代谢组学在航天医学研究中应用的研究进展

冯利陈颖胡晓茹刘新民

(1.国家开放大学医药学院,北京 100039;2.中国中医科学院中药研究所,北京 100700;3.中国食品药品检定研究院,北京 100050;4.中国医学科学院&北京协和医学院药用植物研究所,北京 100193)

随着月球和火星探测任务的成功实施,中国空间站的投入使用,我国已经迈入了太空探索的快车道。以后将有越来越多的航天员在外太空长期驻留、开展相关科学研究并进行深空探索。航天飞行是人类遇到的最极端的环境条件之一,太空辐射、微重力、狭小空间、振动、隔离和噪音等航天飞行因素会扰动机体内环境稳态,比如可引起肌肉萎缩、骨质减少、免疫功能下降、细胞癌变风险增高、心血管疾病、眼部疾病、行为学改变、贫血和代谢性疾病等[1-9]。未来长期的太空驻留需要全面、深入了解航天飞行因素对机体的影响,以制定个体化的防护措施和确保航天员的在轨飞行安全。

代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后发展起来的一门学科,它致力于研究生物样品或细胞中小分子代谢物水平与机体的病理生理功能之间的关系,结合模式识别方法,可以判断出生物体所处的病理生理状态,并发现与之相关的生物标志物[10]。代谢物为细胞代谢调控网络的终产物,对基因、转录产物或蛋白质的微小扰动最终均会在代谢物中放大,因此代谢物的变化相比基因、转录产物和蛋白质更灵敏。代谢组学研究在重大疾病的早期诊断以及了解环境与机体之间复杂相互作用的机制方面具有重要意义,在航天医学研究中的应用也越来越多[11]。

本文总结了航天飞行(包括真实的航天飞行和基于地面的模拟航天飞行)对机体(包括人体和实验动物模型)影响的代谢组学相关研究,以深入了解航天飞行因素对机体影响的分子机制,了解机体如何适应航天极端环境,为提升航天员在轨飞行中的安全性和工作状态、制定个体化的防护措施提供依据。航天飞行对机体的影响十分广泛且复杂,本文主要关注微重力和辐射对肌肉骨骼肌系统、行为认知功能、免疫功能、心血管系统、肝、胃肠道等影响的代谢组学研究。

1 代谢组学在航天医学研究中的进展

1.1 航天飞行对肌肉骨骼系统影响的代谢组学研究

重力是机体生理生化功能调节的重要信号,可作用于肌肉和骨骼的重力感受器,后者可以刺激骨骼和肌肉的不断生长,以对抗重力的作用。在微重力环境下,肌肉和骨骼的生长停滞,表现出肌肉萎缩和骨质疏松等症状[12-13]。

骨骼肌萎缩是航天飞行中的常见症状,但其发生的精确分子机制仍不明确。可能与氨基酸代谢失衡、胰岛素水平异常、能量代谢障碍有关,如在骨骼肌萎缩过程中发现线粒体能量/燃料代谢异常[14]。

骨骼肌废用、质量和功能下降和氨基酸代谢关系密切。人大腿肌肉横截面积、肌肉质量均与支链氨基酸的代谢密切相关[15-17]。人血清中低水平的支链氨基酸及必需脂肪酸与骨骼肌质量、强度和功能下降密切相关[18]。肌肉质量减少且运动能力下降的女性血浆中支链氨基酸水平显著降低[19]。血浆中低水平的脯氨酸被认为是肌肉质量减少的独立风险因素[20]。

胰岛素在长期太空飞行中对维持肌肉质量也至关重要。在轨航天员体内的胰岛素水平和葡萄糖耐量均发生改变,航天员表现出肌肉萎缩,且更容易罹患肾病、冠状动脉疾病、神经疾病,视网膜疾病[21]。在航天飞行中监测胰岛素分泌水平,采取合理的防护措施,对避免或减轻航天飞行造成的肌肉萎缩十分重要。

航天因素导致的肌肉萎缩与骨骼肌葡萄糖氧化代谢以及能量代谢异常有关。人体受试者84 d的卧床休息模拟微重力可损害骨骼肌葡萄糖的有氧代谢,但不影响糖酵解途径[22]。在国际空间站(International Space Station,ISS)驻留4周后,小鼠股四头肌萎缩与其能量代谢障碍有关。ISS驻留可影响其肌节完整性、免疫适应性和氧化应激反应,导致线粒体DNA拷贝数显著减少。能量代谢障碍为航天飞行导致的骨骼肌萎缩和免疫功能下降的重要原因[23]。

微重力导致的骨质疏松和骨愈伤组织细胞凋亡信号被激活,迁移信号被抑制,生长因子招募困难受阻有密切关系。采用基因和代谢组相互作用网络研究在ISS饲养4周后的雄性C57BL/6J小鼠的后肢骨骼组织发现航天飞行可导致小鼠后肢骨愈伤组织细胞凋亡信号被激活,细胞迁移信号被抑制,愈伤组织招募生长因子困难,最终导致骨小梁间距增加,骨连接减少,骨质密度降低[24]。

综上所述,微重力对肌肉骨骼系统的影响主要和氨基酸、能量和葡萄糖氧化代谢障碍、胰岛素水平异常、细胞调节信号异常,生长因子招募困难有关。

1.2 航天因素导致的免疫功能下降的代谢组学研究

长期暴露于微重力对机体免疫系统的影响较大[25]。在微重力条件下,免疫细胞的功能、形态和分化均受到影响[26-31]。

航天因素导致的机体免疫功能下降与其干扰免疫细胞的正常功能、影响脾和肠道中相关代谢物水平、线粒体正常功能及机体营养状态有关。将C57BL/6J小鼠在ISS驻留13 d后,其脾中大部分白细胞亚群数量降低,活性氧活力增强。同时,小鼠肝葡萄糖合成代谢增强,糖酵解代谢降低,全身脂质向肝再分布,肝脂质代谢紊乱,免疫细胞的生理功能从正常状态下的处理抗原转向处理脂质,从而导致免疫功能下降,感染风险增加[32]。将雄性C57BL/6小鼠同时暴露于低剂量太空辐射(γ射线、16O和56Fe)和微重力后,小鼠脾中的嘌呤、葡萄糖、氨基酸和脂肪酸代谢异常[33]。尾吊诱导的模拟微重力大鼠肠道微生物的代谢物和正常对照组差异显著,差异代谢物主要包括木糖、芥子酸、吲哚乙酸和双半乳糖醛酸等,这些代谢物主要参与嘧啶、戊糖和蛋白质代谢,葡萄糖醛酸的相互转化以及支链氨酸代谢。显著差异代谢物的水平与肠道微生物群失调和模拟微重力导致的免疫功能紊乱密切相关[34]。此外,多组学研究发现,免疫功能下降与微重力导致的线粒体功能异常、机体营养状态改变也具有一定相关性[35-36]。

航天因素导致的机体免疫功能下降与其干扰肝的脂质代谢、影响脾和肠道中相关代谢物的水平、线粒体的正常功能及机体的营养状态有关。

1.3 航天飞行导致的精神神经功能紊乱的代谢组学研究

航天飞行中的孤独、狭小空间、噪音、睡眠障碍、生物节律紊乱、震动等会显著干扰航天员的精神、情绪和认知能力,常导致其出现抑郁样行为和认知功能下降等,干扰其在轨作业能力。

暴露于14 d的模拟微重力环境大鼠表现出明显的抑郁样症状。与对照组相比,模拟微重力组大鼠尿液中的柠檬酸、草酰琥珀酸、肌酸、脯氨酸、环腺苷酸、L-二羟基苯丙氨酸、苯乙酰甘氨酸、琥珀酰胆碱、3-羟基马尿酸、谷氨酰胺和5-羟基色氨酸的水平显著降低,黄嘌呤酸、牛磺酸、犬尿酸、羟脯氨酸、5-羟基吲哚乙酸、2-异丙基-3-氧代琥珀酸和肾上腺素水平显著升高[37]。受影响的代谢途径包括色氨酸、精氨酸、脯氨酸和苯丙氨酸等情绪相关的氨基酸代谢以及能量代谢,这些代谢途径的扰动可能和微重力导致的抑郁症有一定关系。

在模拟微重力存在或不存在情况下采用5种离子束照射WAG/Rij大鼠,结果显示,离子照射可加重尾吊造成的空间学习损伤和抑郁样行为。大脑皮质和海马中的嘌呤代谢和氨基酸代谢受到影响[38]。

笔者采用非靶向和靶向代谢组学相结合的研究发现,模拟微重力诱导的大鼠认知功能下降与血浆及海马中和学习记忆密切相关的代谢物如天冬酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和胆碱的代谢异常关系密切[39-40]。

睡眠不足也是航天飞行中的常见问题,也会对认知功能造成影响。笔者发现14 d的睡眠干扰可造成小鼠认知功能的显著下降,在小鼠血清中鉴定到的和睡眠干扰造成的认知功能下降的生物标志物包括胆碱、缬氨酸、尿酸、尿囊酸、肉碱和维甲酸等。受影响的代谢途径包括乙酰胆碱、嘌呤、维甲酸、脂质和氨基酸等[41]。

尾吊诱导的模拟微重力大鼠认知损伤还与其海马组织上调的固醇类激素生物合成、脂肪酸代谢、神经活性配体-受体相互作用、花生四烯酸代谢和维生素消化和吸收关系密切。能量代谢和神经系统相关代谢途径异常是认知损伤的重要原因[42]。

航天飞行导致的行为认知改变与情绪、认知相关的氨基酸以及能量代谢障碍、应激状态及神经系统相关代谢途径失常有关。

1.4 航天飞行导致的肝相关疾病的代谢组学研究

骨骼肌的功能状态和肝代谢关系密切。骨骼肌主要依赖氧化磷酸化过程供能。在航天飞行中,骨骼肌丢失可影响全身多个组织器官的代谢,也会导致肝损伤[35,43]。肌肉减少是与肥胖、炎症和胰岛素抵抗无关的导致肝纤维化的一个独立风险因素[44]。肌减少症患者的非酒精性脂肪肝和肝纤维化的风险大大增加[45]。航天飞行中的肝代谢通量增加可能也与肌肉丢失有一定关系[35]。

有学者研究了在ISS驻留13 d对小鼠肝脂质代谢的影响发现小鼠体重减轻,机体的脂质从全身重新分布到肝,小鼠肝脂质中视黄醇水平降低。代谢物变化提示视黄醇水平降低与肝星状细胞凋亡导致的细胞活化有关,这与胆汁酸水平增加和肝纤维化的早期症状极为相似。视黄醇水平下降与细胞外基质重塑标志物的变化共同导致了长期暴露在太空环境中的肝损伤,这大大增加了非酒精性脂肪肝的风险[46]。

在ISS驻留30 d后,微重力和航空辐射等应激可显著降低小鼠肝中含硫抗氧化物如谷胱甘肽、半胱氨酸、牛磺酸等及其中间体的水平,导致肝的抗氧化应激能力下降,这可能是航天飞行后肝损伤的重要原因[47]。

航天飞行导致的肝相关疾病与骨骼肌丢失、肝脂质代谢异常,以及肝含硫代谢物水平降低导致的肝抗氧化应激能力下降有关。

1.5 航天飞行导致的癌症相关疾病的代谢组学研究

癌症是航天员在太空驻留期间质子和高能带电粒子辐射带来的的重要风险。充分了解和监测辐射引起的代谢变化有助于制定有效的防护对策。

研究发现,雌性C57BL/6小鼠在ISS驻留13 d后,皮肤中和活性氧相关的氨基酸和碳水化合物代谢,细胞信号转导和转甲基途径均发生改变。细胞抗氧化能力下降、活性氧生成增加,组织重塑调节信号增强最终导致代谢稳态改变,这增加了皮肤组织的病理生理损伤及癌变的风险[48]。

一项研究考察了高能质子照射大鼠4 h后其尿液代谢物的变化,发现暴露于质子辐射后,大鼠尿液中的色氨酸等氨基酸代谢异常,三羧酸循环受到严重干扰,β-氧化磷酸化发生障碍,最终导致细胞凋亡和DNA损伤,这是引起癌变的重要风险因素[49]。

航天飞行导致的癌症相关疾病可能与和活性氧水平相关的氨基酸和碳水化合物代谢异常,糖代谢障碍以及氧化磷酸化供能失常导致的细胞凋亡及DNA损失有关。

1.6 航天飞行导致的心血管相关疾病的代谢组学研究

心血管疾病和脂质代谢紊乱密切相关。研究发现,航天特因环境可导致机体脂质代谢全面紊乱[35]。脂质积累和活性氧活性相关蛋白质代谢失衡会导致心血管疾病[50-51]。太空飞行导致的线粒体功能障碍、心血管去适应和太空辐射一起增加了长期航天任务中的心血管疾病风险[52]。

将C57BL/6J小鼠的心室组织暴露于16O 14 d后,参与DNA甲基化的同型半胱氨酸甲基化代谢物无显著变化,但转硫途径在90 d后仍受到辐射影响,胱硫醚水平大幅增加。心肌组织的DNA甲基化过程发生改变是心血管疾病的重要风险因素[53]。

航天飞行导致的心血管相关疾病与脂质代谢异常、机体氧化应激状态失衡,线粒体功能障碍以及DNA甲基化异常有关。

1.7 航天飞行导致的其他疾病或功能异常的代谢组学研究

1.7.1 肠道疾病

研究显示,暴露于γ射线和重离子辐射(56Fe)后雌性C57BL/6J小鼠肠组织中的核苷酸、氨基酸,细胞炎症相关代谢物水平升高,这可能对航天员在太空驻留期间营养素的吸收产生影响,对航天员炎症性肠病的发病有重要意义[54]。

1.7.2 脂肪酸代谢异常

有学者比较了在太空驻留1年对1对同卵双胞胎机体的影响。结果发现,与地面对照受试者相比,太空飞行受试者几乎所有细胞的脂肪酸代谢均增强,同时,其体重下降,端粒延长,基因组不稳定,颈动脉扩张和内膜-中层厚度增加,眼部结构改变,转录和代谢均变化,免疫和氧化应激相关途径中的DNA甲基化改变,胃肠道菌群改变,认知功能下降。大多数指标在6个月后逐渐恢复正常,但也有部分指标发生了永久性改变[11,55]。

2 个体化防护措施

航天飞行不利影响的防护措施主要包括锻炼、加强营养和药物治疗。锻炼可减少骨骼肌萎缩,减少微重力对心血管系统的影响[56],如飞轮阻力锻炼可有效逆转卧床导致的骨骼肌氧化代谢异常[22]。但是,锻炼仍不能完全对抗航天因素导致的肌肉质量减少和骨骼丢失,不能减轻动脉内膜中层厚度增加、心脏营养不良和胰岛素抵抗[52,56]。急性运动可增强胰岛素抵抗人群体内的糖酵解、三羧酸循环和脂肪酸氧化功能[57]。研究在轨航天员的生理功能时发现,在肝中三羧酸循环和脂肪酸代谢增强,但在肌肉中总体表现为减弱,这表明运动不足以抵消航天应激源的影响。此外,在轨航天员运动期间还检测到急性炎症标志物(如IL-6、TNF-α、IL-1-RA和IGF-1)的水平增加,这对航天员降低的免疫功能更加不利[35]。有学者比较研究了正常人体受试者常氧卧床、低氧卧床和低氧步行后的尿液代谢组后发现,行走,保持站立姿势,控制但有限的活动可以明显抑制航天飞行导致的抑郁等症状的出现[58]。

除运动外,摄入足量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、新鲜蔬果,增加植物蛋白、钾、双膦酸盐、维生素、不饱和脂肪酸和益生菌的摄取,减少饱和脂肪酸、钠的摄取对预防航天因素导致的各种不利健康影响也非常重要[59]。

针对航天员的药物干预也是重要的防护手段。因为航天飞行中线粒体功能全面失调,用于线粒体功能障碍的辅酶Q10也被建议作为航天员的营养补充剂[35,60]。动物研究显示维生素K在预防微重力导致的骨丢失方面效果显著,β2受体激动剂克伦特罗有助于缓解尾吊导致的大鼠肌肉萎缩,这二者有希望成为预防微重力导致的肌肉骨骼功能异常的潜在治疗药物[61-62]。

3 总结与展望

代谢组学具有无偏性和系统性的特点,为了解航天因素对机体影响分子机制提供新视角,具有广阔的应用前景。基于代谢组学研究航天因素对机体的影响已经取得了显著成果,已经发现多种代谢物水平失调与航天因素导致的机体功能紊乱密切相关。深入了解暴露于航天因素后机体的代谢变化将有助于制定个体化的防护措施以确保航天员的健康。