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L'astronaute canadien retraité Robert Thirsk prend plaisir à pédaler à bord de la SSI

L'astronaute canadien retraité Robert Thirsk prend plaisir à pédaler à bord de la SSI (NASA, ASC)

Les STIM en contexte

Les voyages spatiaux et la perte osseuse

Subin Rajendran
Format
Lisibilité
8.25

Résumé

Les astronautes subissent une perte osseuse dans l’espace. Afin de comprendre ce phénomène, il te faut avoir ces quelques connaissances sur la formation des os.

Les voyages spatiaux ont souvent été exploités comme thème au cinéma. Toutefois, les voyages dans l’espace sur de longues distances deviendront une possibilité cool et passionnante pour les gens ordinaires dans un avenir qui n’est plus si lointain. Par exemple, la NASA construit le vaisseau spatial Orion depuis 2009. Un jour, ce vaisseau pourra envoyer des humains au-delà de l’orbite de la Terre, ce qui ne s’est pas produit depuis la dernière mission Apollo sur la Lune en 1972.

Toutefois, il n’est pas encore temps de commencer à planifier ton voyage sur Mars! Les chercheurs en médecine n’ont pas fini d’explorer certains phénomènes. Plus particulièrement, des problèmes de santé très sérieux sont associés aux voyages spatiaux de longue durée. L’un de ces problèmes est celui de la perte osseuse. Les astronautes ont subi une perte osseuse même durant de courts voyages plus près de la Terre.

Le savais-tu?

En date de 2019, 562 personnes au total ont voyagé dans l’espace. Seulement 24 d’entre elles sont allées au-delà de l’orbite de la Terre.

Sur Terre, tu es constamment soumis à une attraction gravitationnelle vers le centre de la planète. Toutefois, lorsque les astronautes se rendent dans l’espace, ils se retrouvent dans une condition appelée apesanteur ou microgravité. C’est ce qui cause la perte osseuse. Afin de mieux comprendre ce phénomène, tu dois avoir quelques connaissances sur la formation des os et sur leur maintien dans ton corps.

De quoi sont faits les os?

Les os sont un type de tissu conjonctif dense qui aide à maintenir le corps ensemble. Les ligaments et les tendons sont aussi des tissus conjonctifs. Comme toute autre partie du corps humain, les os se composent de cellules. Les cellules des tissus osseux sont renforcées par des réseaux de collagène, qui sont formés de concentrations de protéines de collagène. En fait, ton tissu osseux est très semblable à tes cheveux. Ce qui différencie les os des cheveux est le fait que les os contiennent beaucoup de minéraux inorganiques comme le calcium et le phosphate. Ces protéines et minéraux se déposent sur la surface extérieure des cellules osseuses et créent ainsi une enveloppe appelée matrice osseuse. La matrice osseuse donne aux tissus osseux leur solidité.

Section d’un os montrant des vaisseaux sanguins, la moelle osseuse, l’os compact et l’os spongieux.
Section d’un os montrant des vaisseaux sanguins, la moelle osseuse, l’os compact et l’os spongieux (©2019 Parlons sciences, d’après un schéma de Pbroks13 [CC BY 3.0] extrait de Wikimedia Commons).

 

À mesure que tu grandis, tes tissus osseux s’effritent et se reconstruisent constamment. On appelle ce processus le remodelage, et il est très important pour ta santé générale. Les deux principaux types de cellules qui maintiennent et régulent la structure osseuse sont les ostéoblastes et les ostéoclastes.

  1. Les ostéoblastes construisent les os à l’aide de cellules de la même sorte que celles qui deviennent de la graisse, des muscles et du cartilage dans un autre contexte. Pour ce faire, ils déposent des couches de collagène. Puis, ils déposent des couches de minéraux.
  2. Les ostéoclastes sont responsables de l’effritement des os et de leur réabsorption dans le corps. Ils utilisent les mêmes cellules que les globules blancs qui jouent un rôle de premier plan dans ton système immunitaire. S’alliant à ces cellules, les ostéoclastes dissolvent les minéraux sur la surface extérieure de l’os et détruisent la matrice osseuse. Ce processus libère une grande quantité de calcium. Le corps absorbe le calcium de nouveau. On donne le nom de résorption à ce processus, à juste titre.

Pour que se produise le remodelage de tes os et que leur santé se maintienne, il importe que les ostéoblastes et les ostéoclastes soient en équilibre et qu’ils puissent communiquer adéquatement.

Les ostéoblastes forment les os. Le calcium est absorbé au cours de cette étape. Les ostéoclastes effritent les os. Durant cette étape, le calcium est libéré dans le corps.
Les ostéoblastes forment les os. Le calcium est absorbé au cours de cette étape. Les ostéoclastes effritent les os. Durant cette étape, le calcium est libéré dans le corps (© 2019 Parlons sciences, d’après un schéma de Shandristhe azylean [CC BY-SA 3.0] extrait de Wikimedia Commons).

 

Il existe un troisième type de cellules osseuses appelées ostéocytes. Les ostéocytes sont des cellules osseuses matures que les ostéoblastes maintiennent à l’intérieur de l’os. Ils occupent dans l’os des espaces appelés lacunes. Les ostéocytes jouent un certain nombre de rôles différents dans le développement et le maintien des os. Par exemple, ils envoient des signaux aux ostéoblastes et contribuent aux fonctions mécaniques des os. Ils jouent également un rôle dans la perception de fissures dans les os et la transmission de cette information à d’autres cellules osseuses.

Qu’arrive-t-il aux os dans l’espace?

Le remodelage est un élément clé de la compréhension de maladies osseuses comme l’ostéoporose. Il explique également le phénomène de la perte osseuse chez les astronautes dans l’espace. Dans l’espace, les astronautes sont sujets à l’ostéopénie du vol spatial. Ce trouble physique peut entraîner chez les astronautes la perte de un à deux pour cent de leur masse osseuse en moyenne chaque mois. Cette perte osseuse se produit habituellement dans les jambes, les hanches et la colonne vertébrale. Il faut compter de trois à quatre ans pour que ces os se rétablissent après le retour des astronautes sur Terre.

Le rectangle de gauche montre un os spongieux sain, et celui de droite, un os spongieux affaibli.
Le rectangle de gauche montre un os spongieux sain, et celui de droite, un os spongieux affaibli. (Source : image extraite par Partynia [CC BY-SA 4.0] de Wikimedia Commons).

Le savais-tu?

L’amincissement de la masse osseuse provoque également une hausse des taux de calcium dans le sang. Cela augmente le risque de calculs rénaux.

Nous savons déjà que tes os changent constamment en raison du remodelage. Souviens-toi, les astronautes travaillent en microgravité dans l’espace. Cela signifie que leurs os ne sont pas soumis à la pression de la lutte de leur corps contre l’action de la pesanteur. Les scientifiques savent également que l’exercice est important pour le maintien de la santé osseuse et pour la régulation de l’activité des ostéoblastes et des ostéoclastes. L’exercice favorise le maintien de la solidité de tes os et de la force de tes muscles. Il devient par conséquent un moyen clé pour aider les astronautes à réduire le pourcentage de perte osseuse qu’ils subissent dans l’espace. Afin de réduire la perte osseuse, les astronautes doivent consacrer au moins deux heures par jour à l’exercice. 
Sur Terre, les activités de port de poids, comme la marche, la course et le jeu de basketball, représentent la meilleure façon de développer la masse osseuse. Il est difficile de s’adonner à ces activités dans l’espace en raison de la microgravité. Les astronautes doivent utiliser des moyens de contention pour s’arrimer à un tapis roulant de façon à pouvoir retirer les mêmes avantages que procurent la marche et la course!

Comment les scientifiques peuvent-ils aider?

Un certain nombre d’études ont été menées et d’autres sont en cours de réalisation pour mieux comprendre la perte osseuse qui se produit dans l’espace. Une étude de 2013 (lien en anglais) a comparé la perte osseuse d’astronautes qui ont uniquement pratiqué des exercices dans l’espace et celle d’astronautes qui ont fait des exercices en combinaison avec la prise de bisphosphonates, une catégorie de médicaments déjà utilisés pour traiter l’ostéoporose chez les adultes plus âgés. Cette étude a conclu que la prise de bisphosphonates jumelée à l’exercice serait utile pour protéger les astronautes contre une perte osseuse sévère durant les voyages spatiaux prolongés.

Une autre étude (lien en anglais) a été réalisée avec un groupe de six souris envoyées dans l’espace. Une thérapie génétique a été employée pour stimuler chez trois d’entre elles une production accrue de pléiotrophine (PTN), une protéine qui favorise le développement des os. Les résultats ont été très positifs : les souris qui ont produit davantage de PTN n’ont perdu que 3 % du volume de leur colonne vertébrale, comparativement à une perte de 41,5 % chez les souris non traitées.

Une étude actuellement en cours dans la Station spatiale internationale (SSI) aidera les scientifiques à mieux comprendre la perte osseuse dans l’espace et sur Terre. Le projet de la NASA portant sur le dépistage précoce de l’ostéoporose dans l’espace (lien en anglais) examine comment certains facteurs, comme l’exercice et le régime alimentaire dans l’espace, s’emploient à prévenir la perte osseuse chez les astronautes. La SSI est également dotée d’un système de bioculture qui permettra aux scientifiques de réaliser des recherches sur les cellules souches et d’explorer leurs applications à la perte osseuse dans l’espace. Plus récemment, les scientifiques ont entrepris des recherches sur des façons de générer de nouveaux os! 

Chris Hadfield se soumet à un tomodensitogramme quantitatif pour obtenir des images détaillées des os de sa cheville peu après son retour sur Terre en 2013.
Chris Hadfield se soumet à un tomodensitogramme quantitatif pour obtenir des images détaillées des os de sa cheville peu après son retour sur Terre en 2013. (Source : Agence spatiale canadienne).

Le savais-tu?

La NASA a fondé une université de la microgravité. Cet établissement donne aux étudiants universitaires et aux éducateurs de la maternelle à la fin du secondaire la possibilité d’apprendre et de mener des expériences dans des conditions de microgravité!  

Alors, bien que les vols spatiaux s’accompagnent des certains risques pour la santé, les scientifiques explorent activement des façons de réduire ou même d’éliminer le risque de perte de densité osseuse chez les astronautes. Et, qui sait? Ces recherches leur permettront peut-être de trouver un traitement curatif pour l’ostéoporose!

Points de départ

Connecter et Relier
  • Aimerais-tu participer à une mission de longue durée dans l’espace, sachant que tes os pourraient subir une détérioration? Pourquoi, ou pourquoi pas? 
  • Est-ce que tu as déjà subi une fracture d’un os? Combien de temps a-t-il fallu pour guérir? Quelles interventions ont été nécessaires dans le traitement et la guérison de la fracture?
Connecter et Relier
  • Aimerais-tu participer à une mission de longue durée dans l’espace, sachant que tes os pourraient subir une détérioration? Pourquoi, ou pourquoi pas? 
  • Est-ce que tu as déjà subi une fracture d’un os? Combien de temps a-t-il fallu pour guérir? Quelles interventions ont été nécessaires dans le traitement et la guérison de la fracture?
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Comment la recherche spatiale s’adapte-t-elle alors que le monde se prépare à envoyer des astronautes encore plus loin dans l’espace? 
  • Quelle est la contribution de la recherche spatiale à notre compréhension de la santé humaine? Comment peut-on appliquer la recherche spatiale à l’amélioration de la santé humaine sur Terre?
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Comment la recherche spatiale s’adapte-t-elle alors que le monde se prépare à envoyer des astronautes encore plus loin dans l’espace? 
  • Quelle est la contribution de la recherche spatiale à notre compréhension de la santé humaine? Comment peut-on appliquer la recherche spatiale à l’amélioration de la santé humaine sur Terre?
Explorer les Concepts
  • Quelles cellules sont responsables de la régulation et du maintien de la structure osseuse dans le corps humain? Comment agit chaque type de cellule? 
  • Quels sont les effets de la microgravité sur la densité osseuse? Quels changements spécifiques se produisent dans les cellules des os exposés à la microgravité durant des périodes prolongées? 
  • Quelles mesures peuvent aider à combattre la perte de densité osseuse durant une mission spatiale prolongée? 
  • Penses-tu qu’il serait plus facile ou plus difficile de guérir la fracture d’un os dans l’espace? Explique. 
Explorer les Concepts
  • Quelles cellules sont responsables de la régulation et du maintien de la structure osseuse dans le corps humain? Comment agit chaque type de cellule? 
  • Quels sont les effets de la microgravité sur la densité osseuse? Quels changements spécifiques se produisent dans les cellules des os exposés à la microgravité durant des périodes prolongées? 
  • Quelles mesures peuvent aider à combattre la perte de densité osseuse durant une mission spatiale prolongée? 
  • Penses-tu qu’il serait plus facile ou plus difficile de guérir la fracture d’un os dans l’espace? Explique. 
Littératie Médiatique
  • Parmi les films que tu as vus, lesquels comprenaient une mission spatiale de longue durée? Est-ce que ces films abordaient les problèmes de santé associés à la microgravité ou y faisaient allusion d’une manière ou d’une autre? Présente des exemples précis tirés de ces films.
  • As-tu entendu parler de reportages sur des études réalisées avec des astronautes qui ont participé à des missions prolongées dans l’espace? Quelles sont les études dont tu as entendu parler? Quels ont été les points intéressants du reportage ou des conclusions? 
Littératie Médiatique
  • Parmi les films que tu as vus, lesquels comprenaient une mission spatiale de longue durée? Est-ce que ces films abordaient les problèmes de santé associés à la microgravité ou y faisaient allusion d’une manière ou d’une autre? Présente des exemples précis tirés de ces films.
  • As-tu entendu parler de reportages sur des études réalisées avec des astronautes qui ont participé à des missions prolongées dans l’espace? Quelles sont les études dont tu as entendu parler? Quels ont été les points intéressants du reportage ou des conclusions? 
Suggestions d'enseignement
  • Cet article et la vidéo d’accompagnement peuvent être utilisés dans les classes de 9e à la 12e année (secondaire 2 à 5) pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences biologiques et de l’espace liées à la santé et au corps humain, ainsi qu’à la nature de la science et à l’espace. Les notions présentées comprennent l’attraction gravitationnelle, l’apesanteur, la microgravité, les ligaments, les tendons, les tissus conjonctifs, le collagène, les protéines, le calcium, le phosphate, la matrice osseuse, le remodelage, les globules blancs, le système immunitaire, la résorption, l’ostéoporose, l’ostéopénie du vol spatial et la Station spatiale internationale. 
  • Avant la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants pourraient fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils acquièrent des connaissances préalables sur le sujet et soient exposés à la nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi dans le cadre de la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur une « toile de définition du concept » pour renforcer le concept de Les voyages spatiaux et la perte osseuse. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en format [Google doc] ou [.pdf].
Suggestions d'enseignement
  • Cet article et la vidéo d’accompagnement peuvent être utilisés dans les classes de 9e à la 12e année (secondaire 2 à 5) pour l’enseignement et l’apprentissage des sciences biologiques et de l’espace liées à la santé et au corps humain, ainsi qu’à la nature de la science et à l’espace. Les notions présentées comprennent l’attraction gravitationnelle, l’apesanteur, la microgravité, les ligaments, les tendons, les tissus conjonctifs, le collagène, les protéines, le calcium, le phosphate, la matrice osseuse, le remodelage, les globules blancs, le système immunitaire, la résorption, l’ostéoporose, l’ostéopénie du vol spatial et la Station spatiale internationale. 
  • Avant la lecture de l’article et le visionnement de la vidéo, les enseignants pourraient fournir aux élèves un Aperçu du vocabulaire afin qu’ils acquièrent des connaissances préalables sur le sujet et soient exposés à la nouvelle terminologie. Les fiches reproductibles prêtes à l’emploi dans le cadre de la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire sont disponibles en formats [Google doc] et [.pdf].
  • Après avoir lu l’article, les élèves peuvent utiliser une stratégie d’apprentissage axée sur une « toile de définition du concept » pour renforcer le concept de Les voyages spatiaux et la perte osseuse. Il est possible de télécharger les fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en format [Google doc] ou [.pdf].

En savoir plus

Comment l’astronaute Scott Kelly a changé après une année dans l'espace (2019) Futura-Science -- Article sur les résultats de l'étude jumelle de la NASA avec les astronautes Mark et Scott Kelly.

Qu’est-ce que l’ostéoporose ? Ostéoporose Canada --Informations de base sur l'ostéoporose.

 

 

Références

Bradamante, S., Barenghi, L., & Maier, J. (2014). Stem cells toward the future: The space challenge. Life, 4(2), 267-280. DOI: 10.3390/life4020267

Canadian Space Agency. (2006, aout 18). What happens to bones in space?

Holmes, O. (2018, novembre 19). Space: How far have we gone – And where are we going?. The Guardian.

International Osteoporosis Foundation. (2016, février  18). The link between space flight and osteoporosis

Kirsten, J. (2018). Types of bone cells. Bio Explorer.

NIH Osteoporosis and Related Bone Diseases National Resource Center. (2018). What is bone?

World Space Flight. (2017). Astronaut/cosmonaut statistics.