真“空间”多组学 | 血浆蛋白质组学揭秘SpaceX太空飞行宇航员健康状况变化

2021年9月15日，SpaceX公司发射了灵感4号（Inspiration4）载人龙飞船，这也是首次完全商业化的绕地球飞行。随着越来越多的太空探索，了解与太空暴露有关的健康风险对于准备长时间的太空飞行任务十分重要。

2024年6月11日，《Nature Communications》发表了关于太空飞行如何影响人类生物学的“航天分泌组谱”。其中收集分析的样本来自包括SpaceX灵感4号（Inspiration4）的4名宇航员，通过纳米粒子蛋白组学技术分析机组人员的血浆蛋白、代谢物和细胞外囊泡/颗粒（extracellular vesicles/paericles，EVPs）特征变化，让我们了解了短期低地轨道与长期太空飞行带来的广泛的分子变化，为我们提供了一个全面、动态的太空生物医学视角。

研究策略

图1：实验设计流程图

结果速递

一、太空飞行后血浆和EVP的蛋白质组学特征变化

研究团队对三个发射前日期（L-92、L-44和L-3）和返回地球后的三个飞行后时间点（R+1、R+ 45、R+82）的机组人员的血浆EVP蛋白和血浆代谢物分析，总共鉴定出2,992种独特的血浆蛋白和1,443种独特的EVP蛋白，血浆和EVP共有1,030种蛋白重叠。尽管在EVP中检测到的独特蛋白质较少，但差异丰度蛋白质（DAP）比血浆中更多（EVP中为151个DAP，血浆中为40个DAP）。具体而言，飞行后立即在EVP（5.96%）和血浆（22.5%）之间共享9个DAP，分别是PF4、LTBP1、PF4V1、SNCA、PRDX2、FN1、 AIDA、MMRN1和ICAM3。生物通路富集分析，在血浆和EVP中显示出一致的特征。参与活性氧 (ROS)生成、氧化应激、伤口愈合、凝血、免疫功能和止血途径的DAP在血浆和EVP谱中均富集。这些发现表明，血浆分泌组反映了太空飞行后的血液学变化（止血、伤口愈合、凝血）、免疫反应/炎症变化以及ROS代谢的分子变化。

二、太空飞行后血浆代谢组学特征的变化

代谢组学差异分析在比较飞行前（L-92、L-44、L-3）和飞行后（R+1），确定了100种差异丰度代谢物(DAM)。这些DAM在R+1之后的时间点均迅速恢复，在这些飞行后立即受到影响的代谢物中，参与嘌呤代谢途径的代谢物显示出系统性增加的丰度。肌苷是具有最大正倍数变化的代谢物。此外，鞘磷脂循环中涉及的许多代谢物的丰度也存在差异，包括尿苷二磷酸(UDP)增加，鞘氨醇-1-磷酸(S1P)、LysoPC的减少。假设PCs和LysoPCs的减少是脂质过氧化继发于太空飞行诱导的自由基产生的，而丙二醛（MDA）是脂质过氧化的主要副产物之一，被广泛用作氧化应激的生物标志物。所以我们用TBARS测定法量化了MDA与TBA的水平，结果表明脂质过氧化在飞行后立即（R+1）显著增加（p值=0.0013），并在几周后恢复到基线水平（R+45）。

三、整合蛋白质组学和代谢组学揭示了抗氧化防御和免疫失调的共同特征

飞行后立即改变的DAP和DAM（R+1）与飞行前（L-92、L44、L-3）进行比较，发现血浆蛋白和血浆代谢物之间存在26个显着相关性。相比之下，EVP蛋白和血浆代谢物之间存在1,416个显着相关性。在这些变化中，飞行后最常见的两种分子变化是氧化应激和免疫失调。ROS子网络由26个节点组成，包括6种蛋白质和20种代谢物。在这个子网络中，过氧化物酶家族中的三种抗氧化酶（PRDX1、PRDX2、PRDX6）可清除细胞内的过氧化物，在飞行后立即增加。其他三种降解ROS的酶，即SOD1、CAT和谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GCLC)，在飞行后也有所增加。这表明飞行后立即产生的抗氧化剂可以补偿太空飞行引起的氧化应激。免疫子网络由56个节点组成，包括10种蛋白质和46种代谢物。所有10种蛋白质（100%）和33种代谢物（71.7%）在飞行后立即降低，13种代谢物（28.3%）在飞行后立即升高。在这个子网络中，免疫细胞的所有蛋白质标记物在飞行后立即降低。

四、免疫细胞是导致太空飞行后观察到的分泌蛋白组变化的原因

为了阐明免疫细胞对分泌组的贡献，研究人员进行了10X Genomics单细胞基因表达分析，将蛋白质组学数据与外周血单核细胞的单核基因表达进行了比较。在PBMCs中检测到约30,000个基因，在血浆和EVP中均检测到273个基因。1131个基因在血浆蛋白质组中独有，163个基因在EVP蛋白质组中独有。当比较PBMCs与血浆DAP和EVP DAP的差异表达基因(DEG)时，我们发现12个血浆DAP和27个EVP DAP在PBMCs中也存在差异表达。为了进一步研究EVP蛋白质组与PBMCs转录状态之间的联系，研究人员分析了EVP DAP和PBMCDEG之间的重叠，发现淋巴细胞（T细胞、B细胞、NK细胞）与DEG的重叠度高于髓系细胞，血浆DAP也观察到了同样的趋势，表明淋巴细胞对观察到的分泌组变化的贡献大于髓系细胞。为了理清免疫细胞与分泌蛋白组DAP富集的通路之间的关系，分析了R+1时与飞行前功能富集的变化，与飞行前时间点相比，R+1时T细胞、NK细胞、单核细胞和DC中的氧化应激和ROS通路有所富集。

五、太空飞行后，分泌蛋白组中与大脑相关的特征增加

太空飞行会使人类大脑受到多种压力，这些压力可能会造成短期和长期的神经系统影响包括体液转移、神经炎症和神经退化还可能导致血脑屏障破坏。研究人员分析了太空飞行后的EVP中是否有脑特异性或脑相关蛋白的富集。EVP和血浆DAP都富含脑功能和脑损伤相关通路，包括神经退化通路、神经元死亡和淀粉样纤维形成。基因集富集分析(GSEA)显示，在R+1时，血浆中脑相关蛋白增加。EVP蛋白的脑特征峰值在返回地球后的几天内最为明显。

此外研究者还检测了血浆中与大脑相关蛋白的可能来源，基于公共EVP数据，在16种脑注释蛋白中，SNCA、SEMA7A和SVIP在小鼠脑EVP中未检测到，在其他组织中也没有检测到。研究人员还检测了与血脑屏障完整性相关的生物标志物，特别是S100B、ENO2和PECAM-1。发现PECAM-1在C001、C003和C004中在R+1时血浆蛋白丰度增加，在R+45和R+82时表现出飞行后增加，这表明PECAM-1可能是与太空飞行相关的血脑屏障完整性标记物。

研究结论

通过分析SpaceX Inspiration4机组人员的血浆蛋白、代谢物和EVP，生成了“航天分泌组谱”，结果显示凝血、氧化应激和脑富集蛋白存在显著差异。虽然EVP和代谢物中93%以上的差异丰度蛋白 (DAP)在六个月内恢复，但大多数(73%)的血浆 DAP在飞行后仍然受到干扰。此外，脑富集蛋白和血脑屏障(BBB)破坏的可能机制分析，显示即使是短时间的太空飞行也会破坏人类的生理机能。

参考文献

[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

关注青莲百奥