NASA一年期航天飛行雙胞胎對照研究結果概述

武艷萍 劉朝霞 吳大蔚（中國航天員科研訓練中心）

（世界上唯一的航天員雙胞胎兄弟：左邊是留在地面的馬克·凱利，右邊是上天的斯科特·凱利）

為了解長期航天飛行對健康的影響，美國國家航空航天局（NASA）對一名在“國際空間站”執行一年期任務的航天員進行了飛行前、中、后監測，并以他的同卵雙生兄弟作為遺傳匹配的地面對照。通過縱向評估識別出了一些航天飛行特定變化，包括體重下降、端粒伸長、基因組不穩定性、頸動脈擴張和內膜中層厚度增加、眼部結構改變、轉錄和代謝變化、免疫和氧化應激相關通路中的DNA甲基化變化、胃腸道微生物群變化，以及飛行后一些認知能力下降，雖然在返回地球后6個月內，平均端粒長度、整體基因表達和微生物組變化恢復到了接近飛行前水平，但短端粒數量增加，一些基因的表達仍受到干擾。

1 引言

自1961年以來，已有數百人進行了航天飛行。關于人體在短期（小于1個月）和較長期（4～6個月）航天飛行的生理適應已有描述，尤其是對心血管、肌肉骨骼和感覺運動系統。

已有證據顯示人體會出現一些與飛行時間相關的變化，尤其是最近的證據表明，在“國際空間站”執行長期任務已經導致一些航天員出現了眼部變化，包括視盤水腫和脈絡膜皺褶，眼部癥狀的發生率和嚴重程度各不相同，術語稱為航天飛行相關神經-眼綜合征（SANS），其確切的發生機制尚不清楚，因而限制了NASA制定有效對策的能力。

斯科特（左）手持由他負責照料的百日菊與俄羅斯航天員米哈伊爾·科爾尼延科慶祝在軌駐留第300天

由于載人登火星等未來探索任務時間可能是3年之久，而NASA幾乎沒有6個月以上的航天飛行經驗。為此，NASA實施了這次一年期航天飛行任務，美國12所大學的84位科學家參與了研究。

2 研究特點

除了飛行時間長達近一年外，本研究還有以下主要特點：

1）利用NASA的一對男性同卵雙胞胎航天員開展對照研究，他們的基因相似性可以最大程度地減少個體差異的影響，是理想的對照組。其中，飛行受試者斯科特·凱利在空間站上駐留340天，地面受試者馬克·凱利則留在地球上，研究開始時他們的年齡是50歲，以前都有不同數量的航天飛行暴露。

2）首次綜合的、跨學科的研究設計或利用多組學方法對生物樣本進行分析，從生物化學、基因表達、蛋白質組學、免疫組、染色體端粒、代謝組學、微生物組、認知、表觀遺傳學、綜合組學等10個專題開展研究，以了解航天飛行中發生的分子、生理和認知動力學的相互作用。

3）對2名受試者進行了25個月（飛行前、中、后）的樣本收集（n=317），包括糞便、尿液和全血，全血還被分離為外周血單核細胞、各類免疫細胞和血漿，還接受了生理和認知實驗室測試，生物標記物的縱向測量和評估可以為航天員健康提供關鍵指標，有助于評估增加的風險，并指導實施可能的個性化干預。

4）基于航天員要經歷空間輻射暴露、飲食限制、體力勞動需求減少、晝夜節律紊亂以及失重等，重點關注了人體的基因、免疫系統和代謝功能。

3 主要變化

對研究結果的綜合分析表明，至少有10個關鍵生理過程受到長期航天飛行的影響，可以作為制定未來探索級人類太空旅行中對抗措施的目標，包括體重和營養，端粒長度調節，維持基因組穩定性，血管健康，眼部結構適應，轉錄和代謝變化，表觀遺傳變化，脂質水平變化，微生物組反應，認知功能。根據這些變化過程在航天飛行過程中潛在的功能重要程度以及返回地球后至少6個月的持續性，將其風險程度劃分為低風險、中等風險或未知風險、高風險。

與潛在低風險高度動態相關的變化

研究結果顯示，許多與航天飛行相關的生理和分子快速變化回到了接近飛行前水平，包括平均端粒長度、體重、腸道微生物群構成、T細胞功能以及大多數細胞和組織的調節（轉錄和代謝的調節）。由于它們在航天飛行中反應明顯，因此可以作為人體航天適應性的重要潛在生物標志物，但在長期飛行任務中，它們所代表的風險很可能極低。

受試者航天經歷

（1）基因功能的衡量

航天飛行期間，飛行受試者的CD4、CD8和LD細胞中發生差異表達的大多數基因（91.3%）在飛行后6個月內恢復到了正常范圍。此外，盡管飛行受試者的一些表觀遺傳基因座發生了改變，但在25個月的研究期內，地面受試者的全基因組表觀遺傳變異更高。從其他結果看，飛行受試者的血漿代謝水平變化在飛行后恢復到了基線；轉錄和蛋白質組學數據顯示，免疫應激似乎不影響流感特異性T細胞的募集；對飛行中期疫苗接種反應的評估提示主要免疫功能得到了維持，包括趨化性、抗原的分布和遷移，以及通過淋巴系統的遞呈。總的來說，這些數據顯示了許多遺傳、表觀遺傳、轉錄、細胞和生物學核心功能的可塑性和彈性。

空間站的斯科特（上）和留在地面的馬克（下）在給自己接種流感疫苗，為研究提供對照

（2）端粒延長

飛行受試者飛行期間端粒長度顯著增加（14.5%），返回地球后約48h內迅速縮短，并在數月內穩定到接近飛行前數月平均值。該結果與在“國際空間站”駐留較短時間（6個月內）的其他航天員的類似研究結果一致，也與在空間站飛行11天的秀麗隱桿線蟲（C. aenorhabditis）的研究結果一致。盡管端粒短暫伸長的潛在機制和后果目前尚不清楚，但諸多研究已證實，端粒較長與代謝和營養狀況、體力活動、體重減輕等健康生活方式因素相關。本研究中，飛行受試者體重減輕、血清葉酸水平增加與端粒延長的相關性也證明了這一點。

（3）腸道微生物群的變化

可以預期胃腸道微生物群對飲食和其他因素的變化做出動態反應，而且這種隨時間的變化在兩位受試者中是明顯的。兩位受試者糞便微生物群落以厚壁菌屬和類桿菌屬細菌為主，盡管每位受試者都保持了各自的腸道微生物組群特征，但飛行受試者飛行期間在微生物群落組成和功能方面的變化比同一時期更大。鑒于飛行中微生物群特征發生顯著變化的數量，推測一些微生物群的變化很可能與航天飛行有關。源于微生物的小分子代謝物在飛行中的變化也表明微生物群在航天飛行中經歷了功能變化。與個體差異相比，飛行期間，飛行受試者微生物群在多樣性上的變化程度相對較小，可能反映了隔離和飲食的變化，這與地基研究中對隔離期延長志愿者的結果一致。厚壁菌和類桿菌的序列比顯示了明顯的航天飛行特異性增加；然而，這一比例在著陸后幾周內又回到了飛行前水平，表明胃腸道的微生物生態系統已在恢復。此外，通常被認為是微生物群健康象征的微生物群多樣性在飛行中沒有降低。這些飛行中變化與健康風險的相關尚不清楚，但可能是最小的。

與潛在中等或未知風險相關的變化

長期航天飛行的幾個特點代表了中等水平或未知的長期風險，包括膠原蛋白調節、血管內液管理和持續的端粒丟失和/或臨界性縮短。

（1）膠原蛋白調節

本研究首次觀察到航天員尿液中排泄膠原蛋白α－1（Ⅰ）鏈（COL1A1）和膠原蛋白α－1（Ⅲ）鏈（COL3A1）的變化與航天飛行相關。它們的分子量都是白蛋白的2倍多，所以整個膠原蛋白分子由血液過濾到尿液中很難，在腎臟中的含量相對較低。失重會改變軟骨、骨骼、肌腱、皮膚、血管系統和鞏膜的負荷，因此成為了尿中COL1A1和COL3A1增加的其他潛在來源。飛行中，飛行受試者頸內靜脈直徑增加，頸動脈血管重構表現為內膜中層厚度增加。COL3A1是血管系統重要的功能組成部分，COL3A1基因缺陷會導致腿部血液聚集，并損害站立時的血壓反應。失重時肌肉、肌腱、骨骼和流體靜力學負荷的變化為身體提供了許多可能發生結構重塑的部位，從而導致尿液中COL1A1和COL3A1的排泄量增加。

研究發現，在斯科特執行任務的后半段，其骨密度有所下降。當他回到地球后，其體內的炎癥生化指標也有所增加

（2）血管內液管理

航天員有脫水的危險，這會增加患腎結石的風險。水通道蛋白－2（AQP2）控制腎集合管上皮細胞中的水轉運，并受加壓素調節，加壓素在身體脫水時釋放。食物和水攝入量的減少可能與重力降低導致的胃腸道運動能力下降有關。返回地球通常會導致液體滯留和體重增加，實際上，在著陸后的幾天里，飛行受試者表現出了體重略有增加。本研究提供的證據表明，尿中AQP2增加是在航天飛行中表現出來的，也與血清鈉水平相關，而與再適應地球環境無關。尿中AQP2升高很可能是由于血漿鈉水平高刺激了血管加壓素的釋放。AQP2受血管加壓素調節，當血管加壓素被激活后，會引起尿液重新吸收，這種腎水重吸收蛋白不能完全補償水攝入量的減少，導致飛行期間血漿鈉濃度和膠體滲透壓的增加。飛行受試者尿中AQP2增加，可能是飛行中脫水或高鈉血癥的結果。在未來的任務中，應監測航天員尿液中的AQP2水平，以確定哪些人有可能要給予治療干預，以改善脫水的副作用和生理并發癥。

航天飛行中，由于水的攝入量和空間站上相對濕度都比較低，24h尿量通常會減少。本研究發現的端粒延長、血管緊張素原減少和線粒體呼吸減少，可能與受試者飛行中能量攝入減少和體重減輕有關。此外，在生長激素抑制素通路富集的基因中，DNA甲基化發生了改變，禁食會使生長激素抑制素的轉錄增加。熱量攝入減少會使許多與血壓控制和代謝有關的激素降低，通常會降低血壓，降低代謝率和肌肉生長。飛行中，飛行受試者尿和血漿中乳酸水平增加，三羧酸循環的中間產物（蘋果酸和檸檬酸）有增加的趨勢，可能是由于高強化運動方案所致。

斯科特接受小肌肉運動技能測試

研究還觀察了尿中腎素-血管緊張素通路蛋白的排泄變化。對人類而言，腎素和血管緊張素Ⅱ水平隨著直立姿勢的增加而增加，高血壓與尿血管緊張素原較高有關。血管緊張素Ⅱ使尿中血管緊張素原增加，可能是因為它刺激了腎小管中血管緊張素原的產生。航天員在航天飛行中不是“直立”的，血壓也較低，飛行受試者在飛行中確實有血管緊張素原降低和血壓降低。在飛行中觀察到尿中腎素受體蛋白的減少可能是由于類似通路降低了飛行中血管緊張素原。

（3）持續的端粒丟失和/或臨界性縮短

飛行受試者返回地球后，端粒迅速縮短（小于48h），這與著陸時的極端應激和炎癥反應增強相一致，而炎癥反應是公認的促進端粒變短的因素。航天飛行引起的端粒延長的瞬態性也很明顯，在返回時，端粒長度迅速回到基線。然而，檢測到的端粒數量顯著減少，提示持續的端粒丟失和/或臨界性短端粒數量增加。

與本研究結果一致的是，空間站上航天員飛行后的端粒通常傾向于比以前明顯變短。這些端粒長度變化（伸長和加速縮短或丟失）的潛在重要性被越來越多的證據所強調，這些證據支持端粒長度不僅是可靠的衰老生物標志物，而且是年齡相關疾病（如心血管疾病和癌癥）的決定因素。由于這些指標可以反映整個機體的健康狀況，因此監測端粒長度動態是評估未來航天員健康狀況和潛在長期風險的重要因素。

與潛在高風險相關的變化

返回地球是一個特別應激事件，它是航天飛行最大的生理挑戰之一，著陸后立即出現的癥狀包括心血管、肌肉骨骼過度使用或受損，以及應激和炎癥反應。此外，在心血管、眼睛和認知系統，包括航天員的細胞分子特征方面，還有與恢復期和航天飛行長期后果相關的影響。

（1）航天飛行相關神經-眼綜合征（SANS）

截至2017年5月，約40%的航天員經歷了以下1個或多個眼部問題：視盤水腫、遠視移位、眼球扁平、視網膜棉絮狀斑點或脈絡膜褶皺。人們提出了多種假設來解釋這些癥狀的形成，包括航天飛行引起的體液頭向轉移和相關適應。在飛行受試者飛行中觀察到的頸內靜脈擴張和壓力增加，與人在地面時平躺的情況相似。血管充盈的結果可能會導致供應視網膜的血管系統充血，正如凹下脈絡膜增厚所提示的那樣。重要的是，鑒于空間站上不存在正常的重力和流體靜力學壓力梯度，在正常姿勢變化期間，無法像地球上預期的那樣緩解體液頭向轉移。事實上，本研究中的光學相干斷層掃描測量證實了眼底鏡檢查的視盤水腫臨床報告，即總的毛細血管周圍視網膜厚度增加，結合脈絡膜從飛行前到飛行中的惡化情況，飛行受試者表現出的癥狀與SANS一致。雖然一些眼部變化在飛行后得以恢復，如脈絡膜充血和視網膜神經纖維層增厚的問題，但有些變化包括脈絡膜皺褶，可能會從以前的長期飛行任務一直持續，并在隨后的任務中惡化，正如在飛行受試者中所觀察到的。相比之下，地面受試者盡管之前曾參與過4次短期航天飛機任務，但在本研究中并沒有發現類似情況。因此推測，他以前可能經歷的任何變化或者沒有表現出來（盡管與他孿生兄弟相同的風險等位基因得到了表達），或者自上次任務以來已經得到了恢復。這些觀察支持了“多重命中”假說，即遺傳學呈現的是一種易感因素，只有在1個或多個其他生理、生化和/或環境因素（包括持續暴露時間，例如超過2周的航天飛機飛行）結合時才表現出病理學特征。

（2）血管生理

航天員進入失重環境時發生的體液頭向轉移被假設為與心血管適應航天飛行相關的初始事件。繼流體靜力學梯度因失重而喪失后，約2L液體從下半身轉移到上半身。盡管存在乘員間的個體差異，但這種體液頭向轉移被描述為許多乘員出現了“臉部腫脹”和“鳥腿”（很細的腿）。盡管血漿和血容量相對減少，血壓降低，但每搏量和心輸出量增加，上體動脈和靜脈擴張。對參與4～6個月任務的航天員的研究結果顯示，頸動脈內膜中層厚度和血管硬度增加，這可能與氧化應激、炎癥和胰島素抵抗增加有關。在完成4～6個月任務的10名航天員中也觀察到了類似趨勢，飛行早期觀察到的頸動脈內膜中層增厚，在接近任務結束時并沒有進一步加劇。飛行受試者也出現了類似的適應性，因為在發射后，他的頸動脈內膜中層厚度迅速增加，不過在飛行后期（飛行第6～12月）并沒有繼續增加。尚不清楚內膜中層增厚是否不可逆轉，是否代表航天員今后心血管和腦血管疾病風險的增加，特別是因為在其他健康個體中預測臨床事件是困難的。類似地，本研究觀察到載脂蛋白B與載脂蛋白A1比率從飛行前到飛行中有所增加，尤其是在任務的后半部分，這可能提示飛行受試者罹患心血管疾病的風險增加，但長期健康后果迄今尚不清楚。本研究所獲得的航天飛行恢復過程中的測定值，連同一項同類研究從其他航天員身上獲得的測量數據，將提供有關心血管疾病過程危險因素的重要信息。最近的流行病學研究提示，航天員沒有增加心血管發病率或死亡率的風險，但并沒有足夠的數據得出關于航天員參加長期任務的結論，因為這項調查中的絕大多數受試者參與的是短期任務。

（3）飛行后應激和炎癥反應

對飛行受試者分子特征的評估結果與著陸后幾天的應激和炎癥反應一致，特別是C反應蛋白從1mg/dL增加到19mg/dL，白細胞介素1受體水平也增加了。飛行受試者的細胞因子特征也與返回地球時的炎癥反應一致。應激和炎癥反應可能發生在返回階段之前，含有促炎性脂肪酸的溶血磷脂的增加也提示了飛行期間炎癥狀態的加劇。此外，飛行受試者飛行第300～334天的平均尿鈉排泄量為147mmol/d，而在返回當日，盡管靜脈注射了生理鹽水，尿鈉排泄量還是下降到47mmol/d。靜脈注射生理鹽水是著陸時的常規方案，并且可以獲得足夠的液體攝入，從而將尿量從1313mL增加到了2999mL。在返回第12天之前，飛行受試者沒有測量血容量，但根據以往長期航天飛行乘員的數據，推測他在返回當日的血容量可能很低。返回當日，飛行受試者的血漿鈉濃度從146mmol/L降至138mmol/L，與尿鈉輸出沒有下降是一致的，可能是由于血漿鈉含量低的緣故。觀察到著陸時尿鈉排泄量降低了2/3，盡管靜脈注射了生理鹽水，但這是對尿容量減少的常見反應。

（4）基因穩定性

多項證據表明，基因組的不穩定性和重排可能預示著長期航天飛行的長期分子影響和/或不良健康影響。值得注意的是，與報告的太空輻射暴露和飛行中DNA損傷反應一致，飛行中飛行受試者的染色體易位和倒位頻率增加，飛行后仍然增加。這些發現與航天員個體染色體易位的報告一致，也與倒位及其相互對應的小間隙缺失代表輻射暴露突變特征的建議一致。此外，體外實驗已經證明，暴露于高傳能線性密度（LET）質子可引起端粒延長，低LET的γ射線照射可誘導依賴端粒酶的假定干細胞和祖細胞群的富集，以及低劑量照射的外周血單核細胞端粒長度分布向著端粒較長的細胞群變化。因此，至少部分促成飛行中觀察到的端粒延長的，可能是輻射和DNA損傷反應誘導的細胞群動態變化，而不是端粒本身的延長。

（5）基因表達失調

有趣的是，在飛行受試者未分類的外周血單核細胞中，飛行第6～12月期間的差異表達基因數量幾乎是飛行第0～6月期間的6倍，這表明1年期任務的后半期飛行誘導了更多數量的轉錄變化。此外，在返回地球的6個月內，一個獨特的基因子集（不同細胞類型的811個基因），包括與免疫功能和DNA修復相關的基因，其表達并沒有恢復到飛行前水平，這代表了一些候選基因，由于長期航天飛行，這些基因可能在很長一段時間內發生改變。

（6）認知能力下降

本研究顯示，任務持續時間從6個月延長到12個月，對認知能力的影響可能僅限于幾個領域，任務持續時間延長可能會對飛行后認知能力產生負面影響，可能會影響任務操作的安全性（如在火星著陸后），飛行后操作程序的自動化可能有助于減輕此類風險。除了重新暴露于地球重力的影響外，航天員飛行后還需要參與研究性調查和媒體活動，目前尚不清楚上述每個因素對飛行后認知能力下降的影響有多大。

4 結論和今后的任務

鑒于本研究結果，預計執行探索類任務的航天員可能會面臨線粒體功能障礙、免疫應激、血管變化和體液轉移、認知能力下降以及端粒長度、基因調節和基因組完整性改變等風險。考慮到分析一個飛行受試者的局限性，需要對執行長期（不少于12個月）任務的更多航天員進行研究，以確認這些發現并解決懸而未決的問題。如果這些發現得到證實，就應該考慮開發和實施降低這些風險的生物學、生物物理學或藥理學對策。

在探索任務中，由于超出了地磁場的保護范圍，航天員因空間輻射暴露可能會增加風險，但這方面的數據很少，甚至沒有，包括近地軌道1年和火星任務3年航天飛行之間的差異。因此，需要在將來進行不同駐留時間和較長期暴露（不少于12個月）時間的研究，以確定風險變化方式（如線性或指數），并建立適宜的安全閾值。

本研究形成了一套獨特、多樣的生物醫學數據集，代表了對航天飛行延長期間分子、生理和行為的適應性和人體所面臨挑戰的綜合描述，為飛行中如何采集數據和樣本，用于生成一個關于分子、生理和認知的綜合、縱向特征提供了范例，也為未來研究提供了一個科學框架和基線數據。對于航天員個人和規劃空間站其他任務都很重要，也可供世界各國規劃未來載人航天任務的研究人員和團體立即使用。

重要的是要注意，對于航天環境中利用一個受試對象獲得的這套特定測量集，將因果關系歸因于航天飛行而不是一次巧合事件是不可能的。因此，本研究應該被看作是生成假設和定義框架，并且必須通過未來對更多航天員的研究來加以補充。