Utilisation prospective de probiotiques pour maintenir la santé des astronautes pendant les vols spatiaux

Abstrait:Maintenir la santé d’un astronaute pendant un voyage dans l’espace est crucial. De nombreuses études ont observé divers changements dans le microbiome intestinal et la santé physiologique. Les astronautes à bord de la Station spatiale internationale (ISS) ont constaté des changements dans les communautés microbiennes de leurs intestins, de leur nez et de leur peau. De plus, des altérations des cellules du système immunitaire ont été observées chez les astronautes, avec des modifications des neutrophiles, des monocytes et des lymphocytes T. Les probiotiques aident à résoudre ces problèmes de santé provoqués lors des vols spatiaux en inhibant l’adhésion des agents pathogènes, en améliorant la fonction de barrière épithéliale en réduisant la perméabilité et en produisant un effet anti-inflammatoire. Lorsqu’ils sont exposés à la microgravité, les probiotiques ont démontré une phase de latence plus courte, une croissance plus rapide, une tolérance acide améliorée et une résistance à la bile. Une capsule lyophilisée de Lactobacillus casei Shirota a été testée pour sa stabilité sur l'ISS pendant un mois et il a été démontré qu'elle renforce l'immunité innée et équilibre le microbiote intestinal. L'utilisation de spores lyophilisées de B. subtilis s'avère avantageuse pour les vols spatiaux à long terme car elle répond à tous les aspects testés pour les probiotiques commerciaux dans des conditions simulées. Ces résultats démontrent la nécessité d’étudier plus en profondeur l’effet des probiotiques dans des conditions simulées de microgravité et de vol spatial et de les appliquer pour surmonter les effets provoqués par la dysbiose du microbiome intestinal et les problèmes pouvant survenir pendant le vol spatial.

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Mots-clés : astronaute ; vol spatial; les probiotiques ; microbiote ; microgravité simulée (SMG)

1. Présentation

L'exploration spatiale humaine a augmenté récemment à mesure que de plus en plus de missions sont planifiées par diverses agences spatiales internationales. Le « Programme de recherche humaine » de la National Aeronautics and Space Administration prévoit actuellement des missions de vols spatiaux habités à long terme vers Mars et la Lune. Diverses études indiquent que les astronautes ont du mal à maintenir leur santé et sont confrontés à de nombreux problèmes de santé lors de vols spatiaux courts et longs en raison de l'exposition à de multiples facteurs de stress tels que la microgravité et les radiations. Il est donc nécessaire de comprendre les risques pour la santé humaine liés aux voyages dans l’espace. Les astronautes qui passent 6 à 12 mois à bord de la Station spatiale internationale (ISS) ont constaté des changements dans le microbiote intestinal et différents changements physiologiques. Ces changements incluent les infections des voies génito-urinaires, les problèmes cardiovasculaires, les changements dans la résistance et la virulence des bactéries, les changements dans la réponse immunitaire et le développement de cancers dus à l'exposition aux rayonnements [1,2]. Il est crucial de prendre les précautions nécessaires pour préserver la santé des astronautes car les missions spatiales durent de très longues périodes [3]. L'Organisation Mondiale de la Santé a qualifié les probiotiques de « micro-organismes vivants qui, lorsqu'ils sont administrés en quantités adéquates, confèrent un bénéfice pour la santé de l'hôte » [4]. Il a été démontré que la consommation de quelques souches de probiotiques régule le système immunitaire et la flore intestinale, entraînant une augmentation des bonnes bactéries telles que les lactobacilles et les bifidobactéries et une diminution des microbes nocifs. Les probiotiques tels que la souche Shirota (LcS) de Lactobacillus casei peuvent améliorer l'immunité innée et augmenter l'activité des cellules tueuses naturelles en améliorant principalement la production d'interleukine -12 par les monocytes et les macrophages. Le LcS, lors de son ingestion, atteint le microbiome intestinal sous forme vivante et maintient le microbiome intestinal [5,6]. Il a été démontré que les probiotiques influencent la synthèse et la libération de substances neuroactives. Il a été démontré que Lactobacillus acidophilus module l’expression des récepteurs cannabinoïdes [7]. En tant que probiotique potentiel pouvant faire bon usage de la mucine gastro-intestinale, Akkermansia muciniphila est inextricablement liée au métabolisme de l’hôte et à la réponse immunitaire. Il a le potentiel d’être une cible thérapeutique dans les maladies liées au microbiote telles que la colite, le syndrome métabolique, les maladies immunitaires et le cancer [8]. En conséquence, une étude suggère que les probiotiques de nouvelle génération dérivés d’Akkermansia pourraient réduire le risque de maladies associées à une inflammation chronique [7]. Il a récemment été découvert que l'administration orale du microbe intestinal de premier plan Faecalibacterium prausnitzii présente des propriétés anti-inflammatoires en augmentant la production d'IL-10 (une cytokine) et de facteur de nécrose tumorale (TNF) dans le côlon pour améliorer les maladies intestinales [9 ]. Une autre étude montre également le potentiel anti-inflammatoire des souches de Lactobacillus bulgaricus et de Streptococcus thermophilus isolées du yaourt fait maison bulgare. Les souches probiotiques Lactobacillus, Bifidobacterium et Streptococcus sont principalement utilisées pour prévenir ou traiter les infections buccales [10]. Certains microbiotes intestinaux jouent un rôle important dans la fonctionnalité nutritionnelle et contribuent à la disponibilité des vitamines et à la production d’acides gras à chaîne courte. Les micro-organismes intestinaux peuvent produire de la vitamine B12, de la vitamine K, de la pyridoxine, du folate, de la biotine, de l'acide nicotinique et de la thiamine [11]. La plaque dentaire ou les biofilms dentaires dans la cavité buccale entraînent une mauvaise santé bucco-dentaire ; cependant, les bactéries lactiques (LAB) interagissent avec ce biofilm/plaque et, grâce à leur activité antimicrobienne, détruisent les agents responsables [12]. Lors d’un vol spatial de longue durée, la fiabilité d’une gestion efficace de la santé est essentielle. Selon les recherches, les vols spatiaux provoquent des changements dans la physiologie humaine [13]. Ces changements peuvent être de diverses natures : physiologiques incluant des troubles gastro-intestinaux, des dermatites et des infections respiratoires ; immunologique [14] et microbiome [15]. Des études sur Terre ont montré que les probiotiques sont bénéfiques dans l’amélioration des problèmes de santé rencontrés lors des vols spatiaux. Ils aident en rivalisant avec les agents pathogènes, en réduisant les problèmes gastro-intestinaux, en renforçant les jonctions serrées dans les cellules épithéliales intestinales, en produisant des métabolites essentiels et en interagissant avec les cellules hôtes pour favoriser les changements physiologiques et immunitaires (16-18). Cette revue se concentre sur divers problèmes de vol spatial rencontrés par les astronautes et sur la manière dont la consommation de probiotiques peut contribuer à atténuer ces problèmes, ce qui pourrait aider les astronautes à surmonter les difficultés des vols spatiaux.

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2. Problèmes de santé pendant les vols spatiaux

L'espace est un environnement hostile, et les progrès en matière de science des matériaux, de production d'énergie, de robotique et d'exigences médicales sont essentiels pour assurer la survie des astronautes lors des colonies et des voyages interplanétaires. Le domaine émergent de la bioastronautique vise à résoudre certains des problèmes médicaux auxquels les astronautes sont confrontés lorsqu’ils sont dans l’espace. En raison de l’environnement hostile de l’espace, les astronautes sont confrontés à plusieurs risques pour leur santé lors de vols spatiaux de longue et de courte durée [19,20]. Une représentation schématique des problèmes de santé rencontrés par les astronautes lors des vols spatiaux est présentée dans la (Figure 1).

Figure 1. Représentation schématique des problèmes de santé rencontrés par les astronautes lors des vols spatiaux. L'image a été créée à l'aide de BioRender.com.

2.1. Changements dans le microbiome

Joshua Lederberg a institué le terme « microbiome humain » en 2001. Il l'a caractérisé comme « un réseau naturel de micro-organismes commensaux, symbiotiques et pathogènes qui partagent véritablement notre espace corporel ». Le microbiome humain se compose de divers symbiotes avantageux, principalement des bactéries, qui améliorent activement la santé. Avec une modification du microbiote, l’augmentation des pathogènes peut affecter l’homéostasie et provoquer différentes maladies. Lors de missions spatiales à long et à court terme, des modifications des profils bactériens intestinaux, nasaux et oraux des astronautes ont été observées. Ces progressions sont liées à une diminution de la richesse globale en microbes avantageux des genres Lactobacillus et Bifidobacterium et à une expansion de micro-organismes opportunistes, par exemple Escherichia coli, Clostridium sp., Staphylococcus aureus, Fusobacterium nucléatum et Pseudomonas aeruginosa [3]. Une enquête sur le microbiote de neuf astronautes ayant passé un an à bord de l'ISS présente des preuves démontrant un changement dans la population microbienne du tractus gastro-intestinal (GI), du nez, de la langue et de la peau au cours des missions spatiales. L’ADN collecté à partir des échantillons microbiens de l’étude a été soumis au séquençage du gène de l’ARNr 16S pour déterminer la composition microbienne. Cette étude a distingué l'augmentation liée à l'espace de Parasutterella sp. nombre. Elle est catégoriquement liée à une aggravation intestinale chronique chez les personnes atteintes d’une maladie inflammatoire de l’intestin. L’étude a également révélé une diminution liée à l’espace de la population de trois genres bactériens dotés de propriétés anti-inflammatoires : Fusicatenibacter intestinal, Pseudobutyvibrio et Akkermansia. Moins de changements en vol ont été observés dans le microbiote nasal [1,6].

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L'étude de Liu et al. [15] ont été les premiers à montrer l'effet des missions de vols spatiaux à court terme sur le microbiome intestinal humain. L'étude a montré que l'abondance de Bacteroides augmentait après le vol spatial, avec une diminution des Lactobacillus et des Bifidobacterium. Les bactéroïdes dégradent efficacement les fibres alimentaires dans l'intestin humain et sont des producteurs essentiels d'acide phénolique et de propionate. Le genre Bacteroides compte plusieurs espèces bactériennes pathogènes qui se reproduisent rapidement dans des conditions de stress. L’environnement spatial affaiblit le système immunitaire humain et le nombre de Bacteroides peut augmenter. Dans l’intestin humain, les lactobacilles sont responsables d’une grande quantité de production d’acide lactique. De plus, des études démontrent que Bifidobacterium génère des acides lactique et acétique à partir des sucres. Un déclin de la population des espèces de Lactobacillus et de Bifidobacterium peut interférer avec le fonctionnement du système immunitaire de l'hôte dans l'intestin et le fonctionnement du microbiote intestinal, et le système immunitaire affecté par les vols spatiaux peut provoquer une réactivation de virus latents et une augmentation du nombre d'agents pathogènes opportunistes dans l'intestin. L'étude jumelle a également montré que des métabolites, tels que l'acide 3-indole propionique, qui a des effets anti-inflammatoires, ont été observés à de faibles niveaux en vol tout au long de l'étude. L'étude suivante a également constaté un changement dans le fonctionnement du microbiome chez le sujet en vol par rapport au sujet au sol concernant les communautés microbiennes (21). Une étude de Siddiqui et al. [22] ont utilisé un modèle de souris de déchargement des membres postérieurs (HU) au sol pour simuler les conditions de microgravité afin d'étudier les changements dans la composition bactérienne du microbiote intestinal. Ils ont découvert que le déchargement des membres postérieurs provoque des modifications du microbiote intestinal, notamment une diminution de la diversité du microbiote intestinal utile, ce qui peut entraîner une augmentation de la perméabilité et une inflammation intestinale. L'étude a montré une diminution d'Akkermansia muciniphila, d'Eubacterium coprostanoligenes et de Burkholderiales chez les souris exposées à une microgravité simulée par rapport aux souris normales. Ces genres bactériens sont associés à des propriétés anti-inflammatoires, à l’homéostasie intestinale et à des bienfaits pour la santé tels que la prévention des calculs rénaux. L'étude a également souligné l'importance d'une proportion équilibrée de Firmicutes et de Bacteroidetes dans le maintien de la santé globale, avec des modifications dans leurs proportions conduisant à une dysbiose et à des problèmes de santé associés. Les Firmicutes jouent un rôle dans le métabolisme et la nutrition de l'hôte, tandis que les Bacteroidetes sont associés à l'immunomodulation. Ces résultats suggèrent que les modifications du microbiote intestinal pourraient contribuer aux effets négatifs sur la santé ressentis lors des vols spatiaux (22). L'outil analytique « Test de similarité pour les modèles d'abondance du microbiome accordants et reproductibles » ou STARMAPs teste la similarité dans des ensembles de données de recherche à deux espaces pour trouver des variations du microbiote. L'étude a également découvert que les changements du microbiote liés aux vols spatiaux au cours des missions RR-1 (Rodent Research 1) et STS-135 (Human Mission) étaient similaires, ce qui implique un changement vigoureux du microbiote intestinal des mammifères dû aux vols spatiaux. 23]. L’effet de la microgravité sur le microbiote intestinal des astronautes lors des vols spatiaux est également résumé dans le tableau 1.

2.1.1. L’axe microbiote-intestin-cerveau et sa relation avec la santé mentale des astronautes

Le microbiote intestinal est composé de 106 cellules virales, bactériennes et protozoaires, ce qui en fait la communauté la plus nombreuse du microbiote humain. Le cerveau influence la fonction et la composition du microbiote en modifiant la perméabilité intestinale. Le cerveau, via le système nerveux autonome (SNA), peut également influencer la fonction immunitaire. L'axe intestin-cerveau (GBA) est une voie de communication bidirectionnelle entre les systèmes nerveux central et entérique. Il relie les centres émotionnels et cognitifs du cerveau aux fonctions intestinales périphériques. Des avancées récentes en recherche ont mis en évidence l’importance du microbiote intestinal pour influencer ces interactions [24]. La composition du microbiote intestinal subit de nombreuses transitions au cours de la vie, parallèlement aux périodes dynamiques de développement cérébral, de vieillissement et de maturation. La dysbiose peut résulter de facteurs environnementaux tels que l’alimentation, la gravité, le stress et les radiations. De plus, le microbiote intestinal joue un rôle important dans le développement des réponses immunitaires adaptatives et innées. Les micro-organismes gastro-intestinaux agissent comme des relais d’agrégation et de transmission d’informations vers des zones spécifiques du cerveau, notamment le cervelet, affectant la santé mentale. L’influence des facteurs environnementaux liés aux voyages spatiaux converge vers ces micro-organismes [25].

2.1.2. Problèmes de santé mentale auxquels sont confrontés les astronautes pendant les vols spatiaux

Les vols spatiaux constituent un environnement unique et difficile qui peut avoir une influence considérable sur la santé mentale des astronautes [26]. L'isolement, le confinement, la microgravité, la perturbation des rythmes circadiens et les retards de communication peuvent tous contribuer au stress psychologique, à l'anxiété, à la dépression et à d'autres problèmes de santé mentale [27,28]. La recherche montre que les astronautes sont plus susceptibles d’être émotifs et de souffrir de troubles mentaux lorsqu’ils sont dans l’espace [29]. Le manque de soutien social et l’isolement qui surviennent pendant les vols spatiaux sont l’une des principales raisons des problèmes de santé mentale des astronautes. Les astronautes sont isolés de leur famille et de leurs amis pendant de longues périodes, ce qui rend difficile pour eux de s'engager dans des activités sociales régulières. Cela peut entraîner des sentiments d'isolement, d'ennui et d'angoisse psychologique [28]. Un autre défi majeur est la perturbation du cycle veille-sommeil causée par l’exposition persistante à la lumière artificielle et l’absence de cycle naturel jour-nuit dans l’espace [30]. Une étude récente de Ma et al. [31] ont également montré le lien entre le microbiome intestinal induit par les probiotiques et la réduction des niveaux de stress chez les adultes, prouvant ainsi le rôle de l’axe intestin-cerveau dans la réduction des effets du stress.

Tableau 1. L'effet de la microgravité sur le microbiote intestinal des astronautes pendant les vols spatiaux.

La santé mentale est un élément important des vols spatiaux et les astronautes sont plus susceptibles de souffrir de stress psychologique, d’anxiété et d’autres problèmes de santé mentale. Il est essentiel de continuer à explorer et à adopter des techniques pour améliorer la santé mentale des astronautes dans l’espace.

2.2. Infection des voies génito-urinaires

Lors de missions spatiales de longue durée, les astronautes sont confrontés à de nombreux défis physiques qui pourraient affecter leur santé génito-urinaire. Pendant le vol spatial, l'environnement de microgravité provoque une diminution du volume de plasma et une augmentation du débit urinaire en raison des déplacements de liquide des membres inférieurs vers le haut du corps, entraînant un risque d'infections des voies urinaires (IVU) dues à une diminution du débit urinaire et à une stase urinaire. . De plus, le stress et la modification des cycles veille-sommeil pendant les vols spatiaux peuvent contribuer à une incidence accrue de nycturie (33). Les astronautes masculins peuvent être confrontés à une diminution des niveaux de testostérone en raison de l'exposition aux radiations pendant les vols spatiaux, entraînant une réduction de la libido et une dysfonction érectile. D’un autre côté, les femmes astronautes peuvent souffrir d’irrégularités menstruelles et d’un syndrome de congestion pelvienne, provoquant des douleurs, une pression et un inconfort dans la région pelvienne [33,34]. Les infections urinaires sont des problèmes courants dans l’espace, les femmes astronautes étant plus fréquentes que les hommes astronautes. Les uropathogènes tels que Staphylococcus saprophyticus et Escherichia coli sont des causes importantes de toutes les infections des voies urinaires en raison de leur capacité à s'attacher aux cellules uroépithéliales via des molécules d'adhésion. Des enquêtes in vitro ont montré que les souches d'E. coli pathogènes et non pathogènes présentent une meilleure adhésion et une meilleure invasion en microgravité. Cette adhésion plus élevée, ainsi que la cinétique de croissance accélérée d'E. coli dans l'espace, peuvent être responsables de la progression de la maladie [3].

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2.3. Réactivation de virus dans les vols spatiaux

Une étude de Sonnenfeld & Shearer [35] a élucidé la compromission du système immunitaire, le développement possible de la maladie maligne et l'infection latente par réactivation virale chez l'homme pendant un vol spatial. Lors des vols spatiaux, un nombre important de ces symptômes sont liés à un affaiblissement du système immunitaire dû à la réactivation de deux virus : le virus d'Epstein-Barr et le virus varicelle-zona [1]. La réactivation des virus latents est un biomarqueur de l’état du système immunitaire des astronautes. Les facteurs qui y contribuent sont une augmentation de la sécrétion de glucocorticoïdes, une modification de la production de cytokines et une diminution de la fonction des cellules immunitaires destinées à éliminer les virus. La présence d'ADN viral dans les fluides corporels indique une réactivation virale (36).

2.4. Résistance des bactéries et modifications de la virulence bactérienne

Zhang et coll. [37] ont étudié les changements dans la résistance aux antimicrobiens de la souche de S. enteritidis, transportée dans l'espace par le vaisseau spatial Shenzhou-11. Par rapport à la souche terrestre, la souche de vol a montré une résistance accrue à l'amikacine, un taux de croissance accru et certains changements de métabolisme. Escherichia coli MG1655 a révélé une résistance aux antibiotiques lorsqu'elle a été exposée à long terme à une microgravité modélisée à faible cisaillement (LSMMG) et à des antibiotiques de fond tels que le chloramphénicol, la céfalotine, la tétracycline, la céfoxitine, la céfuroxime et la céfoxitine. La souche a montré une résistance au chloramphénicol et à la céfalotine pendant plus de 110 générations, même après l'élimination de l'environnement LSMMG et l'exposition aux antibiotiques traces. La séquence génomique de la souche adaptée d'Escherichia coli a montré environ 25 changements. Ces changements génomiques étaient associés à la résistance aux antibiotiques, avec une modification de quatre gènes de résistance aux antibiotiques : ompF, acrB, mdfA et Marr (38). Selon une étude de Liu et al. [15] les vols spatiaux modifient la virulence des bactéries. En examinant les gènes de virulence, ils ont découvert que le microbiome intestinal avait un impact sur certains facteurs de virulence (FV). Un exemple d'un tel changement est l'augmentation du facteur VF0367, lié au développement des lipopolysaccharides, qui forment une couche protectrice chez Brucella [15]. Une étude récente a montré que le nombre de lectures du marqueur de mutation Streptomyces EF-Tu augmentait considérablement après le voyage de l'astronaute. Ce marqueur identifie les variations de séquence induisant une résistance à la rifamycine du facteur d'élongation Tu de Streptomyces vanillaeus. L'augmentation des mutations EF-Tu après un vol spatial montre que la résistance à la rifamycine pourrait avoir augmenté en raison des circonstances du vol spatial (39). Ces études suggèrent une pathogénicité accrue de certains microbes après une exposition à un vol spatial.

2.5. Perturbation de la barrière épithéliale et maladie inflammatoire de l'intestin (MII)

La maladie inflammatoire de l'intestin (MII) est une affection inflammatoire chronique et récurrente du tractus gastro-intestinal marquée par une perturbation de la barrière épithéliale et une dérégulation immunologique. Des recherches récentes ont montré que les astronautes souffrent d'inconfort gastro-intestinal, y compris de symptômes de type MII, lorsqu'ils sont dans l'espace, probablement en raison de l'impact de la microgravité sur l'épithélium intestinal. Les modifications des protéines des jonctions serrées (TJ) produisent une perturbation de la barrière épithéliale, ce qui entraîne une augmentation de la perméabilité intestinale et la translocation ultérieure des antigènes luminaux à travers l'épithélium (40, 41). Une altération de l'expression ou de la localisation des TJ peut entraîner une fuite intestinale en raison d'une perméabilité accrue aux molécules diffusant de la lumière vers la lamina propria (42). Dans leur étude, Alvarez et al. [43] ont trouvé un retard dans la localisation des protéines TJ – occludine et ZO-1 dans des conditions de microgravité simulées. Les résultats indiquent que la microgravité simulée a endommagé la barrière épithéliale et qu’une susceptibilité sous-jacente à la barrière a persisté même après la suppression de la condition de microgravité. Cette perturbation sous-jacente de la barrière rend les astronautes sujets à diverses maladies de la barrière cellulaire épithéliale intestinale telles que la maladie de Crohn, la colite ulcéreuse, la maladie coeliaque et le diabète de type I [44]. Les MII sont rapportées chez les astronautes lors de vols spatiaux avec une perméabilité paracellulaire intestinale accrue en raison de la perturbation de la protéine TJ [1,45]. Une étude a rapporté une expression et une distribution réduites des protéines TJ telles que l'occludine, la claudine-1, la claudine 04 et JAM-A, ainsi qu'une augmentation de l'expression de la claudine-2 [46]. Une autre étude de Yi et al. [47] ont suggéré que Lactobacillus reuteri LR1 pouvait traiter les troubles intestinaux associés à une altération du fonctionnement de la barrière épithéliale. L'infection par E. coli K88 entérotoxinogène a induit une augmentation de la perméabilité des monocouches cellulaires IPEC-1. Le probiotique LR1 a amélioré de manière significative la fonction de barrière épithéliale et réduit l’adhésion et la colonisation par les coliformes.

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2.6. Altération immunologique pendant un vol spatial

Astronauts face the issue of immune cell alteration during spaceflight. Innate immunity, or the first line of defense, plays a vital role in prolonging healthcare among astronauts. Immunological changes observed in astronauts during space flight have been shown in (Table 2). A study conducted at Johnson Space Center, Houston, showed an 85% increase in neutrophils during a 5–11-day spaceflight mission as compared to pre-flight levels along with remarkably lower values in phagocytosis [48]. An increase in the number of white blood cells, polymorphonuclear leukocytes, was also observed in short-duration spaceflight missions to the ISS [49]. Similar effects have been observed in astronaut long-duration spaceflight missions. An increase in the level of white blood cells [14]. Another study by Makedonas et al. [50] reported an increased inflammation in the astronauts during 1-year NASA "twins" study aboard the International Space Station. Cosmonauts on a long duration (>140 jours) les vols spatiaux ont montré une libération accrue d'endocannabinoïdes combinée à une activation immunitaire, qui imite le risque de troubles liés à l'inflammation chez l'homme. L’inflammation accrue a persisté pendant 30 jours après le vol [51]. Les modifications de la gravité subies par les astronautes peuvent également avoir un impact sur les microenvironnements de deux organes lymphoïdes primaires essentiels, le thymus et la moelle osseuse. Ces organes sont chargés de générer des lymphocytes ou des globules blancs. Les changements dans la production de lymphocytes peuvent avoir une influence indirecte sur les réponses immunitaires acquises, modifiant la façon dont le système immunitaire réagit généralement à l'inflammation, aux infections et aux tumeurs (52).

Tableau 2. Les changements immunologiques observés chez les astronautes lors d'un vol spatial.

2.7. Modifications des fonctions cardiovasculaires

Les astronautes sont confrontés à l’apesanteur dans l’espace, ce qui entraîne une redistribution des fluides corporels vers les zones thoraciques-céphaliques depuis la moitié inférieure du corps. Ce transfert de liquide est responsable d'un syndrome de déconditionnement cardiovasculaire caractérisé par une hypotension, la possibilité d'une présyncope ou d'une syncope et une capacité réduite au stress [57]. Les astronautes subissent un stress métabolique lorsqu’ils sont dans l’espace. Le stress métabolique est un puissant prédicteur de maladies cardiaques et de diabète de type 2 [58]. Les vols spatiaux présentent également un risque de développement d'arythmies malignes, car les changements provoqués pendant les vols spatiaux soulignent une hétérogénéité accrue de la repolarisation. Des études supplémentaires sont nécessaires pour comprendre les changements physiologiques qui se produisent dans le corps, ce qui contribuera également à mieux comprendre les changements dans la santé humaine lors de la commercialisation des vols spatiaux (59).

2.8. Effet du rayonnement cosmique sur les astronautes

Les humains sont exposés aux rayonnements spatiaux lorsqu’ils sont dans l’espace. Il s'agit des rayons cosmiques galactiques générés en dehors de notre système solaire, des particules solaires libérées par le soleil et du rayonnement confiné en raison du champ magnétique terrestre. Ces radiations spatiales mettent en danger les astronautes car elles provoquent plusieurs types de cancer. Les femmes astronautes ont 20 % plus de risques de contracter un cancer que les hommes astronautes. Cela s’explique principalement par le fait que les cancers du sein et des ovaires sont plus fréquents chez les femmes. Pendant le voyage, les gens peuvent ressentir des effets à court terme tels que des modifications de leur sang, de la diarrhée, des nausées et des vomissements [3]. Les radiations réduisent la diversité de la flore intestinale et modifient la composition du microbiote intestinal [60]. Les rapports des vols précédents d'Apollo, Skylab et de la station spatiale modulaire russe (MIR) suggèrent que les astronautes ont vu des éclairs de lumière se déplacer dans leur champ visuel, probablement en raison d'un changement de perception produit par les rayonnements ionisants, montrant que des perturbations visuelles semblent également être associées. avec exposition aux radiations [61]. Au cours d'une mission de 6- mois vers l'ISS, la Lune et au-delà, un astronaute est exposé à un rayonnement d'environ 50 à 2 000 millisieverts (mSv). Il a été démontré qu’une dose de rayonnement supérieure à 100 mSv provoque le cancer [62]. L’étude d’analyse statistique STARMAPs a montré que les changements du microbiote liés aux vols spatiaux étaient différents des changements induits par les rayonnements spatiaux au sol. Ils ont suggéré que la différence pourrait être due au fait que l’ISS se trouve sur une orbite inférieure à l’intérieur de la ceinture de Van Allen. Par conséquent, les sujets de recherche n’ont pas été exposés au rayonnement cosmique. L’étude prouve que la compréhension du rayonnement spatial loin des ceintures de Van Allen est vitale dans un avenir proche [23]. Les réactions pro-inflammatoires à l'apesanteur, aux radiations, à l'hyperthermie induite par le stress ou à une combinaison de ces facteurs pendant un vol spatial peuvent provoquer une « fièvre spatiale », qui peut affecter la santé et l'énergie des astronautes, leurs besoins en nutriments et en liquides, ainsi que leurs performances physiques et cognitives pendant de longues périodes. -durée du vol spatial [63].

3. Les probiotiques et leur rôle en biologie spatiale

L’exploration spatiale a poussé les scientifiques à développer et planifier des missions avec équipage humain vers la Lune et Mars. De telles missions de longue durée nécessitent une connaissance approfondie de la manière dont les voyages spatiaux affectent la santé des astronautes. L’avènement d’Apollo 11 et diverses expériences de simulation sur Terre et sur l’ISS ont permis de comprendre comment l’espace affecte les microbes et les humains. Comme mentionné dans la section 2.1, le maintien du microbiome intestinal humain est un aspect essentiel des voyages spatiaux de longue durée. Les déséquilibres du microbiome intestinal sont à l’origine de nombreuses maladies, et il a été démontré que les voyages dans l’espace entraînent des modifications du microbiome intestinal. Les probiotiques peuvent aider à résoudre les problèmes gastro-intestinaux tels que la diarrhée infectieuse aiguë, l’infection à Helicobacter pylori, la diarrhée associée aux antibiotiques, le syndrome du côlon irritable, la colite ulcéreuse et la constipation, ainsi qu’à améliorer les fonctions de barrière intestinale [64,65]. Les probiotiques aident également à maintenir le système immunitaire, à prévenir le cancer et à résoudre les problèmes psychologiques [66]. Les probiotiques les plus largement utilisés comprennent les membres des espèces Lactobacillus, Bifidobacterium ou Saccharomyces (67). Nous voyons plus loin comment les probiotiques peuvent constituer un complément bénéfique (Tableau 3).

3.1. Mécanisme général d'action des probiotiques

3.1.1. Inhibition de la liaison des agents pathogènes

Les souches probiotiques inhibent la liaison des agents pathogènes à la couche épithéliale en modifiant les niveaux de sécrétion de mucus. Les probiotiques peuvent améliorer la résistance de la barrière intestinale en augmentant le nombre de cellules caliciformes (mucine sécrétée) qui soutiennent la couche de mucus. La couche de mucus joue un rôle en diminuant la liaison des bactéries pathogènes aux cellules épithéliales de la muqueuse, et les probiotiques agissent en induisant la sécrétion de mucus [68,69]. Otte et Podolsky [70] ont découvert que les souches de Lactobacillus modifiaient la façon dont MUC2, MUC3 et MUC5AC étaient exprimées dans les cellules HT29. Les souches probiotiques peuvent également inhiber la liaison des agents pathogènes à la couche épithéliale en rivalisant pour le site d'adhésion. Les pili humains liant le mucus permettent à certains probiotiques de mieux coloniser l’organisme [71]. Les probiotiques sont en compétition pour les sites de liaison à la lectine sur les récepteurs glycoconjugués présents à la surface des microvillosités des cellules épithéliales [72,73]. Il a été démontré que la souche GG de L. plantarum et de Lactobacillus rhamnosus inhibe la fixation d'E. coli pathogènes à l'épithélium (74).

3.1.2. Utilisation de probiotiques pour les troubles intestinaux

La pathogenèse du syndrome du côlon irritable (SCI) peut impliquer une altération de l'activation immunitaire intestinale, une dysbiose du microbiome intestinal, une altération de l'axe cerveau-intestin et une augmentation de la perméabilité des cellules épithéliales intestinales (75). Les probiotiques influencent les symptômes impliqués dans le SCI, tels que les ballonnements, les flatulences, les selles altérées, la dysbiose du microbiote intestinal et les douleurs abdominales (76). Les probiotiques agissent en inhibant l'adhérence des agents pathogènes, en améliorant la fonction de barrière épithéliale en réduisant sa perméabilité et en produisant un effet anti-inflammatoire (77). L'intégrité du GIT est maintenue par les cellules épithéliales, qui servent de barrière entre le système immunitaire de l'hôte et l'environnement externe. Dans la souche probiotique Escherichia coli Nissle 1917 (EcN), un effet de signalisation primordial conduit à la restauration des cellules épithéliales perturbées. Cela rend le probiotique EcN plus efficace dans le traitement des maladies inflammatoires de l’intestin (41). Le probiotique Lactobacillus plantarum MB452 améliore également l'intégrité de la barrière intestinale en augmentant l'expression des protéines à jonction serrée : la cinguline et l'occludine. Ces protéines aident à maintenir la réparation des cellules épithéliales [67]. Bifidobactérie sp. est un autre groupe de probiotiques qui aident à préserver l’intégrité des jonctions serrées de la muqueuse gastro-intestinale. Ils protègent la barrière épithéliale de la colite aiguë en empêchant la redistribution des protéines occludine et TJ [78].

3.1.3. Entretien du système immunitaire

Les probiotiques peuvent moduler le système immunitaire principalement en (1) modifiant la sécrétion d'immunoglobulines/cytokines, (2) renforçant la barrière épithéliale intestinale, (3) augmentant l'activité des macrophages ou des cellules tueuses naturelles, (4) se liant de manière compétitive à la couche épithéliale empêchant les microbes pathogènes de liaison, et (5) moduler la sécrétion de mucus. Les particules antigéniques produites par les probiotiques, et non par des bactéries entières, peuvent pénétrer dans les cellules épithéliales et entrer en contact avec les cellules immunitaires (79). Peu de souches probiotiques, telles que Lactobacillus rhamnosus GG et Bifidobacteria, modulent la production de cytokines à partir de divers types de cellules, modifiant les réponses immunitaires innées et adaptatives muqueuses et systémiques (80). Les probiotiques interagissent avec les cellules épithéliales et modulent la libération de cytokines en modifiant les voies de transduction du signal cellulaire (81). Différentes souches de probiotiques agissent en stimulant la production de différents composants du système immunitaire. Ceux-ci incluent la stimulation de la production d'IL-10 et d'IL-20 par les cellules mononucléées des bactéries lactiques [82], l'induction de la production d'IL-6 chez Lactobacillus rhamnosus GG [80] et la prévention de apoptose induite par les cytokines et activation inactivante de la protéine kinase pro-apoptotique activée par le mitogène p38 par le TNF, l'IL -1 a ou l'interféron gamma chez Lactobacillus rhamnosus GG (83), suggérant une survie accrue des cellules intestinales (79). Compte tenu des impacts sur l’immunité, l’utilisation de probiotiques pour favoriser la formation d’AGCC augmenterait donc les ressources nutritionnelles et métaboliques ainsi que la capacité des lymphocytes à éliminer les virus, réduisant potentiellement la réémission de virus latents [84].

3.1.4. Activité antimicrobienne des probiotiques

D'autres mécanismes par lesquels les probiotiques inhibent la croissance microbienne comprennent la synthèse d'acides organiques, de substances toxiques et de bactériocines (85). Les bactéries lactiques (LAB), les bactéries propioniques et les bifidobactéries sont utilisées depuis des siècles dans les industries de conservation et de fermentation. Les facteurs qui les rendent efficaces pour une utilisation en conservation peuvent être attribués à un pH faible, à des quantités réduites de glucides et à la production de composés antimicrobiens. Ces bactéries peuvent produire des substances antimicrobiennes, ce qui en fait le bon candidat pour la sélection comme probiotique [86]. LAB produit des acides organiques tels que l'acide acétique, l'acide lactique et l'acide propionique par la fermentation du glucose. L'acide lactique et l'acide acétique ont un effet inhibiteur sur les levures, les moisissures et les bactéries [87]. En plus de l'augmentation du pH, l'acide non dissocié se diffuse sur la membrane cellulaire. Il se dissocie, libérant des ions H+ dans le cytoplasme, provoquant un effondrement du gradient électrochimique et la bactériostase ou la mort des bactéries qui en résulte [88]. Les bactériocines produites par LAB sont des peptides antimicrobiens synthétisés par les ribosomes [89]. Les bactériocines ciblent principalement la membrane cellulaire, inhibent la germination des spores, provoquent l'inactivation des porteurs anioniques et modifient l'activité enzymatique avec un effet bactériostatique ou bactéricide selon la sensibilité de la cellule. Ces peptides sont généralement efficaces sur des espèces bactériennes étroitement apparentées et sur les bactéries Gram-positives (90).

3.1.5. Probiotiques utilisés pour la diarrhée associée aux antibiotiques

Le microbiote intestinal est soumis à des modifications lors des vols spatiaux et des antibiotiques sont utilisés pour le traitement [1]. Bien que les antibiotiques soient essentiels pour éradiquer les infections bactériennes, ils causent des dommages importants aux micro-organismes du microbiote intestinal (91). L'utilisation d'antibiotiques peut causer divers problèmes, tels que la colonisation par Clostridium difficile pathogène, qui provoque des problèmes chroniques du tractus gastro-intestinal et une diarrhée extrême. Dans des conditions normales, C. difficile est confronté à la compétition des bactéries commensales dans le tractus gastro-intestinal, mais lorsque le microbiote intestinal est compromis (comme observé lors d'un voyage dans l'espace), C. difficile peut coloniser le tractus [92]. Les probiotiques peuvent être utilisés pour reconstituer le microbiote gastro-intestinal et ils peuvent également être utilisés pour traiter les infections à C. difficile [93]. Les probiotiques peuvent être utilisés pour traiter la diarrhée liée aux antibiotiques.

3.1.6. Les probiotiques comme prophylaxie contre le cancerr

En raison de l’exposition aux radiations, les astronautes courent un risque plus élevé de cancer. La consommation de lait de soja fermenté avec des probiotiques agit comme mesure prophylactique contre le cancer du sein grâce à l'effet anti-œstrogénique des isoflavones [94]. Le développement du cancer du côlon dépend de plusieurs facteurs. Des preuves ont montré une corrélation entre les altérations de la composition du microbiome intestinal et le développement du cancer colorectal. Les probiotiques peuvent affecter la façon dont le système immunitaire et le microbiote intestinal communiquent et peuvent aider à prévenir le cancer colorectal (95). Le kéfir (lait fermenté avec probiotiques) contient des composés bioactifs, tels que des polysaccharides et des peptides, qui peuvent inhiber la prolifération et l'induction de l'apoptose dans les cellules tumorales. Des études ont révélé que le kéfir peut agir sur le cancer colorectal et du sein [96].

cistanche plante augmentant le système immunitaire

3.1.7. Probiotiques pour le stress/l'anxiété

Le maintien de la condition émotionnelle et physique des astronautes est un facteur crucial pour les futures missions spatiales de longue durée. Le stress est sans aucun doute l'un des agents les plus inquiétants pouvant affecter le bien-être général de l'équipage en raison de ses effets sur la santé humaine et les performances [97]. L’anxiété et le stress ont été associés à la dysbiose intestinale. L'étude de Ma et al. [31] ont rapporté que la consommation de Lactobacillus plantarum P-8 atténuait les symptômes d'anxiété/de stress chez l'homme. Il a également été découvert que la consommation de probiotiques enrichissait la voie de synthèse de l'acide gamma-aminobutyrique (GABA) du métabolite dérivé de l'intestin par Bifidobacterium adolescentis, le GABA et l'histamine sont d'importants neurotransmetteurs qui voyagent à travers le nerf vague jusqu'à l'axe intestin-cerveau.

3.1.8. Probiotiques pour les infections des voies urinaires

Les probiotiques tels que Lactobacillus rhamnosus GR-1 et Lactobacillus reuteri RC-14 ont des propriétés anti-infectieuses, qui ont été testées chez les femmes et semblent prévenir les infections urinaires à un degré comparable à celui des probiotiques à faible dose à long terme. antimicrobiens sans réactions [3].

Tableau 3. Probiotiques : mécanisme d'action et leurs bienfaits pour la santé.

3.1.9. Acides gras à chaîne courte et leur rôle dans le maintien du microbiote intestinal

Les probiotiques peuvent produire des acides gras à chaîne courte (AGCC) [98]. Les SCFA sont des sous-produits organiques de la fermentation. Ceux-ci sont produits dans la lumière de l’intestin lorsque les glucides non digestibles sont incomplètement décomposés dans l’environnement anaérobie par le microbiote intestinal. Les SCFA sont principalement composés d'acétate, de butyrate et de propionate [99, 100]. Les SCFA jouent un rôle essentiel dans la régulation du système immunitaire. Le maintien, la structure et la production de mucus intestinal dépendent du microbiote intestinal et de l’alimentation. Une alimentation riche en fibres conduit à la production d’AGCC par le microbiote intestinal, ce qui améliore la production de mucus et de peptides antimicrobiens et une expression plus élevée des protéines TJ. Une alimentation carencée en fibres entraîne une altération du microbiote intestinal, entraînant une diminution de la couche de mucus et une susceptibilité accrue aux infections et aux maladies inflammatoires chroniques [100]. Les SCFA signalent également des molécules qui régulent la formation d'interleukine -18 en se liant aux récepteurs GPR41 et GPR43 des cellules épithéliales intestinales et des cellules immunitaires (101). Une étude de Silva et al. [102] ont rapporté que les AGCC pourraient avoir un effet direct sur le cerveau en soutenant l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique (BBB), en modulant la neurotransmission, en influençant les niveaux de facteurs neurotrophiques et en favorisant la consolidation de la mémoire. Une étude a rapporté que le butyrate SCFA améliore la fonction de barrière intestinale. La protéine kinase activée par l'adénosine monophosphate (AMPK), lors de son activation, facilite l'assemblage des jonctions serrées et régule les voies métaboliques dans le métabolisme des acides gras et la synthèse des protéines (103). MARS 500 était une expérience au sol de six mois qui comprenait un examen fécal de six membres d'équipage. Les résultats ont montré une variation continue de l’abondance relative de Faecalibacterium prausnitzii et de Roseburia faecis producteurs de butyrate dans le microbiote intestinal de tous les membres d’équipage. Cela indique un changement dans la production de SCFA et des ramifications possibles pour soutenir la relation mutualiste microbiote-hôte (7). Lunar Palace 1 est une autre expérience réalisée sur le terrain. Trois membres d'équipage ont été utilisés pour tester le fonctionnement du système de survie biorégénératif (BLSS). Ils consommaient un régime riche en fibres et suivaient un horaire fixe qui comprenait un travail manuel important dans la cabine de l'usine. Les résultats ont montré des changements similaires dans la composition du microbiote intestinal chez les membres d’équipage présentant une diversité et un nombre élevés de micro-organismes Lachnospira, Faecalibacterium et Blautia. Cela stipule également qu’un régime alimentaire et un mode de vie riches en fibres pourraient être bénéfiques pour le maintien d’un microbiote intestinal sain [32].

3.2. Études de microgravité/microgravité simulée sur les probiotiques

Pour qu’un probiotique soit efficace, il doit posséder certaines caractéristiques spécifiques. Certains d'entre eux sont la stabilité contre l'acide et la bile, l'adhésion aux cellules intestinales humaines, l'antagonisme contre les pathogènes entériques et la production de substances antimicrobiennes. Cependant, ces caractéristiques peuvent changer en fonction de facteurs environnementaux et de la microgravité. Plusieurs études ont été menées pour tester les probiotiques dans des conditions in vitro et in vivo afin de comprendre leurs avantages potentiels pour la santé et la sécurité des astronautes pendant les vols spatiaux. Nous résumons certaines de ces études dans les paragraphes suivants. Une étude menée par Shao et al. [104] pour étudier l'impact des conditions de microgravité simulées sur Lactobacillus acidophilus a révélé un effet considérable sur certaines activités et caractéristiques biologiques. Les principaux résultats étaient (1) aucun changement significatif dans la morphologie de L. acidophilus, (2) une phase de latence raccourcie, (3) une augmentation du taux de croissance, (4) une tolérance accrue aux acides (pH 2,5) avec une résistance à la bile, (5) une diminution sensibilité à la pénicilline sodique, à la céphalexine et à la gentamicine soufrée, (6) aucun changement significatif dans la capacité d'adhésion de L. acidophilus et (7) activité antimicrobienne accrue contre S. aureus et S. Typhimurium. Ces altérations provoquées par la microgravité simulée (SMG) sur les probiotiques de L. acidophilus peuvent être avantageuses pour les astronautes lors des vols spatiaux. Ces probiotiques peuvent tolérer des conditions de stress et persister plus longtemps dans le tractus gastro-intestinal. Comme sa capacité d’adhésion ne change pas, il peut aider à maintenir la fonction de barrière épithéliale intestinale et à empêcher les agents pathogènes d’entrer (103). Dans une autre étude, Senatore et al. [105] ont examiné le Lactobacillus reuteri pour son métabolisme et l'expression de ses gènes dans des conditions SMG. Ils n’ont trouvé aucun changement dans la croissance bactérienne, la taille des cellules et la forme par rapport au contrôle. D’autre part, une tolérance accrue au passage gastro-intestinal et une production accrue de la reutérine, un composé bioactif, ont été observées [32]. La capsule lyophilisée Shirota (LcS) de Lactobacillus casei a été testée pour sa stabilité sur l'ISS pendant un mois. Les capsules LcS provenant de vols spatiaux ne différaient pas en termes de profils génétiques, de modèles de croissance, de fermentation des glucides, de réactivité aux anticorps spécifiques de LcS et de capacité à induire des cytokines par rapport aux échantillons de contrôle conservés dans le laboratoire au sol. Il a été démontré que le LcS renforce l’immunité innée et équilibre le microbiote intestinal et peut être utilisé pour lutter contre les problèmes immunitaires associés aux vols spatiaux [6,44].

3.3. Durée de conservation et survie des probiotiques commerciaux dans un tractus gastro-intestinal simulé

Trois probiotiques commerciaux, à savoir la souche DDS de Lactobacillus acidophilus-1, la souche BB536 de Bifidobacterium longum et les spores de la souche HU58 de Bacillus subtilis, ont été testés pour leur survie dans les conditions attendues lors d'un voyage aller-retour de 3-années sur Mars. Les paramètres testés étaient la survie : 1. au stockage à long terme dans des conditions ambiantes ; 2. Simulation du rayonnement cosmique galactique et du rayonnement des événements de particules solaires ; 3. Exposition à du liquide gastrique simulé ; 4. Exposition à du liquide intestinal simulé. Selon l’étude, l’exposition aux radiations a eu peu d’impact sur les souches de probiotiques examinées. Cependant, les durées de conservation et les taux de survie des trois souches différaient considérablement lors des simulations de leur passage dans le tractus gastro-intestinal supérieur. Selon les résultats, seules les spores de Bacillus subtilis pourraient survivre dans toutes les conditions. Cela suggère que les probiotiques constitués de spores bactériennes pourraient constituer un choix viable pour les voyages spatiaux humains à long terme (106).

4. Conclusions

Pour les voyages spatiaux à long terme, le maintien de la santé de l’astronaute est un facteur crucial. Divers changements physiologiques dans la santé de l'équipage de conduite ont été observés, notamment une modification du microbiome intestinal entraînant une modification de l'effet de l'axe MGB sur la santé mentale, des infections des voies génito-urinaires, la réactivation du virus, la résistance des bactéries et des changements de virulence, une diminution de l'immunité et des modifications de la réponse immunitaire, des problèmes cardiovasculaires et le développement d'un cancer dû à l'exposition aux radiations. Cette revue tente de comprendre l'utilisation possible de probiotiques, qui peuvent être utilisés pour lutter contre ces problèmes de santé causés par les vols spatiaux. Le maintien du microbiome intestinal est important pour les voyages spatiaux à long terme, et de nombreuses maladies sont causées par des changements ou des déséquilibres dans le microbiome intestinal. En raison des avantages connus des probiotiques pour le microbiome intestinal et la santé globale, leur utilisation comme complément alimentaire ou comme complément alimentaire pendant les vols spatiaux pourrait être une alternative prometteuse pour contrecarrer les dérégulations et les conséquences sur la santé des voyageurs spatiaux. Cependant, les expériences réalisées sur les probiotiques dans des conditions de microgravité simulées n’imitent pas entièrement les voyages spatiaux à long terme. D'autres études doivent être menées sur les probiotiques pour valider leur utilisation dans l'espace, vérifier leur efficacité en tant que contre-mesures aux problèmes de santé mentionnés ci-dessus et modifier les propriétés des probiotiques qui peuvent survenir lors des vols spatiaux.

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