NASA一年期航天飞行双胞胎对照研究结果概述

武艳萍 刘朝霞 吴大蔚（中国航天员科研训练中心）

（世界上唯一的航天员双胞胎兄弟：左边是留在地面的马克·凯利，右边是上天的斯科特·凯利）

为了解长期航天飞行对健康的影响，美国国家航空航天局（NASA）对一名在“国际空间站”执行一年期任务的航天员进行了飞行前、中、后监测，并以他的同卵双生兄弟作为遗传匹配的地面对照。通过纵向评估识别出了一些航天飞行特定变化，包括体重下降、端粒伸长、基因组不稳定性、颈动脉扩张和内膜中层厚度增加、眼部结构改变、转录和代谢变化、免疫和氧化应激相关通路中的DNA甲基化变化、胃肠道微生物群变化，以及飞行后一些认知能力下降，虽然在返回地球后6个月内，平均端粒长度、整体基因表达和微生物组变化恢复到了接近飞行前水平，但短端粒数量增加，一些基因的表达仍受到干扰。

1 引言

自1961年以来，已有数百人进行了航天飞行。关于人体在短期（小于1个月）和较长期（4～6个月）航天飞行的生理适应已有描述，尤其是对心血管、肌肉骨骼和感觉运动系统。

已有证据显示人体会出现一些与飞行时间相关的变化，尤其是最近的证据表明，在“国际空间站”执行长期任务已经导致一些航天员出现了眼部变化，包括视盘水肿和脉络膜皱褶，眼部症状的发生率和严重程度各不相同，术语称为航天飞行相关神经-眼综合征（SANS），其确切的发生机制尚不清楚，因而限制了NASA制定有效对策的能力。

斯科特（左）手持由他负责照料的百日菊与俄罗斯航天员米哈伊尔·科尔尼延科庆祝在轨驻留第300天

由于载人登火星等未来探索任务时间可能是3年之久，而NASA几乎没有6个月以上的航天飞行经验。为此，NASA实施了这次一年期航天飞行任务，美国12所大学的84位科学家参与了研究。

2 研究特点

除了飞行时间长达近一年外，本研究还有以下主要特点：

1）利用NASA的一对男性同卵双胞胎航天员开展对照研究，他们的基因相似性可以最大程度地减少个体差异的影响，是理想的对照组。其中，飞行受试者斯科特·凯利在空间站上驻留340天，地面受试者马克·凯利则留在地球上，研究开始时他们的年龄是50岁，以前都有不同数量的航天飞行暴露。

2）首次综合的、跨学科的研究设计或利用多组学方法对生物样本进行分析，从生物化学、基因表达、蛋白质组学、免疫组、染色体端粒、代谢组学、微生物组、认知、表观遗传学、综合组学等10个专题开展研究，以了解航天飞行中发生的分子、生理和认知动力学的相互作用。

3）对2名受试者进行了25个月（飞行前、中、后）的样本收集（n=317），包括粪便、尿液和全血，全血还被分离为外周血单核细胞、各类免疫细胞和血浆，还接受了生理和认知实验室测试，生物标记物的纵向测量和评估可以为航天员健康提供关键指标，有助于评估增加的风险，并指导实施可能的个性化干预。

4）基于航天员要经历空间辐射暴露、饮食限制、体力劳动需求减少、昼夜节律紊乱以及失重等，重点关注了人体的基因、免疫系统和代谢功能。

3 主要变化

对研究结果的综合分析表明，至少有10个关键生理过程受到长期航天飞行的影响，可以作为制定未来探索级人类太空旅行中对抗措施的目标，包括体重和营养，端粒长度调节，维持基因组稳定性，血管健康，眼部结构适应，转录和代谢变化，表观遗传变化，脂质水平变化，微生物组反应，认知功能。根据这些变化过程在航天飞行过程中潜在的功能重要程度以及返回地球后至少6个月的持续性，将其风险程度划分为低风险、中等风险或未知风险、高风险。

与潜在低风险高度动态相关的变化

研究结果显示，许多与航天飞行相关的生理和分子快速变化回到了接近飞行前水平，包括平均端粒长度、体重、肠道微生物群构成、T细胞功能以及大多数细胞和组织的调节（转录和代谢的调节）。由于它们在航天飞行中反应明显，因此可以作为人体航天适应性的重要潜在生物标志物，但在长期飞行任务中，它们所代表的风险很可能极低。

受试者航天经历

（1）基因功能的衡量

航天飞行期间，飞行受试者的CD4、CD8和LD细胞中发生差异表达的大多数基因（91.3%）在飞行后6个月内恢复到了正常范围。此外，尽管飞行受试者的一些表观遗传基因座发生了改变，但在25个月的研究期内，地面受试者的全基因组表观遗传变异更高。从其他结果看，飞行受试者的血浆代谢水平变化在飞行后恢复到了基线；转录和蛋白质组学数据显示，免疫应激似乎不影响流感特异性T细胞的募集；对飞行中期疫苗接种反应的评估提示主要免疫功能得到了维持，包括趋化性、抗原的分布和迁移，以及通过淋巴系统的递呈。总的来说，这些数据显示了许多遗传、表观遗传、转录、细胞和生物学核心功能的可塑性和弹性。

空间站的斯科特（上）和留在地面的马克（下）在给自己接种流感疫苗，为研究提供对照

（2）端粒延长

飞行受试者飞行期间端粒长度显著增加（14.5%），返回地球后约48h内迅速缩短，并在数月内稳定到接近飞行前数月平均值。该结果与在“国际空间站”驻留较短时间（6个月内）的其他航天员的类似研究结果一致，也与在空间站飞行11天的秀丽隐杆线虫（C. aenorhabditis）的研究结果一致。尽管端粒短暂伸长的潜在机制和后果目前尚不清楚，但诸多研究已证实，端粒较长与代谢和营养状况、体力活动、体重减轻等健康生活方式因素相关。本研究中，飞行受试者体重减轻、血清叶酸水平增加与端粒延长的相关性也证明了这一点。

（3）肠道微生物群的变化

可以预期胃肠道微生物群对饮食和其他因素的变化做出动态反应，而且这种随时间的变化在两位受试者中是明显的。两位受试者粪便微生物群落以厚壁菌属和类杆菌属细菌为主，尽管每位受试者都保持了各自的肠道微生物组群特征，但飞行受试者飞行期间在微生物群落组成和功能方面的变化比同一时期更大。鉴于飞行中微生物群特征发生显著变化的数量，推测一些微生物群的变化很可能与航天飞行有关。源于微生物的小分子代谢物在飞行中的变化也表明微生物群在航天飞行中经历了功能变化。与个体差异相比，飞行期间，飞行受试者微生物群在多样性上的变化程度相对较小，可能反映了隔离和饮食的变化，这与地基研究中对隔离期延长志愿者的结果一致。厚壁菌和类杆菌的序列比显示了明显的航天飞行特异性增加；然而，这一比例在着陆后几周内又回到了飞行前水平，表明胃肠道的微生物生态系统已在恢复。此外，通常被认为是微生物群健康象征的微生物群多样性在飞行中没有降低。这些飞行中变化与健康风险的相关尚不清楚，但可能是最小的。

与潜在中等或未知风险相关的变化

长期航天飞行的几个特点代表了中等水平或未知的长期风险，包括胶原蛋白调节、血管内液管理和持续的端粒丢失和/或临界性缩短。

（1）胶原蛋白调节

本研究首次观察到航天员尿液中排泄胶原蛋白α－1（Ⅰ）链（COL1A1）和胶原蛋白α－1（Ⅲ）链（COL3A1）的变化与航天飞行相关。它们的分子量都是白蛋白的2倍多，所以整个胶原蛋白分子由血液过滤到尿液中很难，在肾脏中的含量相对较低。失重会改变软骨、骨骼、肌腱、皮肤、血管系统和巩膜的负荷，因此成为了尿中COL1A1和COL3A1增加的其他潜在来源。飞行中，飞行受试者颈内静脉直径增加，颈动脉血管重构表现为内膜中层厚度增加。COL3A1是血管系统重要的功能组成部分，COL3A1基因缺陷会导致腿部血液聚集，并损害站立时的血压反应。失重时肌肉、肌腱、骨骼和流体静力学负荷的变化为身体提供了许多可能发生结构重塑的部位，从而导致尿液中COL1A1和COL3A1的排泄量增加。

研究发现，在斯科特执行任务的后半段，其骨密度有所下降。当他回到地球后，其体内的炎症生化指标也有所增加

（2）血管内液管理

航天员有脱水的危险，这会增加患肾结石的风险。水通道蛋白－2（AQP2）控制肾集合管上皮细胞中的水转运，并受加压素调节，加压素在身体脱水时释放。食物和水摄入量的减少可能与重力降低导致的胃肠道运动能力下降有关。返回地球通常会导致液体滞留和体重增加，实际上，在着陆后的几天里，飞行受试者表现出了体重略有增加。本研究提供的证据表明，尿中AQP2增加是在航天飞行中表现出来的，也与血清钠水平相关，而与再适应地球环境无关。尿中AQP2升高很可能是由于血浆钠水平高刺激了血管加压素的释放。AQP2受血管加压素调节，当血管加压素被激活后，会引起尿液重新吸收，这种肾水重吸收蛋白不能完全补偿水摄入量的减少，导致飞行期间血浆钠浓度和胶体渗透压的增加。飞行受试者尿中AQP2增加，可能是飞行中脱水或高钠血症的结果。在未来的任务中，应监测航天员尿液中的AQP2水平，以确定哪些人有可能要给予治疗干预，以改善脱水的副作用和生理并发症。

航天飞行中，由于水的摄入量和空间站上相对湿度都比较低，24h尿量通常会减少。本研究发现的端粒延长、血管紧张素原减少和线粒体呼吸减少，可能与受试者飞行中能量摄入减少和体重减轻有关。此外，在生长激素抑制素通路富集的基因中，DNA甲基化发生了改变，禁食会使生长激素抑制素的转录增加。热量摄入减少会使许多与血压控制和代谢有关的激素降低，通常会降低血压，降低代谢率和肌肉生长。飞行中，飞行受试者尿和血浆中乳酸水平增加，三羧酸循环的中间产物（苹果酸和柠檬酸）有增加的趋势，可能是由于高强化运动方案所致。

斯科特接受小肌肉运动技能测试

研究还观察了尿中肾素-血管紧张素通路蛋白的排泄变化。对人类而言，肾素和血管紧张素Ⅱ水平随着直立姿势的增加而增加，高血压与尿血管紧张素原较高有关。血管紧张素Ⅱ使尿中血管紧张素原增加，可能是因为它刺激了肾小管中血管紧张素原的产生。航天员在航天飞行中不是“直立”的，血压也较低，飞行受试者在飞行中确实有血管紧张素原降低和血压降低。在飞行中观察到尿中肾素受体蛋白的减少可能是由于类似通路降低了飞行中血管紧张素原。

（3）持续的端粒丢失和/或临界性缩短

飞行受试者返回地球后，端粒迅速缩短（小于48h），这与着陆时的极端应激和炎症反应增强相一致，而炎症反应是公认的促进端粒变短的因素。航天飞行引起的端粒延长的瞬态性也很明显，在返回时，端粒长度迅速回到基线。然而，检测到的端粒数量显著减少，提示持续的端粒丢失和/或临界性短端粒数量增加。

与本研究结果一致的是，空间站上航天员飞行后的端粒通常倾向于比以前明显变短。这些端粒长度变化（伸长和加速缩短或丢失）的潜在重要性被越来越多的证据所强调，这些证据支持端粒长度不仅是可靠的衰老生物标志物，而且是年龄相关疾病（如心血管疾病和癌症）的决定因素。由于这些指标可以反映整个机体的健康状况，因此监测端粒长度动态是评估未来航天员健康状况和潜在长期风险的重要因素。

与潜在高风险相关的变化

返回地球是一个特别应激事件，它是航天飞行最大的生理挑战之一，着陆后立即出现的症状包括心血管、肌肉骨骼过度使用或受损，以及应激和炎症反应。此外，在心血管、眼睛和认知系统，包括航天员的细胞分子特征方面，还有与恢复期和航天飞行长期后果相关的影响。

（1）航天飞行相关神经-眼综合征（SANS）

截至2017年5月，约40%的航天员经历了以下1个或多个眼部问题：视盘水肿、远视移位、眼球扁平、视网膜棉絮状斑点或脉络膜褶皱。人们提出了多种假设来解释这些症状的形成，包括航天飞行引起的体液头向转移和相关适应。在飞行受试者飞行中观察到的颈内静脉扩张和压力增加，与人在地面时平躺的情况相似。血管充盈的结果可能会导致供应视网膜的血管系统充血，正如凹下脉络膜增厚所提示的那样。重要的是，鉴于空间站上不存在正常的重力和流体静力学压力梯度，在正常姿势变化期间，无法像地球上预期的那样缓解体液头向转移。事实上，本研究中的光学相干断层扫描测量证实了眼底镜检查的视盘水肿临床报告，即总的毛细血管周围视网膜厚度增加，结合脉络膜从飞行前到飞行中的恶化情况，飞行受试者表现出的症状与SANS一致。虽然一些眼部变化在飞行后得以恢复，如脉络膜充血和视网膜神经纤维层增厚的问题，但有些变化包括脉络膜皱褶，可能会从以前的长期飞行任务一直持续，并在随后的任务中恶化，正如在飞行受试者中所观察到的。相比之下，地面受试者尽管之前曾参与过4次短期航天飞机任务，但在本研究中并没有发现类似情况。因此推测，他以前可能经历的任何变化或者没有表现出来（尽管与他孪生兄弟相同的风险等位基因得到了表达），或者自上次任务以来已经得到了恢复。这些观察支持了“多重命中”假说，即遗传学呈现的是一种易感因素，只有在1个或多个其他生理、生化和/或环境因素（包括持续暴露时间，例如超过2周的航天飞机飞行）结合时才表现出病理学特征。

（2）血管生理

航天员进入失重环境时发生的体液头向转移被假设为与心血管适应航天飞行相关的初始事件。继流体静力学梯度因失重而丧失后，约2L液体从下半身转移到上半身。尽管存在乘员间的个体差异，但这种体液头向转移被描述为许多乘员出现了“脸部肿胀”和“鸟腿”（很细的腿）。尽管血浆和血容量相对减少，血压降低，但每搏量和心输出量增加，上体动脉和静脉扩张。对参与4～6个月任务的航天员的研究结果显示，颈动脉内膜中层厚度和血管硬度增加，这可能与氧化应激、炎症和胰岛素抵抗增加有关。在完成4～6个月任务的10名航天员中也观察到了类似趋势，飞行早期观察到的颈动脉内膜中层增厚，在接近任务结束时并没有进一步加剧。飞行受试者也出现了类似的适应性，因为在发射后，他的颈动脉内膜中层厚度迅速增加，不过在飞行后期（飞行第6～12月）并没有继续增加。尚不清楚内膜中层增厚是否不可逆转，是否代表航天员今后心血管和脑血管疾病风险的增加，特别是因为在其他健康个体中预测临床事件是困难的。类似地，本研究观察到载脂蛋白B与载脂蛋白A1比率从飞行前到飞行中有所增加，尤其是在任务的后半部分，这可能提示飞行受试者罹患心血管疾病的风险增加，但长期健康后果迄今尚不清楚。本研究所获得的航天飞行恢复过程中的测定值，连同一项同类研究从其他航天员身上获得的测量数据，将提供有关心血管疾病过程危险因素的重要信息。最近的流行病学研究提示，航天员没有增加心血管发病率或死亡率的风险，但并没有足够的数据得出关于航天员参加长期任务的结论，因为这项调查中的绝大多数受试者参与的是短期任务。

（3）飞行后应激和炎症反应

对飞行受试者分子特征的评估结果与着陆后几天的应激和炎症反应一致，特别是C反应蛋白从1mg/dL增加到19mg/dL，白细胞介素1受体水平也增加了。飞行受试者的细胞因子特征也与返回地球时的炎症反应一致。应激和炎症反应可能发生在返回阶段之前，含有促炎性脂肪酸的溶血磷脂的增加也提示了飞行期间炎症状态的加剧。此外，飞行受试者飞行第300～334天的平均尿钠排泄量为147mmol/d，而在返回当日，尽管静脉注射了生理盐水，尿钠排泄量还是下降到47mmol/d。静脉注射生理盐水是着陆时的常规方案，并且可以获得足够的液体摄入，从而将尿量从1313mL增加到了2999mL。在返回第12天之前，飞行受试者没有测量血容量，但根据以往长期航天飞行乘员的数据，推测他在返回当日的血容量可能很低。返回当日，飞行受试者的血浆钠浓度从146mmol/L降至138mmol/L，与尿钠输出没有下降是一致的，可能是由于血浆钠含量低的缘故。观察到着陆时尿钠排泄量降低了2/3，尽管静脉注射了生理盐水，但这是对尿容量减少的常见反应。

（4）基因稳定性

多项证据表明，基因组的不稳定性和重排可能预示着长期航天飞行的长期分子影响和/或不良健康影响。值得注意的是，与报告的太空辐射暴露和飞行中DNA损伤反应一致，飞行中飞行受试者的染色体易位和倒位频率增加，飞行后仍然增加。这些发现与航天员个体染色体易位的报告一致，也与倒位及其相互对应的小间隙缺失代表辐射暴露突变特征的建议一致。此外，体外实验已经证明，暴露于高传能线性密度（LET）质子可引起端粒延长，低LET的γ射线照射可诱导依赖端粒酶的假定干细胞和祖细胞群的富集，以及低剂量照射的外周血单核细胞端粒长度分布向着端粒较长的细胞群变化。因此，至少部分促成飞行中观察到的端粒延长的，可能是辐射和DNA损伤反应诱导的细胞群动态变化，而不是端粒本身的延长。

（5）基因表达失调

有趣的是，在飞行受试者未分类的外周血单核细胞中，飞行第6～12月期间的差异表达基因数量几乎是飞行第0～6月期间的6倍，这表明1年期任务的后半期飞行诱导了更多数量的转录变化。此外，在返回地球的6个月内，一个独特的基因子集（不同细胞类型的811个基因），包括与免疫功能和DNA修复相关的基因，其表达并没有恢复到飞行前水平，这代表了一些候选基因，由于长期航天飞行，这些基因可能在很长一段时间内发生改变。

（6）认知能力下降

本研究显示，任务持续时间从6个月延长到12个月，对认知能力的影响可能仅限于几个领域，任务持续时间延长可能会对飞行后认知能力产生负面影响，可能会影响任务操作的安全性（如在火星着陆后），飞行后操作程序的自动化可能有助于减轻此类风险。除了重新暴露于地球重力的影响外，航天员飞行后还需要参与研究性调查和媒体活动，目前尚不清楚上述每个因素对飞行后认知能力下降的影响有多大。

4 结论和今后的任务

鉴于本研究结果，预计执行探索类任务的航天员可能会面临线粒体功能障碍、免疫应激、血管变化和体液转移、认知能力下降以及端粒长度、基因调节和基因组完整性改变等风险。考虑到分析一个飞行受试者的局限性，需要对执行长期（不少于12个月）任务的更多航天员进行研究，以确认这些发现并解决悬而未决的问题。如果这些发现得到证实，就应该考虑开发和实施降低这些风险的生物学、生物物理学或药理学对策。

在探索任务中，由于超出了地磁场的保护范围，航天员因空间辐射暴露可能会增加风险，但这方面的数据很少，甚至没有，包括近地轨道1年和火星任务3年航天飞行之间的差异。因此，需要在将来进行不同驻留时间和较长期暴露（不少于12个月）时间的研究，以确定风险变化方式（如线性或指数），并建立适宜的安全阈值。

本研究形成了一套独特、多样的生物医学数据集，代表了对航天飞行延长期间分子、生理和行为的适应性和人体所面临挑战的综合描述，为飞行中如何采集数据和样本，用于生成一个关于分子、生理和认知的综合、纵向特征提供了范例，也为未来研究提供了一个科学框架和基线数据。对于航天员个人和规划空间站其他任务都很重要，也可供世界各国规划未来载人航天任务的研究人员和团体立即使用。

重要的是要注意，对于航天环境中利用一个受试对象获得的这套特定测量集，将因果关系归因于航天飞行而不是一次巧合事件是不可能的。因此，本研究应该被看作是生成假设和定义框架，并且必须通过未来对更多航天员的研究来加以补充。