最大規模數據揭秘太空飛行健康影響

2020-11-26 光明網

射線、缺氧、失重、寒冷，甚至孤獨，茫茫太空給予太空人的可能遠遠不止於次。

但是，人們為了登上火星、探索深空，了解長期太空旅行對太空人的健康影響及原因，並找到解決辦法，至關重要。

11月26日，Cell、Cell Reports、Cell Systems、Patterns和iScience出版論文特輯，來自美國宇航局（NASA）和世界各地其他學術、政府、航空航天和工業組織的200多名研究人員，展示了有史以來最大規模的太空人數據和太空生物學數據集，探討了太空飛行的危害，並討論了未來20年前往火星和執行其他任務可能需的準備工作。

著名的雙胞胎

提到太空旅行對太空人身體影響的研究，不得不提及著名的雙胞胎實驗。

愛因斯坦在雙生子佯謬中提到，有一對雙生兄弟，一個長期太空旅行，另一個留在地球。結果當旅行者回到地球後，他比兄弟更年輕。人們一直未能驗證這一理論，直到Scott Kelly和Mark Kelly成為NASA太空人。

他們是一對雙胞胎，Scott曾於2015年至2016年在國際空間站上工作，而Mark則主要留在地球上。

研究期間，Scott在太空中共飛行了520天。Mark曾在太空中飛行了54天，均為4次相對較短的太空梭飛行任務。10個研究小組對這對雙胞胎進行了一系列測試，包括在太空飛行前、飛行中和飛行後採集血液、尿液和糞便樣本。

Scott的身體經歷了一系列變化，他的染色體發生了很大程度上持續的基因變化，部分倒置，或端對端翻轉，染色體末端的許多端粒神秘地變長了。他的眼球形狀也發生了變化，包括視神經變厚、眼球周圍的脈絡膜摺疊。但研究人員發現這些變化在他回到地球後大部分都發生了逆轉。

該研究通訊作者之一、威爾康乃爾醫學院的John B. Charles告訴《中國科學報》，這些結果幫助人們了解正常、健康的生理過程適應太空飛行獨特環境的遺傳因素，有助確保太空人在未來可能持續數年的深空任務中的安全、健康和表現。

2019年，相關論文在《科學》刊登後，就引起廣泛關注。但德國達姆施塔特技術大學Markus Lobrich 告訴《中國科學報》，因為這項研究只涉及兩個人，所以這項發現可能無法廣泛適用於其他太空人。

於是，此次發布的數據，除了重新分析雙胞胎實驗的數據外，多個研究小組還分析了幾十名太空人的樣本。

各種變化

當時，Scott的端粒變長了，但端粒在返回地球後的48小時內就縮短了，甚至比飛行前更短。科羅拉多州立大學放射癌症生物學家Susan Bailey表示，這與預期正好相反，因為端粒會隨著年齡的增長而縮短，而且縮短的端粒可能會增加他患心血管疾病或某些癌症的風險。

於是，Bailey等人對11名太空人在前往國際空間站（ISS）執行任務之前、期間和之後的端粒長度和DNA損傷反應進行了評估，發現太空人在太空飛行中端粒通常較長。然而，在返回地球後，太空人的端粒長度迅速縮短，通常比他們進入太空前更短。

研究人員還發現，該研究中的所有太空人在太空中都經歷了氧化應激，這與其端粒長度的改變有關（珠峰登山者也存在類似情況），這表明端粒長度的變化可能是對極端環境下慢性分子應激的適應性反應。

「我們將評估包括女性在內的更多太空人和各種持續時間的空間任務，以便進一步闡明在空間飛行導致端粒變化的機制。」Bailey表示。

雙胞胎研究數據還顯示，太空人在返回地球時，其炎症症狀會加重。於是，康奈爾大學醫學院的Christopher E. Mason等人，收集了一名在ISS站執行為期一年任務的太空人的數據進行了對比，並對雙胞胎研究的著陸數據進行了重新分析。

研究人員發現，觀察到的生化特徵反映了骨骼肌的再生，而不是有害的炎症反應。這些發現得到了在ISS執行了6個月任務的其他28名太空人數據的支持。

另一個研究組則通過對小鼠、大鼠、人類組織樣本和太空人研究，分析藉助被稱為微小RNA的非編碼調節RNA的短序列能識別一系列太空健康影響。而且，選擇性抑制這些與太空飛行相關的微小RNA，可以在人體組織模型中減少暴露於模擬深空輻射後的心血管損傷。

該研究通訊作者、NASA埃姆斯研究中心的Afshin Beheshti表示，這表明與航空相關的微小RNA信號除了能作為太空造成的系統性生物損傷的生物標記外，還可以用於識別減輕相關健康風險的潛在目標。上述論文均刊登於Cell Reports。

天空旅行帶來了如此多的身體變化，「我們開始問是否有某種普遍的機制發生在處於太空的人體上，可以解釋我們觀察到的問題。」Beheshti說。

「藏身幕後」的線粒體缺陷

《中國科學報》從NASA獲悉，Beheshti帶領的多學科團隊利用從許多不同來源收集的數據，發現了導致這種損害的共同因素：線粒體功能障礙。相關論文刊登於《細胞》。

研究人員分析了從NASA的GeneLab平臺獲得的數據，該平臺是一個全面的資料庫，包括動物研究數據、雙胞胎研究，以及從59名太空人在幾十年的太空旅行中收集的樣本。該平臺還包含了一系列的「組學」數據，這些數據涉及組織和細胞在空間輻射和微重力的共同作用下發生的變化，包括蛋白質組、代謝組、轉錄組和表觀基因組數據。

「我們比較了在太空執行兩項不同任務的小鼠的所有不同組織，發現線粒體功能障礙不斷出現。」Beheshti告訴記者，「我們研究了肝臟和眼睛問題，發現這些問題是由與線粒體相關的途徑引起的。」

實際上，線粒體抑制，以及有時因為這種抑制而發生的過度補償，會導致許多系統性器官反應。它們還可以解釋免疫系統中常見的許多變化。

研究人員對雙胞胎研究的數據進行了分析，結果發現線粒體活動有很多變化。其中一些變化可以解釋Scott在太空期間免疫細胞分布的變化。他們還使用了從其他幾十名太空人身上採集的生理數據、血樣和尿樣，以證實不同細胞類型的線粒體活性發生了改變。

「看到線粒體如此重要，我非常驚訝，因為它們通常不在我們的關注範圍之內。」Beheshti說，線粒體功能障礙也有助於解釋另一個長期太空旅行常見問題：晝夜節律紊亂。

既然線粒體問題已經被確定是許多太空旅行健康風險的一個原因，Beheshti指出，「已經有許多治療線粒體疾病的藥物獲得批准，我們或許可以在太空中用動物和細胞模型測試其中的一些藥物。」（唐鳳）

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aau8650

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108457

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.002

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108448

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108429

來源： 中國科學報

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