送往国际空间站的啮齿动物揭示微重力环境下肠道细菌与骨质流失之间的可能联系

宇航员的骨密度——包括人类和啮齿动物——在太空中都会降低。研究人员于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。在国际空间站呆了一个月或更长时间的啮齿动物已经改变了微生物组，并且微生物组更加多样化，而在太空中大量繁殖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，展示了微生物组和哺乳动物宿主之间的动态相互作用。肠道微生物组不断地监测和反应，当你暴露在微重力环境中时也是如此，”资深作者、微生物学家WenyuanShi说。ForsythInstitute首席执行官。“我们尚未确定微生物组的变化与观察到的微重力骨质流失之间是否存在因果关系，以及这是否仅仅是一种后果或一种积极的缓解补偿，但数据令人鼓舞，并为探索开辟了新途径”

我们的骨头不是静止的;即使我们已经完全长大，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。微生物也会因为自身的新陈代谢产生各种分子，其中一些代谢物会间接与负责骨重塑的细胞发生相互作用。

由于多种原因，我们预计微生物组会受到太空旅行的影响。“首先，有一些物理力量在起作用，例如微重力和宇宙辐射暴露，它们不仅影响细菌细胞，也影响人类细胞，”第一作者兼微生物学家JosephK.Bedree说，他开始了这项工作在加州大学洛杉矶分校，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。”

为了探索长时间暴露在微重力环境下微生物群落如何变化，并研究这些变化与骨密度之间可能存在的联系，研究人员将20只啮齿动物送往国际空间站。这些啮齿动物中有10只在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停留了总共九周。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。随着时间的推移，该团队对不同群体的微生物群落进行了表征和比较：发射前、返回地球后和研究结束时。他们还评估了整整九周暴露在微重力环境下的太空啮齿动物血清代谢物的变化。

“这是美国宇航局历史上第一次将啮齿动物活着送回地球，”施说。“这意味着我们能够收集有关太空变化的信息，然后在他们返回时监测他们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，但这些改变似乎不会在返回地球后持续存在”

当团队对太空和地面控制啮齿动物的肠道微生物群进行表征和比较时，他们发现太空啮齿动物的肠道微生物群更加多样化。两种类型的细菌——乳酸杆菌和Dorea菌种——在暴露于微重力的啮齿动物中更为丰富，而在太空中待9周而不是4.5周的啮齿动物中它们的丰度更高。这两种细菌的​​新陈代谢也可能导致检测到与微重力暴露相关的代谢物升高。

“当我们绘制乳杆菌和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。“当某人处于微重力环境中并经历骨质流失时，他们的身体会尝试进行补偿并且体内的生物系统也会这样做是有道理的，但我们需要进行更多的机制研究才能真正验证这些假设。”

一个可能影响啮齿动物在太空中不断变化的微生物组的非微重力因素是它们无法进行食粪行为，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食，这可能有助于它们微生物组的恢复。

虽然这项研究揭示了微生物组在太空旅行期间如何变化，但作者表示，还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。他们计划在地球上继续研究。

如果我们能弄清楚哪些微生物支持维持骨密度，就可以帮助宇航员在太空中保持健康。研究人员说，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们。Shi说：“这可能会导致出现治疗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的一个孤立故事。”

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