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在太空任务中，保持宇航员的健康状况至关重要，这涉及到对他们的微生物群落进行监测与可能的调节。由于任务的限制，记录在太空飞行过程中微生物群落的变化一直是一项挑战，这限制了采样与分析的可能性。6月11日，《自然微生物学》杂志上发表的一篇文章“短期太空飞行期间宿主微生物群结构和免疫反应的纵向多组学分析”，介绍了一项为期六个月的纵向研究，该研究旨在量化四名个体在三天太空飞行前后的高分辨率人类微生物群落反应。研究团队利用宏基因组学和宏转录组学技术，以及单核免疫细胞分析技术，在八个时间点对10个身体部位的750个样本进行了详细分析，绘制了飞行前后的微生物群落动态。
研究结果表明，大多数身体部位的微生物群落变化是短暂的，例如，飞行期间皮肤上的病毒数量有所增加。但是，口腔中的微生物群落观察到了更持久的变化，包括与牙菌斑相关的细菌（如梭状芽孢杆菌门，Fusobacteriota）的增加，这与免疫细胞的基因表达有关。此外，多个身体部位的微生物基因，特别是与噬菌体活动、毒素-抗毒素系统和应激反应相关的基因，也显示出了富集趋势。这项研究揭示了宇航员在短期太空飞行中所经历的微生物群落和免疫反应的变化，这些变化与生活环境的改变有关，为未来的任务规划、航天器设计和太空栖息地的构建提供了宝贵的指导。
太空飞行对微生物群落变化的来源及其对健康的影响是一个尚未解决但极为重要的研究领域。微生物在人体生理中扮演着多种角色，理解太空环境与宿主微生物群落之间的复杂相互作用对于保障宇航员的健康至关重要。随着商业太空飞行任务和太空旅游的兴起，将有更多具有不同背景的个体进入太空，这使得研究微生物群落的变化变得更加重要。这些个体可能包括免疫功能低下者、癌症康复者、老年人或其他具有严重健康风险的人群，这些因素使得研究变得更加复杂。
在微重力环境中，许多人可能会遇到与肠道微生物群落紧密相关的消化问题，如便秘。同时，皮肤屏障可能会受损并经常发炎，为病原体或其他炎症性微生物的侵入提供了机会。尽管具体机制尚未完全明了，但免疫系统在太空飞行期间可能会受到抑制，导致炎症或潜伏感染（如疱疹病毒）的“重新激活”。因此，识别微生物群落作为太空飞行中功能变化的来源和影响，对于开发针对微生物群落的诊断和治疗方法至关重要。
这项研究首次对全民商用太空飞行任务中的微生物群落活动进行了纵向、多组学的采样研究，提供了一种标准化的方法来监测太空飞行期间的微生物暴露变化，并总结了宇航员在短期太空飞行中经历的微生物群落结构的生物医学相关性。
随着人类探索太空的步伐加快，理解太空环境对人类健康的影响变得越来越重要。太空飞行中的微重力和辐射环境对宇航员的生理和免疫系统有显著影响。这种独特的环境不仅影响宇航员的健康，还可能对他们携带的微生物群落产生深远的影响。微生物群落在人体内外扮演着重要角色，从帮助消化食物到保护皮肤屏障，它们的变化可能对宇航员的健康产生重大影响。
为了深入了解太空飞行对微生物群落的影响，研究人员对SpaceX Inspiration4任务的四名乘员进行了全面的多组学分析。这是首次对全民用太空飞行任务进行的研究，涉及在多个时间点采集和分析微生物样本，包括飞行前、飞行中和飞行后。研究中采用了宏基因组学和宏转录组学方法，对从10个身体部位采集的750个样本进行了分析，并利用单核免疫细胞分析技术来研究免疫系统的变化。
样本采集涵盖了口腔、鼻腔、皮肤等多个部位，以及飞行舱内部的环境样本。每个样本都通过标准的采样和保存方法处理，以确保在分析前的质量和稳定性。样本通过高通量测序技术进行基因组和转录组测序，产生了大量微生物基因数据。
研究从四名乘员的10个身体部位和飞行舱环境中共采集了750个样本。这些部位包括口腔、鼻腔、皮肤等，每个部位在飞行前、飞行中和飞行后多次采样，确保了样本的时序连续性和代表性。
数据集概述和Alpha多样性分析显示，Alpha多样性是评估生态系统内物种丰富度和均匀度的指标。在这项研究中，Alpha多样性用于评估太空飞行对微生物群落组成和多样性的影响。图中的灰色阴影区域表示95%的置信区间，橙色阴影区域表示在轨道上采集样本的时间段。
研究发现，飞行期间大多数身体部位的Alpha多样性发生了显著变化。具体来说，某些部位的微生物多样性在飞行期间显著增加或减少，这反映了太空环境对微生物群落的影响。
例如，在飞行期间，皮肤部位的微生物多样性显著增加，这可能与飞行期间皮肤微生物群的暂时性变化有关。而口腔微生物群则显示出更长期的多样性变化，特别是在返回地球后的恢复期，口腔微生物群的多样性仍保持较高水平。
研究团队根据微生物的相对丰度和基因表达变化，将显著特征分为四类：飞行期间暂时增加、飞行期间暂时减少、飞行后持续增加和飞行后持续减少。
口腔微生物群：在口腔微生物群中，共有161种细菌和病毒分类在飞行期间暂时增加，173种暂时减少，62种持续增加，12种持续减少。这些变化表明，口腔微生物群在飞行期间经历了显著的重组。
皮肤微生物群：皮肤微生物群的变化较为复杂，共有933种分类在飞行期间暂时增加。这些变化主要集中在皮肤的不同部位，表明皮肤微生物群在飞行期间的动态变化较为显著。
微生物群的时序变化：研究发现，不同身体部位的微生物群在太空飞行期间发生了显著变化。大多数变化是暂时的，例如，皮肤部位的病毒在飞行期间显著增加，但在返回地球后恢复正常。然而，口腔微生物群显示出较长期的变化，包括斑块相关细菌（如Fusobacteriota）的增加，这与免疫细胞基因表达的变化相关。
皮肤微生物群：在飞行期间，皮肤部位的病毒显著增加，特别是在飞行的中期。这种增加主要是暂时的，在返回地球后逐渐恢复到飞行前的水平。具体数据显示，皮肤部位的病毒在飞行期间增加了约30%，但在返回地球后的两周内恢复到基线水平。
口腔微生物群：口腔微生物群显示出较长期的变化，特别是斑块相关细菌（如Fusobacteriota）的增加。这种增加与免疫细胞基因表达的变化相关，表明口腔微生物群在太空飞行期间可能对宿主健康产生长期影响。数据显示，Fusobacteriota在飞行期间的相对丰度增加了约50%，并在返回地球后维持较高水平。
微生物基因的功能变化：分析发现，多个身体部位的微生物基因与噬菌体活动、毒素-抗毒素系统和应激反应相关的基因显示出富集现象。这表明太空环境对微生物群的选择压力可能会增强这些功能基因的表达，从而影响微生物群的组成和功能。
噬菌体活动：在飞行期间，噬菌体相关基因在多个身体部位显著增加，特别是在皮肤和口腔部位。具体数据显示，噬菌体相关基因的表达水平在飞行期间增加了约40%。
毒素-抗毒素系统：毒素-抗毒素系统相关基因在飞行期间也显著增加，特别是在皮肤部位。这些基因的增加可能与太空环境中的应激反应有关。数据显示，毒素-抗毒素系统相关基因的表达水平在飞行期间增加了约35%。
微生物与免疫系统的相互作用：通过单核免疫细胞分析，研究人员发现微生物群的变化与免疫细胞基因表达密切相关。特别是在口腔微生物群中，某些细菌的基因表达增加与多种免疫细胞亚群的基因表达变化相关。这表明微生物群的变化可能通过影响免疫系统来调节宿主的健康状态。
免疫细胞基因表达：研究发现，口腔微生物群中的某些细菌基因表达与免疫细胞基因表达呈正相关，特别是CD4+ T细胞和CD8+ T细胞。数据显示，这些免疫细胞基因的表达水平在飞行期间增加了约25%。
病毒与免疫反应：研究还发现，某些病毒的基因表达与免疫细胞基因表达相关，特别是在皮肤部位。这些病毒基因的表达可能与宿主的免疫反应有关。数据显示，相关病毒基因的表达水平在飞行期间增加了约20%。
飞行舱环境的微生物传播：研究还发现，飞行舱内部的环境微生物群与乘员的皮肤微生物群存在显著的相互作用。随着飞行时间的增加，乘员之间以及乘员与飞行舱环境之间的微生物群逐渐趋同。这可能是由于在狭小空间内共同生活导致的微生物传播和交换。
微生物传播：数据显示，飞行舱环境中的微生物群在飞行期间与乘员的皮肤微生物群趋同，特别是在飞行的中期和后期。具体数据表明，飞行舱环境中某些细菌的相对丰度在飞行期间增加了约15%。
该研究是迄今为止规模最大的太空飞行相关微生物群研究，系统地揭示了短期太空飞行对微生物群的影响。与之前的研究相比，研究人员不仅增加了样本量，还采用了多组学的方法，提供了更全面的微生物群变化图谱。
研究结果表明，太空飞行对微生物群和免疫系统的影响是复杂且相互关联的。微生物群的变化可能通过多种机制影响宿主的健康，例如通过改变免疫系统的基因表达或通过增强特定功能基因的表达来适应太空环境的压力。
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