L’absence de gravité, pour l’organisme humain, est un phénomène contre-nature : il n’y a qu’à regarder les images des astronautes revenant de la station spatiale internationale (ISS) après un séjour de plusieurs mois, pour s’en convaincre. Fonte osseuse, affaiblissement de la masse musculaire, désorientation du système vestibulaire, maux de crâne, nausées… Le déconditionnement est rude et les premières semaines après leur retour sur Terre sont une véritable épreuve.
Si la microgravité dérègle à ce point l’organisme humain, sa modulation, pourrait-elle à l’inverse, le soigner ? C’est l’hypothèse sur laquelle travaillent désormais plusieurs équipes internationales, dont une originaire de l’Université de New York (NYU), dirigée par Alexandra Zidovska, professeure associée au département de physique. Le 23 septembre, ces chercheurs ont publié une étude dans la revue Science Advances, démontrant que l’ADN de cellules humaines exposées pendant 24 h à la microgravité simulée ne subissait aucun dommage. Un constat rassurant qui conforte une hypothèse de plus en plus explorée dans le milieu de la médecine spatiale : peut-on considérer la gravité comme un médicament, pour protéger les astronautes partis pour des missions de longue durée, ou même réhabiliter des patients sur Terre ?
Comment berner la pesanteur terrestre depuis un laboratoire ?
Pour simuler l’apesanteur sans quitter la Terre, l’équipe de Zidovska a fabriqué un dispositif de laboratoire sur mesure baptisé « random positioning machine » : un appareil qui fait tourner des boîtes de culture cellulaire simultanément autour de deux axes indépendants, en changeant continuellement leur orientation dans l’espace. À l’instar des centrifugeuses dans lesquelles s’entraînent les astronautes, elle agit sur la relation entre un organisme et la pesanteur par la seule force de la rotation, mais en l’inversant : la centrifugeuse plaque ce qui se trouve à l’intérieur vers l’extérieur, alors que la machine construite par Zidovska et ses collègues « désoriente ».
Les cellules sont soumises à des changements d’angle si rapides et si aléatoires que la gravité terrestre, pourtant intacte, ne s’exerce jamais assez longtemps dans la même direction pour être « ressentie » biologiquement. Sur la durée de l’expérience, cette dispersion produit une annulation statistique de la pesanteur, et les cellules se retrouvent dans des conditions mécaniquement indiscernables de celles de l’impesanteur.
Cette expérimentation a également permis d’éliminer un biais expérimental qui aurait pu fausser les résultats. Lorsqu’on fait tourner des boîtes de culture cellulaire de cette manière, le liquide nutritif dans lequel baignent les cellules est fortement agité, générant des flux mécaniques qui exercent une pression physique sur les cellules, les déforment et peuvent endommager leur ADN. Le problème, c’est que dans d’autres études antérieures portant sur la même thématique, ces dommages étaient attribués à la microgravité elle-même, alors qu’ils provenaient en réalité de la rotation du dispositif.
Pour éviter cet écueil, Nikitas Kanellakopoulos, doctorant à NYU et premier auteur de l’étude, a collaboré avec Leif Ristroph, professeur associé au Courant Institute of Mathematical Sciences, afin de développer des algorithmes de correction minimisant les courants parasites. La « random positioning machine » (malgré son nom), ajustait automatiquement sa vitesse et sa direction de rotation pour que le liquide reste aussi calme que possible autour des cellules.
Une différence de conception qui s’est montrée efficace, puisque pour la première fois, les effets propres de la microgravité ont pu être séparés de ceux du brassage mécanique. Quand les cellules sont délibérément soumises à des flux de fluide importants, elles s’allongent et leur ADN présente des cassures : des dommages que les études précédentes attribuaient à l’absence de gravité.
Quand ces flux sont réduits au minimum et que la microgravité simulée agit seule, le résultat est diamétralement opposé : la chromatine (l’ensemble formé par l’ADN et les protéines autour desquelles il s’enroule, compacté en une « pelote » organisée à l’intérieur du noyau cellulaire) conserve son intégrité, sans la moindre lésion génétique. Deux modifications mineures seulement ont été observées par les chercheurs : le volume du noyau augmente, et la surface du nucléole, la structure interne du noyau où sont assemblés les ribosomes (les complexes moléculaires qui servent de chaînes de montage pour la totalité des protéines de la cellule), devient plus lisse.
« Sur Terre, le rôle de la gravité est fascinant : c’est une contrainte mécanique constante exercée sur toute chose », explique Zidovska. « Nos données montrent que le génome, son organisation et sa dynamique sont incroyablement robustes et semblent ne pas être affectés par la gravité, ou son absence, après 24 heures », poursuit-elle.
Des résultats encourageants, mais à prendre avec des pincettes puisque les cellules n’ont été exposées que 24 h, un laps de temps très court si on le compare à un réel trajet spatial de longue durée. Radiations cosmiques, particules chargées de haute énergie… « De tels changements pourraient se produire lors d’expositions plus longues et en raison de dommages à l’ADN survenant dans l’espace », concède la chercheuse.
Des séances de centrifugeuse : un complément aux thérapies actuelles
Par ses travaux, Zidovska a démontré que l’absence de gravité ne nuit pas au génome des cellules humaines, du moins à court terme ; d’autres équipes de recherche s’intéressent, au contraire, aux effets de sa manipulation sur l’organisme tout entier. Par exemple, à la Texas A&M University, le laboratoire de bioastronautique conduit, sous financement de la NASA, les études « Gravity Dose ». Durant ces expérimentations, des volontaires humains sont soumis, via une centrifugeuse, à des niveaux de gravité correspondant à ceux de la Lune ou de Mars pour en mesurer l’impact physiologique.
En Europe, l’étude BRACE, conduite à la clinique spatiale MEDES de Toulouse sous l’égide de l’ESA et du CNES, a alité 24 volontaires pendant 60 jours tête en bas pour reproduire le déconditionnement de l’impesanteur, en testant si la combinaison d’exercice et de gravité artificielle par centrifugation pouvait en atténuer les effets.
L’essai clinique GRACER1, mené à l’Université Aristote de Thessalonique, teste l’effet d’une centrifugeuse pour rééduquer des patients atteints de graves pathologies : sclérose en plaques (SEP), séquelles d’AVC, bronchopneumopathie chronique obstructive ou troubles de l’équilibre liés au vieillissement.
Tous ces programmes de médecine expérimentale reposent finalement sur la même hypothèse : la gravité étant un stimulus mécanique universel, elle sollicite l’ensemble de l’organisme sans aucune interaction médicamenteuse ni toxicité chimique. À cet égard, peut-être qu’il serait un jour possible de prescrire une séance de centrifugation comme on prescrit aujourd’hui une séance de kinésithérapie. Les résultats préliminaires de l’essai GRACER1 s’étant montrés assez positifs (20 patients qui ont recouvré une partie de leurs performances cardiovasculaires après 30 semaines de séances à 1,7-2 g), on peut affirmer que ces recherches avancent dans la bonne direction. Il faudra néanmoins d’autres études, portées sur des cohortes considérablement plus importantes, des protocoles reproductibles dans d’autres centres et des suivis sur plusieurs années pour que la gravité artificielle puisse devenir un traitement à part entière. Là réside toute la différence entre médecine expérimentale et médecine clinique : l’une se nourrit de résultats encourageants, l’autre ne se satisfait que de preuves irréfutables, validées par des années de recul clinique.
