2021年9月15日，SpaceX公司發(fā)射了靈感4號（Inspiration4）載人龍飛船，這也是首次完全商業(yè)化的繞地球飛行。隨著越來越多的太空探索，了解與太空暴露有關(guān)的健康風險對于準備長時間的太空飛行任務(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生物學的“航天分泌組譜”。其中收集分析的樣本來自包括SpaceX靈感4號（Inspiration4）的4名宇航員，通過納米粒子蛋白組學技術(shù)分析機組人員的血漿蛋白、代謝物和細胞外囊泡/顆粒（extracellular vesicles/paericles，EVPs）特征變化，讓我們了解了短期低地軌道與長期太空飛行帶來的廣泛的分子變化，為我們提供了一個全面、動態(tài)的太空生物醫(yī)學視角。

研究策略

圖1：實驗設(shè)計流程圖

結(jié)果速遞

一、太空飛行后血漿和EVP的蛋白質(zhì)組學特征變化

研究團隊對三個發(fā)射前日期（L-92、L-44和L-3）和返回地球后的三個飛行后時間點（R+1、R+ 45、R+82）的機組人員的血漿EVP蛋白和血漿代謝物分析，總共鑒定出2,992種獨特的血漿蛋白和1,443種獨特的EVP蛋白，血漿和EVP共有1,030種蛋白重疊。盡管在EVP中檢測到的獨特蛋白質(zhì)較少，但差異豐度蛋白質(zhì)（DAP）比血漿中更多（EVP中為151個DAP，血漿中為40個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。

二、太空飛行后血漿代謝組學特征的變化

代謝組學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之后的時間點均迅速恢復(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)過氧化繼發(fā)于太空飛行誘導的自由基產(chǎn)生的，而丙二醛（MDA）是脂質(zhì)過氧化的主要副產(chǎn)物之一，被廣泛用作氧化應(yīng)激的生物標志物。所以我們用TBARS測定法量化了MDA與TBA的水平，結(jié)果表明脂質(zhì)過氧化在飛行后立即（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）。

三、整合蛋白質(zhì)組學和代謝組學揭示了抗氧化防御和免疫失調(diào)的共同特征

飛行后立即改變的DAP和DAM（R+1）與飛行前（L-92、L44、L-3）進行比較，發(fā)現(xiàn)血漿蛋白和血漿代謝物之間存在26個顯著相關(guān)性。相比之下，EVP蛋白和血漿代謝物之間存在1,416個顯著相關(guān)性。在這些變化中，飛行后最常見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個節(jié)點組成，包括6種蛋白質(zhì)和20種代謝物。在這個子網(wǎng)絡(luò)中，過氧化物酶家族中的三種抗氧化酶（PRDX1、PRDX2、PRDX6）可清除細胞內(nèi)的過氧化物，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償太空飛行引起的氧化應(yīng)激。免疫子網(wǎng)絡(luò)由56個節(jié)點組成，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。在這個子網(wǎng)絡(luò)中，免疫細胞的所有蛋白質(zhì)標記物在飛行后立即降低。

四、免疫細胞是導致太空飛行后觀察到的分泌蛋白組變化的原因

為了闡明免疫細胞對分泌組的貢獻，研究人員進行了10X Genomics單細胞基因表達分析，將蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)與外周血單核細胞的單核基因表達進行了比較。在PBMCs中檢測到約30,000個基因，在血漿和EVP中均檢測到273個基因。1131個基因在血漿蛋白質(zhì)組中獨有，163個基因在EVP蛋白質(zhì)組中獨有。當比較PBMCs與血漿DAP和EVP DAP的差異表達基因(DEG)時，我們發(fā)現(xiàn)12個血漿DAP和27個EVP DAP在PBMCs中也存在差異表達。為了進一步研究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)淋巴細胞（T細胞、B細胞、NK細胞）與DEG的重疊度高于髓系細胞，血漿DAP也觀察到了同樣的趨勢，表明淋巴細胞對觀察到的分泌組變化的貢獻大于髓系細胞。為了理清免疫細胞與分泌蛋白組DAP富集的通路之間的關(guān)系，分析了R+1時與飛行前功能富集的變化，與飛行前時間點相比，R+1時T細胞、NK細胞、單核細胞和DC中的氧化應(yīng)激和ROS通路有所富集。

五、太空飛行后，分泌蛋白組中與大腦相關(guān)的特征增加

太空飛行會使人類大腦受到多種壓力，這些壓力可能會造成短期和長期的神經(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，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。

此外研究者還檢測了血漿中與大腦相關(guān)蛋白的可能來源，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中未檢測到，在其他組織中也沒有檢測到。研究人員還檢測了與血腦屏障完整性相關(guān)的生物標志物，特別是S100B、ENO2和PECAM-1。發(fā)現(xiàn)PECAM-1在C001、C003和C004中在R+1時血漿蛋白豐度增加，在R+45和R+82時表現(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記物。

研究結(jié)論

通過分析SpaceX Inspiration4機組人員的血漿蛋白、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)破壞的可能機制分析，顯示即使是短時間的太空飛行也會破壞人類的生理機能。

參考文獻

[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