On sait que la microgravité altère les muscles, les os, le système immunitaire et la cognition, mais on sait peu de choses sur son impact spécifique sur le cerveau. Pour découvrir comment les cellules cérébrales réagissent à la microgravité, les scientifiques de Scripps Research, en collaboration avec la New York Stem Cell Foundation, ont envoyé de minuscules amas de cellules cérébrales dérivées de cellules souches appelées « organoïdes » à la Station spatiale internationale (ISS).
Étonnamment, les organoïdes étaient encore en bonne santé lorsqu’ils sont revenus d’orbite un mois plus tard, mais les cellules avaient mûri plus rapidement que les organoïdes identiques cultivés sur Terre ; elles étaient plus près de devenir des neurones adultes et commençaient à montrer des signes de spécialisation. Les résultats, qui pourraient faire la lumière sur les effets neurologiques potentiels des voyages spatiaux, ont été publiés le 23 octobre 2024 dans Médecine translationnelle des cellules souches.
Le fait que ces cellules aient survécu dans l’espace a été une grande surprise. Ceci jette les bases de futures expériences dans l’espace, dans lesquelles nous pourrons inclure d’autres parties du cerveau affectées par une maladie neurodégénérative. »
Jeanne Loring, PhD, co-auteur principal, professeur émérite au Département de médecine moléculaire et directrice fondatrice du Centre de médecine régénérative à Scripps Research
Sur Terre, l'équipe a utilisé des cellules souches pour créer des organoïdes constitués de neurones corticaux ou dopaminergiques, qui sont les populations neuronales touchées par la sclérose en plaques et la maladie de Parkinson, des maladies que Loring étudie depuis des décennies. Certains organoïdes comprenaient également des microglies, un type de cellule immunitaire résidant dans le cerveau, pour examiner l’impact de la microgravité sur l’inflammation.
Les organoïdes sont généralement cultivés dans un milieu liquide riche en nutriments qui doit être changé régulièrement pour garantir que les cellules reçoivent une nutrition adéquate et pour éliminer les déchets. Pour éviter d'avoir à effectuer des travaux en laboratoire sur l'ISS, l'équipe a mis au point une méthode permettant de cultiver des organoïdes plus petits que d'habitude dans des cryotubes ; de petits flacons hermétiques conçus à l'origine pour la congélation.
Les organoïdes ont été préparés dans des laboratoires de la Station spatiale Kennedy et transportés vers l'ISS dans un incubateur miniature. Après un mois en orbite, ils sont retournés sur Terre, où l'équipe a montré qu'ils étaient en bonne santé et intacts.
Pour examiner comment l'environnement spatial influence les fonctions cellulaires, l'équipe a comparé les modèles d'expression de l'ARN des cellules – une mesure de l'activité des gènes – aux organoïdes de « contrôle au sol » identiques qui étaient restés sur Terre. Étonnamment, ils ont découvert que les organoïdes cultivés en microgravité présentaient des niveaux plus élevés de gènes associés à la maturité et des niveaux plus faibles de gènes associés à la prolifération par rapport aux témoins au sol, ce qui signifie que les cellules exposées à la microgravité se développaient plus rapidement et se répliquaient moins que celles sur Terre.
« Nous avons découvert que dans les deux types d'organoïdes, le profil d'expression génique était caractéristique d'un stade de développement plus ancien que celui de ceux qui se trouvaient au sol », explique Loring. « En microgravité, ils se sont développés plus rapidement, mais il est très important de savoir qu'il ne s'agissait pas de neurones adultes, donc cela ne nous dit rien sur le vieillissement. »
L’équipe a également noté que, contrairement à leur hypothèse, il y avait moins d’inflammation et une expression plus faible des gènes liés au stress dans les organoïdes cultivés en microgravité, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer pourquoi.
Loring suppose que les conditions de microgravité pourraient refléter plus étroitement les conditions vécues par les cellules du cerveau par rapport aux organoïdes cultivés dans des conditions de laboratoire conventionnelles et en présence de gravité.
« Les caractéristiques de la microgravité sont probablement également à l'œuvre dans le cerveau des gens, car il n'y a pas de convection en microgravité ; en d'autres termes, les choses ne bougent pas », explique Loring. « Je pense que dans l'espace, ces organoïdes ressemblent davantage au cerveau car ils ne sont pas alimentés par tout un tas de milieu de culture ou d'oxygène. Ils sont très indépendants ; ils forment quelque chose comme un brainlet, un microcosme du cerveau. «
Le document décrit la première mission spatiale de l'équipe, mais depuis lors, ils ont envoyé quatre autres missions vers l'ISS. Pour chacun d’entre eux, ils ont reproduit les conditions de la première mission et ajouté des expériences supplémentaires.
« La prochaine chose que nous prévoyons de faire est d'étudier la partie du cerveau la plus touchée par la maladie d'Alzheimer », explique Loring. « Nous voulons également savoir s'il existe des différences dans la manière dont les neurones se connectent les uns aux autres dans l'espace. Avec ce type d'études, vous ne pouvez pas vous fier à des travaux antérieurs pour prédire quel serait le résultat, car il n'existe aucun travail antérieur. » nous sommes au rez-de-chaussée, pour ainsi dire ; dans le ciel, mais au rez-de-chaussée. »
Ce travail a été soutenu par un financement de la National Stem Cell Foundation.
En plus de Loring, les auteurs de l'étude « Effets de la microgravité sur les organoïdes neuronaux dérivés d'iPSC humains sur la Station spatiale internationale » sont Jason Stein de Scripps Research ; Davide Marotta, Laraib Ijaz, Lilianne Barbar, Madhura Nijsure, Nicolette Pirjanian, Ilya Kruglikov, Scott A. Noggle et Valentina Fossati du New York Stem Cell Foundation Research Institute ; Twyman Clements et Jana Stoudemire de Space Tango ; et Paula Grisanti de la National Stem Cell Foundation.
