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Graphique par Shireen Dooling pour le Biodesign Institute de l'Arizona State University.
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Les astronautes sont confrontés à de nombreux défis pour leur santé, en raison des conditions exceptionnelles des vols spatiaux. Parmi ceux-ci, il y a une variété de microbes infectieux qui peuvent attaquer leur système immunitaire affaibli.
Désormais, dans la première étude du genre, le professeur Cheryl Nickerson de l'Arizona State University (ASU), l'auteur principal Jennifer Barrila et leurs collègues décrivent l'infection de cellules humaines par le pathogène intestinal Salmonella Typhimurium pendant les vols spatiaux. Ils montrent comment l'environnement de microgravité des vols spatiaux modifie le profil moléculaire des cellules intestinales humaines et comment ces modèles d'expression sont encore modifiés en réponse à l'infection. Dans une autre première, les chercheurs ont également pu détecter des changements moléculaires dans le pathogène bactérien à l'intérieur des cellules hôtes infectées. L'infection de cellules épithéliales intestinales humaines par Salmonella typhimurium lors d'un vol spatial à bord de la mission STS-131 de la navette spatiale de la NASA.
Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur le processus d'infection et peuvent conduire à de nouvelles méthodes de lutte contre les pathogènes invasifs pendant les vols spatiaux et dans des conditions moins exotiques ici sur terre.
Les résultats de leurs efforts apparaissent dans le numéro actuel de la revue Nature Publishing Group npj Microgravity.
Contrôle de la mission
Dans l'étude, des cellules épithéliales intestinales humaines ont été cultivées à bord de la mission de la navette spatiale STS-131, où un sous-ensemble des cultures était soit infecté par Salmonella, soit resté en tant que témoins non infectés.
La nouvelle étude a révélé des altérations globales de l'expression de l'ARN et des protéines dans les cellules humaines et de l'expression de l'ARN dans les cellules bactériennes par rapport aux témoins au sol et renforce les conclusions précédentes de l'équipe selon lesquelles les vols spatiaux peuvent augmenter le potentiel de maladies infectieuses.
Nickerson et Barrila, chercheurs du Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, avec leurs collègues, ont utilisé les vols spatiaux comme un outil expérimental unique pour étudier comment les changements des forces physiques, comme ceux associés à l'environnement de microgravité, peuvent modifier les réponses à la fois de l'hôte et du pathogène pendant l'infection.
Dans une série antérieure d'études pionnières sur les vols spatiaux et les vols spatiaux au sol, l'équipe de Nickerson a démontré que l'environnement des vols spatiaux peut intensifier les propriétés pathogènes ou la virulence d'organismes pathogènes comme Salmonella d'une manière qui n'a pas été observée lorsque le même organisme était cultivé dans des conditions conventionnelles en laboratoire.
Les études ont fourni des indices sur les mécanismes sous-jacents de la virulence accrue et comment elle pourrait être apprivoisée ou déjouée. Cependant, ces études ont été effectuées lorsque seuls Salmonella étaient cultivés lors de vols spatiaux et les infections ont été effectuées lorsque les bactéries sont retournées sur Terre.
«Nous apprécions l'opportunité que la NASA a offerte à notre équipe d'étudier l'ensemble du processus d'infection dans les vols spatiaux, ce qui fournit de nouvelles informations sur la mécanobiologie des maladies infectieuses qui peuvent être utilisées pour protéger la santé des astronautes et réduire les risques de maladies infectieuses», a dit Nickerson à propos de la nouvelle étude. «Cela devient de plus en plus important à mesure que nous passons à des missions d'exploration humaine plus longues, plus éloignées de notre planète.»
Sonder un adversaire familier
Les souches de Salmonella connues pour infecter les humains continuent de ravager la société, comme elles le font depuis l'antiquité, provoquant environ 1,35 millions d'infections d'origine alimentaire, 26 500 hospitalisations et 420 décès aux États-Unis chaque année, selon le Centers for Disease Control. Le pathogène pénètre dans le corps humain par l'ingestion d'aliments et d'eau contaminés, où il se fixe et envahit les tissus intestinaux. Le processus d’infection est une danse dynamique entre l’hôte et le microbe, son rythme étant dicté par les signaux biologiques et physiques présents dans l’environnement du tissu.
Malgré des décennies de recherche intensive, les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur les subtilités de l'infection par des pathogènes des cellules humaines. Les bactéries envahissantes comme Salmonella ont développé des contre-mesures sophistiquées aux défenses humaines, leur permettant de s'épanouir dans des conditions hostiles dans l'estomac et l'intestin humains pour échapper furtivement au système immunitaire, ce qui en fait des agents de maladie très efficaces.
La question est particulièrement préoccupante sur le plan médical pour les astronautes lors de missions de vol spatial. Leur système immunitaire et leur fonction gastro-intestinale sont altérés par les rigueurs des voyages dans l'espace, tandis que les effets de la faible gravité et d'autres variables de l'environnement des vols spatiaux peuvent intensifier les propriétés pathogènes des microbes faisant de l'auto-stop, comme Salmonella. Cette combinaison de facteurs présente des risques uniques pour les voyageurs de l'espace travaillant à des centaines de kilomètres au-dessus de la terre, loin des hôpitaux et des soins médicaux appropriés.
À mesure que la technologie progresse, on s'attend à ce que les voyages dans l'espace deviennent plus fréquents - pour l'exploration spatiale, la recherche en sciences de la vie et même comme loisir activité (pour ceux qui peuvent se le permettre). De plus, des missions prolongées avec des équipages humains se profilent à l'horizon pour la NASA et peut-être pour des sociétés de voyage spatial comme SpaceX, y compris des voyages sur la Lune et sur Mars. Un échec à tenir les infections bactériennes à distance pourrait avoir de graves conséquences.
Hide et Seq
Dans la présente étude, les cellules épithéliales intestinales humaines, la principale cible de Salmonella invasifs, ont été infectées par Salmonella lors d'un vol spatial. Les chercheurs ont tenu à examiner comment le contexte du vol spatial affectait la transcription de l'ADN humain et bactérien en ARN, ainsi que l'expression de la suite résultante de protéines humaines produites à partir du code ARN, produits d'un processus connu sous le nom de traduction.
L'étude a impliqué un examen approfondi des profils transcriptionnels de Salmonella pathogènes et des cellules humaines qui sont attaquées ainsi que des profils d'expression des protéines des cellules humaines pour évaluer les effets de l'environnement de vol spatial sur la dynamique hôte-pathogène.
Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé une méthode révolutionnaire connue sous le nom de dual RNA-Seq, qui appliquait une technologie de séquençage en profondeur pour permettre leur évaluation du comportement de l'hôte et du pathogène sous microgravité pendant le processus d'infection et a permis une comparaison avec les expériences précédentes de l'équipe menées à bord de la navette spatiale.
Les données sur les hôtes et les pathogènes récupérées à partir des expériences de vol spatial ont été comparées à celles obtenues lorsque les cellules étaient cultivées sur terre dans des conditions matérielles et de culture identiques (par exemple, milieu, température).
Terre et ciel
Des études antérieures de Nickerson et de ses collègues ont démontré que les cultures d'analogues de vols spatiaux au sol de Salmonella présentaient des changements globaux dans leur expression transcriptionnelle et protéomique (protéine), une virulence accrue et une résistance au stress améliorée - des résultats similaires à ceux produits lors de leurs expériences sur STS-115 et missions de la navette spatiale STS-123.
Cependant, ces études antérieures sur les vols spatiaux ont été effectuées lorsque seules Salmonella était cultivé lors de vols spatiaux et les infections ont été effectuées lorsque les bactéries ont été renvoyées sur Terre.
En revanche, la nouvelle étude explore pour la première fois, une co-culture de cellules humaines et de pathogènes pendant un vol spatial, offrant une fenêtre unique sur le processus d'infection. L'expérience, appelée STL-IMMUNE, faisait partie de la charge utile de perte de tissu spatial transportée à bord du STS-131, l'une des quatre dernières missions de la navette spatiale avant sa retraite.
Les cellules épithéliales intestinales humaines ont été lancées dans l'espace (ou maintenues dans un laboratoire du Kennedy Space Center pour les contrôles au sol) dans des systèmes de culture tissulaire en trois dimensions appelés bioréacteurs à fibres creuses. Les bioréacteurs à fibres creuses contenaient chacun des centaines de minuscules fibres poreuses en forme de paille recouvertes de collagène sur lesquelles les cellules intestinales se fixaient et se développaient. Ces bioréacteurs ont été maintenus dans le module de culture cellulaire, un système matériel automatisé qui pompait des milieux de culture cellulaire chauds et oxygénés à travers les minuscules fibres pour maintenir les cellules en bonne santé et en croissance jusqu'à ce qu'elles soient prêtes pour l'infection par Salmonella.
Une fois en orbite, les astronautes à bord du STS-131 ont activé le matériel. Onze jours plus tard, des cellules de Salmonella Typhimurium ont été automatiquement injectées dans un sous-ensemble de bioréacteurs à fibres creuses, où elles ont rencontré leur cible, une couche de cellules épithéliales humaines.
Les profils ARN-Seq et protéomique ont montré des différences significatives entre les cultures épithéliales intestinales non infectées dans l'espace et celles sur Terre. Ces changements impliquaient des protéines majeures importantes pour la structure cellulaire ainsi que des gènes importants pour le maintien de la barrière épithéliale intestinale, la différenciation cellulaire, la prolifération, la cicatrisation des plaies et le cancer. Sur la base de leurs profils, les cellules non infectées exposées aux vols spatiaux peuvent afficher une capacité de prolifération réduite par rapport aux cultures de contrôle au sol.
Infections loin de chez soi
Les cellules épithéliales intestinales humaines agissent comme des sentinelles essentielles de la fonction immunitaire innée. Les résultats de l'expérience ont montré que les vols spatiaux peuvent provoquer des changements globaux du transcriptome et du protéome des cellules épithéliales humaines, à la fois infectées et non infectées.
Pendant le vol spatial, 27 transcriptions d'ARN ont été modifiées de manière unique dans les cellules intestinales en réponse à une infection, établissant une fois de plus l'influence unique de l'environnement de vol spatial sur l'interaction hôte-pathogène. Les chercheurs ont également observé 35 transcriptions qui étaient généralement modifiées dans les cellules spatiales et terrestres, avec 28 gènes régulés dans la même direction. Ces résultats ont confirmé qu'au moins un sous-ensemble des biosignatures d'infection connues pour se produire sur Terre se produisent également pendant les vols spatiaux. Par rapport aux témoins non infectés, les cellules infectées dans les deux environnements présentaient une régulation génique associée à l'inflammation, un effet caractéristique de l'infection à Salmonella.
Les transcriptions bactériennes ont également été détectées simultanément dans les cellules hôtes infectées et ont indiqué une régulation positive des gènes associés à la pathogenèse, y compris une résistance aux antibiotiques et une réponse au stress.
Les résultats aident à ouvrir la voie à de meilleurs efforts pour protéger la santé des astronautes, peut-être grâce à l'utilisation de suppléments nutritionnels ou de microbes probiotiques. Les études en cours de ce type, à réaliser à bord de la Station spatiale internationale et d'autres habitats spatiaux, devraient éclairer davantage les nombreux mystères associés à l'infection pathogène et le large éventail de maladies humaines dont elles sont responsables.
«Avant de commencer cette étude, nous disposions de nombreuses données montrant que les vols spatiaux reprogrammaient complètement Salmonella à tous les niveaux pour devenir un meilleur pathogène», a dit Barrila. «Par ailleurs, nous savions que les vols spatiaux avaient également un impact sur plusieurs caractéristiques structurelles et fonctionnelles importantes des cellules humaines que Salmonella exploite normalement lors d'infections sur terre. Cependant, il n'y avait aucune donnée montrant ce qui se passerait lorsque les deux types de cellules se rencontraient dans l'environnement de microgravité pendant l'infection. Notre étude indique qu'il y a des changements assez importants dans le paysage moléculaire de l'épithélium intestinal en réponse aux vols spatiaux, et ce paysage mondial semble être encore modifié lors de l'infection par Salmonella.»
Ce travail a été réalisé en collaboration avec des scientifiques du NASA Johnson Space Center, du NASA Ames Research Center, de l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, de Tissue Genesis et du Ministère de la Défense.
