短期太空旅行会引起许多与长期太空任务相同的分子和生理变化，但大多数在返回地球后的几个月内就会逆转。然而，根据威尔康奈尔医学院、SpaceX和其他组织的研究人员进行的一项大规模国际研究的结果，这些在机组人员之间更持久和明显的变化揭示了航空航天医学的新目标，并可以指导新的任务。
威尔康奈尔医学院基因组学和计算生物医学的WorldQuant教授克里斯托弗·梅森（Christopher Mason）与布罗德研究所（Broad Institute）和美国宇航局（NASA）的阿夫辛·贝赫什蒂（Afshin Beheshti）一起领导了空间组学和医学图谱（SOMA）项目。总共有来自二十多个国家机构的100多名研究人员为该项目做出了贡献。合作者共同将人类太空飞行数据量增加了十倍，包括对基因表达、基因调控、蛋白质产生、新陈代谢和人体微生物变化的分析。研究结果于6月11日发表在《自然》杂志上，共40篇文章，并在一篇综述文章中进行了总结。
SOMA团队，包括共同通讯作者，威尔康奈尔医学院医学计算生物学研究助理教授Cem Meydan，也在交互式图谱中汇编了超过750亿个基因序列，其他研究人员可以访问，威尔康奈尔医学院将托管一个存储库，其中包含近3,000个来自研究的生物样本。梅森的团队已经开始从其他任务中收集样本，并建立了几项新的国际合作，以协调航天研究的努力。
“这是有史以来最大的宇航员和太空生物学数据宝库，”梅森说，他也是生理学和生物物理学教授，Feil Family Brain and Mind Research Institute的神经科学教授，Sandra和Edward Meyer癌症中心的成员，以及WorldQuant定量预测计划主任。“我们希望共享数据将有助于加速发现太空飞行对健康的影响，并对人类整体健康产生根本性发现。”
商业宇航员2021 年 9 月 16 日，Inspiration4 任务启动，首次搭载全平民四人机组人员，飞往近地轨道进行为期三天的飞行，这为科学提供了前所未有的机会。在执行任务之前，大多数关于太空旅行对健康影响的数据都是由政府资助的航天机构从精心挑选和训练有素的宇航员那里收集的，但目前尚不清楚从宇航员那里收集的这些数据是否会更广泛地适用于公众；nspiration4 任务提供了一个找出答案的机会。
Mason 曾担任 Inspiration4 任务的首席研究员，负责船员的临床概况、多组学研究和生物样本库。机组人员在飞行前、飞行中和飞行后收集了生物样本，并让研究人员可以完全研究和分享他们的数据。他们还在飞行途中进行了一系列实验，包括首次直接RNA测序和宇航员皮肤活检。威尔康奈尔医学院的David Lyden博士、 Richard Granstein博士和Ari Melnick博士，以及康奈尔工程学院Meinig生物医学工程学院副教授Iwijn De Vlaminck也为该项目做出了贡献。
新数据与以前飞行中收集的数据进行了比较，特别是美国宇航局双胞胎研究，梅森也是该研究的首席研究员。这项努力分析了宇航员斯科特·凯利（Scott Kelly）在2015-16年国际空间站执行为期一年的任务期间和之后的数据，发现更长的太空飞行有助于血液中基因表达的显着变化，特别是在免疫系统和DNA修复系统中。来自Jiwoon Park的新数据显示，这些差异也出现在皮肤上。
Inspiration4的数据显示，许多相同的变化也发生在短期太空旅行者身上。例如，梅森与苏珊·贝利（Susan Bailey）一起发表了一项研究，表明即使在为期3天的Inspiration4任务期间，覆盖染色体末端的端粒也开始变长。他们还看到了类似的免疫系统变化，宇航员在恢复重力后称为细胞因子的抗炎蛋白激增。
免疫系统改变再入后的细胞因子尖峰是威尔康奈尔医学院研究人员记录的几种免疫系统变化之一。由梅森实验室的研究员JangKeun Kim和Braden Tierney领导的单细胞基因测序帮助科学家鉴定了称为CD16单核细胞的免疫细胞，这些细胞是对太空飞行压力最敏感的细胞。这些免疫第一反应者在基因表达和调节基因表达的染色质中发生了巨大变化。
“免疫系统已经做好了战斗的准备，但它还不知道自己在战斗什么，”梅森说：太空旅行者暴露于低剂量辐射可能会引发这种免疫反应，以及端粒变化。
虽然免疫系统的某些部分会加速，但其他部分会下降。例如，旅行者的基因表达减少，这些基因编码称为人类白细胞抗原的免疫系统蛋白，这有助于身体识别病毒和其他入侵者。这一发现可以解释为什么大约一半的太空旅行者和宇航员经历了旧病毒感染的重新激活，如单纯疱疹病毒-1，这是一种引起唇疱疹的主要良性病毒。
另一项由梅森实验室的研究生和莱登实验室的博士后分别由Nadia Houerbi和Irina Matei领导的研究发现了Inspiration4太空旅行者血液中脑蛋白的证据，以及六名日本宇航员和斯科特·凯利的血液。这一发现表明血脑屏障受到一些破坏，而血脑屏障可以保护大脑免受免疫细胞的入侵。来自洛马琳达大学Xiao（Vivian）毛的小鼠研究样本证实，太空飞行扰乱了血脑屏障功能。
“这并不令人担忧，但令人惊讶，值得在未来的任务中关注。”梅森说。
尽管Inspiration4宇航员经历了许多与长期太空旅行者相同的变化，但他们在飞行后很快就恢复了过来。梅森指出，在六个月内，机组人员的生物学已经恢复到飞行前状态，超过95%的蛋白质，染色质状态和基因，包括梅森实验室的研究人员Kirill Grigorev和Theodore Nelson测量的RNA修饰。
“第二次太空时代”和航空航天医学生物样本库这些发现为未来的研究提供了许多素材。尽管拥有少量太空旅行者的数据，但SOMA研究人员利用马里兰大学Min Yu的数据发现了男性和女性的一些差异。例如，女性太空旅行者在返回地球后更快地恢复到飞行前的状态，但一些细胞因子在女性中保持升高的时间比男性更长，并在其他64名宇航员中得到证实。个体对太空旅行的生理反应也各不相同，与药物加工相关的基因（称为药物基因组学）也各不相同。
“我们可能不得不根据不同机组人员对太空飞行的个人反应来个性化药物和其他对策。”SOMA研究概述的主要和共同通讯作者Eliah Overbey说，他是梅森实验室的研究助理，现在正在奥斯汀大学开设自己的生物航天学实验室。
Overbey表示，让更多的科学家能够访问图谱和生物库可能有助于加快发现太空飞行影响的步伐，以及它与衰老，慢性疾病和免疫系统疾病的相似之处。她指出，太空旅行模仿了衰老的一些影响，例如骨骼和肌肉流失，并可能提供一种测试药物以抵消这些变化的方法。
“向整个科学界开放数据可以提高我们在空间相关变化与人类健康之间建立联系的能力。”
Overbey还表示，越来越多的商业太空飞行和机组人员可能有助于扩展数据集，并增加其检测较小差异的能力。
“我们正在进入一个新的太空时代，”梅森说：“我们拥有比以往任何时候都多的数据和更多的太空发射，我们将需要所有可能的生物医学数据，以使未来宇航员的精准医疗成为现实，并为更长的月球和火星任务做好准备。
参与机构包括日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、欧洲航天局、美国国家航空航天局（NASA）以及SpaceX公司。
本文中报道的研究得到了美国宇航局和美国国家癌症研究所以及美国国立卫生研究院下属的国家心理健康研究所的部分支持。Sovaris Aerospace 和 WorldQuant 提供了额外的支持。
来源：康奈尔大学
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