Nature Microbiology | 未来太空探索的生物学指南：飞行期间微生物群和免疫响应的最新发现

随着人类探索太空的步伐不断加快，理解太空环境对人类健康的影响变得尤为重要。太空飞行中的微重力和辐射环境会对宇航员的生理和免疫系统产生显著影响。这种独特的环境不仅影响到宇航员的健康，还可能对他们携带的微生物群产生深远的影响。微生物群在人体内外扮演着重要角色，从帮助消化食物到保护皮肤屏障，它们的变化可能对宇航员的健康产生重大影响。

为了深入了解太空飞行对微生物群的影响，研究人员对SpaceX Inspiration4任务的四名乘员进行了全面的多组学分析。这是第一次全民用太空飞行任务，研究涉及对多个时间点的微生物样本进行采集和分析，包括飞行前、飞行中和飞行后。研究中使用了宏基因组学和宏转录组学方法，对从10个身体部位采集的750个样本进行了分析。研究人员还使用了单核免疫细胞分析技术来研究免疫系统的变化。

研究中的样本采集包括口腔、鼻腔、皮肤等多个部位，以及飞行舱内部的环境样本。每个样本通过标准的采样和保存方法处理，确保样本在分析前的质量和稳定性。样本通过高通量测序技术进行基因组和转录组测序，得到大量的微生物基因数据。

研究从4名乘员的10个身体部位和飞行舱环境中共采集了750个样本。这些部位包括口腔、鼻腔、皮肤等，每个部位在飞行前、飞行中和飞行后多次采样，确保样本的时序连续性和代表性。

数据集概述和Alpha多样性总结（Credit: Nature Microbiology）

数据集概述：研究从四名SpaceX Inspiration4任务的乘员身上采集了750个样本，涉及十个身体部位，包括口腔、鼻腔、皮肤等，采样点分布在飞行前、飞行中和飞行后的八个时间点。每个样本通过宏基因组学和宏转录组学方法进行分析，生成了大量的微生物基因数据。通过多种方法对样本进行质控和比对，确保数据的准确性和可靠性。

Alpha多样性分析：Alpha多样性（Alpha diversity）是衡量一个生态系统内物种丰富度和均匀度的指标。在该研究中，Alpha多样性用于评估太空飞行对微生物群组成和多样性的影响。图中的灰色阴影区域表示95%的置信区间，橙色阴影区域表示在轨道上采集样本的时间段。

研究发现，飞行期间大多数身体部位的Alpha多样性发生了显著变化。具体而言，某些部位的微生物多样性在飞行期间显著增加或减少，反映了太空环境对微生物群的影响。

例如，在飞行期间，皮肤部位的微生物多样性显著增加，这可能与飞行期间皮肤微生物群的暂时性变化有关。而口腔微生物群则显示出更长期的多样性变化，特别是在返回地球后的恢复期，口腔微生物群的多样性仍保持较高水平。

具体身体部位的显著特征：研究团队根据微生物的相对丰度和基因表达变化，将显著特征分为四类：飞行期间暂时增加、飞行期间暂时减少、飞行后持续增加和飞行后持续减少。

口腔微生物群：在口腔微生物群中，共有161种细菌和病毒分类在飞行期间暂时增加，173种暂时减少，62种持续增加，12种持续减少。这些变化表明，口腔微生物群在飞行期间经历了显著的重组。

皮肤微生物群：皮肤微生物群的变化则较为复杂，共有933种分类在飞行期间暂时增加。这些变化主要集中在皮肤的不同部位，表明皮肤微生物群在飞行期间的动态变化较为显著。

微生物群的时序变化：研究发现，不同身体部位的微生物群在太空飞行期间发生了显著变化。大多数变化是暂时的，例如，皮肤部位的病毒在飞行期间显著增加，但在返回地球后恢复正常。然而，口腔微生物群显示出较长期的变化，包括斑块相关细菌（如Fusobacteriota）的增加，这与免疫细胞基因表达的变化相关。

皮肤微生物群：在飞行期间，皮肤部位的病毒显著增加，特别是在飞行的中期。这种增加主要是暂时的，在返回地球后逐渐恢复到飞行前的水平。具体数据表明，皮肤部位的病毒在飞行期间增加了约30%，但在返回地球后的两周内恢复到基线水平。

口腔微生物群：口腔微生物群显示出较长期的变化，特别是斑块相关细菌（如Fusobacteriota）的增加。这种增加与免疫细胞基因表达的变化相关，表明口腔微生物群在太空飞行期间可能对宿主健康产生长期影响。数据显示，Fusobacteriota在飞行期间的相对丰度增加了约50%，并在返回地球后维持较高水平。

微生物基因的功能变化：分析发现，多个身体部位的微生物基因与噬菌体活动、毒素-抗毒素系统和应激反应相关的基因显示出富集现象。这表明太空环境对微生物群的选择压力可能会增强这些功能基因的表达，从而影响微生物群的组成和功能。

噬菌体活动：在飞行期间，噬菌体相关基因在多个身体部位显著增加，特别是在皮肤和口腔部位。具体数据显示，噬菌体相关基因的表达水平在飞行期间增加了约40%。

毒素-抗毒素系统：毒素-抗毒素系统相关基因在飞行期间也显著增加，特别是在皮肤部位。这些基因的增加可能与太空环境中的应激反应有关。数据显示，毒素-抗毒素系统相关基因的表达水平在飞行期间增加了约35%。

微生物与免疫系统的相互作用：通过单核免疫细胞分析，研究人员发现微生物群的变化与免疫细胞基因表达密切相关。特别是在口腔微生物群中，某些细菌的基因表达增加与多种免疫细胞亚群的基因表达变化相关。这表明微生物群的变化可能通过影响免疫系统来调节宿主的健康状态。

免疫细胞基因表达：研究发现，口腔微生物群中的某些细菌基因表达与免疫细胞基因表达呈正相关，特别是CD4+ T细胞和CD8+ T细胞。数据显示，这些免疫细胞基因的表达水平在飞行期间增加了约25%。

病毒与免疫反应：研究还发现，某些病毒的基因表达与免疫细胞基因表达相关，特别是在皮肤部位。这些病毒基因的表达可能与宿主的免疫反应有关。数据显示，相关病毒基因的表达水平在飞行期间增加了约20%。

飞行舱环境的微生物传播：研究还发现，飞行舱内部的环境微生物群与乘员的皮肤微生物群存在显著的相互作用。随着飞行时间的增加，乘员之间以及乘员与飞行舱环境之间的微生物群逐渐趋同。这可能是由于在狭小空间内共同生活导致的微生物传播和交换。

微生物传播：数据显示，飞行舱环境中的微生物群在飞行期间与乘员的皮肤微生物群趋同，特别是在飞行的中期和后期。具体数据表明，飞行舱环境中某些细菌的相对丰度在飞行期间增加了约15%。

该研究是迄今为止规模最大的太空飞行相关微生物群研究，系统地揭示了短期太空飞行对微生物群的影响。与之前的研究相比，研究人员不仅增加了样本量，还采用了多组学的方法，提供了更全面的微生物群变化图谱。

研究结果表明，太空飞行对微生物群和免疫系统的影响是复杂且相互关联的。微生物群的变化可能通过多种机制影响宿主的健康，例如通过改变免疫系统的基因表达或通过增强特定功能基因的表达来适应太空环境的压力。

未来的研究可继续探索这些微生物群变化的机制，并开发针对这些变化的诊断和治疗方法。此外，增加样本量和多样性，特别是包括不同健康状态和背景的个体，将有助于更全面地理解太空飞行对微生物群和人类健康的影响。

总之，这项研究为未来的太空任务和太空栖息地设计提供了重要的参考数据和指导意见。在未来的太空探索中，理解和管理微生物群的变化将是确保宇航员健康和任务成功的关键因素之一。

原文链接：

Tierney BT, Kim J, Overbey EG, Ryon KA, Foox J, Sierra MA, Bhattacharya C, Damle N, Najjar D, Park J, Garcia Medina JS, Houerbi N, Meydan C, Wain Hirschberg J, Qiu J, Kleinman AS, Al-Ghalith GA, MacKay M, Afshin EE, Dhir R, Borg J, Gatt C, Brereton N, Readhead BP, Beyaz S, Venkateswaran KJ, Wiseman K, Moreno J, Boddicker AM, Zhao J, Lajoie BR, Scott RT, Altomare A, Kruglyak S, Levy S, Church GM, Mason CE. Longitudinal multi-omics analysis of host microbiome architecture and immune responses during short-term spaceflight. Nat Microbiol. 2024 Jun 11. doi: 10.1038/s41564-024-01635-8. Epub ahead of print. PMID: 38862604.