Vieillir plus lentement dans l'espace ?
Application de microscopie dans un mini-satellite spatial pour l'étude des cellules humaines
L'importance de la recherche spatiale ne cesse de croître, avec de plus en plus d'astronautes dans l'espace. Mais quels sont les effets de l'apesanteur sur le vieillissement du corps humain ? Comment certaines cellules se développent-elles dans des conditions de milli-gravité et de microgravité, comme celles qui règnent sur les petites lunes et les astéroïdes ? Le projet expérimental Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE) se consacre à cette tâche de recherche. Une équipe d'étudiants de différentes hautes écoles suisses (Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz - ARIS - Initiative spatiale académique suisse) veut étudier comment le processus de vieillissement se modifie chez l'homme dans l'espace et comment la sénescence cellulaire influence l'évolution du vieillissement et des troubles liés à l'âge. Actuellement, les jeunes chercheurs conçoivent la construction d'une plateforme satellite pour un projet biologique expérimental correspondant, qui doit répondre à des exigences extrêmes. Le système entièrement automatisé doit servir de banc d'essai de longue durée dans les conditions spatiales requises et faire office de centrifugeuse pour les lignées cellulaires humaines à étudier. Le cœur de cette solution CubeSat est un microscope à fluorescence équipé d'une puce microfluidique et d'une caméra USB3 haute résolution de la gamme uEye XLE.
Dans le corps humain, des processus de vieillissement ont lieu au niveau cellulaire et sont appelés sénescence. Il s'agit d'un phénomène au cours duquel les cellules cessent de se diviser et sécrètent des facteurs inflammatoires. « En se basant sur les recherches de la NASA et de nombreux autres groupes internationaux, il existe des raisons de croire que les cellules vieillissent plus lentement en apesanteur que sur Terre. Cet effet est mesurable grâce à certaines protéines et l’ARN messager qui sont émis lors du vieillissement cellulaire. Les ARN messagers (ARNm) se sont révélés être des facteurs essentiels qui contribuent à la sénescence cellulaire ou qui l'empêchent. Un marqueur fluorescent permet de repérer cet ARNm et de l'exposer à la bonne lumière pour le faire ressortir. L'expérience complète est réalisée sur une durée de 2 mois sur 10 cm3 seulement. Pour mesurer et analyser les processus nécessaires dans ces conditions, nous avons besoin d'un microscope à fluorescence particulièrement fiable et compact », explique Jonas Schlör, Payload Engineer chez SAGE.
Pour les tests en laboratoire, une caméra U3-38J1XLE-C-HQ a été utilisée dans le microscope. La caméra enregistre l'ARNm fluorescent de cellules humaines présentes sur une puce microfluidique. Les puces microfluidiques permettent de miniaturiser et d'intégrer des fonctionnalités de laboratoire complexes sur une seule puce. Cela permet de gagner de la place et de réduire les besoins en échantillons. Les puces microfluidiques contiennent des microcanaux gravés ou formés à travers lesquels le liquide à analyser peut s'écouler. L'utilisation de canaux microfluidiques permet de réaliser des échantillons dans de très petits volumes. Grâce à la haute résolution de la caméra avec le capteur à obturateur roulant (Rolling Shutter) IMX415 de Sony, il est possible de distinguer les cellules les unes des autres. La haute densité de pixels du capteur, en particulier, permet de représenter des cellules individuelles d'un diamètre de seulement 15 μm. Une LED bleue stimule les cellules d'une puce microfluidique. Celles-ci émettent une lumière verte d'intensité variable en fonction du taux de sénescence. Un filtre optique ne laisse passer que la lumière verte des cellules à travers l'objectif de la caméra. Cela permet de déterminer non seulement le taux de sénescence général des cellules, mais aussi le nombre spécifique de cellules vivantes.
« La caméra se caractérise par de nombreuses possibilités de réglage liées au logiciel, comme les temps d'exposition ou les filtres de couleur, ce qui permet de conserver une grande flexibilité tout au long du processus de conception. »
« Les données obtenues sont donc très significatives et pertinentes d’un point de vue scientifique, car aucune recherche comparable n'a été menée jusqu'à présent », explique Jonas Schlör. En outre, il est également possible de renoncer à un appareillage complexe, habituellement nécessaire avec les microscopes à fluorescence, et d'économiser beaucoup de place. « La caméra se caractérise aussi par de nombreuses possibilités de réglage liées au logiciel, comme les temps d'exposition ou les filtres de couleur, ce qui permet de conserver une grande flexibilité tout au long du processus de conception. » De plus, elle doit répondre aux exigences sévères de l'environnement extérieur. Notamment le lancement de la fusée avec ses vibrations très intenses et, bien sûr, les conditions en orbite sous vide et sous l'effet des rayons cosmiques.
Avec 8,41 MP et une résolution 4K, la U3-38J1XLE Rev.1.1 est particulièrement adaptée à ce type de tâches de visualisation. Avec la fonction de compartimentage 2x2, il est possible, si nécessaire, de réduire la quantité de données à transmettre d'un facteur de quatre et d'augmenter ainsi la sensibilité à la lumière et la fréquence d'images. Le capteur à obturateur roulant (Rolling Shutter) IMX415 de Sony fournit des données haute résolution pour des analyses d'images détaillées. Grâce à son design extrêmement compact, la caméra IDS s'intègre parfaitement dans cette application embarquée. La caméra est commandée par un microcontrôleur qui traite et compresse les données sur le satellite avant de les envoyer sur Terre. Le logiciel ainsi que les algorithmes de contrôle sont développés et testés par les étudiants de ARIS eux-mêmes.
Les exigences posées au système ou CubeSat sont élevées : il doit à la fois fournir les points de fixation des sous-systèmes et des composants et assurer la stabilité structurelle du satellite - depuis son insertion dans le lanceur jusqu'à la fin de sa vie. Tous les composants doivent résister aux contraintes physiques générées par le lanceur pendant l'ascension et, plus tard, aux variations de rayonnement et de température dans l'espace, tout en étant aussi légers que possible. Le prototype de satellite a déjà donné des premiers résultats prometteurs.
Perspectives
Le projet expérimental est prévu pour 3 ans. Sur la base des résultats de recherche, plusieurs scénarios sont envisageables. Dans un premier temps, il s'agira par exemple de déterminer si certaines thérapies pourraient améliorer le bien-être des astronautes. Mais les cellules sénescentes peuvent aussi être à l'origine de diverses maladies qui rendent la vie difficile, surtout aux personnes âgées, comme la démence, l'artériosclérose, le diabète et l'arthrite. En outre, ces cellules sont soupçonnées de contribuer à la progression des tumeurs. Selon une étude, le SRAS-CoV-2 peut également être un déclencheur de sénescence - une explication possible des troubles persistants dans le cas d’un Covid long.
Le projet expérimental Swiss Artificial Gravity Experiment pourrait fournir des pistes intéressantes pour d'éventuelles thérapies. De plus en plus de caméras IDS contribuent ainsi à la promotion de la santé. « Un champ d'application qui nous tient à cœur », souligne le fondateur et propriétaire d'IDS, Jürgen Hartmann.
uEye XLE USB3 Vision – Optimisation conséquente des coûts
Modèle utilisé : U3-38J1XLE-C-HQ
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Client
ARIS (Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz) rassemble des étudiants des hautes écoles suisses qui se passionnent pour l'exploration spatiale. Formés en lien avec l'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), les membres relèvent des défis techniques en alliant théorie et pratique. Ils ne construisent pas seulement des fusées, ils développent également leur premier satellite 3U CubeSat avec SAGE (Swiss Artificial Gravity Experiment).