L’observation est fascinante : une planaire ayant séjourné à bord de la station spatiale internationale (ISS) est revenue sur Terre avec deux têtes. Elle est la seule d’un groupe de quinze vers plats à présenter cette morphologie étonnante. Ces derniers avaient été décapités avant d’être embarqués à bord d’une fusée qui devait rejoindre l’ISS. L’objectif de ces expériences était de déterminer si un séjour dans l’espace pouvait affecter leur régénération. Autrement dit, si la microgravité ou le faible champ géomagnétique pouvait avoir un effet sur les planaires qui possèdent l’extraordinaire capacité de régénérer n’importe quelle partie endommagée de leur corps.

Les planaires sont des vers plats aquatiques, non-parasitaires, d’une longueur d’environ 10 mm de long pour un poids moyen de 0,25 g. Les spécialistes en biologie du développement les affectionnent tout particulièrement. Ces petits animaux représentent en effet des organismes de prédilection pour l’étude de la régénération cellulaire. Ils sont connus pour leur extraordinaire aptitude à reconstituer en l’espace de deux semaines des parties détruites de leur corps après une blessure traumatique. Ainsi, quand une planaire est sectionnée en deux, la partie qui porte la tête reforme la queue tandis que la moitié qui possède la queue régénère la tête. Mieux, lorsque la bestiole est découpée de telle façon que certains fragments n’ont ni queue ni tête, les différents éléments peuvent encore se « souvenir » de quel côté, de la tête ou de la queue, elles étaient le plus près. Les fragments régénèrent alors une tête et une queue dans une orientation conforme à celle qui prévalait quand l’organisme ne faisait qu’un.

Le célèbre généticien américain Thomas Morgan avait démontré en 1898 que chaque fragment provenant de la découpe d’une planaire en 276 petits morceaux pouvait donner naissance à une nouvelle planaire du fait de cette fabuleuse capacité de régénération. On sait aujourd’hui que ce processus requiert la participation de cellules souches pluripotentes adultes appelées « néoblastes ». Ce sont ces néoblastes qui assurent la régénération, avec une grande fidélité, de n’importe quel organe ou tissu d’une planaire.

Ces capacités de régénération fascinent les chercheurs travaillant en médecine régénérative dont l’objet est, un jour, de pouvoir réparer, remplacer ou régénérer des cellules, des tissus ou des organes endommagés ou amputés chez l’homme. Or les planaires ont plus de similitudes sur le plan génétique avec les vertébrés qu’avec des modèles animaux très utilisés en recherche biomédicale, en l’occurrence la mouche du vinaigre ou drosophile (Drosophila melanogaster) et un petit ver d’un millimètre environ, transparent et non-parasitaire, Caenorhabditis elegans. La planaire Dugesia japonica représente donc un modèle animal particulièrement utile pour étudier les mécanismes de la régénération et le rôle des cellules souches dans la mise en place d’une réponse après une lésion tissulaire.

Les planaires ont séjourné 29 jours dans l’espace avant de revenir sur Terre à bord d’une capsule qui a amerri au large des côtes californiennes, indique l’équipe de Michael Levin de l’université Tufts (Medford, Massachusetts) dans un article paru en ligne le 13 juin 2017 dans la revue Regeneration. Des planaires ont été amputées ou laissées intactes en un seul morceau. Les fragments (de tête, de pharynx ou de queue), ainsi que des vers entiers, ont été placés dans des tubes scellés contenant un mélange de 50 % d’air et 50 % d’eau. Deux groupes de planaires ont été constitués. Des planaires (entières et découpées), servant d’animaux contrôles, sont restées sur Terre au laboratoire tout en subissant le même sort que le groupe parti pour séjourné à bord de l’ISS.

Ces vers ont pris place dans des tubes contenus dans une capsule lancée par une fusée, puis ont séjourné dans la station spatiale internationale, avant de revenir sur Terre. L’amerrissage ramenant les planaires de l’espace a eu lieu 32 jours après leur amputation. Les échantillons biologiques ont été examinés environ 68 h après leur retour sur Terre. Dans les tubes scellés, toutes les planaires étaient vivantes. Celles-ci ont été étudiées pendant 20 mois afin de déterminer les effets à long terme d’un séjour dans l’espace sur les plans morphologique, comportemental, bactériologique et biochimique.

Après régénération, une planaire a donc développé une tête à chaque extrémité. Elle est la seule à posséder cette anomalie morphologique. Cette observation est extrêmement surprenante dans la mesure où un spécimen bicéphale n’a jamais été au cours des 18 années pendant lesquelles l’équipe de Michael Levin a méthodiquement étudié la régénération de D. japonica. Les biologistes précisent avoir observé plus de 15 000 planaires au cours des cinq dernières années sans jamais avoir détecté un ver à deux têtes après régénération spontanée à partir d’un fragment.

Les chercheurs n’étaient cependant pas au bout de leurs surprises avec cette planaire bicéphale. Lorsqu’ils l’ont décapité aux deux extrémités, le fragment du milieu a régénéré de nouveau une planaire à deux têtes. Cela montre donc que la modification majeure dans le plan d’organisation de ce ver est stable et persiste lors d’une deuxième et d’une troisième décapitation.

A vrai dire, l’apparition de planaires avec une tête à chaque extrémité avait déjà été rapportée, mais dans un tout autre contexte. Ces expériences utilisaient un produit chimique, l’octanol, qui perturbe la communication entre cellules en inhibant le fonctionnement des gap junctions, des canaux impliqués dans les communications entre cellules jointives. J’ai relaté ces expériences spectaculaires dans un précédent billet de blog.

Hypothèses

Les auteurs formulent plusieurs hypothèses pouvant expliquer l’induction d’une planaire à deux têtes lors d’une régénération spontanée intervenue dans l’espace. Il est possible que le faible champ magnétique terrestre dans la station spatiale puisse désorganiser les microtubules du cytosquelette. Celui-ci confère aux cellules leurs propriétés architecturales et mécaniques. Il a déjà été montré qu’une perturbation de ces microtubules par un produit pharmacologique induit des planaires à deux têtes. De même, la microgravité peut entraîner une altération des canaux ioniques à travers les membranes des cellules. Enfin, l’environnement spatial pourrait induire des perturbations des gap junctions. Une récente étude a montré que la microgravité réduit l’expression de gènes impliqués dans le fonctionnement des gap junctions de cellules souches embryonnaires. Or les gap junctions jouent un rôle important dans la régénération tissulaire et la biologie des cellules souches, notamment des néoblastes du planaire.

Modifications de comportement

Les auteurs ont également cherché à savoir si le comportement des planaires avait été affecté par l’environnement spatial. Les planaires parties dans l’espace et celles restées sur Terre ont été placées dans des boîtes de Pétri dont une moitié était alternativement maintenue dans l’obscurité tandis que l’autre était éclairée par une LED émettant une lumière bleue. Les vers n’ayant pas quitté le laboratoire ont passé 95,5 % du temps dans le noir tandis que ceux qui avaient séjourné dans l’espace sont restés seulement 70 % du temps dans l’obscurité. Même si la différence entre les deux groupes n’était pas significative compte tenu du faible nombre de vers testés, l’écart entre les durées passées dans le noir est important.

Microbiote modifié

Les planaires sont des prédateurs et des charognards. L’alimentation de ces vers plats aquatiques se compose de larves de moustiques et de détritus, ce qui explique que ces animaux soient porteurs d’une grande quantité de microbes. Une fois ingérées, ces bactéries se retrouvent dans leur système gastro-vasculaire. La planaire est très résistante à toutes ces bactéries qui composent son microbiote. En effet, une fois ingérées, ces microbes sont éliminés par la planaire, et ce quelle que soit leur virulence. La réponse immunitaire de la planaire est d’une redoutable efficacité. Ce minuscule ver plat est ainsi caractérisé par sa très grande résistance aux agents pathogènes pour l’homme.

Les chercheurs ont analysé le microbiote des planaires, autrement dit la composition des bactéries hébergées dans leur organisme. Ils ont montré que le microbiote des planaires parties dans l’espace différait significativement de celui des vers qui n’avaient pas quitté la Terre. Cette différence était encore présente vingt mois plus tard.

Enfin, les scientifiques ont analysé par spectrométrie de masse la composition de l’eau dans laquelle vivaient les planaires durant les expériences de régénération. Ils ont constaté une teneur très différente en acides gras et protéines selon que les vers avaient séjourné dans l’espace ou étaient restés sur Terre. Ces acides gras et protéines libérés dans l’eau où vivent les planaires ayant voyagé dans l’espace pourraient provenir de tissus endommagés ou de cellules rompues à la surface des vers sous l’effet des énormes pressions qui s’exercent lors du décollage et de l’amerrissage.

A l’avenir, les chercheurs souhaitent que l’amputation des planaires puisse se faire à bord de l’ISS et non dans les heures qui précèdent le lancement de la fusée qui rejoint la station spatiale. Réaliser les différents types d’amputation dans l’espace est important car plusieurs étapes clés de la régénération (et donc du destin des cellules qui formeront la tête ou la queue) se produisent très rapidement après la section de la planaire. Ces expériences nécessiteraient qu’un astronaute découpe manuellement au scalpel, en impesanteur, des planaires en petits morceaux. Pourquoi pas un chirurgien devenu astronaute par vocation ?

Marc Gozlan (Suivez-moi sur Twitter, sur Facebook)

Pour en savoir plus :

Morokuma J, Durant F, Williams KB, Finkelstein JM, Blackiston DJ, Clements T, Reed DW, Roberts M, Jain M, Kimel K, Trauger SA, Wolfe BE, Levin M. Planarian regeneration in space: Persistent anatomical,behavioral, and bacteriological changes induced by space travel. Regeneration. 2017;4:85-102. doi: 10.1002/reg2.79

Levin M. Endogenous bioelectrical networks store non-genetic patterning information during development and regeneration. J Physiol. 2014 Jun 1;592(11):2295-305. doi: 10.1113/jphysiol.2014.271940

Oviedo NJ, Morokuma J, Walentek P, Kema IP, Gu MB, Ahn JM, Hwang JS, Gojobori T, Levin M. Long-range neural and gap junction protein-mediated cues control polarity during planarian regeneration. Dev Biol. 2010 Mar 1;339(1):188-99. doi: 10.1016/j.ydbio.2009.12.012

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