribution prolongée de la circulation sanguine des jambes vers la tête. Cette modification prolongée de la circulation sanguine cérébrale en microgravité entraîne un gonflement du visage, une diminution du volume des jambes, une augmentation du volume systolique cardiaque et une diminution du volume plasmatique.
Les membres de l’équipage ont également connu des modifications du flux sanguin pendant les vols spatiaux, notamment un flux veineux rétrograde (FVR) (retour du sang veineux vers le cerveau) et une stase (arrêt ou ralentissement du flux sanguin). Bien que les causes de la stase et du flux sanguin rétrograde observés chez les participants aux vols spatiaux soient mal comprises, l’importance clinique potentielle de ce rôle dans le développement de thromboses nécessite des études plus approfondies.
D’autres problèmes physiologiques associés aux déplacements de fluides sont également étudiés pour déterminer s’il existe une association avec la thromboembolie veineuse (TEV).
Étude Doppler du flux sanguin rétrograde dans la veine jugulaire interne gauche. Yang et Seow, 2009
L’apesanteur chronique peut entraîner un déplacement des fluides corporels, tels que le sang et le liquide céphalorachidien, vers la tête, ce qui peut entraîner un gonflement du nerf optique, des plis rétiniens, un aplatissement du fond d’œil et un œdème cérébral. Cet ensemble de modifications oculaires et cérébrales est appelé syndrome neuro-oculaire associé aux vols spatiaux, ou SANS. Certains astronautes ne ressentent que des modifications mineures dans l’espace, tandis que d’autres présentent des effets cliniquement significatifs. Les effets à long terme de ces modifications sur la santé sont inconnus, mais font l’objet d’études approfondies. Le risque de développer un SANS est plus élevé lors de missions de longue durée.
Sur la base d’avis d’experts et d’une évaluation des facteurs de risque de thrombose, un algorithme a été développé pour faciliter le diagnostic et le traitement des événements thrombotiques en apesanteur pendant le vol. Cet algorithme s’appuie sur une échographie précoce en vol pour déterminer les caractéristiques du flux sanguin dans la veine jugulaire interne gauche et les vaisseaux adjacents.
Cinq ans après un voyage spatial, les astronautes sont en bonne santé cardiovasculaire. Vivre en microgravité modifie le corps humain, généralement pour le pire. Diminution de la densité osseuse, atrophie musculaire et gonflement des yeux: ce ne sont là que quelques-uns des effets secondaires physiques des vols spatiaux de longue durée. Cependant, selon une nouvelle étude, bonne nouvelle pour les astronautes: les séjours prolongés à bord de la Station spatiale internationale (ISS) ne présentent aucun risque pour leurs artères.
Illustration de la plateforme du projet PULSE, qui utilise la lévitation magnétique et acoustique pour imprimer biologiquement un modèle de cœur humain.
Des chercheurs ont étudié 13 astronautes volontaires de la NASA, âgés de 30 à 50 ans, ayant passé entre quatre mois et un an à bord de l’ISS. Ils ont procédé à des échographies des artères carotides et brachiales des participants avant, pendant et immédiatement après le vol spatial, ainsi qu’un, trois et cinq ans plus tard. Étonnamment, les artères de tous les participants semblaient en bonne santé. Un article sur cette étude a été publié le 10 juin 2025 dans le Journal of Applied Physiology.
«Les vols spatiaux de longue durée à bord de l’ISS n’ont pas entraîné d’épaississement de la paroi de l’artère carotide, d’augmentation de la rigidité de l’artère commune, de dysfonctionnement endothélial ni d’apparition de nouveaux symptômes ou signes de maladie cardiovasculaire au cours des cinq premières années suivant un vol spatial de longue durée», ont écrit les chercheurs dans leur étude. Ils ont également noté que tout risque de maladie cardiovasculaire était probablement dû au vieillissement naturel, et non aux vols spatiaux.
Des particules en lévitation, contrôlées par des champs magnétiques et acoustiques, se rassemblent pour former un modèle du cœur humain.
Cependant, l’étude a révélé un stress oxydatif et une inflammation dans les échantillons de sang et d’urine des astronautes, signes de problèmes cardiovasculaires. Ces symptômes ont disparu une semaine après leur retour sur Terre. En définitive, le système cardiovasculaire semble assez résistant aux effets de la microgravité.
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