Les scientifiques de l'université Johns Hopkins Medicine qui ont organisé le séjour de 48 échantillons de tissus cardiaques humains issus du génie génétique pendant 30 jours à la Station spatiale internationale rapportent que les conditions de faible gravité dans l'espace ont affaibli les tissus et perturbé leurs battements rythmiques normaux par rapport aux échantillons terrestres provenant de la même source.
Les scientifiques ont déclaré que les tissus cardiaques « ne se portent pas vraiment bien dans l'espace » et qu'au fil du temps, les tissus à bord de la station spatiale battent environ deux fois moins fort que les tissus de la même source conservés sur Terre.
Ces résultats, disent-ils, élargissent les connaissances des scientifiques sur les effets potentiels de la faible gravité sur la survie et la santé des astronautes lors de longues missions spatiales, et ils pourraient servir de modèles pour étudier le vieillissement du muscle cardiaque et les thérapies sur Terre.
Un rapport sur l'analyse des tissus par les scientifiques sera publié au cours de la semaine du 23 septembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
Des études antérieures ont montré que certains astronautes reviennent sur Terre depuis l’espace avec des problèmes liés à l’âge, notamment une fonction musculaire cardiaque réduite et des arythmies (battements cardiaques irréguliers), et que certains effets, mais pas tous, se dissipent avec le temps après leur retour.
Mais les scientifiques ont cherché des moyens d'étudier ces effets au niveau cellulaire et moléculaire afin de trouver des moyens de protéger les astronautes pendant les longs vols spatiaux, explique Deok-Ho Kim, Ph. D., professeur de génie biomédical et de médecine à la faculté de médecine de l'université Johns Hopkins. Kim a dirigé le projet visant à envoyer des tissus cardiaques à la station spatiale.
Pour créer la charge cardiaque, le scientifique Jonathan Tsui, Ph.D., a incité des cellules souches pluripotentes induites humaines (iPSC) à se développer en cellules du muscle cardiaque (cardiomyocytes). Tsui, qui était doctorant dans le laboratoire de Kim à l'Université de Washington, a accompagné Kim en tant que chercheur postdoctoral lorsque Kim a rejoint l'Université Johns Hopkins en 2019. Ils ont poursuivi les recherches en biologie spatiale à Johns Hopkins.
Tsui a ensuite placé les tissus dans une puce tissulaire miniaturisée et conçue par bio-ingénierie qui enfile les tissus entre deux poteaux pour recueillir des données sur la façon dont les tissus battent (se contractent). Le boîtier 3D des cellules a été conçu pour imiter l'environnement d'un cœur humain adulte dans une chambre de la moitié de la taille d'un téléphone portable.
Pour que les tissus soient transportés à bord de la mission SpaceX CRS-20, lancée en mars 2020 à destination de la station spatiale, Tsui explique qu'il a dû transporter les chambres à tissus à la main dans un avion jusqu'en Floride et continuer à prendre soin des tissus pendant un mois au Centre spatial Kennedy. Tsui est aujourd'hui scientifique chez Tenaya Therapeutics, une entreprise spécialisée dans la prévention et le traitement des maladies cardiaques.
Une fois les tissus à bord de la station spatiale, les scientifiques ont reçu des données en temps réel pendant 10 secondes toutes les 30 minutes sur la force de contraction des cellules, appelée force de contraction, et sur tout rythme de battement irrégulier. L'astronaute Jessica Meir, Ph.D., MS, a changé les nutriments liquides entourant les tissus une fois par semaine et a conservé les tissus à des intervalles spécifiques pour une lecture ultérieure des gènes et des analyses d'imagerie.
L'équipe de recherche a conservé un ensemble de tissus cardiaques développés de la même manière sur Terre, logés dans le même type de chambre, pour les comparer avec les tissus présents dans l'espace.
Lorsque les chambres à tissus sont revenues sur Terre, Tsui a continué à entretenir et à collecter des données sur les tissus.
« Une quantité incroyable de technologie de pointe dans les domaines des cellules souches et de l'ingénierie tissulaire, des biocapteurs et de la bioélectronique, ainsi que de la microfabrication a été utilisée pour assurer la viabilité de ces tissus dans l'espace », explique Kim, dont l'équipe a développé la puce tissulaire pour ce projet et les suivants.
Devin Mair, Ph.D., ancien doctorant dans le laboratoire de Kim et désormais chercheur postdoctoral à Johns Hopkins, a ensuite analysé la capacité des tissus à se contracter.
En plus de perdre de leur force, les tissus du muscle cardiaque dans l'espace ont développé des battements irréguliers (arythmies) – des perturbations qui peuvent provoquer une défaillance du cœur humain. Normalement, le temps entre un battement du tissu cardiaque et le suivant est d'environ une seconde. Cet intervalle, dans les tissus à bord de la station spatiale, est devenu près de cinq fois plus long que dans ceux sur Terre, bien que le temps entre les battements soit revenu presque à la normale lorsque les tissus sont revenus sur Terre.
Les scientifiques ont également découvert, dans les tissus envoyés dans l'espace, que les sarcomères – les faisceaux de protéines des cellules musculaires qui les aident à se contracter – devenaient plus courts et plus désordonnés, une caractéristique des maladies cardiaques humaines.
De plus, les mitochondries productrices d’énergie dans les cellules liées à l’espace sont devenues plus grandes, plus rondes et ont perdu les plis caractéristiques qui aident les cellules à utiliser et à produire de l’énergie.
Enfin, Mair, Eun Hyun Ahn, Ph.D. -; professeure adjointe de recherche en ingénierie biomédicale -; et Zhipeng Dong, doctorant à Johns Hopkins, ont étudié la lecture des gènes dans les tissus conservés dans l'espace et sur Terre. Les tissus de la station spatiale ont montré une production accrue de gènes impliqués dans l'inflammation et les dommages oxydatifs, également caractéristiques des maladies cardiaques.
« Beaucoup de ces marqueurs de dommages oxydatifs et d’inflammation sont systématiquement mis en évidence lors des contrôles post-vol des astronautes », explique Mair.
Le laboratoire de Kim a envoyé un deuxième lot de tissus cardiaques créés en 3D vers la station spatiale en 2023 pour rechercher des médicaments susceptibles de protéger les cellules des effets de la faible gravité. Cette étude est en cours et, selon les scientifiques, Ces mêmes médicaments peuvent aider les gens à maintenir leur fonction cardiaque à mesure qu’ils vieillissent.
Les scientifiques continuent d'améliorer leur système de « tissu sur puce » et étudient les effets des radiations sur les tissus cardiaques au Space Radiation Laboratory de la NASA. La station spatiale est en orbite basse autour de la Terre, où le champ magnétique de la planète protège ses occupants de la plupart des effets des radiations spatiales.
Kim est cofondatrice, membre du conseil consultatif scientifique et actionnaire de Curi Bio, qui développe des plateformes de tissus issus de la bio-ingénierie pour le développement de médicaments. Ahn est l'épouse de Kim et est co-investigatrice ou chercheuse principale des subventions du NIH : UG3EB028094, UH3TR003519 et R21CA220111.
Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health (UG3EB028094, UH3TR003519, UH3TR003271, R01HL164936, R01HL156947, R21CA220111).
D'autres chercheurs ayant contribué à l'étude sont Jeffrey Chen de Johns Hopkins, Ty Higashi, Alec Smith et Nathan Sniadecki de l'Université de Washington, Paul Koenig et Stefanie Countryman de l'Université du Colorado à Boulder, et Peter Lee de l'Université Brown.
