Espace : altérations de la peau des souris

Une étude a été réalisée sur des souris ayant séjourné trois mois en microgravité dans la Station Spatiale Internationale (ISS).  Un amincissement de la peau lié à une diminution du dépôt de collagène et une altération du cycle de croissance des follicules pileux ont été mis en évidence. Des analyses transcriptomiques ont également révélés des modifications affectant un muscle cutané non porteur, ce qui apportent un éclairage nouveau sur la théorie selon laquelle les muscles posturaux soumis à la microgravité s’atrophieraient en raison du manque de charge corporelle. Les résultats de cette étude menée par le Laboratoire de Biologie des Tissus Conjonctifs de l’Université de Liège sont publiés dans la revue npj Microgravity.

Les voyages touristiques dans l’espace seront-ils un jour comparables à une excursion en mer ou au zoo ? Bien qu’on entende régulièrement  parler de tourisme spatial et d’un prochain vol suborbital organisé par la compagnie Virgin Galactic, l’espace ne deviendra pas de sitôt le nouveau terrain de jeu des hommes. Pendant ce temps d’autres petits habitants de notre planète, nettement plus discrets, ont, eux, déjà effectué ce grand voyage. En effet, outre un équipage composé d’hommes et de femmes astronautes, la station spatiale internationale (ISS) - dédiée à la recherche scientifique dans l’environnement spatial - accueille régulièrement de petits animaux. Ce fut le cas notamment de souris qui ont séjourné 91 jours dans l’espace en 2011 et que des chercheurs de l’Université de Liège ont pu étudier à leur retour sur la terre ferme.

Récolter le fruit d’une bonne collaboration

Le Laboratoire de Biologie des Tissus Conjonctifs (LBTC), dirigé par le Dr Alain Colige au sein du GIGA-R, s’intéresse aux tissus de soutien, tels que la peau, les os ou encore les tendons, dont les cellules sont logées au sein d’une matrice extracellulaire. « Les tissus conjonctifs interviennent dans un grand nombre de processus biologiques et sont impliqués dans de nombreuses maladies dont l’arthrite, l’ostéoporose, les maladies cardiovasculaires ou encore le cancer », explique Alain Colige. Un autre aspect particulièrement intéressant à étudier est la réaction des tissus conjonctifs à différents types de forces mécaniques. « Par exemple, on observe une décalcification des os chez les personnes restant allongées sur des périodes prolongées en raison d’un manque de stimulation mécanique des tissus osseux », explique Alain Colige. La force de gravité terrestre est une des forces mécaniques permanentes auxquelles sont soumis nos tissus conjonctifs. « D’où l’intérêt d’étudier le comportement du tissu conjonctif en microgravité », reprend Alain Colige. En mettant des cellules ou des organismes dans une situation où les forces de gravitation sont quasiment nulles, les chercheurs peuvent en observer les conséquences et en déduire l’influence de la gravité sur la régulation des processus biologiques à l’œuvre au sein des tissus conjonctifs.

Entre les chercheurs de l’ULg et la recherche dans le domaine de la microgravité, c’est une « vieille histoire », comme l’explique Charles Lambert, chef de projet au sein du LBTC. « Quatre membres du laboratoire se sont rendus aux  Etats-Unis au « Florida Institute of Technology » (Melbourne, USA) en 2003 pour préparer des cellules qui devaient partir avec la navette Columbia. Dans ce contexte nous partagions un laboratoire avec des chercheurs italiens de l’Université de Gênes », indique Charles Lambert. L’équipe du LBTC ne le savait pas encore mais cette collaboration jetait les bases d’une autre aventure spatiale.

« Une expérience exceptionnelle »

Quelques années plus tard, une proposition de programme de recherche a été soumise par l’équipe de Gênes avec le soutien de l’Agence spatiale italienne (ASI), de la NASA et de l’Agence spatiale européenne (ESA).  Ce programme visait initialement à étudier le remodelage osseux chez des souris ayant séjourné dans l’ISS.  Nous avons proposé à l’Agence spatiale italienne d‘étudier la peau de ces souris. « Notre demande a été acceptée, ce qui nous a permis de participer à cette expérience exceptionnelle », reprend Charles Lambert. « Les souris ont passé 91 jours dans la station spatiale internationale et la même expérience a été réalisée dans le même module sur terre comme expérience contrôle. Nous avons pu commencer les analyses des tissus en 2011 ».  Une fois de retour sur notre planète, différents organes et tissus des petits rongeurs ont été envoyés à des laboratoires spécialisés aux quatre coins du monde. Charles Lambert et son équipe avaient pour mission d’analyser les conséquences du séjour en microgravité sur la peau de ces souris. « Nous avons effectué trois types d’expériences : des analyses histochimiques réalisées par microscopie, des analyses biochimiques et des analyses transcriptomiques », précise le chercheur. Les premières visaient notamment à étudier l’effet de la microgravité sur la structure de la peau et ses annexes comme les follicules pileux. Les secondes avaient pour objectif principal de mesurer la quantité de collagène présent dans le derme grâce à une technique qui permet de distinguer le collagène nouvellement synthétisé de l’ancien. « Le collagène est la principale protéine du derme qui assure la qualité mécanique de la peau », explique Charles Lambert. Enfin, les analyses transcriptomiques permettaient de quantifier l’ensemble des ARN messagers présents dans un échantillon de peau. « Cette approche nous permet d’analyser l’entièreté du transcriptome de la peau des souris sans à priori, d’identifier les gènes exprimés dans les échantillons et leur niveau d’expression et de comparer ces résultats avec ceux de la peau des  souris restées sur Terre », poursuit Charles Lambert.

Des modifications de la peau surprenantes

Les résultats de cette étude, publiés dans la revue du groupe Nature npj Microgravity (1), ont étonné les scientifiques. « Nous ne nous attendions pas à observer des changements histologiques au niveau du derme et des follicules pileux des souris », indique Charles Lambert. Et pourtant…les analyses montrent clairement que les souris ayant séjourné dans l’espace ont une peau nettement (-15%) plus mince que les souris témoins. « L’amincissement de la peau de ces rongeurs est comparable à celui lié à la vieillesse », précise le scientifique.

Quant aux follicules pileux, la microgravité ne les laisse pas non plus indifférents.  « Lors de leur développement normal, les follicules pileux passent d’une phase anagène (croissance du poil) à une phase catagène (arrêt de croissance et involution) puis à une phase télogène (chute du poil) », explique Charles Lambert. « Chez les souris soumises à la microgravité, de nombreux follicules pileux sont en phase anagène », révèle-t-il. « C’est très surprenant ! Et ces résultats ont été confirmés par les analyses transcriptomiques qui ont montré davantage d’ARN messagers typiques de follicules pileux en phase anagène ».

D’un point de vue biochimique, les observations concernant le collagène dans le derme des souris ont également surpris les chercheurs. « Etant donné que la peau des souris était amincie à leur retour de l’ISS, il était logique de postuler que le collagène du derme était moins bien synthétisé ou plus rapidement dégradé par des enzymes spécifiques», indique Charles Lambert. Les résultats de cette étude mettent en évidence qu’au contraire la synthèse de collagène est augmentée au sein du derme des souris envoyées dans l’espace, mais que les enzymes qui assurent la fabrication d’un collagène de qualité sont probablement moins abondantes. « Une hypothèse serait que le collagène nouvellement synthétisé n’est pas maturé correctement et est rapidement éliminé avant son accumulation, comme cela se passe notamment dans le cas de déficience en vitamine C. Au final, la balance pencherait donc bien vers une diminution de la quantité de collagène au niveau du derme de ces souris », précise le scientifique. Cette hypothèse doit encore être vérifiée.

La peau, un organe trop peu étudié chez les astronautes

Enfin, les analyses transcriptomiques ont permis d’étudier l’expression de 22.000 gènes parmi lesquels 11.000 se sont avérés « actifs ». « Les résultats montrent qu’environ 400 de ces gènes ont une expression modifiée par rapport à celle observée au sein des tissus de souris témoins », explique Charles Lambert. Les scientifiques ont étudié principalement trois familles de gènes : ceux liés aux composants de la matrice extracellulaire (notamment à la synthèse du collagène), ceux participant au développement des follicules pileux et ceux qui codent pour les protéines  musculaires présentes dans le derme. « Les souris possèdent un muscle au niveau du derme qui a disparu chez l’Homme au cours de l’évolution», souligne le chercheur. « Et nous avons remarqué des modifications de ce muscle similaires à celles observées dans d’autres muscles dits « posturaux » chez les souris ayant séjourné dans l’espace », poursuit-il.  Ces résultats montrant qu’un muscle non porteur présente le même type d’altérations apportent un éclairage nouveau sur la théorie selon laquelle les muscles posturaux soumis à la microgravité seraient modifiés en raison du manque de charge corporelle.

Les découvertes réalisées dans le contexte de cette étude montrent que la peau des souris est clairement affectée par la microgravité. Qu’en est-t-il alors de la peau des astronautes qui partent des mois ou, dans l’avenir, des années pour des missions spatiales ? « La peau a été très peu étudiée jusqu’ici chez les astronautes », explique Charles Lambert. « Pourtant il s’agit d’un organe très important qui joue un rôle vital de barrière vis-à-vis de la perte d’eau et de facteurs environnementaux délétères (UV, radiations, pathogènes, …).  Par ailleurs, les astronautes se plaignent souvent de problèmes cutanés tels que des démangeaisons ou des crevasses durant leur mission ». Les scientifiques espèrent que les observations qu’ils ont faites sur la peau de souris inciteront les décideurs à initier des recherches sur l’impact des séjours spatiaux sur la peau des astronautes.

(1)  Thibaut Neutelings, Betty V Nusgens, Yi Liu, Sara Tavella, Alessandra Ruggiu, Ranieri Cancedda, Maude Gabriel, Alain Colige & Charles Lambert. Skin physiology in microgravity: a 3-month stay aboard ISS induces dermal atrophy and affects cutaneous muscle and hair follicles cycling in mice. Npj Microgravity, online 27/05/2015, doi 10.1038/npjmgrav.2015.2