基于空间微生物变异规律探索重要感染疾病防控新策略研究

刘长庭

解放军总医院 南楼呼吸科，北京 100853

专家论坛

基于空间微生物变异规律探索重要感染疾病防控新策略研究

刘长庭

解放军总医院 南楼呼吸科，北京 100853

由病原微生物引起的感染性疾病是人类健康的重大威胁，我国航天事业的蓬勃发展为空间生物医学研究带来了新的机遇。本文将介绍通过整合空间医学、微生物学和生物信息学等学科的综合交叉手段，研究微生物在空间环境的变异规律，从而探索重要感染疾病防控新策略。

空间环境；微生物；变异规律；感染性疾病防控

感染性疾病目前在全世界范围内是公共卫生所面临的主要威胁和挑战[1-4]。迄今，各种病原微生物引起的感染性疾病是人类最为常见和多发的疾病，对人类健康和生命安全构成了严重威胁；在载人航天活动中，一些正常定植的细菌会随着航天员或航空部件进入太空，并在太空舱内形成微生物群区。空间环境中微重力、极度温差和粒子辐射等因素可诱导病原菌致病力和耐药性发生变化，不仅威胁航天员健康，而且严重威胁航天器安全。因此，控制微生物感染是载人航天必须解决的重要问题。另一方面，载人航天为空间生物医学研究提供了一个千载难逢的平台，如何利用空间环境探索病原菌变异和致病规律，为地面感染性疾病的防控提供前瞻性的研究，也是空间生命科学研究中的重大课题。本文获得国家重点基础研究发展计划(973计划)支持，将从该领域国内外研究现状、发展趋势、微生物在空间环境下变异规律研究的意义、内容和目标等几个方面加以评述。

1 国内外研究现状和发展趋势

自20世纪60年代，少数国家开展了航天研究，一些正常定植的细菌会随着航天员或航空部件进入太空，我们在神舟系列飞船采集了30多种微生物，并在太空舱内形成微生物群区。自“和平”号空间站升空15年来，该空间站内生长了234种细菌[5]。一些机会性致病菌，如大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和肠球菌等，都在航天员身上或空间站中被检出。因此载人航天事业对航天医学与保障提出了重大挑战。

载人航天活动中，人体多个器官生理功能会受到影响。例如，空间驻留人员的免疫系统功能下降，容易受到病原菌的感染[6]。此外，空间环境具有地面环境中所不存在的一些特殊环境因素，包括微重力、高真空、极度温差、弱磁场和粒子辐射等，这些因素可通过诱导微生物产生基因突变和调控网络的变化，进而影响微生物的生物学性状和功能。微重力环境可影响细菌的耐药性。通过对“礼炮7”空间站上法国航天员Chrien的共生菌丛中分离出的金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌的研究发现，与地面对照菌相比，空间站来源的大肠埃希菌对多黏菌素E和卡那霉素的最低抑菌浓度显著增加(从4 mg/L到＞16 mg/L)，空间站来源的金黄色葡萄球菌对苯唑西林、红霉素和氯霉素的最低抑菌浓度也有一定的增加[5]。但并非所有细菌在微重力条件下对抗生素敏感性变化都是一致的，有研究发现鲍曼不动杆菌在低剪切力模拟微重力的环境中对多种抗生素的最低抑菌浓度没有明显的升高。空间环境和微重力环境还可影响细菌的致病性。空间站上最大的微生物库是航天员呼吸道和肠内的常驻菌群，既往研究关于微重力对细菌致病性的影响多集中在沙门菌和大肠埃希菌。将暴露于模拟微重力环境的沙门菌感染小鼠，其感染后6 d的生存率与对照组相比明显降低，在感染后第10天，实验组生存率仅为20%，而对照组为60%[6]。另外一项研究利用小鼠尾悬吊的方法模拟微重力状态，并将暴露于模拟微重力环境的鼠伤寒沙门菌以1×107CFU/ml的浓度经口灌注，第3天的死亡率由60%升至100%[7]。2006年在亚特兰蒂斯号航天器进行的空间实验发现，用航天器搭载的沙门菌感染小鼠，实验组较地面对照组相比，小鼠的死亡时间提前，死亡率增高，半数致死剂量(LD50)降低，这一结论与既往地面模拟实验一致，为空间站加强有害微生物的监控提供了科学依据[8]。

我们课题组长期从事临床医学、微生物学和空间微生物学研究，利用神舟系列飞船搭载了一批病原微生物及神舟系列飞船微生物采样，经过多年的潜心研究，深入分析了微生物的表型改变，并借助现代高通量技术手段，如基因组学、转录组学、蛋白质组学及系统生物学的技术方法，探索并揭示了经过空间搭载的微生物在毒力、耐药性和适应性代谢方面的变化。如通过细菌溶血实验对比，发现肺炎克雷伯菌的毒力发生了明显增强；通过耐药性实验，发现大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、屎肠球菌、蜡状芽孢杆菌对于多种抗生素耐药；通过对于空间细菌代谢生化谱的研究，发现所有细菌的生化代谢谱均发生了明显的变化。在2013年6月11 - 26日的神舟十号飞船上，我们再次搭载了微生物样品，目前投入几十人的团队进行临床常见耐药菌、生物工程菌和具有腐蚀特性的微生物的生物学特性分析[9-14]。

2 微生物在空间环境下变异规律研究的意义

空间环境有助于发现一些微生物在地面条件下难于观测到的现象。开展微生物在空间环境下变异规律的研究，一方面有利于我国感染性疾病防控研究，同时将大大促进病原菌致病与耐药机制研究，并具有广阔的临床转化前景。以往研究表明，空间环境诱导后病原菌产生的某些变化同其在地面的变化规律部分类似。如细菌暴露于空间环境一段时间后，其侵袭力增强并伴随一些调控因子如Hfq的表达发生改变；而这一现象在地面实验中也得到了验证。目前对该基因作为新药物靶点的深入研究正在进行。另外，一些在地面条件下难以取得突破的研究，在空间特殊环境的诱导下可以发生放大效应。开展空间环境对病原菌耐药性和致病性作用规律的研究，将有助于更明确、更细致地认识细菌毒力进化和耐药性产生的分子机制，为发掘临床常见病原菌诊治的新策略提供新思路，具有广阔的临床转化应用前景。另一方面，有利于空间微生物学与系统生物学的交叉整合，促进微生物科学技术的进步。系统生物学是近年来蓬勃发展的一种全新的生物学科。空间微生物学是随着航天技术的进步而出现的一门新兴学科，微生物体积小，培养条件简单，相对于高等生物更易变异，是空间生物学研究的较好材料，通过空间环境诱变微生物，在一定程度上丰富了微生物的菌种资源，结合最新的系统生物信息分析，有利于微生物科学技术的发展。

3 探索微生物的空间变异规律和感染防控新策略

3.1 空间环境对常见病原菌的作用效应和机制，以空间搭载的常见致病菌为研究对象，研究空间环境对病原菌的作用，特别是对其生物学性状、生化代谢、耐药性和侵袭力等方面的影响；进一步采用基因组学方法，利用高通量测序技术和生物信息学建模等手段，针对空间环境因素对微生物基因组遗传和表观遗传学可能产生的影响，系统全面研究空间环境对细菌编码mRNA、非编码RNA(ncRNA)、染色体相互作用和基因表达组高级构象的影响，揭示空间环境诱导微生物遗传改变的生物学意义，认识基因组遗传和表观遗传学效应的基本规律及其生物学效应特别是对微生物致病性、毒力等的潜在影响。同时结合地面模拟微重力和温度变化等条件对比分析导致细菌太空变化的确切环境因素；综合运用生物信息学和数学建模等手段全面分析探讨空间环境对病原菌作用的机制。

3.2 探索病原菌感染防治和保障航天员健康 根据不同细菌的特性，采用合适的细胞和动物模型进行菌株接种或感染实验，考察这些生物学性状的改变对于航天员空间活动或返回地球可能产生的影响，进行初步的生物安全性评估。主要包括：观察搭载返回的常见病原菌样品主要毒力因子(如溶血素、磷脂酶C、外毒素、脂多糖、黏附素和荚膜多糖等)的活性变化；建立空间环境诱变的不同病原菌变异株的细胞模型和小鼠感染模型，通过动物实验研究空间环境诱变的细菌变异株的致病性变化；利用基因打靶技术通过基因敲除或过表达等方法验证致病性变化表型和毒力基因突变间的关系；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组织器官感染的表现和规律；结合现有的细菌防治措施，提出对太空环境因素产生的性状改变菌株可能采取的应对策略，寻找新的诊断和治疗靶标。

4 基于空间微生物变异规律探索感染防控新策略

针对“保障航天员健康和预防人类重大感染性疾病”的国家重大需求，着眼于以空间环境对病原菌的作用效应和机制研究为主线，全面检测病原菌空间环境改变的现象并明确其变化规律，特别是病原菌耐药性和致病性改变的分子机制，深入阐明病原菌是如何感知空间环境以及在空间环境中变化的分子机制，同时基于空间微生物学研究平台探索抗感染新靶标及临床诊治新策略。形成一支整合空间生物学、生物信息学、基础医学、临床医学、微生物学和分子生物学等不同学科领域的交叉研究团队；使我国在空间微生物学领域的研究水平进入国际先进行列，为保障航天员健康和预防人类重大感染性疾病提供技术支撑和理论基础。

具体目标：1)阐明空间环境对病原菌的作用效应和机制，开展空间环境对病原菌的作用和机制研究，发现空间环境因素所致细菌遗传变异及其规律性，特别是空间环境对病原菌致病性和耐药性的影响及其分子机制，发现病原菌如何变化和适应空间环境的分子机制。2)探索人类感染病原菌的防治和保障航天员健康的新策略：建立空间生命科学搭载研究、微生物分离、微生物生物学表型鉴定、基因组、转录组、蛋白质组平台，及其二维或三维贯穿组研究等平台，筛选关键的候选基因和靶点，结合现有的病原菌防治措施，提出对太空环境因素产生性状改变菌株可能采取的应对策略，寻找新的诊断和治疗靶标设计策略。3)建立和完善我国空间微生物学的研究平台，而且培养一支有志于空间生命科学和医学微生物学学科交叉领域研究的人才队伍，促进空间微生物学学科在我国的发展。

5 结语

利用地面模拟太空环境来研究空间环境对细菌的影响已取得一些成果，由于真实的空间环境很难实现，经过空间搭载的细菌资源有限，真实的太空环境对常见细菌影响的研究很少，尤其是空间环境因素诱导病原菌表型变化的分子机制研究。如何利用空间环境探索病原菌变异和致病规律则是空间生命科学研究中的重大课题，而有效保障空间驻留人员的健康更是国家重大战略需求。借助我国神舟系列飞船搭载的契机，回答空间环境因素诱导病原菌发生什么样的表型变化以及其分子机制，尤其是耐药性和致病性的变化及其分子机制；空间环境诱变病原菌对模拟微重力实验动物的致病性产生的影响，以及如何利用空间微生物学研究平台探索抗感染新靶标及临床诊治新策略，目前国内外在这一系列方面的研究尚处于起步阶段，而通过空间微生物研究促进人类感染性疾病的预防和控制更属空白。总之，从国家重大需求出发，以病原菌在空间环境下的变异规律为主线，深入研究“空间环境对病原菌耐药性和致病力的影响及其分子基础”以及“基于空间微生物变异规律的难治性感染防控新策略探索”的科学问题，为保障人类和航天员健康及航天设备安全运行奠定基础。

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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

时间：2014-05-07 16:04

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

2013-12-17

国家“973”重点基础研究发展规划项目(2014CB744400)；全军医学科研“十二五”课题重点项目(BWS12J046)；武器预研重点基金项目(9140A26040312JB10078)；载人航天领域项目(040203) Supported by National “973” Program for Basic Research of China(2014C B744400); Military Special-Purpose "12th Five-Year" Program(BWS12J 046)

刘长庭，男，主任医师，教授，博士生导师。Email: ch angtingliu@sohu.com

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