一、研究背景與科學(xué)問(wèn)題

在太空探索中，微重力環(huán)境對(duì)宇航員免疫系統(tǒng)的影響一直是航天醫(yī)學(xué)的核心挑戰(zhàn)。既往研究表明，低地球軌道（LEO）飛行會(huì)導(dǎo)致 T 細(xì)胞功能受損、潛伏病毒再激活（如 EB 病毒、巨細(xì)胞病毒）以及先天免疫失衡，但具體分子機(jī)制仍不明確。

機(jī)械力作為免疫細(xì)胞功能的關(guān)鍵調(diào)控因素，其在微重力下的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異?？赡苁敲庖呤д{(diào)的核心環(huán)節(jié)。本文利用 NASA 模擬器模擬微重力環(huán)境，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析、空間飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)解析了微重力對(duì)人類(lèi)外周血單個(gè)核細(xì)胞（PBMCs）的影響，并篩選出潛在的免疫調(diào)節(jié)化合物。

二、研究方法與技術(shù)路線(xiàn)

模擬微重力模型：使用微重力系統(tǒng)對(duì) PBMCs 進(jìn)行 25 小時(shí)模擬微重力（uG）處理，對(duì)照組為 1G 靜態(tài)培養(yǎng)，部分樣本用 TLR7/8 激動(dòng)劑 R848 刺激以模擬病毒感染。

單細(xì)胞測(cè)序與分析：通過(guò) 10X Genomics 平臺(tái)構(gòu)建 55,648 個(gè)細(xì)胞的單細(xì)胞圖譜，鑒定細(xì)胞類(lèi)型聚類(lèi)及差異表達(dá)基因（DEGs），結(jié)合軌跡分析揭示細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

多維度驗(yàn)證： bulk RNA-seq 驗(yàn)證：對(duì) 6 名年輕 donors 的 PBMCs 進(jìn)行模擬微重力處理，驗(yàn)證單細(xì)胞結(jié)果的基因表達(dá)趨勢(shì)。

空間飛行數(shù)據(jù)比對(duì)：整合 ISS 小鼠脾臟數(shù)據(jù)（GLDS-420）、Inspiration-4（I4）載人飛行單細(xì)胞數(shù)據(jù)、JAXA 細(xì)胞游離表觀基因組數(shù)據(jù)及 NASA 雙胞胎研究數(shù)據(jù)。

超分辨率顯微成像：利用 Airyscan 技術(shù)觀察微重力對(duì)肌動(dòng)蛋白骨架和線(xiàn)粒體形態(tài)的影響。

機(jī)器學(xué)習(xí)與藥物篩選：基于 Gene Compound Enrichment Analysis（GCEA）算法，從 200 萬(wàn) + 基因 - 化合物互作網(wǎng)絡(luò)中篩選靶向微重力免疫特征的化合物，并驗(yàn)證槲皮素的逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。

三、核心研究結(jié)果

（一）模擬微重力對(duì)免疫細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜的重塑

細(xì)胞類(lèi)型比例與基因表達(dá)變化： 未刺激狀態(tài)下，uG 導(dǎo)致 CD14 + 單核細(xì)胞和 CD4 + 效應(yīng)記憶 T 細(xì)胞（TEM）比例增加，B 中間細(xì)胞和黏膜相關(guān)恒定 T 細(xì)胞（MAIT）減少。 全細(xì)胞分析顯示 4500 + 基因差異表達(dá)，核心 DEGs（375 個(gè)）包括急性反應(yīng)基因（S100A8/A9）、熱休克蛋白（HSP90AB1）、趨化因子（CCL2/4）及干擾素通路基因（STAT1、GBP1）下調(diào)。

通路富集分析：

激活通路：急性相反應(yīng)、纖維化信號(hào)、RAC/HIF1α 信號(hào)、sirtuin 信號(hào)。

抑制通路：氧化磷酸化、干擾素信號(hào)（PKR 通路）、核受體（LXR/RXR、PPAR）、焦亡信號(hào)。 單核細(xì)胞、常規(guī)樹(shù)突狀細(xì)胞 2 型（cDC2）、雙陰性 T 細(xì)胞和 NK 細(xì)胞的通路變化最為顯著。

（二）微重力誘導(dǎo)的免疫衰老與病毒激活特征

炎癥衰老（inflammaging）模擬：uG 處理顯著升高炎癥年齡（iAge）時(shí)鐘評(píng)分和衰老相關(guān)分泌表型（SenMayo）得分，提示微重力可誘導(dǎo)免疫細(xì)胞的衰老樣炎癥狀態(tài)。

潛伏病原體轉(zhuǎn)錄激活：元轉(zhuǎn)錄組分析顯示，25 小時(shí) uG 暴露可誘導(dǎo)人類(lèi)免疫細(xì)胞中分枝桿菌和逆轉(zhuǎn)錄病毒（如 γ- 逆轉(zhuǎn)錄病毒）的轉(zhuǎn)錄激活，直接關(guān)聯(lián)微重力與潛伏病毒再激活。

（三）TLR 刺激下的微重力免疫應(yīng)答異常

細(xì)胞應(yīng)答偏向性：uG+R848 刺激導(dǎo)致 CD4 + 中央記憶 T 細(xì)胞（TCM）擴(kuò)增，但抑制 NK 細(xì)胞和 CD8+ TEM 細(xì)胞的激活，單核細(xì)胞對(duì)刺激的敏感性顯著增強(qiáng)。

基因表達(dá)特征： 誘導(dǎo)基因：CCL8、IL1B、IDO1（色氨酸分解）、SOD2（線(xiàn)粒體抗氧化）。

抑制基因：GBP1-5、IRF1、PRF1（穿孔素）、CD69（激活 marker）。

通路特異性抑制：uG 顯著削弱 JAK/STAT、焦亡、細(xì)胞毒性 T 細(xì)胞殺傷通路，同時(shí)增強(qiáng) sirtuin 和 Rho GTPase 信號(hào)。

（四）從模擬到實(shí)際空間飛行的機(jī)制保守性

跨物種與飛行任務(wù)驗(yàn)證：小鼠脾臟數(shù)據(jù)（GLDS-420）顯示 13.3% 的核心 DEGs 重疊，包括 ATG7（自噬）、HSP90AA1 和 STAT1 下調(diào)。 I4 任務(wù)單細(xì)胞數(shù)據(jù)中，56% 的 uG DEGs 在飛行后（R+1）顯著改變，涉及冠狀病毒致病通路、IL-6 信號(hào)和缺氧代謝。 雙胞胎研究中，太空飛行導(dǎo)致 CD4+ T 細(xì)胞 NOTCH3 甲基化升高、GBP5 下調(diào)，與模擬微重力結(jié)果一致。

細(xì)胞骨架與線(xiàn)粒體動(dòng)態(tài)異常： 超分辨率成像顯示 uG 增加肌動(dòng)蛋白突起長(zhǎng)度、降低細(xì)胞球形度，并改變 TLR 刺激下的肌動(dòng)蛋白顆粒度光譜。 G-LISA 檢測(cè)發(fā)現(xiàn) uG 激活 Cdc42 GTPase，提示 Rho 家族信號(hào)異常是細(xì)胞骨架重塑的關(guān)鍵。

（五）槲皮素對(duì)微重力免疫損傷的逆轉(zhuǎn)效應(yīng)

轉(zhuǎn)錄水平逆轉(zhuǎn)：50μM 槲皮素處理可逆轉(zhuǎn) 70% 的核心 DEGs（如 S100A8、CCL2 下調(diào)，GBP1 上調(diào)），GSEA 顯示其顯著反轉(zhuǎn)急性相反應(yīng)和干擾素通路的異常。

通路靶向性：槲皮素抑制 Rho GTPase 信號(hào)、纖維化通路和 IL-6 信號(hào)，同時(shí)恢復(fù)核受體（LXR/RXR）和 NUR77 T 細(xì)胞激活通路。

功能改善：降低衰老相關(guān)基因表達(dá)（iAge 和 SenMayo 評(píng)分）、減少活性氧（ROS）生成，并部分恢復(fù) IFN-γ 和 IL-1β 的分泌平衡。

四、討論與機(jī)制闡釋

（一）微重力免疫失調(diào)的核心通路網(wǎng)絡(luò)

細(xì)胞骨架 - 干擾素軸異常：微重力通過(guò)激活 Cdc42 重塑肌動(dòng)蛋白骨架，干擾 TLR 誘導(dǎo)的 IFN 信號(hào)傳導(dǎo)。例如，PKR 抗病毒通路依賴(lài)肌動(dòng)蛋白解聚以激活 RIG-I 樣受體，而 uG 下的細(xì)胞骨架僵化可能阻斷這一過(guò)程，導(dǎo)致 GBP1 等抗病毒基因下調(diào)。

代謝 - 炎癥耦合失衡：氧化磷酸化抑制與 HIF1α 激活驅(qū)動(dòng)糖酵解偏向，為單核細(xì)胞的促炎表型（如 IL-6、IL-1β 分泌）提供能量基礎(chǔ)，同時(shí)削弱 T 細(xì)胞的效應(yīng)功能。

表觀遺傳與蛋白穩(wěn)態(tài)異常：sirtuin 信號(hào)激活可能作為細(xì)胞應(yīng)激的代償機(jī)制，但伴隨的熱休克蛋白（BAG2）信號(hào)增強(qiáng)也提示蛋白折疊壓力增加，這與太空飛行中觀察到的線(xiàn)粒體功能障礙一致。

（二）太空免疫醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)化意義

潛伏病毒再激活機(jī)制：微重力下調(diào) GBP1 等干擾素誘導(dǎo)基因，削弱巨噬細(xì)胞對(duì)分枝桿菌的清除能力，同時(shí)激活逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)錄，為宇航員皰疹病毒再激活提供分子解釋。

免疫監(jiān)測(cè)標(biāo)志物：RBM3（冷休克蛋白）作為跨數(shù)據(jù)集一致下調(diào)的基因，可能成為微重力暴露的潛在血液標(biāo)志物。

對(duì)策開(kāi)發(fā)前景：槲皮素作為天然黃酮醇，其多靶點(diǎn)作用（抗氧化、調(diào)節(jié) Rho GTPase、激活核受體）使其成為理想的太空免疫保護(hù)劑，且已通過(guò)安全性驗(yàn)證。

（三）研究局限性與未來(lái)方向

性別與個(gè)體差異：本研究發(fā)現(xiàn)男性 NK 細(xì)胞和單核細(xì)胞對(duì)微重力更敏感，而女性 B 細(xì)胞反應(yīng)性更強(qiáng)，提示未來(lái)研究需納入更多性別分層分析。

多組學(xué)整合需求：結(jié)合 ATAC-seq 解析染色質(zhì)可及性變化，或代謝組學(xué)追蹤微重力下的免疫代謝重編程，將深化對(duì)機(jī)制的理解。

五、結(jié)論與展望

Nature Communications | (2024) 15:4795 本研究通過(guò)單細(xì)胞分辨率揭示了微重力免疫失調(diào)的保守特征，包括先天免疫激活 - 適應(yīng)性免疫抑制的雙相模式、細(xì)胞骨架 - 干擾素軸功能障礙及代謝重編程。

這些發(fā)現(xiàn)不僅為 “太空免疫學(xué)" 提供了理論框架，還通過(guò)槲皮素等天然化合物的驗(yàn)證，開(kāi)辟了航天免疫保護(hù)的新途徑。未來(lái)研究需在深空飛行模型中進(jìn)一步驗(yàn)證這些機(jī)制，并開(kāi)發(fā)基于多組學(xué)的個(gè)性化免疫監(jiān)測(cè)方案，為載人火星任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

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