英文标题：Secretome profiling reveals acute changes in oxidative stress, brain homeostasis, and coagulation following short-duration spaceflight

发表期刊：Nature Communications（IF：16.6）

发表时间：2024.6.11

通讯作者：美国威尔康奈尔医学院的 Christopher E. Mason 团队

随着商业载人航天的日益普及，对宇航员健康状况的血液检测成为了指导航天医学和采取应对措施的关键。既往研究显示，长期太空居住会引发血小板功能、凝血机制、免疫功能及新陈代谢的显著变化，然而短期太空旅行对人体影响的研究仍然十分有限，本研究通过分析来自SpaceX Inspiration4（i4）任务的宇航员在太空旅行三天后，血浆和细胞外囊泡（EVPs）的转录、蛋白和代谢变化，构建了“太空飞行分泌组”图谱，揭示了在短期太空飞行后凝血功能、氧化应激及脑内蛋白质平衡方面存在显著差异。

在本研究中，直接RNA测序（Direct RNA-seq）发挥了关键作用，提供了高分辨率的转录本表达信息，研究者鉴定了与血红素代谢、贫血、血液学疾病及大脑功能相关的富集通路，突显了特定基因在这些生物过程中的核心作用，揭示了太空飞行对大脑健康产生的影响。

1. 太空飞行3天后血浆及EVPs蛋白质组学的变化

为深入探究三天太空飞行后人体的生理变化，本研究对Inspiration4（i4）任务的四名机组成员（图1a）在发射前三个时间点（L-92、L-44和L-3）以及返回地球后的三个时间点（R+1、R+45、R+82）的血浆和EVPs的蛋白组数据进行了分析。总共鉴定了1765个血浆蛋白和527个EVP蛋白，其中403个蛋白在血浆和EVPs中共有。比较了三天太空飞行后分泌组的急性与长期变化，发现短期内，EVPs中的差异表达蛋白（DAPs）数量高于血浆，但随着时间的推移，大多数EVPs中的DAPs恢复到了发射前水平，而大多数血浆DAPs（72.5%）在最后一个时间点（R+82）仍然保持差异表达，表明血浆DAPs的恢复过程较为缓慢，持续时间较长。进一步分析DAPs的功能，发现血浆和EVPs的DAPs均在活性氧(ROS)生成、氧化应激、伤口愈合、凝血、免疫功能和止血途径等方面显著富集。

图1 三天太空飞行后血浆和EVPs的蛋白质组的变化。

2. 太空飞行3天后血浆代谢组的变化

本研究对i4任务中的四名机组成员（图1a）在发射前三个时间点（L-92、L-44和L-3）以及返回地球后的三个时间点（R+1、R+45、R+82）的血浆样本进行代谢组学分析，共鉴定到了1,135种代谢物，比较了发射前后的代谢物含量，鉴定了100种差异代谢物（DAMs），在太空旅行后出现了急性变化，但在返回地球后，机体迅速恢复了代谢稳态。对DAMs进行功能富集分析发现，嘌呤代谢通路的代谢物显著增多，甘油磷脂代谢和鞘磷脂代谢途径中的物质发生了改变，暗示太空飞行引起的自由基生成可能导致脂质过氧化，破坏膜稳定性，但该现象在数周后（R+45）恢复至正常水平，表明脂质损伤为急性反应且地球环境有助于快速恢复代谢稳态。

图2 三天太空飞行后血浆代谢物的变化。

3. 太空飞行后血浆及EVP中抗氧化成分的上调

本研究探究了EVP与血浆蛋白在氧化应激及细胞排毒中的变化，发现航天飞行后，宇航员血浆中的抗氧化蛋白显著升高，并在后续的观测期内维持稳定。在中期飞行后时间点，EVP中抗氧化蛋白及促合成代谢、细胞增殖相关蛋白显著增加，这可能增强了细胞抗氧化能力与能量代谢。结果显示，太空飞行引发短期内血浆与EVP中合成代谢与抗氧化物增加，这是机体对ROS升高的应对策略，尽管EVP蛋白水平最终回归常态，但细胞内的ROS水平和代谢活动却能在长时间内展现出持续的丰度差异，这反映了太空飞行对ROS平衡和代谢过程的深远影响。

4. 蛋白质组学与代谢组学的整合分析揭示了抗氧化防御和免疫调节失常的共同特征

为探究蛋白质与代谢物之间在太空飞行后变化的分子过程，作者对蛋白组和代谢组数据进行相关性分析，发现大多数蛋白和代谢物在飞行后发生显著变化，其中抗氧化酶如PRDX家族成员、SOD1、CAT和GCLC的水平升高，表明机体可能通过增强抗氧化防御机制来应对飞行期间产生的氧化压力。此外，免疫相关的蛋白质和代谢物在飞行后也出现显著变化，表现为多数免疫标志物下降，而一些具有抗炎和抗氧化功能的分子如肌苷、嘌呤、牛磺酸及GABA的水平升高，暗示了飞行可能诱导了潜在的炎症状态，机体启动了相应的抗炎反应。

图3 综合蛋白质组学和代谢组学分析揭示了抗氧化防御和免疫调节失常的共同特征。

5. 太空飞行后的分泌组变化受免疫细胞活动的影响

为了阐明免疫细胞对分泌组的影响，研究将蛋白质组学数据与PBMCs（外周血单核细胞）的单细胞转录组数据的基因表达进行了对比分析，结果显示，血浆和EVPs中的蛋白变化与PBMCs的基因表达变化有显著重叠，表明血浆蛋白和EVP蛋白能够反映免疫细胞及非免疫细胞中基因表达的动态变化。研究强调了几个免疫相关基因在EVPs和PBMCs中的一致性变化，如ILK的上调和C8A、C8B的下调，以及抗氧化蛋白PRDX2的上调，后者在免疫细胞中却表现为下调，提示其在血浆及EVPs中的增加可能源自非免疫细胞。此外，通过分析分泌蛋白富集的途径，发现在发射后时间点，特别是在T细胞、NK细胞中，与氧化应激和活性氧相关的途径更为丰富。

图4 太空飞行后的分泌组变化受免疫细胞活动的影响。

6. 太空飞行后，红细胞不会导致分泌蛋白组的变化

为了阐明血细胞对分泌组的影响，本研究通过对比i4任务成员全血的Direct RNA测序数据和血浆和细胞外囊泡（EVPs）的蛋白质组数据，发现红细胞对分泌组变化没有贡献。其中EVP内的蛋白质含量与全血中的基因表达呈现相反趋势，而与PBMCs（外周血单核细胞）中的蛋白丰度变化较为一致。进一步分析显示，尽管只有1个基因同时存在于全血DEGs和血浆DAPs中，但有8个基因同时存在于全血DEGs与EVP DAPs中，针对这些共有基因进行功能富集分析，揭示它们在血红素代谢、贫血、血液疾病及大脑功能相关的通路中显著富集。

7. 太空飞行后，分泌蛋白组中与大脑相关的特征增加

研究发现，在太空飞行后，血液中的细胞外囊泡（EVPs）及血浆蛋白质在与大脑功能和损伤相关的途径上有显著富集，为了探究这些大脑相关蛋白质的来源，本研究首先分析了不同组织来源的EVP蛋白质数据，结果显示部分脑部特异性蛋白可能直接从血脑屏障进入EVPs中释放，在小鼠模型中进一步验证了这种蛋白质变化，并发现了与血脑屏障完整性相关的标志物（PECAM-1）的显著增加。这一发现支持了太空飞行可能导致血脑屏障完整性受损的假设，同时也揭示PECAM-1可作为评估太空飞行后血脑屏障状态的一个潜在生物标志物。

图5 太空飞行后，与大脑相关的蛋白质在分泌组中富集。

研究通过多组学技术（包括蛋白质组学、代谢组学、Direct RNA测序及单细胞转录组分析）深入探讨了太空环境如何改变免疫细胞功能、分泌组分（特别是细胞外囊泡EVPs）及血脑屏障的完整性，从而对神经系统产生短期和长期的影响。该研究不仅深化了我们对太空环境如何影响人体免疫系统和神经系统的理解，还为未来太空医学研究提供了宝贵的数据资源和潜在的研究方向，这对于保障航天员身体健康及制定长期太空探索的健康维护策略具有重要意义。

参考文献：

Houerbi N, et al. Secretome profiling reveals acute changes in oxidative stress, brain homeostasis, and coagulation following short-duration spaceflight. Nature Communications. 2024.