空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌生物學(xué)特性的影響綜述

白 珀，劉長(zhǎng)庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

國(guó)外對(duì)微生物在空間艙內(nèi)環(huán)境下繁殖、代謝、異常變異等進(jìn)行了長(zhǎng)期且廣泛的研究[1]。近年來隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了該領(lǐng)域的探索及研究，如常德等[2-3]發(fā)現(xiàn)神舟八號(hào)飛船搭載的屎腸球菌基因重組介導(dǎo)蛋白dprA發(fā)生突變以及屎腸球菌LCT-EF18出現(xiàn)與代謝相關(guān)的多種蛋白差異表達(dá)。空間艙內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，具有微重力等各種環(huán)境因素。在載人航天活動(dòng)中，一些正常定植的細(xì)菌會(huì)隨著航天員或航空部件進(jìn)入太空艙，并在太空艙內(nèi)形成微生物群。以上這些因素會(huì)對(duì)空間艙內(nèi)駐留人員及空間站攜帶細(xì)菌的生物學(xué)性狀及致病性產(chǎn)生影響[4]。而突變微生物返回地面后也可能會(huì)對(duì)我們所生活的環(huán)境造成一定的影響。因此空間飛行對(duì)細(xì)菌毒力、傳染性及耐藥性等生物學(xué)特性方面影響的研究對(duì)于我國(guó)載人航天事業(yè)顯得尤為重要。葡萄球菌屬(staphylococcus)是自然界最為常見的一類革蘭陽性球菌，根據(jù)生化特性和生產(chǎn)色素的不同分為金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和腐生葡萄球菌。葡萄球菌是人類正常定植菌，它們廣泛定植于人體皮膚和黏膜，有報(bào)道稱約20%的健康人群鼻黏膜定植有金黃色葡萄球菌[5]。同時(shí)作為條件致病菌，葡萄球菌又是化膿性疾病及敗血癥最常見的致病菌，其中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA)具有極高的耐藥性和極強(qiáng)的致病力，已經(jīng)成為院內(nèi)感染的重要致病菌[6-7]。對(duì)于航天員，葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌具有潛在威脅，因此空間飛行中葡萄球菌各項(xiàng)生物學(xué)指標(biāo)變化是一項(xiàng)非常重要的研究課題。

1空間艙內(nèi)環(huán)境下葡萄球菌的分布

與地面環(huán)境不同，空間飛行中多種因素會(huì)對(duì)細(xì)菌的各項(xiàng)生物學(xué)特征產(chǎn)生影響，其中微重力是最有影響力的因素[8-9]。航天器內(nèi)的特殊封閉環(huán)境也導(dǎo)致了細(xì)菌流行病學(xué)分布發(fā)生很大的變化。Noviko[10]發(fā)現(xiàn)葡萄球菌是和平號(hào)空間站分離出的數(shù)量最為龐大的細(xì)菌。盡管航天器在發(fā)射前會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格消毒，但隨著人類的進(jìn)入，微生物迅速出現(xiàn)定植。有研究證實(shí)這些菌株幾乎全部來自于航天員所攜帶進(jìn)入太空艙的皮膚、黏膜定植菌[11]。由于微重力的原因，上呼吸道葡萄球菌菌群數(shù)量有所減少，但是條件致病菌的比例卻明顯增加；封閉的環(huán)境也導(dǎo)致了航天員之間交叉定植更為普遍[12]?？谇粍t是另一個(gè)與地面完全不同的葡萄球菌來源途徑，葡萄球菌引起的牙周炎對(duì)航天員的健康造成不利影響有所報(bào)道。葡萄球菌通過飛沫、接觸進(jìn)行傳播并定植在航天器設(shè)備上，其中真空干燥器和高效微粒空氣過濾器(HEPA)最為常見[13]。Reidt等[14]對(duì)國(guó)際空間站(ISS)俄羅斯部分航天器表面菌群的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄球菌屬細(xì)菌更傾向于首先定植于阻燃芳綸纖維等高分子材料。這就意味著航天員的皮膚是早期葡萄球菌污染和傳播的主要來源，并且這些污染微生物可以在嚴(yán)格的消毒過程中頑強(qiáng)地存活下來。此后這些定植菌可以與下一批宇航員進(jìn)行交叉?zhèn)魅荆瑥亩纬梢粋€(gè)小的微生物菌落圈。隨著時(shí)間推移，微生物污染的程度和復(fù)雜性將會(huì)提高，雖然目前還沒有針對(duì)這些復(fù)雜微生物群落對(duì)航天員是否會(huì)造成不利影響的具體研究，但是這種潛在的危險(xiǎn)必須引起重視。

2空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌生物學(xué)特性的影響

2.1 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌生長(zhǎng)及形態(tài)學(xué)的影響 葡萄球菌在微重力影響下的生理變化并不顯著。Taylor和Rosado等[15-17]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力條件下對(duì)MRSA進(jìn)行培養(yǎng)，24 h后在微重力條件下的菌株生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)變化很小，同時(shí)通過掃描電鏡和透射電鏡觀察到的金黃色葡萄球菌細(xì)胞形態(tài)無明顯變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在微重力條件下生長(zhǎng)的金黃色葡萄球菌可能對(duì)環(huán)境壓力不產(chǎn)生反應(yīng)。關(guān)于微重力影響的累積數(shù)據(jù)表明，葡萄球菌顯示的生物膜/定植表型表達(dá)也有所降低。說明短時(shí)期的空間飛行對(duì)葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌形態(tài)和生長(zhǎng)的影響有限。但是也有研究發(fā)現(xiàn)在沒有抗生素存在的情況下，空間飛行中生長(zhǎng)的葡萄球菌細(xì)胞壁增厚，這種細(xì)菌形態(tài)的變化與地面上生長(zhǎng)的耐萬古霉素金黃色葡萄球菌和在多酚中生長(zhǎng)的MRSA非常相似。

2.2 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌耐藥性的影響封閉、失重的空間艙內(nèi)環(huán)境會(huì)引起人體免疫抑制。因此作為機(jī)會(huì)致病菌的葡萄球菌對(duì)航天員會(huì)產(chǎn)生潛在威脅，并且這種威脅會(huì)隨著空間作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)而加大[18]?？臻g艙內(nèi)環(huán)境會(huì)造成葡萄球的不定向突變，從而進(jìn)一步增加了這種威脅的不確定性。已有研究表明，在國(guó)際空間站上的葡萄球菌中發(fā)現(xiàn)了與地面原生菌相同的ermC、tetK、catpIP501、catLM和catpC194等耐藥基因，這些基因由質(zhì)粒攜帶，參與編碼大環(huán)內(nèi)酯、四環(huán)素和氯霉素的耐藥蛋白[19]。但與地面菌株不同的是，空間艙內(nèi)環(huán)境里的葡萄球菌中基因ermD和ermG也有了明顯的表達(dá)。ErmD基因以往只在桿菌屬中發(fā)現(xiàn)過[20]，而基因ermG雖然在地面葡萄球菌中發(fā)現(xiàn)，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空間環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的數(shù)量[21-22]。Tixador等[23]通過對(duì)航天員的共生菌叢中分離出的金黃色葡萄球菌研究發(fā)現(xiàn)，與地面對(duì)照相比，苯唑西林、紅霉素和氯霉素對(duì)金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度有所增加。空間艙內(nèi)環(huán)境下葡萄球菌中數(shù)量最為龐大的表皮葡萄球菌也有類似的變化[13]。Fajardo-Cavazos和Nicholson[24]將表皮葡萄球菌按照空間飛行、地面和模擬微重力分為3組，其中空間飛行時(shí)間為122 h?？臻g飛行組中編碼利福平耐藥蛋白的rpoB基因突變頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面組和模擬重力組。但是模擬微重力組中突變的頻率基本與地面組相同，這提示了表皮葡萄球菌的耐藥突變或許是空間多因素共同作用導(dǎo)致。需要指出的是，葡萄球菌耐藥的變化并非都是一致的。謝瓊等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，微生物經(jīng)搭載后的耐藥性遺傳指標(biāo)基本穩(wěn)定，如MRSA對(duì)頭孢他啶等35種抗生素的耐藥性沒有變化。而Rosado等[26]也發(fā)現(xiàn)模擬微重力條件下生長(zhǎng)的金黃色葡萄球菌與對(duì)照組相比抗生素敏感性無明顯變化。

2.3 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌毒力的影響Hammond等[8]利用秀麗隱桿線蟲作為宿主對(duì)空間艙內(nèi)飛行后MRSA的毒力進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)MRSA地面組(幼年線蟲宿主)培養(yǎng)基的OD620是0.378±0.023，而空間飛行組則是0.303±0.039，為地面對(duì)照組的80%左右；地面組(成年線蟲宿主)OD620是0.479±0.023，而空間飛行組為0.333±0.065，為地面對(duì)照組的69%左右；這兩組數(shù)據(jù)均提示空間飛行后MRSA的繁殖能力有所降低，這種變化也從側(cè)面說明了空間飛行削弱了MRSA的毒力。Taylor和Rosado等[15-17]研究了模擬微重力對(duì)MRSA毒力的影響。在24 h培養(yǎng)期內(nèi)，3株臨床分離出的MRSA菌株產(chǎn)生了一種與金黃色葡萄球菌毒力相關(guān)的類胡蘿卜素色素的三萜類化合物，但是產(chǎn)量與正常重力細(xì)菌相比減少了7% ～ 20%[27]。同時(shí)總蛋白分泌量以及細(xì)胞外α、β、γ和δ溶血素較普通重力組也有明顯減少。3個(gè)菌株中都觀察到了vraX的急劇下調(diào)。VraX是一種編碼致密多肽(55氨基酸)的基因，含有一個(gè)假定的磷酸化位點(diǎn)，能夠參與細(xì)胞內(nèi)的調(diào)節(jié)過程并在細(xì)胞壁活性抗生素和其他表面相互作用分子的應(yīng)激反應(yīng)中顯著上調(diào)[28-29]。VraX下調(diào)以及微重力影響的累積數(shù)據(jù)表明，金黃色葡萄球菌的生物膜/定植表型毒力特性會(huì)在微重力作用下明顯降低。Rosado等[26]還發(fā)現(xiàn)在微重力作用下金黃色葡萄球菌溶血素及葡萄金黃色素(Staphyloxanthin)表達(dá)減少；通過基因芯片分析表明，hla(編碼α溶素)基因和saeR/saeS調(diào)節(jié)系統(tǒng)表達(dá)下調(diào)。Castro等[30]也證實(shí)了MRSA在低切力條件下生長(zhǎng)時(shí)，顯示出生長(zhǎng)較慢和毒性被抑制的特征，包括對(duì)于氧化應(yīng)激的易感性增加和全血存活率降低。

3空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對(duì)葡萄球菌基因表達(dá)的影響

郭軍等[31]對(duì)在空間飛行和模擬微重力條件下生長(zhǎng)的MRSA基因表達(dá)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，空間飛行組、模擬微重力組以及地面組顯示了幾乎相同的突變頻率。3種菌株共發(fā)現(xiàn)39個(gè)菌株特異性的序列結(jié)構(gòu)變異，這些變異并不是隨機(jī)分布在全基因組，而是顯示了一些聚集的現(xiàn)象。其中23個(gè)序列結(jié)構(gòu)變異分布在基因間區(qū)，而這個(gè)基因間區(qū)僅覆蓋了17%的基因組。16個(gè)序列結(jié)構(gòu)變異分布在9個(gè)基因的蛋白編碼區(qū)，其中推測(cè)編碼轉(zhuǎn)座酶的F4L001784基因擁有5個(gè)序列結(jié)構(gòu)變異，而其他擁有變異的基因分別編碼DNA甲基化酶和Mul連接酶。以上這些均提示這些突變可能在錯(cuò)配修復(fù)、DNA復(fù)制調(diào)速和細(xì)胞壁肽聚糖合成方面起著重要的作用。值得注意的是，空間飛行條件下的空間飛行組菌株中有9種序列結(jié)構(gòu)變異，而其他兩組都沒有這種變化，而且獨(dú)特的序列結(jié)構(gòu)變異數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于另外兩組(模擬微重力5組、地面4組)。在空間飛行組中發(fā)現(xiàn)了9個(gè)潛在的基因缺失區(qū)域(DRs)和2個(gè)潛在的插入?yún)^(qū)域(IRs)。其中DR1(F4GL000753)和DR4(未命名)是空間組獨(dú)有，而DR6(未命名)和DR9(F4GL002699)是空間組和地面模擬組共同擁有，但是這4組DR所包含的基因功能尚屬未知。此外還發(fā)現(xiàn)了可能是重復(fù)序列導(dǎo)致的F4GL002038和F4GL002044這兩組IRs。通過上述研究發(fā)現(xiàn)、空間飛行組比其他菌株更為脆弱。而編碼耐藥性及毒力基因在空間飛行組均未發(fā)現(xiàn)有異于其他兩組的獨(dú)特突變。

4結(jié)語

空間飛行對(duì)葡萄球菌影響的研究相對(duì)較少，因?yàn)樵诙唐诳臻g飛行中，葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌的變異較少，而毒力方面甚至有所下調(diào)，因此有學(xué)者認(rèn)為葡萄球菌在短期空間飛行中的潛在致病性并不大，更多的是與航天員成為一種共生關(guān)系。然而作為條件致病菌，金黃色葡萄球菌導(dǎo)致的感染和敗血癥即使在醫(yī)療條件完備的地面環(huán)境中都是難以輕易治愈的疾病，一旦在空間艙內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)類似病例，將是一場(chǎng)災(zāi)難。因此，在空間艙內(nèi)環(huán)境下我們不應(yīng)該對(duì)任何一種有潛在致病性的細(xì)菌掉以輕心。而短期的人-菌共生關(guān)系會(huì)對(duì)人體造成什么樣的影響以及長(zhǎng)期空間飛行后葡萄球菌生物學(xué)特性會(huì)有什么變化都是未來值得研究和探索的領(lǐng)域。