載人航天器環(huán)境微生物免培養(yǎng)法檢測技術(shù)研究進展

辛冰牧，王 珩，徐 沖，趙 爽，張 紅，謝 瓊*

(1. 中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094； 2. 深圳綠航星際太空科技研究院，深圳518172)

1 引言

美俄載人航天的經(jīng)驗證明，隨著飛行時間的延長，載人航天器座艙內(nèi)微生物的危害會越來越嚴重[1-3]。 對人體而言，太空中的微生物危害主要是影響乘組健康，作為病原體引起感染、過敏，同時微生物能釋放有害氣體，成為間接的致病源[4-5]；對飛船系統(tǒng)而言，一些生物降解類微生物能夠降解飛船材料、腐蝕儀器儀表，可能影響航天器硬件設(shè)備穩(wěn)定性，致使儀器及系統(tǒng)失靈等[5-6]。隨著各國深空探測計劃的實施，航天器飛行距離越來越遠，飛行時間越來越長，傳統(tǒng)以在軌培養(yǎng)為基礎(chǔ)的微生物檢測技術(shù)凸顯出不足之處，而新的檢測技術(shù)還不成熟，使得航天器環(huán)境微生物監(jiān)測已成為載人航天領(lǐng)域關(guān)注和急需解決的問題。

2 載人航天器環(huán)境微生物監(jiān)測發(fā)展過程

早在20 世紀60 年代，美俄研究者就意識到微生物對載人航天的影響[7]。 微生物作為重要的生物醫(yī)學(xué)問題，對其監(jiān)測始于乘組健康的考慮。從阿波羅計劃開始，微生物的監(jiān)測就納入了飛行任務(wù)，其目的是:①月球污染評估；②通過檢測潛在病原微生物，以早期確認相關(guān)醫(yī)學(xué)問題，采取預(yù)防措施；③從患病乘員身上分離臨床重要微生物，輔助診斷和治療；④收集微生物數(shù)據(jù)，闡明微生物種群對太空環(huán)境的反應(yīng)性及評估其對乘組的影響。 在阿波羅計劃歷次飛行任務(wù)中，微生物監(jiān)測僅限于飛行前和飛行后采樣及地面分析[8-9]。

與阿波羅任務(wù)不同，空間實驗室任務(wù)實現(xiàn)了在軌采樣，包括飛行前、中、后乘組自身微生物和座艙環(huán)境微生物采樣，采集樣品在地面檢測。 即，空間實驗室階段還未實現(xiàn)真正意義上的在軌微生物監(jiān)測[10]。

和平號空間站進行了較細致的微生物檢測，包括空氣(12 個位置)、再生水、空氣冷凝物、表面(內(nèi)飾、儀器等)。 空氣微生物采樣基本每月1次，至少不超過兩月1 次；采樣所需耗材由貨運飛船運送；由乘員在軌采集、培養(yǎng)、計數(shù)，并將結(jié)果在通話時間下傳地面；表面微生物樣本在每次飛行任務(wù)結(jié)束前采樣，樣本帶回地面分析[1]。

國際空間站是迄今為止最大的空間國際試驗平臺，微生物監(jiān)控涉及的場景越來越多，已成為乘員健康保障系統(tǒng)的重要組成部分。 微生物監(jiān)測與控制從飛行任務(wù)上主要包括空間站(長期駐留)、載人運輸飛船、貨運飛船的微生物監(jiān)控；從范圍上主要包括環(huán)境(空氣、儀器表面和水)和人體；從項目上包括細菌、真菌、主要致病菌和原生生物；從時間上包括飛行前、中、后。 國際空間站微生物監(jiān)控，飛行前、中在軌實時監(jiān)測主要進行菌落計數(shù)；飛行前、中留樣還將進行地面深度檢測，包括細菌及真菌分類鑒定[11]。

從阿波羅計劃到國際空間站，在軌微生物檢測項目逐漸增加，在檢測方法上主要采用培養(yǎng)法進行座艙內(nèi)微生物水平計數(shù)評估，深度的微生物種類鑒定則是通過把樣本送回地面得以實現(xiàn)。 為實現(xiàn)在軌實時鑒定，越來越多的非培養(yǎng)技術(shù)逐步在國際空間站這一實驗平臺開展驗證。

3 載人航天器環(huán)境微生物監(jiān)測技術(shù)

3.1 基于培養(yǎng)法的微生物檢測

培養(yǎng)法是國際和國內(nèi)疾控及環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測采用的標準方法，載人航天器進行微生物檢測伊始就采用了此方法，至今仍是國際空間站進行環(huán)境微生物監(jiān)測的常規(guī)方法。

微生物的監(jiān)測依賴于可靠的采樣設(shè)備， 能夠準確定量微生物負荷(細菌、霉菌、酵母和真菌孢子)的測試方法及相應(yīng)的評價標準。 由于受到太空失重及座艙資源的限制，樣本的采集方式和樣本的物理性狀是設(shè)計者不得不考慮的問題，培養(yǎng)法無疑是一種可靠的微生物定量方法。 該方法利用物理方式將樣本采集在固體營養(yǎng)介質(zhì)上，在適宜的溫濕度條件下培養(yǎng)一定時間后，進行計數(shù)和后期的微生物鑒定。

1)空氣微生物采樣。 國際空間站空氣微生物采樣基于撞擊原理，從空氣流中分離氣溶膠粒子并撞擊在固體采樣瓊脂表面，達到捕獲微生物粒子的目的。 采樣器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，噪音低，操作簡單，能夠滿足在軌采樣的需求。 捕獲的微生物粒子附著在固體營養(yǎng)瓊脂平板上，可直接放入培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)。

2)表面微生物采樣。 國際空間站采用了接觸式營養(yǎng)平板，采樣時將采樣面直接覆蓋于采樣平面，就能夠達到捕獲微生物粒子的目的。 國際空間站也采用無菌棉拭子進行表面采樣，但棉拭子采集的樣本需要經(jīng)過含水試劑溶解處理后方能進行培養(yǎng)，因此這種樣品只能帶回地面檢測。 除棉拭子采樣外，日本艙開展了用粘附紙片法進行表面微生物樣本采集的研究[12]。

3)水的微生物采樣。 國際空間站使用了采樣袋、微生物俘獲濾膜、廢水袋等組成的分體式密閉裝置，將微生物粒子捕獲在濾膜上，加注培養(yǎng)介質(zhì)后進行培養(yǎng)計數(shù)。

“無產(chǎn)階級的運動是絕大多數(shù)人的，為絕大多數(shù)人謀利益的獨立的運動”[3]（P411）。中國共產(chǎn)黨自成立之日起，奮斗目標就是為了維護和實現(xiàn)大多數(shù)人的利益。以毛澤東為代表的早期共產(chǎn)黨人，為了中國人民的解放事業(yè)，把自己的畢生精力都獻給了革命事業(yè)，始終與人民保持著密切的聯(lián)系，形成了群眾路線，并在爭取到最大多數(shù)人民群眾支持和擁護的基礎(chǔ)上取得了新民主主義革命的勝利，建立了中華人民共和國，使廣大人民群眾實現(xiàn)了解放。

同時，NASA 對于國際空間站乘員艙內(nèi)以上3類微生物規(guī)定了相應(yīng)的限值標準[13]，為乘員艙環(huán)境微生物控制，保障乘員健康提供依據(jù)。

3.2 基于非培養(yǎng)法的微生物監(jiān)測技術(shù)

依據(jù)國際空間探索協(xié)調(diào)組織(ISECG)發(fā)布的全球探索路線圖[14]，到2030 年，人類將進入火星軌道。 這就意味著人類將飛得更遠，飛得更久。無論是近地軌道飛行，還是深空探測，航天員均有醫(yī)學(xué)問題發(fā)生的風(fēng)險，同時會發(fā)生適應(yīng)太空環(huán)境的生理改變，乘組醫(yī)生需要與地面醫(yī)療相同的、依賴于分子水平的、準確實時的臨床數(shù)據(jù)進行診斷。

近年來，科學(xué)家們在微機電系統(tǒng)(MEMS)、納米技術(shù)和分子生物學(xué)領(lǐng)域取得了無可爭議的進步和突破，使復(fù)雜醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備小型化、簡單化成為可能，以微流控技術(shù)、微機電技術(shù)、納米技術(shù)與分子生物學(xué)相結(jié)合為原理的醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備紛紛登陸太空，為人類實施疾病診斷、尋找新基因、藥物篩選等提供操作平臺，為在軌實時檢測技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

3.2.1 基于磷脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)的微生物檢測

2006 年11 月，基于鱟試劑的芯片實驗室(Lab-On-a-Chip Application Development Portable Test System，LOCAD-PTS)由STS-116 送入國際空間站，在2006 ～2009 年間進行評價試用，開展了對國際空間站表面微生物快速檢測的研究項目，使用儀器為便攜式發(fā)光檢測儀，原理是通過革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、真菌細胞壁存在的特異組份磷脂多糖(內(nèi)毒素)、脂磷壁酸(lipoteichoic acid)、β-1，3-葡聚糖進行定量檢測(圖1)[15]。 該系統(tǒng)分為采樣(Swabbing Unit)、樣品預(yù)處理(Swabbing Kits)、加樣板(Cartridges)和檢測儀(Reader)4 部分組成，采樣器具有采樣、預(yù)處理和加樣功能； 預(yù)處理部分為預(yù)充無內(nèi)毒素水的柱狀模塊，可與采樣器連接，通過采樣器按鈕將樣本混合，后連接加樣吸頭將樣本加注在加樣板上，進行檢測(圖2)[15]。 該系統(tǒng)為手持便攜儀器，優(yōu)點是體積小，重量輕，同時檢測快速，15 min 出結(jié)果。但由于生物活性分子在不同類型微生物中分布差異較大，與培養(yǎng)法在結(jié)果上不對應(yīng)；目前針對該法及國際空間站現(xiàn)行環(huán)境微生物控制要求，項目組已提出了相應(yīng)判斷標準[16]。 在定性方面，該方法無法鑒定到某一屬、種。 目前該方法為試驗項目，由于采樣方法的局限，僅用于表面微生物檢測。

圖1 LOCAD-PTS 檢測原理圖[15]Fig.1 Schematic diagram of LOCAD-PTS test[15]

圖2 LOCAD-PTS 檢測設(shè)備及備件[15]Fig.2 Equipment and accessories of LOCAD-PTS test[15]

3.2.2 基于核酸的微生物檢測

2006 年歐洲航天局微重力應(yīng)用計劃(European Space Agency Microgravity Applications Programme，ESA-MAP)資助SAMPLE 實驗項目，該項目使用定量實時PCR 法(Quantitative real time PCR， Q-PCR)與熒光原位雜交(Fluorescence in Situ Hybridization， FISH)法相結(jié)合，對國際空間站樣本進行檢測，建立了適于空間應(yīng)用的采樣、DNA 分離技術(shù)；并設(shè)計包括人致病菌-金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大腸桿菌、嗜肺軍團菌等在內(nèi)的多個細菌的特異Q-PCR 引物探針[17]。 此外， Vesper 等[18]也使用了Q-PCR 方法對國際空間站樣本進行了產(chǎn)毒青霉菌等真菌的檢測，并指出Q-PCR 技術(shù)的在軌應(yīng)用前景。

2016 年7 月20 日，由英國牛津納米孔技術(shù)公司研制的手持式DNA 測序以MinION 由SpaceX 公司天龍?zhí)柼昭a給飛船運至國際空間站，NASA 航天員Kathleen Rubins 成為第一個進行在軌DNA 測序的人，她對小鼠、大腸桿菌和噬菌體病毒DNA 進行了測序。 目的是證實在太空進行DNA 測序是可行的，進而實現(xiàn)在軌微生物鑒定、檢測太空飛行對微生物和人體的影響及尋找和發(fā)現(xiàn)地外生命的目的。 此次實驗使用地面事先準備好的的DNA 樣本[19]。 與其他非培養(yǎng)法實現(xiàn)在軌檢測的困難相同，核酸法在軌檢測前需要進行DNA 提取、擴增等操作，由于受到失重條件的限制，地面核酸樣本的處理方法無法在太空中直接應(yīng)用。 NASA 開放了一套新型的分子生物學(xué)實驗系統(tǒng)Wetlab-2， 專門設(shè)計用于微重力條件下處理生物樣本，在軌進行實時基因表達分析。 這套系統(tǒng)包括液體RNA 樣本制備模塊、流體傳輸裝置、一體式凍干PCR 分析儀、離心機和實時PCR熱循環(huán)儀(圖3)。 該系統(tǒng)2016 由SpaceX CRS-8貨運飛船送至國籍空間站，在4 ～5 月間開展相應(yīng)研究[20]。 國際空間站開展的基因-3 項目，將樣本處理與MinION 檢測連接，首次完成在軌從樣本到微生物鑒定全過程操作。 但該項目樣本仍來源于平板培養(yǎng)后的菌體樣本[21]。 NASA 項目主管微生物學(xué)家Wallace 博士表示“下一步將在太空完成整個測序過程，不再帶樣本到太空，而是由航天員在太空取樣、預(yù)處理，然后進行基因測序”。

圖3 Wetlab-2 系統(tǒng)操作流程圖[20]Fig. 3 Operational flowchart of Wetlab-2 system[20]

2011 年，由北京理工大學(xué)團隊研制的微流控芯片基因擴增裝置，在神舟八號成功搭載并圓滿完成空間生物實驗研究，實現(xiàn)了中國微流控芯片技術(shù)在太空領(lǐng)域的應(yīng)用。

測序儀不但可以成為快速準確的診斷設(shè)備，同時也是科研的重要研究工具，如直接檢測繞軌飛行中遺傳物質(zhì)表達的變異，而不是返回地面分析后才知道結(jié)果，這將對未來長時間飛行的深空探測發(fā)揮重要作用。

3.2.3 基于ATP 的微生物檢測

早在20 世紀60 年代，ATP 法已用于評估工業(yè)環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量，其原理是使用化學(xué)發(fā)光檢測儀特異檢測微生物細胞內(nèi)的ATP，從而確定微生物總數(shù)。 目前已有市售商品，這類產(chǎn)品體積小、重量輕、操作簡便、檢測快速。 用于表面微生物檢測時，只需用專用棉拭子擦拭采樣區(qū)域，再與含細胞裂解成分的試劑混合數(shù)分鐘即可檢測，整個過程不超過5 min。 在20 世紀80 年代，ATP 法被認為是最便捷、可靠的評估多數(shù)環(huán)境微生物總數(shù)的方法[22]。 La Duc 等[23]使用培養(yǎng)法、ATP 法、Lps 法及DNA 法檢測空間站樣本的比較研究中指出，ATP 法靈敏度高，以ATP 法檢測國際空間站表面微生物樣本，檢測的微生物總數(shù)至少高于培養(yǎng)法2～3 個數(shù)量級；但這也是其缺點所在，因無法增殖的死亡細菌也含有ATP，因此該方法無法區(qū)分死亡和有增殖能力的微生物，這也是其檢測在數(shù)值上明顯高于培養(yǎng)法的原因之一；此外ATP 法只能評估環(huán)境樣本的微生物總數(shù)，無法作分類鑒定。

ATP 法在NASA 目前主要用于行星保護計劃，該方法也列入了MARs 計劃，用于快速檢測外太空的生命體。

3.2.4 基于微流控技術(shù)的微生物檢測

流式細胞儀其靈敏、快速檢測的特性，被認為在某種程度上可以代替熒光顯微鏡。 但地面上所使用的流式細胞儀操作復(fù)雜，有時需要具有專業(yè)技術(shù)的人員完成檢測。

2012 年9 月至2013 年9 月，由加拿大太空局(CSA)資助、來自于加拿大INO 公司基于微流技術(shù)的小型流式細胞儀(Miniaturized flow cytometer)在ISS 開展實驗；該項目旨在評估微流技術(shù)在太空環(huán)境的可應(yīng)用性；該技術(shù)對于進行生理和生物學(xué)研究，實施在軌醫(yī)學(xué)監(jiān)測具有重要價值[24]。

小型流式細胞儀在太空的應(yīng)用前景包括:可以使用少量血液或其他體液樣本，通過快速病毒和細菌鑒定，血球計數(shù)實時檢測診斷感染性疾??；通過檢測血中類胰蛋白酶水平診斷過敏性疾病；通過檢測酶，膽紅素和血細胞計數(shù)評價肝臟功能，判斷肝臟損傷；通過檢測血中輻射相關(guān)生物標記物和染色體變異(核型)判斷輻射暴露損傷；通過尿中血細胞檢測診斷腎結(jié)石；通過快速檢測血中肌鈣蛋白對心肌梗塞進行診斷等。 同時，人體對于太空環(huán)境的生理適應(yīng)性反應(yīng)也可以通過這種具有實時分析能力的設(shè)備得到跟蹤研究。 流式細胞儀支持以下人體生理功能檢測:生理改變包括骨丟失、肌肉萎縮、心血管適應(yīng)性改變及貧血；應(yīng)激水平包括血液中激素水平；免疫功能包括免疫細胞數(shù)量及活化狀態(tài)等。

4 討論

一種既有效又可靠的載人航天器在軌微生物檢測方法，應(yīng)具備以下特點:①滿足失重環(huán)境下使用；②自動化程度高，對航天員的操作需求??；③一次操作能正確定量和區(qū)分多種微生物；④完成檢測依賴的資源少，能耗小。

目前載人航天器所使用的環(huán)境微生物檢測方法主要為培養(yǎng)法。 培養(yǎng)法有準確性高、較直觀、判讀標準較成熟等優(yōu)點，但也有明顯的缺點:①在軌培養(yǎng)有一定的生物學(xué)危險性。 ②需要采樣和培養(yǎng)設(shè)備，占用資源較多。 ③培養(yǎng)需時間較長，判讀結(jié)果有延遲性；依據(jù)國際空間站醫(yī)學(xué)操作需求文件(ISS Medical Operation Requirement Document，MORD)，空氣和表面樣本需在軌培養(yǎng)5 d后進行菌落計數(shù)。 ④只能作總數(shù)監(jiān)測，無法進行分類鑒定；國際空間站在軌微生物檢測中，只有水中腸菌通過將水采集在預(yù)裝了鑒定培養(yǎng)基的分析袋中，經(jīng)培養(yǎng)后顏色變化，鑒定腸菌是否超標，但也無法區(qū)分腸菌類別；俄羅斯SM 艙采用了通過肉眼觀察，對平板培養(yǎng)的菌落進行形態(tài)學(xué)分類的鑒定方式，將細菌分為生孢菌、腸菌、革蘭氏陰性菌等，將真菌分為亮色和暗色兩種，這種方法比較粗略，且需一定背景知識；大量的樣本還是需帶回地面進行分析鑒定。 ⑤培養(yǎng)法可能會低估微生物種群的數(shù)量，因為某些微生物需非培養(yǎng)或特殊培養(yǎng)條件。研究顯示，僅1%的微生物是可培養(yǎng)的。 使用培養(yǎng)法在國際空間站樣本中檢出桿菌屬是主要存在的細菌，但非培養(yǎng)法檢測顯示國際空間站存在大量革蘭氏陰性和陽性菌；同樣，國際空間站未培養(yǎng)得到水中微生物，但DNA 檢測發(fā)現(xiàn)國際空間站水樣中存在大量條件致病菌的核酸序列。

近年來新的檢測技術(shù)不斷涌現(xiàn)，以滿足空間站檢測的實際需求，其中包括基于ATP 微生物檢測方法、基于LPS 微生物檢測方法、基于核酸的檢測方法等，以內(nèi)毒素、葡聚糖、表面抗原、大分子生物標志物等細菌和真菌活性分子為基礎(chǔ)的、非培養(yǎng)、便攜式微生物檢測技術(shù)研究已成為微生物領(lǐng)域的熱點。 這類檢測方法的優(yōu)點包括(表1):①檢測快速，可在幾小時、甚至幾分鐘內(nèi)出結(jié)果，如ATP、LPS 法僅需數(shù)分鐘即可完成檢測，核酸檢測可在數(shù)小時內(nèi)完成檢測；②避免了有活性的微生物增殖，生物危險性低；③自動化程度高。 但也存在以下問題:①樣本的采集、預(yù)處理及檢測過程的失重環(huán)境適應(yīng)性，是其在軌應(yīng)用需要解決的首要的、關(guān)鍵的問題；如基于核酸的檢測技術(shù)雖被普遍看好，但由于其樣本處理涉及液體操作界面，在前面提到的項目絕大多數(shù)尚處在地面研究或在軌驗證階段，未實現(xiàn)在軌應(yīng)用。 ②以內(nèi)毒素、葡聚糖、表面抗原、ATP 等生物標志物為靶點的檢測方法，由于生物活性分子在不同類型微生物中分布差異較大，在定量上很難與實際菌落數(shù)形成一對一，或相應(yīng)的比例關(guān)系，其判讀標準的制定，即載人飛行器環(huán)境微生物衛(wèi)生學(xué)標準的制定也是需要解決的關(guān)鍵問題，該問題解決最好的是基于LPS 檢測的LOCAD-PTS 項目。 ③以ATP、DNA 等方法檢測，無法區(qū)分死亡和有增殖能力的微生物，這會給座艙微生物的危害評估帶來困難，在環(huán)境微生物數(shù)量評估方面還無法取代培養(yǎng)法。

表1 環(huán)境微生物檢測方法比較Table 1 Comparison of detection methods for environmental microbes

5 結(jié)論

1)以非培養(yǎng)法為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)和便攜式微生物檢測設(shè)備研究很具有發(fā)展前景，但目前技術(shù)上尚不成熟，實現(xiàn)在軌應(yīng)用還有距離；在計數(shù)評價座艙環(huán)境微生物負荷方面，尚無法取代培養(yǎng)法，應(yīng)用中可考慮與培養(yǎng)法的結(jié)合使用，以達到在軌檢測微生物的準確性、全面性。

2)載人航天器微生物檢測技術(shù)隨著載人航天事業(yè)的發(fā)展不斷進步，正在從對座艙環(huán)境微生物單純在軌計數(shù)評價，逐步實現(xiàn)計數(shù)與微生物鑒定相結(jié)合的綜合評價，這將為未來深空探測乘員感染性疾病診斷，對空間微生物生物學(xué)特性變化開展實時研究及地外原位生命發(fā)現(xiàn)與行星保護提供技術(shù)支持。