基于空間微生物變異規(guī)律探索重要感染疾病防控新策略研究

劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

專家論壇

基于空間微生物變異規(guī)律探索重要感染疾病防控新策略研究

劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

由病原微生物引起的感染性疾病是人類健康的重大威脅，我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展為空間生物醫(yī)學研究帶來了新的機遇。本文將介紹通過整合空間醫(yī)學、微生物學和生物信息學等學科的綜合交叉手段，研究微生物在空間環(huán)境的變異規(guī)律，從而探索重要感染疾病防控新策略。

空間環(huán)境；微生物；變異規(guī)律；感染性疾病防控

感染性疾病目前在全世界范圍內(nèi)是公共衛(wèi)生所面臨的主要威脅和挑戰(zhàn)[1-4]。迄今，各種病原微生物引起的感染性疾病是人類最為常見和多發(fā)的疾病，對人類健康和生命安全構成了嚴重威脅；在載人航天活動中，一些正常定植的細菌會隨著航天員或航空部件進入太空，并在太空艙內(nèi)形成微生物群區(qū)?？臻g環(huán)境中微重力、極度溫差和粒子輻射等因素可誘導病原菌致病力和耐藥性發(fā)生變化，不僅威脅航天員健康，而且嚴重威脅航天器安全。因此，控制微生物感染是載人航天必須解決的重要問題。另一方面，載人航天為空間生物醫(yī)學研究提供了一個千載難逢的平臺，如何利用空間環(huán)境探索病原菌變異和致病規(guī)律，為地面感染性疾病的防控提供前瞻性的研究，也是空間生命科學研究中的重大課題。本文獲得國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)支持，將從該領域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、微生物在空間環(huán)境下變異規(guī)律研究的意義、內(nèi)容和目標等幾個方面加以評述。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

自20世紀60年代，少數(shù)國家開展了航天研究，一些正常定植的細菌會隨著航天員或航空部件進入太空，我們在神舟系列飛船采集了30多種微生物，并在太空艙內(nèi)形成微生物群區(qū)。自“和平”號空間站升空15年來，該空間站內(nèi)生長了234種細菌[5]。一些機會性致病菌，如大腸埃希菌、肺炎克雷伯菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和腸球菌等，都在航天員身上或空間站中被檢出。因此載人航天事業(yè)對航天醫(yī)學與保障提出了重大挑戰(zhàn)。

載人航天活動中，人體多個器官生理功能會受到影響。例如，空間駐留人員的免疫系統(tǒng)功能下降，容易受到病原菌的感染[6]。此外，空間環(huán)境具有地面環(huán)境中所不存在的一些特殊環(huán)境因素，包括微重力、高真空、極度溫差、弱磁場和粒子輻射等，這些因素可通過誘導微生物產(chǎn)生基因突變和調控網(wǎng)絡的變化，進而影響微生物的生物學性狀和功能。微重力環(huán)境可影響細菌的耐藥性。通過對“禮炮7”空間站上法國航天員Chrien的共生菌叢中分離出的金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌的研究發(fā)現(xiàn)，與地面對照菌相比，空間站來源的大腸埃希菌對多黏菌素E和卡那霉素的最低抑菌濃度顯著增加(從4 mg/L到＞16 mg/L)，空間站來源的金黃色葡萄球菌對苯唑西林、紅霉素和氯霉素的最低抑菌濃度也有一定的增加[5]。但并非所有細菌在微重力條件下對抗生素敏感性變化都是一致的，有研究發(fā)現(xiàn)鮑曼不動桿菌在低剪切力模擬微重力的環(huán)境中對多種抗生素的最低抑菌濃度沒有明顯的升高?？臻g環(huán)境和微重力環(huán)境還可影響細菌的致病性?？臻g站上最大的微生物庫是航天員呼吸道和腸內(nèi)的常駐菌群，既往研究關于微重力對細菌致病性的影響多集中在沙門菌和大腸埃希菌。將暴露于模擬微重力環(huán)境的沙門菌感染小鼠，其感染后6 d的生存率與對照組相比明顯降低，在感染后第10天，實驗組生存率僅為20%，而對照組為60%[6]。另外一項研究利用小鼠尾懸吊的方法模擬微重力狀態(tài)，并將暴露于模擬微重力環(huán)境的鼠傷寒沙門菌以1×107CFU/ml的濃度經(jīng)口灌注，第3天的死亡率由60%升至100%[7]。2006年在亞特蘭蒂斯號航天器進行的空間實驗發(fā)現(xiàn)，用航天器搭載的沙門菌感染小鼠，實驗組較地面對照組相比，小鼠的死亡時間提前，死亡率增高，半數(shù)致死劑量(LD50)降低，這一結論與既往地面模擬實驗一致，為空間站加強有害微生物的監(jiān)控提供了科學依據(jù)[8]。

我們課題組長期從事臨床醫(yī)學、微生物學和空間微生物學研究，利用神舟系列飛船搭載了一批病原微生物及神舟系列飛船微生物采樣，經(jīng)過多年的潛心研究，深入分析了微生物的表型改變，并借助現(xiàn)代高通量技術手段，如基因組學、轉錄組學、蛋白質組學及系統(tǒng)生物學的技術方法，探索并揭示了經(jīng)過空間搭載的微生物在毒力、耐藥性和適應性代謝方面的變化。如通過細菌溶血實驗對比，發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌的毒力發(fā)生了明顯增強；通過耐藥性實驗，發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌、肺炎克雷伯菌、屎腸球菌、蠟狀芽孢桿菌對于多種抗生素耐藥；通過對于空間細菌代謝生化譜的研究，發(fā)現(xiàn)所有細菌的生化代謝譜均發(fā)生了明顯的變化。在2013年6月11 - 26日的神舟十號飛船上，我們再次搭載了微生物樣品，目前投入幾十人的團隊進行臨床常見耐藥菌、生物工程菌和具有腐蝕特性的微生物的生物學特性分析[9-14]。

2 微生物在空間環(huán)境下變異規(guī)律研究的意義

空間環(huán)境有助于發(fā)現(xiàn)一些微生物在地面條件下難于觀測到的現(xiàn)象。開展微生物在空間環(huán)境下變異規(guī)律的研究，一方面有利于我國感染性疾病防控研究，同時將大大促進病原菌致病與耐藥機制研究，并具有廣闊的臨床轉化前景。以往研究表明，空間環(huán)境誘導后病原菌產(chǎn)生的某些變化同其在地面的變化規(guī)律部分類似。如細菌暴露于空間環(huán)境一段時間后，其侵襲力增強并伴隨一些調控因子如Hfq的表達發(fā)生改變；而這一現(xiàn)象在地面實驗中也得到了驗證。目前對該基因作為新藥物靶點的深入研究正在進行。另外，一些在地面條件下難以取得突破的研究，在空間特殊環(huán)境的誘導下可以發(fā)生放大效應。開展空間環(huán)境對病原菌耐藥性和致病性作用規(guī)律的研究，將有助于更明確、更細致地認識細菌毒力進化和耐藥性產(chǎn)生的分子機制，為發(fā)掘臨床常見病原菌診治的新策略提供新思路，具有廣闊的臨床轉化應用前景。另一方面，有利于空間微生物學與系統(tǒng)生物學的交叉整合，促進微生物科學技術的進步。系統(tǒng)生物學是近年來蓬勃發(fā)展的一種全新的生物學科?？臻g微生物學是隨著航天技術的進步而出現(xiàn)的一門新興學科，微生物體積小，培養(yǎng)條件簡單，相對于高等生物更易變異，是空間生物學研究的較好材料，通過空間環(huán)境誘變微生物，在一定程度上豐富了微生物的菌種資源，結合最新的系統(tǒng)生物信息分析，有利于微生物科學技術的發(fā)展。

3 探索微生物的空間變異規(guī)律和感染防控新策略

3.1 空間環(huán)境對常見病原菌的作用效應和機制，以空間搭載的常見致病菌為研究對象，研究空間環(huán)境對病原菌的作用，特別是對其生物學性狀、生化代謝、耐藥性和侵襲力等方面的影響；進一步采用基因組學方法，利用高通量測序技術和生物信息學建模等手段，針對空間環(huán)境因素對微生物基因組遺傳和表觀遺傳學可能產(chǎn)生的影響，系統(tǒng)全面研究空間環(huán)境對細菌編碼mRNA、非編碼RNA(ncRNA)、染色體相互作用和基因表達組高級構象的影響，揭示空間環(huán)境誘導微生物遺傳改變的生物學意義，認識基因組遺傳和表觀遺傳學效應的基本規(guī)律及其生物學效應特別是對微生物致病性、毒力等的潛在影響。同時結合地面模擬微重力和溫度變化等條件對比分析導致細菌太空變化的確切環(huán)境因素；綜合運用生物信息學和數(shù)學建模等手段全面分析探討空間環(huán)境對病原菌作用的機制。

3.2 探索病原菌感染防治和保障航天員健康 根據(jù)不同細菌的特性，采用合適的細胞和動物模型進行菌株接種或感染實驗，考察這些生物學性狀的改變對于航天員空間活動或返回地球可能產(chǎn)生的影響，進行初步的生物安全性評估。主要包括：觀察搭載返回的常見病原菌樣品主要毒力因子(如溶血素、磷脂酶C、外毒素、脂多糖、黏附素和莢膜多糖等)的活性變化；建立空間環(huán)境誘變的不同病原菌變異株的細胞模型和小鼠感染模型，通過動物實驗研究空間環(huán)境誘變的細菌變異株的致病性變化；利用基因打靶技術通過基因敲除或過表達等方法驗證致病性變化表型和毒力基因突變間的關系；建立小鼠呼吸道感染和腹腔感染模型，研究病原菌移位到其他組織器官感染的表現(xiàn)和規(guī)律；結合現(xiàn)有的細菌防治措施，提出對太空環(huán)境因素產(chǎn)生的性狀改變菌株可能采取的應對策略，尋找新的診斷和治療靶標。

4 基于空間微生物變異規(guī)律探索感染防控新策略

針對“保障航天員健康和預防人類重大感染性疾病”的國家重大需求，著眼于以空間環(huán)境對病原菌的作用效應和機制研究為主線，全面檢測病原菌空間環(huán)境改變的現(xiàn)象并明確其變化規(guī)律，特別是病原菌耐藥性和致病性改變的分子機制，深入闡明病原菌是如何感知空間環(huán)境以及在空間環(huán)境中變化的分子機制，同時基于空間微生物學研究平臺探索抗感染新靶標及臨床診治新策略。形成一支整合空間生物學、生物信息學、基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、微生物學和分子生物學等不同學科領域的交叉研究團隊；使我國在空間微生物學領域的研究水平進入國際先進行列，為保障航天員健康和預防人類重大感染性疾病提供技術支撐和理論基礎。

具體目標：1)闡明空間環(huán)境對病原菌的作用效應和機制，開展空間環(huán)境對病原菌的作用和機制研究，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境因素所致細菌遺傳變異及其規(guī)律性，特別是空間環(huán)境對病原菌致病性和耐藥性的影響及其分子機制，發(fā)現(xiàn)病原菌如何變化和適應空間環(huán)境的分子機制。2)探索人類感染病原菌的防治和保障航天員健康的新策略：建立空間生命科學搭載研究、微生物分離、微生物生物學表型鑒定、基因組、轉錄組、蛋白質組平臺，及其二維或三維貫穿組研究等平臺，篩選關鍵的候選基因和靶點，結合現(xiàn)有的病原菌防治措施，提出對太空環(huán)境因素產(chǎn)生性狀改變菌株可能采取的應對策略，尋找新的診斷和治療靶標設計策略。3)建立和完善我國空間微生物學的研究平臺，而且培養(yǎng)一支有志于空間生命科學和醫(yī)學微生物學學科交叉領域研究的人才隊伍，促進空間微生物學學科在我國的發(fā)展。

5 結語

利用地面模擬太空環(huán)境來研究空間環(huán)境對細菌的影響已取得一些成果，由于真實的空間環(huán)境很難實現(xiàn)，經(jīng)過空間搭載的細菌資源有限，真實的太空環(huán)境對常見細菌影響的研究很少，尤其是空間環(huán)境因素誘導病原菌表型變化的分子機制研究。如何利用空間環(huán)境探索病原菌變異和致病規(guī)律則是空間生命科學研究中的重大課題，而有效保障空間駐留人員的健康更是國家重大戰(zhàn)略需求。借助我國神舟系列飛船搭載的契機，回答空間環(huán)境因素誘導病原菌發(fā)生什么樣的表型變化以及其分子機制，尤其是耐藥性和致病性的變化及其分子機制；空間環(huán)境誘變病原菌對模擬微重力實驗動物的致病性產(chǎn)生的影響，以及如何利用空間微生物學研究平臺探索抗感染新靶標及臨床診治新策略，目前國內(nèi)外在這一系列方面的研究尚處于起步階段，而通過空間微生物研究促進人類感染性疾病的預防和控制更屬空白?？傊瑥膰抑卮笮枨蟪霭l(fā)，以病原菌在空間環(huán)境下的變異規(guī)律為主線，深入研究“空間環(huán)境對病原菌耐藥性和致病力的影響及其分子基礎”以及“基于空間微生物變異規(guī)律的難治性感染防控新策略探索”的科學問題，為保障人類和航天員健康及航天設備安全運行奠定基礎。

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New strategies for prevention and control of major infection diseases based on variation of microbes under space environment

LIU Chang-ting
Department of Respiratory Disease in South Building, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Infectious diseases are major threats to human health, however, the development of China's aerospace industry has brought new opportunities to biomedical research. Basic research of exploring new strategies for prevention and control of major infection diseases based on variation of microbes under space environment through the integration of multiple disciplines such as space medicine, microbiology and bioinformatics will be introduced in this article.

space environment; microbial; rules of variation; prevent and control of infection disease

R 85

A

2095-5227(2014)10-0981-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.10.001

時間：2014-05-07 16:04

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140507.1604.001.html

2013-12-17

國家“973”重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(2014CB744400)；全軍醫(yī)學科研“十二五”課題重點項目(BWS12J046)；武器預研重點基金項目(9140A26040312JB10078)；載人航天領域項目(040203) Supported by National “973” Program for Basic Research of China(2014C B744400); Military Special-Purpose "12th Five-Year" Program(BWS12J 046)

劉長庭，男，主任醫(yī)師，教授，博士生導師。Email: ch angtingliu@sohu.com

The first author: LIU Chang-ting. Email: changtingliu@sohu.com