代謝組學(xué)在航天醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用的研究進(jìn)展

馮利陳穎胡曉茹劉新民

(1.國家開放大學(xué)醫(yī)藥學(xué)院,北京 100039;2.中國中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所,北京 100700;3.中國食品藥品檢定研究院,北京 100050;4.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院&北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所,北京 100193)

隨著月球和火星探測任務(wù)的成功實(shí)施,中國空間站的投入使用,我國已經(jīng)邁入了太空探索的快車道。以后將有越來越多的航天員在外太空長期駐留、開展相關(guān)科學(xué)研究并進(jìn)行深空探索。航天飛行是人類遇到的最極端的環(huán)境條件之一,太空輻射、微重力、狹小空間、振動(dòng)、隔離和噪音等航天飛行因素會擾動(dòng)機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài),比如可引起肌肉萎縮、骨質(zhì)減少、免疫功能下降、細(xì)胞癌變風(fēng)險(xiǎn)增高、心血管疾病、眼部疾病、行為學(xué)改變、貧血和代謝性疾病等[1-9]。未來長期的太空駐留需要全面、深入了解航天飛行因素對機(jī)體的影響,以制定個(gè)體化的防護(hù)措施和確保航天員的在軌飛行安全。

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來的一門學(xué)科,它致力于研究生物樣品或細(xì)胞中小分子代謝物水平與機(jī)體的病理生理功能之間的關(guān)系,結(jié)合模式識別方法,可以判斷出生物體所處的病理生理狀態(tài),并發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的生物標(biāo)志物[10]。代謝物為細(xì)胞代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的終產(chǎn)物,對基因、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物或蛋白質(zhì)的微小擾動(dòng)最終均會在代謝物中放大,因此代謝物的變化相比基因、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和蛋白質(zhì)更靈敏。代謝組學(xué)研究在重大疾病的早期診斷以及了解環(huán)境與機(jī)體之間復(fù)雜相互作用的機(jī)制方面具有重要意義,在航天醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用也越來越多[11]。

本文總結(jié)了航天飛行(包括真實(shí)的航天飛行和基于地面的模擬航天飛行)對機(jī)體(包括人體和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型)影響的代謝組學(xué)相關(guān)研究,以深入了解航天飛行因素對機(jī)體影響的分子機(jī)制,了解機(jī)體如何適應(yīng)航天極端環(huán)境,為提升航天員在軌飛行中的安全性和工作狀態(tài)、制定個(gè)體化的防護(hù)措施提供依據(jù)。航天飛行對機(jī)體的影響十分廣泛且復(fù)雜,本文主要關(guān)注微重力和輻射對肌肉骨骼肌系統(tǒng)、行為認(rèn)知功能、免疫功能、心血管系統(tǒng)、肝、胃腸道等影響的代謝組學(xué)研究。

1 代謝組學(xué)在航天醫(yī)學(xué)研究中的進(jìn)展

1.1 航天飛行對肌肉骨骼系統(tǒng)影響的代謝組學(xué)研究

重力是機(jī)體生理生化功能調(diào)節(jié)的重要信號,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斷生長,以對抗重力的作用。在微重力環(huán)境下,肌肉和骨骼的生長停滯,表現(xiàn)出肌肉萎縮和骨質(zhì)疏松等癥狀[12-13]。

骨骼肌萎縮是航天飛行中的常見癥狀,但其發(fā)生的精確分子機(jī)制仍不明確?？赡芘c氨基酸代謝失衡、胰島素水平異常、能量代謝障礙有關(guān),如在骨骼肌萎縮過程中發(fā)現(xiàn)線粒體能量/燃料代謝異常[14]。

骨骼肌廢用、質(zhì)量和功能下降和氨基酸代謝關(guān)系密切。人大腿肌肉橫截面積、肌肉質(zhì)量均與支鏈氨基酸的代謝密切相關(guān)[15-17]。人血清中低水平的支鏈氨基酸及必需脂肪酸與骨骼肌質(zhì)量、強(qiáng)度和功能下降密切相關(guān)[18]。肌肉質(zhì)量減少且運(yùn)動(dòng)能力下降的女性血漿中支鏈氨基酸水平顯著降低[19]。血漿中低水平的脯氨酸被認(rèn)為是肌肉質(zhì)量減少的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素[20]。

胰島素在長期太空飛行中對維持肌肉質(zhì)量也至關(guān)重要。在軌航天員體內(nèi)的胰島素水平和葡萄糖耐量均發(fā)生改變,航天員表現(xiàn)出肌肉萎縮,且更容易罹患腎病、冠狀動(dòng)脈疾病、神經(jīng)疾病,視網(wǎng)膜疾病[21]。在航天飛行中監(jiān)測胰島素分泌水平,采取合理的防護(hù)措施,對避免或減輕航天飛行造成的肌肉萎縮十分重要。

航天因素導(dǎo)致的肌肉萎縮與骨骼肌葡萄糖氧化代謝以及能量代謝異常有關(guān)。人體受試者84 d的臥床休息模擬微重力可損害骨骼肌葡萄糖的有氧代謝,但不影響糖酵解途徑[22]。在國際空間站(International Space Station,ISS)駐留4周后,小鼠股四頭肌萎縮與其能量代謝障礙有關(guān)。ISS駐留可影響其肌節(jié)完整性、免疫適應(yīng)性和氧化應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致線粒體DNA拷貝數(shù)顯著減少。能量代謝障礙為航天飛行導(dǎo)致的骨骼肌萎縮和免疫功能下降的重要原因[23]。

微重力導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松和骨愈傷組織細(xì)胞凋亡信號被激活,遷移信號被抑制,生長因子招募困難受阻有密切關(guān)系。采用基因和代謝組相互作用網(wǎng)絡(luò)研究在ISS飼養(yǎng)4周后的雄性C57BL/6J小鼠的后肢骨骼組織發(fā)現(xiàn)航天飛行可導(dǎo)致小鼠后肢骨愈傷組織細(xì)胞凋亡信號被激活,細(xì)胞遷移信號被抑制,愈傷組織招募生長因子困難,最終導(dǎo)致骨小梁間距增加,骨連接減少,骨質(zhì)密度降低[24]。

綜上所述,微重力對肌肉骨骼系統(tǒng)的影響主要和氨基酸、能量和葡萄糖氧化代謝障礙、胰島素水平異常、細(xì)胞調(diào)節(jié)信號異常,生長因子招募困難有關(guān)。

1.2 航天因素導(dǎo)致的免疫功能下降的代謝組學(xué)研究

長期暴露于微重力對機(jī)體免疫系統(tǒng)的影響較大[25]。在微重力條件下,免疫細(xì)胞的功能、形態(tài)和分化均受到影響[26-31]。

航天因素導(dǎo)致的機(jī)體免疫功能下降與其干擾免疫細(xì)胞的正常功能、影響脾和腸道中相關(guān)代謝物水平、線粒體正常功能及機(jī)體營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)。將C57BL/6J小鼠在ISS駐留13 d后,其脾中大部分白細(xì)胞亞群數(shù)量降低,活性氧活力增強(qiáng)。同時(shí),小鼠肝葡萄糖合成代謝增強(qiáng),糖酵解代謝降低,全身脂質(zhì)向肝再分布,肝脂質(zhì)代謝紊亂,免疫細(xì)胞的生理功能從正常狀態(tài)下的處理抗原轉(zhuǎn)向處理脂質(zhì),從而導(dǎo)致免疫功能下降,感染風(fēng)險(xiǎn)增加[32]。將雄性C57BL/6小鼠同時(shí)暴露于低劑量太空輻射(γ射線、16O和56Fe)和微重力后,小鼠脾中的嘌呤、葡萄糖、氨基酸和脂肪酸代謝異常[33]。尾吊誘導(dǎo)的模擬微重力大鼠腸道微生物的代謝物和正常對照組差異顯著,差異代謝物主要包括木糖、芥子酸、吲哚乙酸和雙半乳糖醛酸等,這些代謝物主要參與嘧啶、戊糖和蛋白質(zhì)代謝,葡萄糖醛酸的相互轉(zhuǎn)化以及支鏈氨酸代謝。顯著差異代謝物的水平與腸道微生物群失調(diào)和模擬微重力導(dǎo)致的免疫功能紊亂密切相關(guān)[34]。此外,多組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),免疫功能下降與微重力導(dǎo)致的線粒體功能異常、機(jī)體營養(yǎng)狀態(tài)改變也具有一定相關(guān)性[35-36]。

航天因素導(dǎo)致的機(jī)體免疫功能下降與其干擾肝的脂質(zhì)代謝、影響脾和腸道中相關(guān)代謝物的水平、線粒體的正常功能及機(jī)體的營養(yǎng)狀態(tài)有關(guān)。

1.3 航天飛行導(dǎo)致的精神神經(jīng)功能紊亂的代謝組學(xué)研究

航天飛行中的孤獨(dú)、狹小空間、噪音、睡眠障礙、生物節(jié)律紊亂、震動(dòng)等會顯著干擾航天員的精神、情緒和認(rèn)知能力,常導(dǎo)致其出現(xiàn)抑郁樣行為和認(rèn)知功能下降等,干擾其在軌作業(yè)能力。

暴露于14 d的模擬微重力環(huán)境大鼠表現(xiàn)出明顯的抑郁樣癥狀。與對照組相比,模擬微重力組大鼠尿液中的檸檬酸、草酰琥珀酸、肌酸、脯氨酸、環(huán)腺苷酸、L-二羥基苯丙氨酸、苯乙酰甘氨酸、琥珀酰膽堿、3-羥基馬尿酸、谷氨酰胺和5-羥基色氨酸的水平顯著降低,黃嘌呤酸、?；撬?、犬尿酸、羥脯氨酸、5-羥基吲哚乙酸、2-異丙基-3-氧代琥珀酸和腎上腺素水平顯著升高[37]。受影響的代謝途徑包括色氨酸、精氨酸、脯氨酸和苯丙氨酸等情緒相關(guān)的氨基酸代謝以及能量代謝,這些代謝途徑的擾動(dòng)可能和微重力導(dǎo)致的抑郁癥有一定關(guān)系。

在模擬微重力存在或不存在情況下采用5種離子束照射WAG/Rij大鼠,結(jié)果顯示,離子照射可加重尾吊造成的空間學(xué)習(xí)損傷和抑郁樣行為。大腦皮質(zhì)和海馬中的嘌呤代謝和氨基酸代謝受到影響[38]。

筆者采用非靶向和靶向代謝組學(xué)相結(jié)合的研究發(fā)現(xiàn),模擬微重力誘導(dǎo)的大鼠認(rèn)知功能下降與血漿及海馬中和學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)的代謝物如天冬酰胺、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和膽堿的代謝異常關(guān)系密切[39-40]。

睡眠不足也是航天飛行中的常見問題,也會對認(rèn)知功能造成影響。筆者發(fā)現(xiàn)14 d的睡眠干擾可造成小鼠認(rèn)知功能的顯著下降,在小鼠血清中鑒定到的和睡眠干擾造成的認(rèn)知功能下降的生物標(biāo)志物包括膽堿、纈氨酸、尿酸、尿囊酸、肉堿和維甲酸等。受影響的代謝途徑包括乙酰膽堿、嘌呤、維甲酸、脂質(zhì)和氨基酸等[41]。

尾吊誘導(dǎo)的模擬微重力大鼠認(rèn)知損傷還與其海馬組織上調(diào)的固醇類激素生物合成、脂肪酸代謝、神經(jīng)活性配體-受體相互作用、花生四烯酸代謝和維生素消化和吸收關(guān)系密切。能量代謝和神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)代謝途徑異常是認(rèn)知損傷的重要原因[42]。

航天飛行導(dǎo)致的行為認(rèn)知改變與情緒、認(rèn)知相關(guān)的氨基酸以及能量代謝障礙、應(yīng)激狀態(tài)及神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)代謝途徑失常有關(guān)。

1.4 航天飛行導(dǎo)致的肝相關(guān)疾病的代謝組學(xué)研究

骨骼肌的功能狀態(tài)和肝代謝關(guān)系密切。骨骼肌主要依賴氧化磷酸化過程供能。在航天飛行中,骨骼肌丟失可影響全身多個(gè)組織器官的代謝,也會導(dǎo)致肝損傷[35,43]。肌肉減少是與肥胖、炎癥和胰島素抵抗無關(guān)的導(dǎo)致肝纖維化的一個(gè)獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素[44]。肌減少癥患者的非酒精性脂肪肝和肝纖維化的風(fēng)險(xiǎn)大大增加[45]。航天飛行中的肝代謝通量增加可能也與肌肉丟失有一定關(guān)系[35]。

有學(xué)者研究了在ISS駐留13 d對小鼠肝脂質(zhì)代謝的影響發(fā)現(xiàn)小鼠體重減輕,機(jī)體的脂質(zhì)從全身重新分布到肝,小鼠肝脂質(zhì)中視黃醇水平降低。代謝物變化提示視黃醇水平降低與肝星狀細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的細(xì)胞活化有關(guān),這與膽汁酸水平增加和肝纖維化的早期癥狀極為相似。視黃醇水平下降與細(xì)胞外基質(zhì)重塑標(biāo)志物的變化共同導(dǎo)致了長期暴露在太空環(huán)境中的肝損傷,這大大增加了非酒精性脂肪肝的風(fēng)險(xiǎn)[46]。

在ISS駐留30 d后,微重力和航空輻射等應(yīng)激可顯著降低小鼠肝中含硫抗氧化物如谷胱甘肽、半胱氨酸、?；撬岬燃捌渲虚g體的水平,導(dǎo)致肝的抗氧化應(yīng)激能力下降,這可能是航天飛行后肝損傷的重要原因[47]。

航天飛行導(dǎo)致的肝相關(guān)疾病與骨骼肌丟失、肝脂質(zhì)代謝異常,以及肝含硫代謝物水平降低導(dǎo)致的肝抗氧化應(yīng)激能力下降有關(guān)。

1.5 航天飛行導(dǎo)致的癌癥相關(guān)疾病的代謝組學(xué)研究

癌癥是航天員在太空駐留期間質(zhì)子和高能帶電粒子輻射帶來的的重要風(fēng)險(xiǎn)。充分了解和監(jiān)測輻射引起的代謝變化有助于制定有效的防護(hù)對策。

研究發(fā)現(xiàn),雌性C57BL/6小鼠在ISS駐留13 d后,皮膚中和活性氧相關(guān)的氨基酸和碳水化合物代謝,細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)甲基途徑均發(fā)生改變。細(xì)胞抗氧化能力下降、活性氧生成增加,組織重塑調(diào)節(jié)信號增強(qiáng)最終導(dǎo)致代謝穩(wěn)態(tài)改變,這增加了皮膚組織的病理生理損傷及癌變的風(fēng)險(xiǎn)[48]。

一項(xiàng)研究考察了高能質(zhì)子照射大鼠4 h后其尿液代謝物的變化,發(fā)現(xiàn)暴露于質(zhì)子輻射后,大鼠尿液中的色氨酸等氨基酸代謝異常,三羧酸循環(huán)受到嚴(yán)重干擾,β-氧化磷酸化發(fā)生障礙,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和DNA損傷,這是引起癌變的重要風(fēng)險(xiǎn)因素[49]。

航天飛行導(dǎo)致的癌癥相關(guān)疾病可能與和活性氧水平相關(guān)的氨基酸和碳水化合物代謝異常,糖代謝障礙以及氧化磷酸化供能失常導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡及DNA損失有關(guān)。

1.6 航天飛行導(dǎo)致的心血管相關(guān)疾病的代謝組學(xué)研究

心血管疾病和脂質(zhì)代謝紊亂密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),航天特因環(huán)境可導(dǎo)致機(jī)體脂質(zhì)代謝全面紊亂[35]。脂質(zhì)積累和活性氧活性相關(guān)蛋白質(zhì)代謝失衡會導(dǎo)致心血管疾病[50-51]。太空飛行導(dǎo)致的線粒體功能障礙、心血管去適應(yīng)和太空輻射一起增加了長期航天任務(wù)中的心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)[52]。

將C57BL/6J小鼠的心室組織暴露于16O 14 d后,參與DNA甲基化的同型半胱氨酸甲基化代謝物無顯著變化,但轉(zhuǎn)硫途徑在90 d后仍受到輻射影響,胱硫醚水平大幅增加。心肌組織的DNA甲基化過程發(fā)生改變是心血管疾病的重要風(fēng)險(xiǎn)因素[53]。

航天飛行導(dǎo)致的心血管相關(guān)疾病與脂質(zhì)代謝異常、機(jī)體氧化應(yīng)激狀態(tài)失衡,線粒體功能障礙以及DNA甲基化異常有關(guān)。

1.7 航天飛行導(dǎo)致的其他疾病或功能異常的代謝組學(xué)研究

1.7.1 腸道疾病

研究顯示,暴露于γ射線和重離子輻射(56Fe)后雌性C57BL/6J小鼠腸組織中的核苷酸、氨基酸,細(xì)胞炎癥相關(guān)代謝物水平升高,這可能對航天員在太空駐留期間營養(yǎng)素的吸收產(chǎn)生影響,對航天員炎癥性腸病的發(fā)病有重要意義[54]。

1.7.2 脂肪酸代謝異常

有學(xué)者比較了在太空駐留1年對1對同卵雙胞胎機(jī)體的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與地面對照受試者相比,太空飛行受試者幾乎所有細(xì)胞的脂肪酸代謝均增強(qiáng),同時(shí),其體重下降,端粒延長,基因組不穩(wěn)定,頸動(dòng)脈擴(kuò)張和內(nèi)膜-中層厚度增加,眼部結(jié)構(gòu)改變,轉(zhuǎn)錄和代謝均變化,免疫和氧化應(yīng)激相關(guān)途徑中的DNA甲基化改變,胃腸道菌群改變,認(rèn)知功能下降。大多數(shù)指標(biāo)在6個(gè)月后逐漸恢復(fù)正常,但也有部分指標(biāo)發(fā)生了永久性改變[11,55]。

2 個(gè)體化防護(hù)措施

航天飛行不利影響的防護(hù)措施主要包括鍛煉、加強(qiáng)營養(yǎng)和藥物治療。鍛煉可減少骨骼肌萎縮,減少微重力對心血管系統(tǒng)的影響[56],如飛輪阻力鍛煉可有效逆轉(zhuǎn)臥床導(dǎo)致的骨骼肌氧化代謝異常[22]。但是,鍛煉仍不能完全對抗航天因素導(dǎo)致的肌肉質(zhì)量減少和骨骼丟失,不能減輕動(dòng)脈內(nèi)膜中層厚度增加、心臟營養(yǎng)不良和胰島素抵抗[52,56]。急性運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)胰島素抵抗人群體內(nèi)的糖酵解、三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化功能[57]。研究在軌航天員的生理功能時(shí)發(fā)現(xiàn),在肝中三羧酸循環(huán)和脂肪酸代謝增強(qiáng),但在肌肉中總體表現(xiàn)為減弱,這表明運(yùn)動(dòng)不足以抵消航天應(yīng)激源的影響。此外,在軌航天員運(yùn)動(dòng)期間還檢測到急性炎癥標(biāo)志物(如IL-6、TNF-α、IL-1-RA和IGF-1)的水平增加,這對航天員降低的免疫功能更加不利[35]。有學(xué)者比較研究了正常人體受試者常氧臥床、低氧臥床和低氧步行后的尿液代謝組后發(fā)現(xiàn),行走,保持站立姿勢,控制但有限的活動(dòng)可以明顯抑制航天飛行導(dǎo)致的抑郁等癥狀的出現(xiàn)[58]。

除運(yùn)動(dòng)外,攝入足量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、新鮮蔬果,增加植物蛋白、鉀、雙膦酸鹽、維生素、不飽和脂肪酸和益生菌的攝取,減少飽和脂肪酸、鈉的攝取對預(yù)防航天因素導(dǎo)致的各種不利健康影響也非常重要[59]。

針對航天員的藥物干預(yù)也是重要的防護(hù)手段。因?yàn)楹教祜w行中線粒體功能全面失調(diào),用于線粒體功能障礙的輔酶Q10也被建議作為航天員的營養(yǎng)補(bǔ)充劑[35,60]。動(dòng)物研究顯示維生素K在預(yù)防微重力導(dǎo)致的骨丟失方面效果顯著,β2受體激動(dòng)劑克倫特羅有助于緩解尾吊導(dǎo)致的大鼠肌肉萎縮,這二者有希望成為預(yù)防微重力導(dǎo)致的肌肉骨骼功能異常的潛在治療藥物[61-62]。

3 總結(jié)與展望

代謝組學(xué)具有無偏性和系統(tǒng)性的特點(diǎn),為了解航天因素對機(jī)體影響分子機(jī)制提供新視角,具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖x組學(xué)研究航天因素對機(jī)體的影響已經(jīng)取得了顯著成果,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種代謝物水平失調(diào)與航天因素導(dǎo)致的機(jī)體功能紊亂密切相關(guān)。深入了解暴露于航天因素后機(jī)體的代謝變化將有助于制定個(gè)體化的防護(hù)措施以確保航天員的健康。