空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌生物学特性的影响综述

白 珀，刘长庭

解放军总医院 南楼呼吸科，北京 100853

国外对微生物在空间舱内环境下繁殖、代谢、异常变异等进行了长期且广泛的研究[1]。近年来随着我国航天事业的发展，国内也进行了该领域的探索及研究，如常德等[2-3]发现神舟八号飞船搭载的屎肠球菌基因重组介导蛋白dprA发生突变以及屎肠球菌LCT-EF18出现与代谢相关的多种蛋白差异表达。空间舱内环境复杂，具有微重力等各种环境因素。在载人航天活动中，一些正常定植的细菌会随着航天员或航空部件进入太空舱，并在太空舱内形成微生物群。以上这些因素会对空间舱内驻留人员及空间站携带细菌的生物学性状及致病性产生影响[4]。而突变微生物返回地面后也可能会对我们所生活的环境造成一定的影响。因此空间飞行对细菌毒力、传染性及耐药性等生物学特性方面影响的研究对于我国载人航天事业显得尤为重要。葡萄球菌属(staphylococcus)是自然界最为常见的一类革兰阳性球菌，根据生化特性和生产色素的不同分为金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和腐生葡萄球菌。葡萄球菌是人类正常定植菌，它们广泛定植于人体皮肤和黏膜，有报道称约20%的健康人群鼻黏膜定植有金黄色葡萄球菌[5]。同时作为条件致病菌，葡萄球菌又是化脓性疾病及败血症最常见的致病菌，其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA)具有极高的耐药性和极强的致病力，已经成为院内感染的重要致病菌[6-7]。对于航天员，葡萄球菌尤其是金黄色葡萄球菌具有潜在威胁，因此空间飞行中葡萄球菌各项生物学指标变化是一项非常重要的研究课题。

1空间舱内环境下葡萄球菌的分布

与地面环境不同，空间飞行中多种因素会对细菌的各项生物学特征产生影响，其中微重力是最有影响力的因素[8-9]。航天器内的特殊封闭环境也导致了细菌流行病学分布发生很大的变化。Noviko[10]发现葡萄球菌是和平号空间站分离出的数量最为庞大的细菌。尽管航天器在发射前会进行严格消毒，但随着人类的进入，微生物迅速出现定植。有研究证实这些菌株几乎全部来自于航天员所携带进入太空舱的皮肤、黏膜定植菌[11]。由于微重力的原因，上呼吸道葡萄球菌菌群数量有所减少，但是条件致病菌的比例却明显增加；封闭的环境也导致了航天员之间交叉定植更为普遍[12]。口腔则是另一个与地面完全不同的葡萄球菌来源途径，葡萄球菌引起的牙周炎对航天员的健康造成不利影响有所报道。葡萄球菌通过飞沫、接触进行传播并定植在航天器设备上，其中真空干燥器和高效微粒空气过滤器(HEPA)最为常见[13]。Reidt等[14]对国际空间站(ISS)俄罗斯部分航天器表面菌群的研究发现，葡萄球菌属细菌更倾向于首先定植于阻燃芳纶纤维等高分子材料。这就意味着航天员的皮肤是早期葡萄球菌污染和传播的主要来源，并且这些污染微生物可以在严格的消毒过程中顽强地存活下来。此后这些定植菌可以与下一批宇航员进行交叉传染，从而形成一个小的微生物菌落圈。随着时间推移，微生物污染的程度和复杂性将会提高，虽然目前还没有针对这些复杂微生物群落对航天员是否会造成不利影响的具体研究，但是这种潜在的危险必须引起重视。

2空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌生物学特性的影响

2.1 空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌生长及形态学的影响 葡萄球菌在微重力影响下的生理变化并不显著。Taylor和Rosado等[15-17]发现，模拟微重力条件下对MRSA进行培养，24 h后在微重力条件下的菌株生长动力学变化很小，同时通过扫描电镜和透射电镜观察到的金黄色葡萄球菌细胞形态无明显变化。实验数据显示，在微重力条件下生长的金黄色葡萄球菌可能对环境压力不产生反应。关于微重力影响的累积数据表明，葡萄球菌显示的生物膜/定植表型表达也有所降低。说明短时期的空间飞行对葡萄球菌尤其是金黄色葡萄球菌形态和生长的影响有限。但是也有研究发现在没有抗生素存在的情况下，空间飞行中生长的葡萄球菌细胞壁增厚，这种细菌形态的变化与地面上生长的耐万古霉素金黄色葡萄球菌和在多酚中生长的MRSA非常相似。

2.2 空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌耐药性的影响封闭、失重的空间舱内环境会引起人体免疫抑制。因此作为机会致病菌的葡萄球菌对航天员会产生潜在威胁，并且这种威胁会随着空间作业时间的延长而加大[18]。空间舱内环境会造成葡萄球的不定向突变，从而进一步增加了这种威胁的不确定性。已有研究表明，在国际空间站上的葡萄球菌中发现了与地面原生菌相同的ermC、tetK、catpIP501、catLM和catpC194等耐药基因，这些基因由质粒携带，参与编码大环内酯、四环素和氯霉素的耐药蛋白[19]。但与地面菌株不同的是，空间舱内环境里的葡萄球菌中基因ermD和ermG也有了明显的表达。ErmD基因以往只在杆菌属中发现过[20]，而基因ermG虽然在地面葡萄球菌中发现，但是远远小于空间环境中发现的数量[21-22]。Tixador等[23]通过对航天员的共生菌丛中分离出的金黄色葡萄球菌研究发现，与地面对照相比，苯唑西林、红霉素和氯霉素对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度有所增加。空间舱内环境下葡萄球菌中数量最为庞大的表皮葡萄球菌也有类似的变化[13]。Fajardo-Cavazos和Nicholson[24]将表皮葡萄球菌按照空间飞行、地面和模拟微重力分为3组，其中空间飞行时间为122 h。空间飞行组中编码利福平耐药蛋白的rpoB基因突变频率远远大于地面组和模拟重力组。但是模拟微重力组中突变的频率基本与地面组相同，这提示了表皮葡萄球菌的耐药突变或许是空间多因素共同作用导致。需要指出的是，葡萄球菌耐药的变化并非都是一致的。谢琼等[25]的研究发现，微生物经搭载后的耐药性遗传指标基本稳定，如MRSA对头孢他啶等35种抗生素的耐药性没有变化。而Rosado等[26]也发现模拟微重力条件下生长的金黄色葡萄球菌与对照组相比抗生素敏感性无明显变化。

2.3 空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌毒力的影响Hammond等[8]利用秀丽隐杆线虫作为宿主对空间舱内飞行后MRSA的毒力进行了研究。他们发现MRSA地面组(幼年线虫宿主)培养基的OD620是0.378±0.023，而空间飞行组则是0.303±0.039，为地面对照组的80%左右；地面组(成年线虫宿主)OD620是0.479±0.023，而空间飞行组为0.333±0.065，为地面对照组的69%左右；这两组数据均提示空间飞行后MRSA的繁殖能力有所降低，这种变化也从侧面说明了空间飞行削弱了MRSA的毒力。Taylor和Rosado等[15-17]研究了模拟微重力对MRSA毒力的影响。在24 h培养期内，3株临床分离出的MRSA菌株产生了一种与金黄色葡萄球菌毒力相关的类胡萝卜素色素的三萜类化合物，但是产量与正常重力细菌相比减少了7% ～ 20%[27]。同时总蛋白分泌量以及细胞外α、β、γ和δ溶血素较普通重力组也有明显减少。3个菌株中都观察到了vraX的急剧下调。VraX是一种编码致密多肽(55氨基酸)的基因，含有一个假定的磷酸化位点，能够参与细胞内的调节过程并在细胞壁活性抗生素和其他表面相互作用分子的应激反应中显著上调[28-29]。VraX下调以及微重力影响的累积数据表明，金黄色葡萄球菌的生物膜/定植表型毒力特性会在微重力作用下明显降低。Rosado等[26]还发现在微重力作用下金黄色葡萄球菌溶血素及葡萄金黄色素(Staphyloxanthin)表达减少；通过基因芯片分析表明，hla(编码α溶素)基因和saeR/saeS调节系统表达下调。Castro等[30]也证实了MRSA在低切力条件下生长时，显示出生长较慢和毒性被抑制的特征，包括对于氧化应激的易感性增加和全血存活率降低。

3空间舱内环境及模拟微重力对葡萄球菌基因表达的影响

郭军等[31]对在空间飞行和模拟微重力条件下生长的MRSA基因表达进行研究发现，空间飞行组、模拟微重力组以及地面组显示了几乎相同的突变频率。3种菌株共发现39个菌株特异性的序列结构变异，这些变异并不是随机分布在全基因组，而是显示了一些聚集的现象。其中23个序列结构变异分布在基因间区，而这个基因间区仅覆盖了17%的基因组。16个序列结构变异分布在9个基因的蛋白编码区，其中推测编码转座酶的F4L001784基因拥有5个序列结构变异，而其他拥有变异的基因分别编码DNA甲基化酶和Mul连接酶。以上这些均提示这些突变可能在错配修复、DNA复制调速和细胞壁肽聚糖合成方面起着重要的作用。值得注意的是，空间飞行条件下的空间飞行组菌株中有9种序列结构变异，而其他两组都没有这种变化，而且独特的序列结构变异数量也远远多于另外两组(模拟微重力5组、地面4组)。在空间飞行组中发现了9个潜在的基因缺失区域(DRs)和2个潜在的插入区域(IRs)。其中DR1(F4GL000753)和DR4(未命名)是空间组独有，而DR6(未命名)和DR9(F4GL002699)是空间组和地面模拟组共同拥有，但是这4组DR所包含的基因功能尚属未知。此外还发现了可能是重复序列导致的F4GL002038和F4GL002044这两组IRs。通过上述研究发现、空间飞行组比其他菌株更为脆弱。而编码耐药性及毒力基因在空间飞行组均未发现有异于其他两组的独特突变。

4结语

空间飞行对葡萄球菌影响的研究相对较少，因为在短期空间飞行中，葡萄球菌尤其是金黄色葡萄球菌的变异较少，而毒力方面甚至有所下调，因此有学者认为葡萄球菌在短期空间飞行中的潜在致病性并不大，更多的是与航天员成为一种共生关系。然而作为条件致病菌，金黄色葡萄球菌导致的感染和败血症即使在医疗条件完备的地面环境中都是难以轻易治愈的疾病，一旦在空间舱内环境出现类似病例，将是一场灾难。因此，在空间舱内环境下我们不应该对任何一种有潜在致病性的细菌掉以轻心。而短期的人-菌共生关系会对人体造成什么样的影响以及长期空间飞行后葡萄球菌生物学特性会有什么变化都是未来值得研究和探索的领域。