Science述评：太空飞行对人类健康有影响吗？NASA双胞胎研究提供重要参考

来源：ScienceAAAS

中科院青促会特邀评论员 雷晓华

（中科院动物研究所）

评述论文：The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight（Science 12 April 2019: Vol 364, Issue 8650）

从1961年加加林第一次乘坐飞船进入太空以来，目前已有超过560人具有太空飞行的经历[1]。空间微重力和辐射是人类长期太空飞行及深空探测过程中所面临的最重要两个太空环境因素。空间医学和生物学研究表明，短期和长期近地轨道太空飞行会导致人体多项机能发生显著改变，以及出现多种生理不适或病理症状[2]，例如骨流失、肌肉萎缩、神经系统紊乱和免疫功能下降等。尽管前期在多次载人航天飞行任务中，人们已开展一系列的太空飞行对宇航员的生理变化和相关基因表达等医学影响的探讨，并建立了一些空间环境对健康风险的评估指标和相应的预防干预措施[3]，但是此前的研究中太空飞行时间基本上小于6个月，通过对航天员样品采集，开展简单的医学检测和生物学分析，检测结果参考地面已有的数据进行对比分析，而且由于对照组内存在明显的差异性，所获得的数据在可靠性和真实性方面还存在一定的疑问。因此，如何找到两个相同的人来开展太空飞行实验可能是一种很好的解决办法。有意思的是，NASA恰巧拥有一对同卵双胞胎的宇航员兄弟（Scott Kelly和Mark），两兄弟既满足具有多次空间飞行的经历，也是完美地实验组和对照组。

本期Science杂志上发表了一篇由NASA联合多家单位合作共同完成的一项研究工作。该项研究针对在国际空间站上执行飞行任务长达一年的双胞胎兄弟，开展多维度的系统分析。具体的说，研究人员分别将两名宇航员划分为飞行实验组（TW, Flight）和地面实验组(HR, Ground)，继而在飞行前、飞行中和飞行后对两名宇航员的血液、粪便、尿液等样本进行采集，开展包括表观基因组、代谢组、转录组、蛋白质组和微生物群落变化等一系列实验测定（图1A）。首先，对全血和血液细胞中单核细胞的基因表达谱结果进行分析表明，与地面实验组相比较，太空飞行实验组中宇航员出现了大量的差异表达基因，然而研究还发现这些基因表达在返回地面后大部分能够自行恢复，但仍然有一部分基因表达维持太空飞行期间的水平（图1B）。进一步，研究人员利用液相色谱代谢组分析技术，检测了血浆中代谢物分子的含量，发现一些与基因毒性应激、炎症和氨基酸变化的代谢物在太空飞行中显著地升高（图1C）。此外，利用全基因组甲基化测序的手段，研究人员还评估了宇航员的表观遗传学变化，对CD4和CD8细胞进行整体甲基化水平分析，发现TW组中甲基化的变化是在可预见的范围内，但基因GO分析却呈现表观遗传上的紊乱（图1D）。最后，通过对不同的数据进行联合分析，研究人员发现一些特有的模式和规律（图1E），如在认知方面（宇航员的认知在太空飞行中有所增加，但太空返回后将迅速下降），基因表达的动态变化（空间飞行的早期明显的增加，而后将稳步下降，返回后又逐渐增加）。

在这篇研究论文中，研究人员还详细地展示了在轨飞行期间十个方面的分析方法和测试结果，具体包括端粒变化情况，DNA损伤响应情况，DNA甲基化模式变化情况，免疫应答与炎症情况，微生物菌群与功能性微生物变化情况，线粒体功能变化情况，心血管变化情况，身体体重情况、骨形成情况、体液调节情况、机体生化水平变化情况，视觉神经改变以及整体认知水平变化情况等。

图1. 双胞胎空间飞行实验设计、样品分析策略及实验结果。（A）空间飞行组和地面组样本的收集策略和检测手段。（B）飞行前，中以及地面对照组中差异基因表达的变化情况。（C）地面对照组、空间飞行组（前、中、后）各种样本中差异代谢分子的表达谱。（D）基因甲基化水平的GO分析显示在启动子区呈现出表观上的紊乱。（E）多组学集聚分析揭示空间飞行中机体呈现的独特的模式。（F）认知水平、细胞因子、代谢、微生物、蛋白质组以及端粒水平的单独聚类分析。

图2. 空间飞行中人体生理和生化水平变化情况与潜在的风险评估。

最后，研究人员对人类空间飞行过程中所引起的生理、病理、基因表达、整体认知等一系列结果进行了系统评估，并将对应的结果分别归类为潜在低风险、中度风险或未知风险，以及潜在高风险（图2）。(1)在太空环境下引起基因表达变化但返回后能恢复，端粒增长以及体内微生物菌群变化等被认为是一些潜在低风险变化；（2）在前期飞行任务中尿液和血液中未检测到的一些胶原分子变化[4]，如COL1A1和COL3A1，体液调控变化，如AQP2在肾脏变化[5]，以及持续地端粒缩短或过度变短等，均被认为具有潜在中度风险或未知风险；（3）空间飞行引起的视神经综合症[6]，心血管变化[7]，应激反应和炎症响应，染色质异常造成的基因组不稳定性[8]，不可恢复的基因表达紊乱以及整体认知水平的下降等方面变化均被认为是具有潜在的高风险。

总的来说，这项双胞胎宇航员的太空飞行实验研究是世界上首次通过多组学，多维度来综合评估宇航员在太空中存在健康风险的级别，这项研究为在接下来人类太空飞行研究提供了理论和数据参考，在航天医学领域具有里程碑式的意义。然而，这项研究的实验组和对照组都只有一个独立的个体，目前获得新的实验结果并不能完全确定是否真的是由于太空环境所造成的影响，还是存在其它偶然的因素，因此目前这项研究提出的一些宇航员健康风险评估指标和数据还需要在将来的空间飞行任务中进一步完善。

Science杂志同期还发表了Löbrich和Jeggo对这项NASA双胞胎在国际空间站上长达1年实验研究的评论性文章。该评论认为长期的太空飞行对宇航员的健康具有很大的危害。人类太空飞行除了遭受噪声、孤独、低氧和节律改变等影响外，太空中存在的电离辐射、微重力等因素也会严重危害人体的健康（图3）。这篇评述文章着重的强调了无所不在的电离辐射可能对人体造成的伤害。太空电离辐射暴露会影响小鼠认知能力和神经元回路的兴奋性等[9, 10]。而且，当人类暴露在高于500 mSv的电离辐射条件下会显著增加白内障和心血管疾病的发生率[11]。尽管未来人类探索火星的旅途可能并不需要1年的飞行时间，但是火星的辐射剂量率是国际空间站的5倍，人类届时接受的总剂量将高达1000 mSv[12]。因此，对于未来火星探测和更加深空的飞行任务中，人类应该更加重视辐射造成的影响，以及考虑辐射和微重力联合效应造成的健康影响。

图3. 空间环境因素对人体健康造成的健康和危害。

博士，中科院动物研究所工程师，中科院关键技术人才，中国空间科学学会空间生命专委会委员。主要从事空间生命科学和发育生物学研究。

参考文献:

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