利用空間環(huán)境服務(wù)于人類健康

劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

隨著我國航天事業(yè)的迅速發(fā)展，空間環(huán)境對生物影響的研究越來越受到重視。利用空間環(huán)境的特殊性來進行生物學(xué)研究，解決某些重大生命科學(xué)問題，造福人類健康，是航天醫(yī)學(xué)研究的課題之一。

1 生物制藥空間研究的意義

綜合利用微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等科學(xué)原理和方法制造的一類用于預(yù)防、治療和診斷的制品。生物藥物原料以天然生物材料為主，包括微生物、細(xì)胞等。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，有目的人工制得的生物原料成為當(dāng)前生物制藥原料的主要來源，如用免疫法制得的動物原料、改變基因結(jié)構(gòu)制得的微生物或其他細(xì)胞原料等。生物藥物的特點是藥理活性高、毒副作用小、營養(yǎng)價值高。生物藥物主要有蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類等，這些物質(zhì)的組成單元為氨基酸、核苷酸、單糖、脂肪酸等。生物藥物的陣營很龐大，發(fā)展也很快。目前全世界的醫(yī)藥制品已有一半是生物合成的，特別是合成分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物時，它不僅比化學(xué)合成法簡便，而且有更高的產(chǎn)量和活性。太空生物制藥是通過航天搭載來實現(xiàn)的，具體說就是利用返回式空間飛行器，將生物制藥菌種或細(xì)胞送入太空，在地面難以模擬的太空環(huán)境下，促進菌種或細(xì)胞的生長和變異，取得地面上無法獲得的誘變效果，并且在返回地面后進行培育、篩選，得到生產(chǎn)性能優(yōu)良的微生物菌種或細(xì)胞。太空中微重力、強輻射、高能粒子、交變磁場等多種獨特的作用環(huán)境，可使生物發(fā)生一些基因變異。利用微生物和動植物細(xì)胞的航天搭載技術(shù)來生產(chǎn)出性狀更好、更多的藥物，已成為航天技術(shù)應(yīng)用于制藥行業(yè)的重要課題。發(fā)達國家近年對太空制藥十分重視，美國已選出20種每克價值140萬~3 000萬美元的藥物，準(zhǔn)備進行空間生產(chǎn)，預(yù)計本世紀(jì)初就將會形成一個600億美元產(chǎn)值的空間制藥業(yè)[1]。利用空間環(huán)境的特殊性，研究生物制劑種子細(xì)胞和菌株的良性突變，可能是提高生物制劑產(chǎn)量和活性的有效途徑。我們通過“神州八號”飛船搭載了一些生物工程菌株，返回地面后立即進行菌株篩選，到目前為止已經(jīng)篩選出5株目的蛋白產(chǎn)量數(shù)倍高于地面菌株的重組人干擾素a1b基因工程菌菌株。

2 細(xì)胞學(xué)空間實驗研究的意義

地面模擬和空間實驗已表明微重力和輻射都可以影響細(xì)胞的基因表達，進而影響細(xì)胞功能。Ward等[2]利用含18 400個基因的芯片對模擬微重力后活化的T淋巴細(xì)胞基因表達分析，其中4%~8%的基因與對照表達有差異。Mangala等[3]用TK6人淋巴細(xì)胞在模擬失重狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)檢測microRNA的表達發(fā)現(xiàn)了7個有明顯差異的microRNA，并用基因芯片技術(shù)和PCR技術(shù)證明了在微重力狀態(tài)下，轉(zhuǎn)錄因子EGR2、ETS1和c-Rel發(fā)生了改變，使表面的CD分子發(fā)生改變，進而導(dǎo)致免疫功能下降。Tian等[4]研究發(fā)現(xiàn)空間飛行能夠調(diào)節(jié)小鼠肺臟細(xì)胞外基質(zhì)，黏附、促纖維化分子，與其相關(guān)的基因發(fā)生了明顯變化，促進了肺間質(zhì)纖維化的發(fā)生。Pardo等[5]對2T3前成骨細(xì)胞10 000個基因表達分析，發(fā)現(xiàn)在微重力刺激下與對照組相比有88個基因明顯下調(diào)，52個基因明顯上調(diào)，其中與骨組織代謝相關(guān)的基因表達差異明顯。Sheyn等[6]對經(jīng)微重力處理的人骨髓間充質(zhì)細(xì)胞的全部基因進行芯片分析發(fā)現(xiàn)，882個基因下調(diào)，505個基因上調(diào)，并經(jīng)GO聚類分析顯示成骨細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞基因表達下降，而脂肪細(xì)胞基因表達上升，這些改變與骨質(zhì)疏松有著密切關(guān)系?？臻g微重力還可以導(dǎo)致一些細(xì)胞自身防御相關(guān)基因的表達發(fā)生改變，進而影響相關(guān)功能蛋白的表達量，例如：血管內(nèi)皮細(xì)胞在微重力的環(huán)境下可以通過下調(diào)PI3K/Akt通路，上調(diào)NF-κB，解聚蛋白F-actin來誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡?？臻g微重力環(huán)境對基因改變的機制可能為：1)空間微重力可以直接或間接作用(如與細(xì)胞膜上的機械受體整合素相互作用或細(xì)胞質(zhì)骨架的重排)，通過影響細(xì)胞骨架系統(tǒng)來影響細(xì)胞的基因表達；2)通過蛋白激酶C介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和肌動蛋白微絲結(jié)構(gòu)這兩個微重力影響細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)重要靶點來影響基因的表達；3)微重力和輻射的協(xié)同作用。

大量空間飛行搭載實驗和地面模擬實驗表明，空間輻射可以影響細(xì)胞基因表達。細(xì)胞對空間輻射首先表現(xiàn)為防御性反應(yīng)，參與細(xì)胞修復(fù)、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞凋亡的基因表達發(fā)生改變，如：修復(fù)相關(guān)基因的改變、p53蛋白的積聚等。Andrea等在模擬空間重離子對乳腺癌細(xì)胞MCF-7的基因表達影響時，發(fā)現(xiàn)一些輻射敏感基因，如CDKN1A(p21/WAF)、GADD45a(GADD45)、GADD45b(MyD118)、RRM2b(p53R2)、BRCA2(FancD1)基因等，在不同的輻射源下基因表達不同，并且在輻射后信號傳導(dǎo)和細(xì)胞修復(fù)的激活并不是相同的。Takahashi等研究發(fā)現(xiàn)即使是低空間輻射也會誘導(dǎo)p53發(fā)生明顯的適應(yīng)性反應(yīng)，即誘導(dǎo)輻射抵抗、抑制凋亡、產(chǎn)生染色體畸變。Baluchamy等研究了暴露于高能質(zhì)子流的肺上皮細(xì)胞通過氧化和抗氧化作用來誘導(dǎo)凋亡相關(guān)基因caspase-3和caspase-8發(fā)生突變，激活細(xì)胞死亡的細(xì)胞凋亡途徑?？臻g輻射對細(xì)胞影響的可能機制：1)在輻射刺激下一些輻射敏感受體被激活，通過下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)影響轉(zhuǎn)錄因子的活化使基因表達發(fā)生改變，主要有3條通路：熱休克蛋白為主的通路，以MAPK為代表的磷酸化通路，p53為中心的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路；2)直接使基因發(fā)生突變，通過結(jié)構(gòu)的改變來影響細(xì)胞基因表達。我們也通過“神州八號”飛船搭載了一些細(xì)胞，目前正在返回后的進一步研究中，以闡明某些疾病發(fā)病機制。

3 微生物空間實驗研究的意義

人類進入太空環(huán)境后，由于受到失重、超重、噪聲、輻射、心理等一系列外界因素改變，機體原有內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)被打破，各系統(tǒng)先后出現(xiàn)不同程度的功能失調(diào)或組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)改變，空間駐留人員免疫系統(tǒng)功能失調(diào)，導(dǎo)致機體易患多種感染性疾病和免疫疾病。研究表明，由于受到失重、超重等特殊因素的影響，在空間站中進行活動的駐留人員易發(fā)生感染、呼吸道和胃腸道疾病，嚴(yán)重時也可能誘發(fā)病毒感染，影響空間駐留人員的健康和工作。Stowe等[7]研究發(fā)現(xiàn)，這些疾病的發(fā)生與太空環(huán)境中免疫系統(tǒng)功能的改變有著直接關(guān)系。已有研究證實，在空間飛行的失重環(huán)境狀態(tài)下，機體的免疫功能受到抑制，其中T淋巴細(xì)胞的免疫功能變化較為明顯，主要體現(xiàn)在增殖減低、細(xì)胞因子分泌量減少和表面標(biāo)志激活表達率降低等方面。另一方面，在微重力環(huán)境下，某些細(xì)菌的毒力和致病性可能會發(fā)生改變，對外界環(huán)境抵抗力增強以及對抗生素的敏感性下降。在空間站中已檢測出包括大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌等多種微生物，這些微生物出現(xiàn)生理生化和遺傳性狀等變異，使一些原本對人體和環(huán)境無害的微生物種群也會在毒力、抗生素敏感性等方面發(fā)生改變。Tixador等[8]通過對航天員的共生菌叢中分離出的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的研究發(fā)現(xiàn)，與地面對照相比，多黏菌素E和卡那霉素對大腸桿菌的最低抑菌濃度顯著增加，苯唑西林、紅霉素和氯霉素對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度也有較少增加。在沒有抗生素存在的情況下，飛行中生長的葡萄球菌壁增厚，這種微生物形態(tài)的變化與地面上生長的耐萬古霉素金黃色葡萄球菌相似。以上兩方面的原因都將增加航天員發(fā)生感染的風(fēng)險，有關(guān)微重力環(huán)境下細(xì)菌致病力以及藥物敏感性變化的研究越來越重要。關(guān)于微重力對細(xì)菌致病力及藥物敏感性的研究仍存在很多亟待解決的問題。我們利用此次神八搭載機會，搭載了肺炎克雷伯氏菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌、沙雷氏菌、蠟狀芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和腸球菌等常見機會致病菌，目前已經(jīng)進行了初步檢測，發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯氏菌搭載突變株出現(xiàn)了明顯溶血改變，較地面對照株溶血增強等現(xiàn)象，我們對這些改變的機理也進行了初步探索。希望為人類抗感染做出一點貢獻。

1 陳秋潮．從太空來的神藥［J］. 上海醫(yī)藥. 1997，（1）：44.

2 Ward NE， Pellis NR， Risin SA， et al. Gene expression alterations in activated human T-cells induced by modeled microgravity［J］. J Cell Biochem， 2006， 99（4）： 1187-1202.

3 Mangala LS， Zhang Y， He Z， et al. Effects of simulated microgravity on expression profile of microRNA in human lymphoblastoid cells［J］ .J Biol Chem， 2011， 286（37）： 32483-32490.

4 Tian J， Pecaut MJ， Slater JM， et al. Spaceflight modulates expression of extracellular matrix， adhesion， and profibrotic molecules in mouse lung［J］. J Appl Physiol， 2010， 108（1）： 162-171.

5 Pardo SJ， Patel MJ， Sykes MC， et al. Simulated microgravity using the Random Positioning Machine inhibits differentiation and alters gene expression profiles of 2T3 preosteoblasts［J］. Am J Physiol Cell Physiol， 2005， 288（6）： C1211-C1221.

6 Sheyn D， Pelled G， Netanely D， et al. The effect of simulated microgravity on human mesenchymal stem cells cultured in an osteogenic differentiation system ： a bioinformatics study［J］.Tissue Eng Part A， 2010， 16（11）： 3403-3412.

7 Stowe RP， Mehta SK， Ferrando AA， et al. Immune responses and latent herpesvirus reactivation in spaceflight［J］. Aviat Space Environ Med， 2001， 72（10）： 884-891.

8 Tixador R， Richoilley G， Gasset G， et al. Study of minimal inhibitory concentration of antibiotics on bacteria cultivated in vitro in space（Cytos 2 experiment）［J］. Aviat Space Environ Med， 1985， 56（8）：748-751.