研究人员探索太空旅行期间免疫系统如何出现问题以及这对地球上人类衰老的影响

自从人类开始进入太空以来，宇航员的健康就会因太空飞行的极端条件而受到严重影响，特别是重力减小。

两位巴克科学家领导的团队首次以单细胞分辨率揭示了重力缺失如何影响免疫系统细胞。共同资深作者与威尔康奈尔医学院的ChristopherE.Mason博士、副教授DavidFurman博士和副教授DanielWiner博士一起发表了一项广泛的调查，探讨了重力如何影响免疫细胞，并确定了“太空营养品”来抵消微重力对这些细胞的异常影响。该研究发表在《自然通讯》上

“我们展示了模拟微重力如何塑造免疫细胞，以及力的变化如何在单细胞水平上改变细胞的功能，”Winer说。“这种分辨率水平对于理解微重力对细胞的影响是全新且令人兴奋的。”

研究人员利用模拟微重力环境下的细胞，结合宇航员和国际空间站小鼠的太空飞行数据，绘制出一幅完整的图像，展示了外周血液中免疫系统的不同细胞是如何在失重状态下形成的。这些细胞包括淋巴细胞和单核细胞，它们是免疫的主要参与者。

该研究对地球的免疫衰老具有潜在的意义，因为衰老过程中观察到的变化与太空旅行期间捕获的变化相似。

该团队还概述了识别可逆转近零重力影响的化合物的途径，并证明其中一种化合物槲皮素有望减轻太空飞行和地面正常衰老造成的损害。

弗曼说：“我们的工作为更好地了解免疫系统在模拟微重力和太空飞行中如何以及为何发生变化提供了资源。”“我们还提供了一种方法来制定对策，以便在这些恶劣条件下保持正常的免疫力。”

在低地球轨道上(例如国际空间站)的宇航员会遭受免疫系统问题，尤其是感染、潜伏病毒重新激活和皮肤敏感。即使在短期太空飞行中也会出现这些反应。

之前使用真实或模拟微重力条件的研究发现，各种免疫细胞的功能受损。然而，研究人员表示，解释微重力下免疫功能障碍的基本机制、基因和途径大多不清楚。他们希望了解细胞层面发生了什么，以解释这些变化。

该团队由研究的共同第一作者、巴克博士后研究员吴飞博士和研究生杜慧勋领导，使用来自27名年龄在20至46岁之间的健康人类捐赠者的样本，深入研究了25小时模拟微重力如何影响人体外周血单核免疫系统。

为了模拟几乎没有重力的环境，研究小组在旋转壁容器内培养细胞，这是美国宇航局开发的用于模拟微重力条件的设备。

为了探索重力减小引起的变化，研究小组使用了许多技术，包括测序和超分辨率显微镜。

随后，他们将数据与在人类和小鼠身上进行的其他太空研究进行比较，验证了他们的发现，其中包括JAXA(无细胞表观基因组研究)任务、SpaceX的灵感4号任务、NASA的双胞胎研究，以及国际空间站小鼠的脾脏。

“有趣的是，机械力的变化似乎可以协调免疫细胞的功能，”维纳说，他对太空医学研究的兴趣源于他对新兴领域机械免疫学的深入研究，即环境力量如何影响免疫细胞功能。他说，天体免疫学的部分内容与机械免疫学有关，但它正在证明自己是一个新领域，为更好地了解如何帮助免疫系统在太空中生存铺平了道路。

在发现了几种受微重力影响的基因和生化途径后，研究小组想看看是否能找到任何可以保护免疫细胞的特定药物或补充剂。为了帮助他们搜索，他们使用了巴克研究所富曼开发的机器学习技术，该技术可以检测到基因与不同药物和食物之间超过200万种相互作用。

他们确定了数十种潜在化合物，并选择了一种植物色素槲皮素(通常存在于红洋葱、葡萄、浆果、苹果和柑橘类水果等中)进行进一步研究，因为它是一种广泛使用的抗氧化剂和抗衰老补充剂。槲皮素被证实可以逆转约70%的因重力不足引起的变化，并保护细胞免受活性氧过量的影响。

“这些发现定义了模拟微重力条件下免疫细胞改变的标志，并与小鼠和人类的太空飞行暴露相关，”维纳说。

“这项工作有助于确定未来机械免疫学和天体免疫学研究的方向，并为制定维持太空正常细胞功能的对策提供机会。”

弗曼补充说，该研究成果为分析太空旅行带来的生理变化树立了标准。“这是第一项综合性研究，为全球科学界提供了了解这种极端条件下人体生物学的图谱，”他说。

他补充道：“其影响巨大，不仅限于太空人类。”研究人员很高兴探索他们发现的地面上人类衰老过程中发生的类似变化，并利用这些知识设计干预措施，以逆转伴随衰老而来的免疫功能障碍。