Cette laitue produit une hormone de stimulation osseuse qui pourrait aider à éviter la perte osseuse dans l'espace et sur Terre. Crédit :Kevin Yates
La NASA se prépare à envoyer des humains sur Mars dans les années 2030. La mission de 3 ans exposera les astronautes à une longue période de microgravité, ce qui leur fera perdre de la masse osseuse. Mais maintenant, les scientifiques rapportent une laitue transgénique qui produit une hormone stimulant les os. Un jour, les astronautes pourraient faire pousser de la laitue dans l'espace et contribuer à prévenir la perte osseuse, simplement en mangeant un grand bol de salade. De plus, la laitue pourrait aider à lutter contre l'ostéoporose dans les régions aux ressources limitées ici sur Terre, selon les chercheurs.
Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd'hui lors de la réunion de printemps de l'American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 20 au 24 mars, avec un accès à la demande disponible du 21 mars au 8 avril. La réunion propose plus de 12 000 présentations sur un large éventail de sujets scientifiques.
Des études antérieures sur des astronautes lors de missions spatiales prolongées ont montré qu'ils perdaient en moyenne plus de 1% de leur masse osseuse par mois passé dans l'espace, une condition connue sous le nom d'ostéopénie. "En ce moment, les astronautes de la Station spatiale internationale ont certains programmes d'exercices pour essayer de maintenir leur masse osseuse", explique Kevin Yates, un étudiant diplômé qui présente les travaux lors de la réunion. "Mais ils ne sont généralement pas sur la Station spatiale internationale pendant plus de 6 mois." En revanche, il faut environ 10 mois pour se rendre sur Mars, et les astronautes resteraient environ un an pour étudier la planète avant de faire le voyage de retour sur Terre.
La mission de 3 ans pourrait rendre les astronautes vulnérables à l'ostéopénie et, plus tard, à l'ostéoporose. Un médicament contenant un fragment peptidique de l'hormone parathyroïdienne humaine (PTH) stimule la formation osseuse et pourrait aider à restaurer la masse osseuse en microgravité, mais il nécessite des injections quotidiennes. Transporter de grandes quantités de médicaments et de seringues et les administrer pendant les missions spatiales n'est pas pratique. Alors Yates ; Somen Nandi, Ph.D.; Karen McDonald, Ph.D.; et leurs collègues voulaient trouver un moyen pour les astronautes de le produire eux-mêmes, tout en dégustant des légumes verts savoureux, qui manquent cruellement dans les régimes principalement en conserve et lyophilisés des astronautes.
"Les astronautes peuvent transporter des graines transgéniques, qui sont très petites - vous pouvez avoir quelques milliers de graines dans un flacon de la taille de votre pouce - et les cultiver comme de la laitue ordinaire", explique Nandi. "Ils pourraient utiliser les plantes pour synthétiser des produits pharmaceutiques, tels que la PTH, selon les besoins, puis manger les plantes."
Sur la Station spatiale internationale, les astronautes ont déjà montré qu'ils pouvaient faire pousser de la laitue régulière dans cet environnement aux ressources limitées. Yates, Nandi et McDonald, qui sont à l'Université de Californie à Davis, voulaient développer une laitue transgénique qui exprime le peptide PTH sous une forme qui pourrait être prise par voie orale plutôt que par injection. La laitue spéciale pourrait également aider à traiter l'ostéopénie dans les régions de la Terre qui n'ont pas accès aux médicaments traditionnels. Pour augmenter la stabilité et la biodisponibilité de la PTH dans le corps, ils ont attaché un morceau d'une autre protéine, le domaine fragment cristallisable (Fc) d'un anticorps humain, à la séquence de la PTH. Des études antérieures ont montré que le fragment Fc augmente le temps pendant lequel le peptide attaché circule dans le sang, ce qui le rend plus efficace.
Les chercheurs ont introduit un gène codant pour la PTH-Fc dans la laitue en infectant des cellules végétales avec Agrobacterium tumefaciens — une espèce de bactérie utilisée en laboratoire pour transférer des gènes aux plantes. Ils ont criblé les plants de laitue transgéniques et leur descendance pour la production de PTH-Fc. Les résultats préliminaires indiquent qu'en moyenne, les plantes expriment environ 10 à 12 milligrammes de l'hormone peptidique modifiée par kilogramme de laitue fraîche. Selon Yates, cela signifie que les astronautes devraient manger environ 380 grammes, soit environ 8 tasses, de laitue par jour pour obtenir une dose suffisante de l'hormone, en supposant une biodisponibilité d'environ 10 %, ce qu'il reconnaît être une « assez grosse salade ».
"Une chose que nous faisons maintenant est de cribler toutes ces lignées de laitue transgéniques pour trouver celle qui a l'expression la plus élevée de PTH-Fc", déclare McDonald. "Nous n'avons examiné que quelques-uns d'entre eux jusqu'à présent, et nous avons observé que la moyenne était de 10 à 12 mg/kg, mais nous pensons que nous pourrions être en mesure d'augmenter encore cela. Plus nous pouvons augmenter l'expression, plus la quantité de laitue à consommer est petite. L'équipe souhaite également tester la croissance de la laitue transgénique sur la Station spatiale internationale et déterminer si elle produit la même quantité de PTH-Fc que sur Terre.
Bien que les chercheurs n'aient pas encore goûté la laitue parce que sa sécurité n'a pas été établie, ils prévoient qu'elle aura un goût très similaire à son homologue habituel, comme la plupart des autres plantes transgéniques. Avant que la laitue transgénique puisse orner les assiettes des astronautes, les chercheurs doivent optimiser les niveaux d'expression de PTH-Fc, puis ils testeront la laitue pour sa capacité à prévenir en toute sécurité la perte osseuse dans des modèles animaux et des essais cliniques humains. Néanmoins, prédit Yates :"Je serais très surpris si, au moment où nous envoyons des astronautes sur Mars, les plantes ne sont pas utilisées pour produire des produits pharmaceutiques et d'autres composés bénéfiques."
Les chercheurs reconnaissent le soutien et le financement de la NASA par le biais du Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES).
Titre
Développement d'une thérapie générée par les plantes fabriquée en vol pour traiter l'ostéopénie en microgravité
Résumé
Les missions spatiales prolongées dans un environnement de microgravité modifient la physiologie normale du corps humain. Un problème critique dans les vols spatiaux est la perte de densité minérale osseuse. Dans le processus d'homéostasie osseuse, des cellules spécialisées facilitent le remodelage osseux avec une résorption et une formation osseuses couplées. La charge mécanique réduite en microgravité entraîne une résorption plus rapide que la formation, ce qui entraîne une perte de masse osseuse. Des médicaments tels que l'hormone parathyroïdienne (PTH) [acides aminés 1-34], un fragment peptidique de la PTH humaine naturelle, stimulent la formation osseuse et peuvent être capables de restaurer la masse osseuse en microgravité. Cependant, cela nécessite une injection sous-cutanée quotidienne pendant plusieurs mois, et dans un environnement aux ressources limitées, cela n'est pas pratique. Une alternative au transport d'un médicament injectable est plutôt de renforcer la capacité à le produire pendant la mission, ce que nous proposons de faire dans des plantes transgéniques.
Nous produisons de la laitue transgénique qui exprime une protéine de fusion constituée de PTH [acides aminés 1-34] liés à un domaine fragment cristallisable (Fc) d'IgG1 humaine via un lieur flexible. Le composant Fc et la séquestration de la PTH-Fc dans le réticulum endoplasmique de la plante sont destinés à augmenter la biodisponibilité par administration orale. Nous avons construit un vecteur binaire pour l'expression de cette protéine PTH-Fc et l'avons utilisé pour produire constitutivement PTH-Fc dans deux variétés de laitue transgénique via la transformation médiée par Agrobacterium tumefaciens de laitue de type sauvage. Nous avons réussi à générer des plantes transgéniques (T) et à cribler les générations T1 et T2 à l'aide d'un marqueur sélectionnable et d'une PCR. Un protocole d'extraction couplé à un Western blot a permis la détection de PTH-Fc dans des extraits de plantes en ciblant soit la région PTH, soit la région Fc de la protéine de fusion. Un protocole ELISA optimisé est en cours de développement pour quantifier les niveaux d'expression de PTH-Fc. On estime à partir des résultats préliminaires que le niveau d'expression est de l'ordre de 10 à 12 mg de PTH-Fc par kilogramme de biomasse en poids frais.
