航天员和国际空间站互留“微生物指纹”
发布日期: 2020-05-29
信息来源: 载人航天动态
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据NASA网站5月7日报道,人体内约有50万亿细胞,而寄生在人体内的微生物总量至少为人体细胞数量的十倍,这些微生物不仅数量巨大,而且种类众多,所有这些微生物构成了人体微生物群系,这是现代生物医学研究的一大重要领域。NASA曾利用分子分析技术,对国际空间站(ISS)微生物环境进行勘测,结果证实,与人类皮肤相关的特殊细菌大量存在于ISS的微生物菌群中。通过采集分析空间站和乘员互留的“微生物指纹”,可以研究探索航天员微生物群系与空间站环境中微生物群系相互影响的机制,监测并维护乘员健康,提高免疫能力,同时为治疗地球居民疾病提供新的灵感。
1.“微生物群系”试验
微生物群系是人体体内和体表的常驻微生物组合,“微生物群系”(Microbiome)试验是NASA开展的一项多年期研究,调查驻留ISS航天员的肠道和体表等样本,以及空间站内不同区域的样本,采集分析空间站留在航天员身上的“微生物指纹”,以此了解对人体免疫系统和个人微生物群系的影响。研究结果表明,空间站的微生物群系可以反映人类皮肤微生物群系相关信息。另有多篇其他报告显示,空间站环境中的微生物群系与人体微生物群系相似度极高。
“微生物群系”试验的研究对象包括:人体的肠道、鼻腔、舌头、前额和前臂表皮等部位样本,唾液和血液样本,以及空间站内不同区域的样本。研究发现,即使接触新细菌的机会有限,但在轨飞行期间,多数航天员肠道微生物群系种类不减反增。这项发现意义重大,原因在于,一般在患有炎性肠症等疾病后,人体的肠道微生物群系多样性会降低。多样性越高,人体对疾病的抵抗力越强,越有易于全身健康。研究人员推测,肠道微生物群系多样性增加,可能原因是空间站膳食较为多样化。NASA食品科学家与航天员紧密合作,注重饮食均衡,提供200多种饮食选择,保证航天员能够品尝多种多样的食物,食谱内容可能比普通的地球居民还丰富。
不同于肠道,航天员体表的微生物群系有两种结果,有些航天员的多样性会增加,有些则减少,但都存在变形菌门(proteobacteria)减少的情况,具体包括β-变形菌纲和γ-变形菌纲。体表的这几种细菌有助于防止皮肤出现皮疹等皮肤过敏反应。航天员进入太空之后,这些保护性细菌会迅速耗尽,增加出现皮疹和过敏的可能性。深入了解这一变化机制或能提供预防或治疗思路。其中一种可能性是,过敏反应与此类微生物的一般来源有关。土壤中含有大量此类变形菌门,而空间站为无土环境,或许减少与地球环境细菌的接触会减少体表的这些细菌。第二个可能原因是皮肤自身结构变化。变形菌门倾向于附在皮肤表面,如果航天员皮肤更新代谢加快,变形菌门可能会随皮肤角质层脱落。
2.“微生物追踪”研究
“微生物追踪”(MT-2)研究中,研究人员通过对比航天员飞行任务前、中、后多个身体部位的微生物群系样本,分析航天员与空间站内微生物群系样本,探索人体与空间站环境微生物群系的相互作用原理。研究发现,空间站内表面与航天员体表的微生物种群极为相似,相互影响。
一位航天员参加了此次研究,分别在飞行任务前、中和后,用聚酯棉签擦拭皮肤、耳朵、嘴巴、鼻孔和舌头等部位,采集微生物群系样本。为了解乘员与空间站环境中的微生物群系是否会相互作用,这位乘员独自在站期间,还从空间站的餐桌、厕所和乘组宿舍等8处采样,离站后再由下一位航天员继续采样。
在所有采样的身体部位中,皮肤的微生物样本与空间站环境的微生物样本相似性最高。数据显示,在单人飞行任务中,航天员的微生物群系占到空间站表面微生物群系的55%,并在站内长时间“逗留”,离站4个月后采集的表面样本中仍能检测到。
航天员的唾液样本还让团队有了一份意外收获。此前,NASA曾利用唾液样本研究航天员的免疫系统和健康状况,此次研究中,团队首次利用宏基因组测序法深入探究航天飞行引起的唾液微生物群系变化。结果证明,在轨飞行时,微生物多样性减少,返回地面后又会增加。某些减少的微生物种类可能引起疾病,因此研究者认为,采集分析唾液样本是乘员健康监测的有效手段。
MT研究凸显了空间站微生物种群研究和监测的重要性。后续研究能进一步挖掘微生物群系的遗传物质,探知哪些微生物基因对乘员和周围微生物的关系作用最大,这种关系对成员健康有何影响。知晓在关键时间或位置上,哪些微生物种群最多或最少,有益于日后开展测试,预测疾病并防止情况恶化。
作为特殊的太空建筑,空间站为研究室内和人体健康提供了独特的研究环境,是研究微生物群系传播扩散的最佳场所。掌握航天员和空间站“微生物指纹”的互动方式,可让密闭空间的地球居民从中受益,帮助研究人员实时监测航天员和航天器的微生物情况,保障乘员健康和安全,最终实现的月球和火星长期驻留任务。(蔡琴)
(责任编辑:周雁)