2021年9月15日，SpaceX公司發(fā)射了靈感4號(hào)（Inspiration4）載人龍飛船，這也是首次完全商業(yè)化的繞地球飛行。隨著越來(lái)越多的太空探索，了解與太空暴露有關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于準(zhǔn)備長(zhǎng)時(shí)間的太空飛行任務(wù)十分重要。
2024年6月11日，《Nature Communications》發(fā)表了關(guān)于太空飛行如何影響人類(lèi)生物學(xué)的“航天分泌組譜”。其中收集分析的樣本來(lái)自包括SpaceX靈感4號(hào)（Inspiration4）的4名宇航員，通過(guò)納米粒子蛋白組學(xué)技術(shù)分析機(jī)組人員的血漿蛋白、代謝物和細(xì)胞外囊泡/顆粒（extracellular vesicles/paericles，EVPs）特征變化，讓我們了解了短期低地軌道與長(zhǎng)期太空飛行帶來(lái)的廣泛的分子變化，為我們提供了一個(gè)全面、動(dòng)態(tài)的太空生物醫(yī)學(xué)視角。
圖1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)三個(gè)發(fā)射前日期（L-92、L-44和L-3）和返回地球后的三個(gè)飛行后時(shí)間點(diǎn)（R+1、R+ 45、R+82）的機(jī)組人員的血漿EVP蛋白和血漿代謝物分析，總共鑒定出2,992種獨(dú)特的血漿蛋白和1,443種獨(dú)特的EVP蛋白，血漿和EVP共有1,030種蛋白重疊。盡管在EVP中檢測(cè)到的獨(dú)特蛋白質(zhì)較少，但差異豐度蛋白質(zhì)（DAP）比血漿中更多（EVP中為151個(gè)DAP，血漿中為40個(gè)DAP）。具體而言，飛行后立即在EVP（5.96%）和血漿（22.5%）之間共享9個(gè)DAP，分別是PF4、LTBP1、PF4V1、SNCA、PRDX2、FN1、 AIDA、MMRN1和ICAM3。生物通路富集分析，在血漿和EVP中顯示出一致的特征。參與活性氧 (ROS)生成、氧化應(yīng)激、傷口愈合、凝血、免疫功能和止血途徑的DAP在血漿和EVP譜中均富集。這些發(fā)現(xiàn)表明，血漿分泌組反映了太空飛行后的血液學(xué)變化（止血、傷口愈合、凝血）、免疫反應(yīng)/炎癥變化以及ROS代謝的分子變化。
代謝組學(xué)差異分析在比較飛行前（L-92、L-44、L-3）和飛行后（R+1），確定了100種差異豐度代謝物(DAM)。這些DAM在R+1之后的時(shí)間點(diǎn)均迅速恢復(fù)，在這些飛行后立即受到影響的代謝物中，參與嘌呤代謝途徑的代謝物顯示出系統(tǒng)性增加的豐度。肌苷是具有最大正倍數(shù)變化的代謝物。此外，鞘磷脂循環(huán)中涉及的許多代謝物的豐度也存在差異，包括尿苷二磷酸(UDP)增加，鞘氨醇-1-磷酸(S1P)、LysoPC的減少。假設(shè)PCs和LysoPCs的減少是脂質(zhì)過(guò)氧化繼發(fā)于太空飛行誘導(dǎo)的自由基產(chǎn)生的，而丙二醛（MDA）是脂質(zhì)過(guò)氧化的主要副產(chǎn)物之一，被廣泛用作氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物。所以我們用TBARS測(cè)定法量化了MDA與TBA的水平，結(jié)果表明脂質(zhì)過(guò)氧化在飛行后立即（R+1）顯著增加（p值=0.0013），并在幾周后恢復(fù)到基線水平（R+45）。
飛行后立即改變的DAP和DAM（R+1）與飛行前（L-92、L44、L-3）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)血漿蛋白和血漿代謝物之間存在26個(gè)顯著相關(guān)性。相比之下，EVP蛋白和血漿代謝物之間存在1,416個(gè)顯著相關(guān)性。在這些變化中，飛行后最常見(jiàn)的兩種分子變化是氧化應(yīng)激和免疫失調(diào)。ROS子網(wǎng)絡(luò)由26個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，包括6種蛋白質(zhì)和20種代謝物。在這個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中，過(guò)氧化物酶家族中的三種抗氧化酶（PRDX1、PRDX2、PRDX6）可清除細(xì)胞內(nèi)的過(guò)氧化物，在飛行后立即增加。其他三種降解ROS的酶，即SOD1、CAT和谷氨酸-半胱氨酸連接酶(GCLC)，在飛行后也有所增加。這表明飛行后立即產(chǎn)生的抗氧化劑可以補(bǔ)償太空飛行引起的氧化應(yīng)激。免疫子網(wǎng)絡(luò)由56個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，包括10種蛋白質(zhì)和46種代謝物。所有10種蛋白質(zhì)（100%）和33種代謝物（71.7%）在飛行后立即降低，13種代謝物（28.3%）在飛行后立即升高。在這個(gè)子網(wǎng)絡(luò)中，免疫細(xì)胞的所有蛋白質(zhì)標(biāo)記物在飛行后立即降低。
為了闡明免疫細(xì)胞對(duì)分泌組的貢獻(xiàn)，研究人員進(jìn)行了10X Genomics單細(xì)胞基因表達(dá)分析，將蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)與外周血單核細(xì)胞的單核基因表達(dá)進(jìn)行了比較。在PBMCs中檢測(cè)到約30,000個(gè)基因，在血漿和EVP中均檢測(cè)到273個(gè)基因。1131個(gè)基因在血漿蛋白質(zhì)組中獨(dú)有，163個(gè)基因在EVP蛋白質(zhì)組中獨(dú)有。當(dāng)比較PBMCs與血漿DAP和EVP DAP的差異表達(dá)基因(DEG)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)12個(gè)血漿DAP和27個(gè)EVP DAP在PBMCs中也存在差異表達(dá)。為了進(jìn)一步研究EVP蛋白質(zhì)組與PBMCs轉(zhuǎn)錄狀態(tài)之間的聯(lián)系，研究人員分析了EVP DAP和PBMCDEG之間的重疊，發(fā)現(xiàn)淋巴細(xì)胞（T細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞）與DEG的重疊度高于髓系細(xì)胞，血漿DAP也觀察到了同樣的趨勢(shì)，表明淋巴細(xì)胞對(duì)觀察到的分泌組變化的貢獻(xiàn)大于髓系細(xì)胞。為了理清免疫細(xì)胞與分泌蛋白組DAP富集的通路之間的關(guān)系，分析了R+1時(shí)與飛行前功能富集的變化，與飛行前時(shí)間點(diǎn)相比，R+1時(shí)T細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核細(xì)胞和DC中的氧化應(yīng)激和ROS通路有所富集。
太空飛行會(huì)使人類(lèi)大腦受到多種壓力，這些壓力可能會(huì)造成短期和長(zhǎng)期的神經(jīng)系統(tǒng)影響包括體液轉(zhuǎn)移、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退化還可能導(dǎo)致血腦屏障破壞。研究人員分析了太空飛行后的EVP中是否有腦特異性或腦相關(guān)蛋白的富集。EVP和血漿DAP都富含腦功能和腦損傷相關(guān)通路，包括神經(jīng)退化通路、神經(jīng)元死亡和淀粉樣纖維形成?；蚣患治?GSEA)顯示，在R+1時(shí)，血漿中腦相關(guān)蛋白增加。EVP蛋白的腦特征峰值在返回地球后的幾天內(nèi)最為明顯。
此外研究者還檢測(cè)了血漿中與大腦相關(guān)蛋白的可能來(lái)源，基于公共EVP數(shù)據(jù)，在16種腦注釋蛋白中，SNCA、SEMA7A和SVIP在小鼠腦EVP中未檢測(cè)到，在其他組織中也沒(méi)有檢測(cè)到。研究人員還檢測(cè)了與血腦屏障完整性相關(guān)的生物標(biāo)志物，特別是S100B、ENO2和PECAM-1。發(fā)現(xiàn)PECAM-1在C001、C003和C004中在R+1時(shí)血漿蛋白豐度增加，在R+45和R+82時(shí)表現(xiàn)出飛行后增加，這表明PECAM-1可能是與太空飛行相關(guān)的血腦屏障完整性標(biāo)記物。
通過(guò)分析SpaceX Inspiration4機(jī)組人員的血漿蛋白、代謝物和EVP，生成了“航天分泌組譜”，結(jié)果顯示凝血、氧化應(yīng)激和腦富集蛋白存在顯著差異。雖然EVP和代謝物中93%以上的差異豐度蛋白 (DAP)在六個(gè)月內(nèi)恢復(fù)，但大多數(shù)(73%)的血漿 DAP在飛行后仍然受到干擾。此外，腦富集蛋白和血腦屏障(BBB)破壞的可能機(jī)制分析，顯示即使是短時(shí)間的太空飛行也會(huì)破壞人類(lèi)的生理機(jī)能。
參考文獻(xiàn)
[1] Nadia Houerbi, JangKeun Kim, Eliah G Overbey，et al. Secretome profiling reveals acute changes in oxidative stress, brain homeostasis, and coagulation following short-duration spaceflight[J]. Nat Commun, 2024 Jun 11;15(1):4862
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