Science：新研究發現太空飛行影響人體腸道細菌

在美國航天局（NASA）標誌性的雙胞胎研究（Twins Study）中，美國研究人員發現長時間的太空飛行會影響人體腸道微生物組（gut microbiome）。相關研究結果發表在2019年4月12日的Science期刊上，論文標題為「The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight」。

在國際空間站（ISS）長達一年的時間裡，宇航員Scott Kelly在他的腸道微生物組中經歷了兩種主要細菌類型的比例變化。然而，他的腸道微生物組中的細菌多樣性在太空飛行期間沒有改變，這一發現令這些研究人員倍感鼓舞。

腸道健康會影響消化、代謝和免疫力；最近，腸道微生物組的變化與骨骼、肌肉和大腦的變化存在關聯。

這項研究的發現可能有助於醫生和科學家們制定並實施在漫長的太空旅行中---比如在期待已久的火星任務期間---保護宇航員和太空遊客的腸道微生物組的方法。這些對策可能包括益生元（prebiotics）、益生菌（probiotics）和後生元（postbiotics）。

領導腸道微生物組研究的美國西北大學研究員Fred W. Turek說道，「我們不能在不知道太空飛行如何影響人體的情況下將人類送到火星，包括與人類一起前往火星的微生物。我們需要儘早知道。計劃是在2035年將人類送到火星，因此我們不能等到2033年才能獲得這些信息。」

在西北大學開展的這項腸道微生物組研究是發表在2019年4月12日的Science期刊上的一篇綜合性論文中的十項研究之一。在這10項研究中，每項研究都探討了太空飛行如何影響人體的一個方面，包括基因表達、骨密度、免疫系統反應和端粒動力學的變化。

論文共同作者、西北大學的Martha Vitaterna說道，「這篇論文中存在10個研究團隊。隨著時間的推移，這種多系統綜合分析讓這項雙胞胎研究變得獨特和強有力。我們能夠觀察到人體發生哪些變化。」

對一對雙胞胎進行比較

從2015年到2016年，Scott Kelly成為第一位在太空中度過近一整年的美國宇航員。Scott Kelly和他的同卵雙胞胎兄弟---一名退役的宇航員--- Mark Kelly參加了由美國宇航局人類研究計劃開展的一項前所未有的長達一年的研究。Mark Kelly為地球上的觀察結果提供了基線，Scott Kelly在太空中提供了一個類似的測試案例。

Turek和Vitaterna研究了Scott Kelly腸道中的細菌組成隨著時間和空間的變化而發生的變化。這對雙胞胎在Scott Kelly前往太空前、在太空的一年期間和在返回地球後分別收集了後者的兩份、四份和三分糞便樣本。

Turek說道，「我們確實對Scott Kelly與Mark Kelly進行比較，這是很有趣的。但是真正比較在於研究Scott Kelly在太空飛行之前、期間和之後的糞便樣本。這很可能是我們獲得的最有價值的信息。」

腸道健康的重要性

腸道微生物組，通常被稱為一種的「新型器官系統」，是一個複雜的生活在消化道中的微生物群落，包括細菌、病毒和真菌。

僅在過去的10年裡，科學家們才開始意識到腸道微生物組的健康和多樣性如何影響人體的其他部分。改變腸道微生物組可導致骨骼、肌肉和大腦發生改變。

Vitaterna 說，「細菌對身體中的所有其他系統的影響是非常顯著的。已有研究表明腸道微生物組的變化與阿爾茨海默病、帕金森病、自閉症和精神分裂症等神經系統疾病存在關聯。通過保護腸道，我們能保護所有這些其他的系統。」

90％以上的腸道細菌屬於兩大類：厚壁菌（Firmicutes）和擬桿菌（Bacteroidetes）。這兩種細菌類型都含有有益菌和有害菌。Scott Kelly的腸道微生物組中的厚壁菌和擬桿菌之間的比例在太空飛行期間經歷了明顯的變化---厚壁菌的數量增加了，而擬桿菌的數量減少了。這種變化是這些研究人員在Scott Kelly的腸道微生物組中觀察到的更大的組成變化之一，他的腸道微生物組在返回到地球後恢復正常。

Vitaterna說，「這種微生物群落的結構重塑引起一些大規模的變化。我們還不能夠判斷這是好還是壞。」

是什麼導致了這種變化？

許多變數可能影響Scott Kelly在太空中的腸道微生物組，包括微重力、異塵餘生增加、晝夜節律變化、睡眠時間減少、空氣循環不足、生活在封閉空間中的壓力和飲食改變。Turek和Vitaterna關注到Scott Kelly在太空中的飲食---主要包括冷凍乾燥的、受過照射的預包裝的食品---會降低他的腸道微生物組的多樣性。起初，飲食似乎沒有這些研究人員擔心的那麼重要。

這一結果反映了Turek和Vitaterna在過去開展的小鼠研究。雖然Scott Kelly和Mark Kelly在這項為期一年的研究中沒有吃同樣的食物，但是在之前的研究中，小鼠吃了完全相同的飲食。儘管如此，與地球上的對照小鼠相比，太空小鼠的腸道微生物組經歷了變化。

Turek認為微重力最有可能導致這種變化。他說，「我們認為微重力會對腸道細菌產生影響。這就是我們接下來想要確定的。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

F.E. Garrett-Bakelman el al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science, 2019, doi:10.1126/science.aau8650.

Markus L?brich et al. Hazards of human spaceflight. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw7086.