微重力下肠道细菌与骨质流失之间的可能联系

戴着太空头盔的啮齿动物的插图。信用：莉安娜等待

宇航员的骨密度-人类和啮齿动物-在太空中下降。研究人员4月19日在《细胞报告》杂志上报告说，太空旅行者肠道微生物组的变化可能与这种骨质流失有关。在国际空间站上呆了一个月或更长时间的啮齿动物已经改变了更多样化的微生物组，在太空中绽放的细菌物种可能有助于增加已知影响骨骼重塑过程的分子的产生。

“这只是另一个生动的例子，显示了微生物组和哺乳动物宿主之间的动态相互作用。肠道微生物组不断监测和反应，当你暴露在微重力下时也是如此，“资深作者，福赛斯研究所的微生物学家兼首席执行官WenyuanShi说。“我们尚未发现微生物组的变化与微重力下观察到的骨质流失之间是否存在因果关系，以及这是否只是一个后果或积极的补偿来缓解，但数据令人鼓舞，并为探索创造了新的途径。

我们的骨骼不是静态的;即使我们完全长大，材料也会在称为骨骼重塑的过程中不断添加、移除和移动。最近的研究表明，肠道微生物可能通过各种机制影响骨骼重塑，包括与免疫和激素系统的相互作用。微生物也因其自身的新陈代谢而产生各种分子，其中一些代谢物与负责骨重塑的细胞间接相互作用。

我们预计微生物组会受到太空旅行的影响，原因有几个。“首先，有物理力量在起作用，例如微重力和宇宙辐射暴露，它们不仅影响细菌细胞，还影响人体细胞，”第一作者和微生物学家JosephK.Bedree说，他在加州大学洛杉矶分校开始这项工作，并在福赛斯研究所继续。“同样，微重力暴露对宿主生物系统产生了许多影响-免疫系统不规则，肌肉骨骼变化，昼夜节律改变，压力-当这些系统变得不平衡时，微生物群落也可能被破坏。

为了探索微生物组在长时间暴露在微重力下时如何变化，并研究这些变化与骨密度之间的可能联系，研究人员向国际空间站发送了20只啮齿动物。其中十只啮齿动物在4.5周后活着返回地球，研究人员追踪了它们的微生物组在返回后如何恢复。其余10只太空啮齿动物在轨道上总共停留了九周。二十只“地面控制”啮齿动物被安置在地球上相同的条件下-尽管减去微重力。该团队表征并比较了不同群体的微生物群落：发射前，返回地球后以及研究结束时。他们还评估了暴露于微重力整整九周的太空啮齿动物的血清代谢物的变化。

“这是美国宇航局历史上第一次有啮齿动物活着回到地球，”Shi说。“这意味着我们能够收集有关空间变化的信息，然后在他们返回时监测他们的微生物组的恢复情况。好消息是，即使微生物组在太空中发生变化，这些变化似乎也不会在返回地球后持续存在。

当研究小组表征和比较太空和地面控制啮齿动物的肠道微生物组时，他们发现太空啮齿动物具有更多样化的肠道微生物组。两种类型的细菌-乳酸杆菌和Dorea物种-在暴露在微重力下的啮齿动物中更为丰富，并且在太空中9周而不是4.5周的啮齿动物中它们的丰度甚至更高。这两种细菌的代谢也可能导致检测到并与微重力暴露相关的代谢物升高。

描述特定宿主代谢物和肠道微生物组改变如何与太空飞行期间骨质流失相关的图形摘要。学分：贝德里等人

“当我们绘制乳酸杆菌和Dorea的遗传途径时，它们似乎与微重力暴露期间升高的代谢物一致，”Bedree说。“当某人处于微重力并经历骨质流失时，他们的身体会试图补偿是有道理的，内部的生物系统也会这样做，但我们需要做更多的机制研究来真正验证这些假设。

可能影响啮齿动物在太空中不断变化的微生物组的一个非微重力因素是它们无法参与粪便，这是一种正常的啮齿动物行为，它们吃自己的粪便，这会将微生物重新引入肠道。然而，4.5周后从太空返回的啮齿动物能够在返回时进行粪便吞噬，这可能有助于它们的微生物组的恢复。

虽然这项研究揭示了微生物组在太空旅行过程中如何变化，但作者表示，需要做更多的工作来了解微生物组与骨密度之间的可能联系。他们计划继续在地球上进行研究。

如果我们能弄清楚哪些微生物支持维持骨密度，它可以帮助宇航员在太空中保持健康。研究人员表示，这些信息还可以帮助地球上因非重力相关原因而遭受骨质流失的人。“这可能会导致管理骨质减少或骨质疏松症等疾病的新工具，因此这不仅仅是太空中一个孤立的故事，”Shi说。

更多信息：JosephK.Bedree等人，特定宿主代谢物和肠道微生物组改变与太空飞行期间的骨质流失有关，Cell报告（年）。DOI：10./j.celrep..。