II. Structure osseuse

A) Une structure dans son environnement naturel

          Pour comprendre l'évolution du squelette et du métabolisme osseux dans l'espace, nous allons d'abord présenter la matière osseuse dans son état initial : soumis à la gravité terrestre.

 
➤Définition

  Il existe deux types d'os, les os longs ( tibia-fémur) et les os courts (vertèbres).

L'os d'un mammifère est constitué pour 80% de l'os compact, la partie externe et solide. Le reste est nommé os spongieux ou trabéculaire. Elle est le siège d'une activité métabolique permanente. L'origine de cette activité est l’ostéogenèse, la formation des cellules osseuse qui chez les adultes est en réalité un remaniement.

 

1) La matière corticale

          Les os longs sont composés à 80% d'os cortical ou compact. Ils comportent donc peu d'os spongieux. L'os compact est la partie externe de l'os. Celle-ci est composée d'une suite d'ostéons et se régénère tout les 10 ans environ

Les ostéons sont des unités de structure cylindrique dont l'épaisseur varie entre 100 et 400 micromètres. Il sont composés de lamelles de tissu osseux ( 4 à 20 lamelles ), ce tissu est constitué par des cellules dispersées dans la matrice extracellulaire. Celle-ci est l'ensemble des protéines sur lesquelles sont fixés les sels minéraux (= substance fondamentale). Elle est responsable de l' échange de nutriments entre le plasma sanguin et les cellules osseuses. Ce tissus contient 99% du calcium et 90% du phosphore du corps.

 Toutes ces lamelles sont placés de manière concentrique autour de canaux de Havers, responsables de la vascularisation des os.

Composition d'un os a différentes échelles

Il existe trois types de cellules dans le tissu osseux:

•  Les ostéblastes sont de jeunes cellules. Elles sont au sein de la matrice minéralisée et synthétisent la partie non minérale de leur environnement en la "minéralisant": elles élaborent ainsi la matière organique de l'os. Ce sont des stocks de calcium et de sels minéraux. Elles ont pour rôle de construire l'os et cet effet active l'action des ostéoclastes. Elles s'emmurent entre les lamelles des ostéons, une fois enfermés elles deviennent des ostéocytes.
•   Les ostéocytes sont des cellules matures. Elles sont placés dans des cavités entre les lamelles des ostéons. Bien moins active que les ostéoblastes, elles participent aussi au maintien de la matrice osseuse en élaborant des constituants osseux ou en les détruisant
•  Les ostéoclastes sont des cellules étrangères à la matrice, elles sont dans le tissu en phase de résorption. Leur rôle est de résorber la matière osseuse en libérant les sels minéraux et le calcium notamment. Elles agissent en symbiose avec les ostéoblastes et permettent d'équilibrer la quantité de matière au sein de l'os. Elles sont constituées de protéines d'adhérence qui créent une zone étanche et agissent comme des pompes en diminuant le pH. La sécrétion des enzymes est ajoutée à ce phénomène et la trame osseuse est diminuée.  

Action et composition des cellules osseuses sur la matrice osseuse

Toutes ces cellules sont les garantes de l'équilibre du métabolisme osseux en particulier sa solidité, sa rigidité et son développement.

2) La matière trabéculaire

          La matière spongieuse ou trabéculaire se renouvelle tout les 3 ans. Elle est le siège d'une activité métabolique permanente et est majoritaire dans les os courts comme les vertèbres.

          Elle est formée de travées où se forme de la moelle osseuse rouge qui produit les cellules sanguines ( 1000 par jours chez un humain ), c'est-à-dire les globules rouges et blancs, et les plaquettes. Ces cellules prennent la place des cellules endommagées et détruites. On appelle cela les cellules hematopoïètiques, l'hematopoïèse a lieu chez les humains dans chacun des os  jusqu’à l'age de 5 ans. Elle est ensuite plus marquée dans les os courts, d'où la quantité de matière spongieuse plus importante dans ceux-ci.

Ce type d'os est très friable à cause de la faible densité des lamelles osseuses, il peut s'écraser sous la pression.

Ces lamelles sont les mêmes que celles de l'os cortical, elles contiennent donc des ostéoblastes et des ostéoclastes qui alimentent la régénération de l'os.
 

 

Os spongieux

➤ Des études sur terre pour simuler l'impesanteur

Pour habituer les astronautes, comprendre le fonctionnement du corps et  les effets de l' impesanteur, Les agences spatiales organisent des entrainements et des simulations de la l'absence de pesanteur.

• le Bedrest au MEDES de Toulon en 2014

Le principe du Bedrest est de simuler les conséquences de l'impesanteur sur le corps humain en obligeant les sujets à passer trois mois allongés sur un lit légèrement incliné du côté de la tête. Le corps subira un changement de répartition sanguine de la même manière que si il était en impesanteur en redistribuant davantage le sang sur la partie supérieur du corps. 

 Suivi par un traitement médical rigoureux, les 10 volontaires de l'expérience seront un exemple de l'évolution du métabolisme corporel relativement fiable et beaucoup moins couteux que l'envoi d'un homme dans l'espace.

•  L'immersion sèche au CNES de Toulon 2015

Cet expérience est complémentaire à la précédente, Les volontaires ( 12 hommes ) ont été placés pendant 72 heures dans une baignoire en étant isolés de l'eau par une bâche imperméable. Autour de l'expérience étaient occupés 5 équipes de scientifiques dont les protocoles visaient à étudier l'évolution du corps. Parmi eux, deux équipes étudiaient la structure osseuse, l'une la colonne, l'autre les os longs.

➥ Ces expériences sont les bases des missions spatiales à venir. Elles contribuent à l'entrainement des astronautes, mais surtout aux avancées de la technologie et de la santé de l'homme de part la vie en impesanteur. 

 

 

 B ) Perte osseuse en impesanteur

          Les études menées sur les êtres vivants ayant séjourné dans l'espace, en situation de microgravité montrent une grave perte osseuse. Sans danger durant le séjour, cette fragilité peut cependant entraîner de graves blessures lors du retour dans le système gravitationnelle terrestre.

En effet, en impesanteur, la circulation sanguine inégalement répartie n'apporte plus assez de calcium, hormones et vitamines D et C au os.

Ceux-ci ne sont en effet plus sollicités par les contraintes gravitationnelles. En effet, sur Terre, le renouvellement des os est assuré par le poids que nous exerçons sur eux. 

Ce poids est la conséquence de la pesanteur terrestre. En impesanteur, ce poids disparaît et la force exercée sur notre squelette disparaît. 

            C'est pourquoi les astronautes grandissent d'environ 7cm lors de leur séjour spatial, et reprennent leur taille normale à leur retour sur Terre. De plus, les os ne sont plus autant approvisionnés par le cœur, pour qui l'absence de gravité complique la diffusion du sang jusqu'au membre inférieurs. Le manque d'usage de l'os associé à sa carence en nutriments entraîne sa destruction partielle.

L'os n'est pas figé. Nous l’avons vu précédemment, il est l’objet d’un perpétuel renouvellement. Ce renouvellement de l’os par les ostéoblastes ne pourrait exister sans l'aide de certaines hormones ( ostéocalcine - hormone de croissance - parathormone ). Le sang qui les transporte ne dessert donc plus autant les membres inférieurs et porteurs qui se trouvent donc déficients en hormones. L’ostéogenèse qui n’est plus alimentée par les hormones diminue considérablement La résorption devient alors supérieure à la formation et l'os se fragilise jusqu'à éventuellement fracture.

Radiographie d'un os sain et d'un os ostéoporotique

•  Première étude en 1998 par les canadiens : OSTEO

          Seulement 28 après le premier vol dans l'espace, le problème de la déficience osseuse en microgravité apparaît. L'agence spatiale Canadienne lance alors l'opération OSTEO, un regroupements de trois études sur les os à bord de la navette Discovery.

• La première expérience réalisée permis d'affirmer le lien entre le voyage dans l'espace et les symptômes de l'ostéoporose. Elle est la base de toutes les études menées depuis.
• La deuxième expérience avait pour sujet les effets de la microgravité sur le développement des os et les mécanismes qui provoquent la maladie.
• Finalement, dans la troisième expérience, les scientifiques ont analysé les effets de l'hormonothérapie dans le traitement contre l'ostéoporose.

Grâce à l'expérience OSTEO, les chercheurs ont découvert que certaines cellules osseuses isolées dans l'espace régénèrent les os plus lentement que sur Terre. Cette régénération ralentie est aggravée par l'action accélérée d'autres cellules ( ostéoclastes ), qui causent la dégradation des os.

          Ceci est la preuve que l'ostéoporose est une pathologie de l'espace. Cette maladie est en effet identique aux cas terrestres mais se développe beaucoup plus rapidement dans l'espace à cause du manque de gravité.

•  Étude du Dr Philippe Presley en 2000

Une équipe française a étudié de façon approfondie l'effet de l'apesanteur sur la masse osseuse. Pour ce faire, elle a analysé la densité minérale des os de 15 cosmonautes russes ayant effectué des séjours de durée variable dans la station MIR (entre un et six mois). Le radius (avant bras) et le tibia (jambe) ont été surveillés attentivement, avant le départ, au retour et 6 mois plus tard. 

• Aucune variation n'a été notée en ce qui concerne le radius, mais en revanche, une diminution osseuse significative a été mesurée au niveau du tibia à partir de deux mois de mission. Cette déperdition est variable en fonction de chaque sujet et proportionnelle au temps passé en état d'apesanteur. 
• Ces résultats montrent également qu'une récupération a lieu, toutefois encore incomplète, six mois après le retour. 

        Nous avons ici la preuve de la fragilisation osseuse en impesanteur en particulier des os longs inférieurs car ils ne sont d'aucune utilité dans l'espace contrairement aux muscles du bras qui sont essentiels pour toutes les missions de l'astronaute.  

⏩ Suite de l’étude par l’agence spatiale Canadienne en 2007 : eOSTEO 

  Une expérience spatiale automatisée de conception canadienne

Le système eOSTEO offrira à la communauté internationale des chercheurs des conditions propices à la croissance de cellules osseuses en microgravité. Devant être lancés en 2007, deux systèmes eOSTEO resteront en orbite autour de la Terre pendant 12 jours à bord d'un satellite russe. Ces deux systèmes seront répartis entre les canadiens et les européens. 

• Pendant ce temps, les mêmes expériences sont réalisées au sol pour que les chercheurs puissent comparer la croissance des cellules osseuses dans l'espace au phénomène qui se produit en impesanteur.  La comparaison montre une importante différence entre les résultats terrestres et spatiaux. Dans ces derniers, la multiplication des cellules est diminuée de moitié.  

 
L'expérience eOSTEO nous prouve que les cellules, alimentées et irriguées différemment dans l'espace, sont bien moins nombreuses et actives que ces mêmes cellules lors de  l'expérience terrestre. C'est le lien évident entre la différence de circulation sanguine et l'apport en nutriments de l'os et son développement.

  

⏩ Etude du Medical College of Georgia sur le lien entre la nutrition et les os

Astronaute dans l'ISS

Une autre étude a recherché une éventuelle connexion entre l’alimentation et la destruction de l’os. L’ingestion de nourriture provoque la sécrétion d'un certain hormone appelé : glucose-dependent insulinotropic peptide. Il sert à augmenter la circulation de l’insuline dans le sang après avoir mangé, qui à son tour déclenche l’action de cellules pour absorber le glucose fournissant de l'énergie du sang.

Les cellules osseuses sont sensibles aussi à cet hormone. 

• Les chercheurs de l’étude ont remarqué que lors d'une action de ces hormones sur les molécules réceptrices des cellules osseuses, les ostéoclastes voient leur activité baisser contrairement aux ostéoblastes dont l’activité augmente.

Le déséquilibre de nutrition dans l’espace et la carence en certain nutriments empêchent la sécrétion de cet hormone en particulier.

C’est une cause importante de la perte osseuse en impesanteur.

          
        Dans l’espace, les os longs ne sont pas les seuls à subir des changements. Les os courts de la colonne vertebrales sont aussi troublés par l’impesanteur.

On constate qu’en moyenne un  astronaute grandit de 7cm en moyenne durant une mission de plus de 2 mois.

Colonnes vertébrales à gauche d'un homme sur Terre et à droite d'un astronaute de retour de l'espace

        En cas d’ostéoporose, les vertèbres sont beaucoup plus fragiles et fines mais moins poussées les unes contre les autres par la gravité. Elles s’espacent et provoque une très importante fragilité surtout au retour sur Terre

  Sans que cela nécessite une forme de pathologie ostéoporotique, dans l’ espace, la colonne ne subit aucune pression et les courbes naturelles diminuent jusqu’à s’éliminer. C’est ce qui provoque l’augmentation de la taille des individus concernés par cette conséquence de l'impesanteur. Les vertèbres sont aussi soumises à un élargissement en l’absence de contrainte selon les études de la NASA en 2012.

 

          Les effets de cet allongement de la colonne ne durent pas et les astronautes retrouvent leur taille originale environ 1 mois après leur retour. Pourtant les dommages sur les disques intervertébraux sont souvent irréversibles dans beaucoup de situation. Certains astronautes gardent des stigmates et des douleurs de leur séjour dans l’espacelongtemps après leur vol. C’est une très grande priorité pour les agences spatiales de régler ce problème de santé pour les astronautes.

Nous allons poursuivre en évoquant les stratégies mises en place pour luter contre les conséquences de ce changement de gravité.

 

C ) Moyens de contrer les effets de l'impesanteur

1.Des machines pour conserver une integrité physique

          Pour prévenir les dangers, et en attendant les traitements “miracles”, les scientifiques ont cherchés à reproduire des situations de contraintes gravitationnelles pour maintenir en forme le cœur, les muscles et les os des spationautes.

          Les prochaines grandes explorations spatiales se préparent et les équipes spatiales cherchent à optimiser les moyens de s’exercer dans l’espace. La Station Spatiale Internationale ( ISS ) a été conçue notamment pour servir d’exemple d’expérience et mesurer les effets de l’impesanteur sur les humains à grande échelle, à travers des missions pouvant durer jusqu’à trois mois. 

Il était donc nécessaire de placer en son sein des machines permettant aux astronautes de conserver l’intégrité de leur corps, leurs grandes capacités physiques ( nécessaires durant les missions à l’extérieur des stations comme pour prévenir leur retour sur Terre ).

Chaque jour les astronautes doivent effectuer au moins deux heures et demi d’exercice intensif. Le protocole actuel permet à certains astronautes de revenir sur Terre avec une plus grande masse musculaire qu'à leur départ.

   

 La façon de faire de l'activité physique est un peu particulière. Les appareils d'exercice ont été modifiés pour simuler la force que la gravité terrestre exercerait normalement sur le corps des astronautes.

Les membres de l'équipage à bord de la SSI utilisent trois machines à exercices cardiovasculaires et musculaires pour se maintenir en forme.

L'exerciseur à contre-résistance ARED :

• Maintien de la force musculaire et de la densité osseuse en ciblant les grands groupes musculaires.

• Particularités : cette machine est constituée de cylindres sous vide. Ils exercent une résistance jusqu'à 272 kilos sur une barre ou un câble. L'appareil imite les poids et haltères sur Terre.

Robert Thirsk sur l’exerciseur a contre résistance ARED

 

Le tapis roulant

• Maintien du système cardiovasculaire, musculaire et du squelette.
• Particularités : Le harnais et ses cordons à ressorts appliquent une tension aux épaules et aux hanches en fonction du poids corporel de l'astronaute.
   Au début d'une mission, la tension correspond à 60 % du poids de l'astronaute. Puis, la tension est augmentée au cours de la mission et atteint de 85 à 100 % du poids.

L'astronaute Peggy Whitson sur le tapis roulant de l'ISS

Le vélo stationnaire

• Maintien du système cardiovasculaire
• Très simple d’utilisation puisqu'il suffit de s’attacher et de pédaler.
• 

Astronaute sur le vélo stationnaire

2. Une nutrition surveillée et médicalisée

Si avoir une alimentation équilibrée est important sur Terre, cela ne l’est pas moins en impesanteur.

Le corps humain est composé de :

• majoritairement :

• eau : 65 à 70 %
• Protides (protéines des muscles / hormones) : 15 à 20 %
• Lipides ou graisses (tissu adipeux / tissu nerveux / membranes ) : 15 à 20 %

• Composants minoritaires :

• Glucides
• Sels minéraux

           Notre alimentation est assurée par des nutriments, dont les éléments biochimiques sont les composants, “les briques” de toute notre alimentation. Il existe deux  catégories de nutriments :

• Macronutriments = glucides, lipides, protides
• Micronutriments = vitamines, sels minéraux, oligo éléments, phytonutriments

•  Les astronautes doivent donc être certains de recevoir un apport adéquat de vitamines, minéraux, lipides, glucides, protéines, fibres et eau.

Ombre de l'ISS sur la Lune

           À bord de l’ISS, ou de la station MIR, les astronautes sont à l’abri des rayons du soleil : un effet secondaire non négligeable est que la peau ne synthétise pas de vitamine D. Sur Terre, la vitamine D est fabriquée dans la peau lorsqu’une substance chimique, le 7-déhydrocholestérol, réagit avec les rayonnements UV-B. Ces rayonnements sont présents dans la lumière du Soleil à des niveaux dépassant l’indice UV 3. Dans l’espace cependant, les astronautes ne peuvent pas synthétiser de vitamine D et doivent donc manger des aliments enrichis en vitamine D.

         En plus des vitamines, notre corps a aussi besoin de minéraux. Il a, par exemple, besoin de fer pour la production de l’hémoglobine, de la myoglobine et de certaines enzymes. Un séjour prolongé dans l’espace voit le nombre des globules rouges diminuer, nous l’avons précédemment évoqué.  Suite à cela et à la réduction de l’hémoglobine, la quantité de fer requise par le corps diminue également.

L’impesanteur débouche sur une activation du sodium retenant les hormones, même en cas d’apports en sodium normaux, et entraîne un bilan sodium positif. C’est la raison pour laquelle l’apport en sodium des astronautes est surveillé avec soin. Le sodium est un minéral indispensable à l’organisme, qui provient en majorité du chlorure de sodium (le sel de cuisine). C’est un électrolyte qui est impliqué dans la transmission des signaux électriques entre les cellules. C’est, en particulier, un composant vital des nerfs qui stimule la contraction musculaire. En conjonction avec le potassium, il aide à maintenir la distribution d’eau et la pression sanguine. Le sodium joue également un rôle important dans le maintien de l’équilibre acido-basique du corps et donc sur la solidité osseuse.

 
 3. De nouvelles expériences pour contrer les effets de l'impesanteur

⏩ Mission IRRIS 2015 : Andreas Mogensen essaye la Skinsuit 

La mission IRRIS est celle de l’astronaute danois Andreas Mogessen, parti 10 jours dans la Station Spatiale International en Septembre 2015. Parmi les nombreuses expériences et études qu’il a eu à effectuer durant son séjour, il a été chargé par l’ESA de porter une Skinsuit.

La Skinsuit est une combinaison sur mesure destinée à remplacer pour les astronautes la force de la gravité sur leur corps. Il est conçu dans un matériau en tissage bi- directionnel afin de garantir la compression du corps et le maintien du métabolisme. Les objectifs à court terme sont :

• Évaluer l'efficacité de la skinsuit ( notamment pendant la pratique du sport )
• Mesurer la gravité exacte enregistrée dans l' ISS
• Avoir une idée du confort et de l'hygiène envisageable durant les longues missions

Les objectifs sur le long terme sont :

• Régler le problème de l'élongation de la colonne et de la fragilité des os longs pendant les missions spatiales
• Améliorer la compréhension et les traitements causés par la vie en impesanteur. 

         Pendant la mission, Andreas devait mettre sa Skinsuit le matin et la retirer le soir. La base spatiale européenne recevait constamment des mesures sur les changements physiologiques de l'astronaute et sur la mesure de densité relevées par la combinaison.

Cette expérience, loin d'être achevée, a repris son cours lors de la mission PROXIMA de Thomas Pesquet l'an passé ( 2016- 2017 ). Thomas lui aussi équipé d'une Skinsuit sera suivi par l'équipe de l'ESA sur Terre pour juger, évaluer et améliorer cette nouvelle technologie.

Au sein même du projet de l'ESA, l'expérience prévoyait une utilisation sur Terre de la combinaison pour permettre la progression de la médecine terrestre, grâce aux avancées spatiales.

Thomas Pesquet essayant la Skinsuit lors d'un vol parabolique dans un airbus de l'ESA