作者:亚利桑那州立大学理查德·哈特 美国国家航空航天局航天飞机STS-131飞行期间人肠道上皮细胞受鼠伤寒沙门氏菌感染
学分:亚利桑那州立大学生物设计研究所的希琳·杜林 由于航天飞行的特殊条件，宇航员的健康面临许多挑战
其中包括各种传染性微生物，它们可以攻击被抑制的免疫系统
现在，谢丽尔·尼克森(Cheryl Nickerson)、主要作者珍妮弗·巴里拉(Jennifer Barrila)和他们的同事在第一项同类研究中描述了太空飞行期间肠道病原体鼠伤寒沙门氏菌对人类细胞的感染
他们展示了太空飞行的微重力环境如何改变人类肠道细胞的分子轮廓，以及这些表达模式如何随着感染而进一步改变
在另一项研究中，研究人员还能够在感染的宿主细胞内检测到细菌病原体的分子变化
这些结果为感染过程提供了新的见解，并可能导致在太空飞行和地球上不太陌生的条件下对抗入侵病原体的新方法
他们努力的结果发表在自然出版集团杂志npj微重力的最新一期上
任务控制 在这项研究中，人类肠道上皮细胞在航天飞机任务STS-131上进行培养，其中一部分培养物要么被沙门氏菌感染，要么作为未感染的对照
新的研究发现，与地面对照样品相比，人类细胞中的核糖核酸和蛋白质表达以及细菌细胞中的核糖核酸表达发生了全球性的变化，这加强了该小组先前的发现，即太空飞行会增加传染病的可能性
尼克森和巴里拉是基础和应用微生物学生物设计中心的研究人员，他们和他们的同事一直在利用航天飞行作为一种独特的实验工具，研究物理力的变化，如微重力环境下的变化，如何改变感染过程中宿主和病原体的反应
尼克森也是亚利桑那州立大学生命科学学院的教授
在早期一系列开创性的太空飞行和地面太空飞行模拟研究中，尼克森的团队证明了太空飞行环境可以强化致病生物(如沙门氏菌)的致病特性或毒力，这是在实验室常规条件下培养相同生物时无法观察到的
这些研究为毒力增强的潜在机制以及如何驯服或智取毒力提供了线索
然而，这些研究是在太空飞行中只有沙门氏菌生长时进行的，而感染是在细菌返回地球时进行的
尼克森在谈到这项新研究时说:“我们感谢美国宇航局为我们的团队提供了研究航天飞行中整个感染过程的机会，这为传染病的机械生物学提供了新的见解，可用于保护宇航员健康和减轻传染病风险。”
“随着我们过渡到距离我们星球更远的更长的人类探索任务，这变得越来越重要
" 探查熟悉的对手 已知感染人类的沙门氏菌继续肆虐社会，自古以来就是如此，导致大约1
根据疾病控制中心的数据，美国每年有3500万食源性感染，26500人住院，420人死亡
病原体通过摄入受污染的食物和水进入人体，附着并侵入肠道组织
感染过程是宿主和微生物之间的动态舞蹈，其节奏由组织环境中存在的生物和物理线索决定
尽管进行了几十年的深入研究，科学家们仍有许多关于人类细胞致病感染的微妙之处需要了解
像沙门氏菌这样的侵入性细菌已经进化出了对付人类防御的复杂对策，允许它们在人类胃和肠的恶劣条件下繁殖，以悄悄地躲避免疫系统，使它们成为高效的疾病媒介
这个问题是宇航员在太空飞行任务中特别关心的医学问题
太空旅行的严酷改变了它们的免疫系统和胃肠功能，而低重力和太空飞行环境的其他变量的影响会加剧搭便车的微生物(如沙门氏菌)的致病特性
这些因素的结合给在地球上空数百英里工作的太空旅行者带来了独特的风险——远离医院和适当的医疗保健
随着技术的进步，预计太空旅行将变得更加频繁——为了太空探索、生命科学研究，甚至作为一种休闲活动(对于那些负担得起的人来说)
此外，美国国家航空航天局(NASA)以及太空探索公司(SpaceX)也即将展开载人航天任务，包括月球和火星之旅
未能遏制细菌感染可能会带来可怕的后果
隐藏和Seq 在目前的研究中，人类肠道上皮细胞是侵入性沙门氏菌的主要目标，在航天飞行期间感染了沙门氏菌
研究人员热衷于研究太空飞行环境如何影响人类和细菌的脱氧核糖核酸转录成核糖核酸，以及由核糖核酸编码产生的一套人类蛋白质的表达，核糖核酸编码是翻译过程的产物
该研究包括密切检查致病沙门氏菌及其攻击的人类细胞的转录谱，以及人类细胞的蛋白质表达谱，以评估航天环境对宿主-病原体动态的影响
为了实现这一目标，研究人员使用了一种被称为双RNA-Seq的革命性方法，该方法应用了深度测序技术，使他们能够评估感染过程中微重力下的宿主和病原体行为，并允许与该小组先前在航天飞机上进行的实验进行比较。
将从航天实验中获得的宿主和病原体数据与细胞在地球上以相同的硬件和培养条件(例如
g
、介质、温度)
地球和天空 尼克森和她的同事的早期研究表明，沙门氏菌的地面航天模拟培养物在转录和蛋白质组(蛋白质)表达方面表现出全球性的变化，毒力增强，抗逆性增强——这些发现与他们在STS-115和STS-123航天飞机任务中的实验结果相似
然而，这些以前的太空飞行研究是在太空飞行中只培养沙门氏菌时进行的，而感染是在细菌返回地球时进行的
相比之下，这项新研究首次探索了太空飞行期间人类细胞和病原体的共培养，为感染过程提供了一个独特的窗口
这项名为STL-IMPER的实验是STS-131运载的空间组织损失有效载荷的一部分，STS-131是航天飞机退役前的最后四项任务之一。
人类的肠上皮细胞被发射到空间(或保存在肯尼迪航天中心的实验室中用于地面控制)的三维组织培养系统中，该系统被称为中空纤维生物反应器
中空纤维生物反应器中的每一个都包含数百个微小的、多孔的秸秆状纤维，这些纤维涂有胶原蛋白，肠道细胞在这些纤维上附着并生长
这些生物反应器被保存在细胞培养模块中，这是一个自动化的硬件系统，通过微小的纤维泵送温暖的含氧细胞培养基，以保持细胞健康生长，直到它们准备好感染沙门氏菌
一旦进入轨道，STS-131上的宇航员就启动了硬件
11天后，S
鼠伤寒杆菌细胞被自动注射到中空纤维生物反应器的一个子集，在那里它们遇到了它们的目标——一层人类上皮细胞
RNA-Seq和蛋白质组图谱显示，太空中未感染的肠上皮培养物与地球上的肠上皮培养物之间存在显著差异
这些变化涉及对细胞结构重要的主要蛋白质以及对维持肠上皮屏障、细胞分化、增殖、伤口愈合和癌症重要的基因
根据其特征，与地面对照培养物相比，暴露于航天飞行的未感染细胞可能显示出降低的增殖能力
远离家乡的感染 人肠上皮细胞是先天免疫功能的重要哨兵
实验结果表明，航天飞行可以引起人类上皮细胞转录组和蛋白质组的整体变化，包括感染和未感染
在航天飞行期间，肠道细胞中的27个核糖核酸转录物因感染而发生了独特的改变，再次确立了航天环境对宿主-病原体相互作用的独特影响
研究人员还观察到35个转录本，这些转录本在天基和地基细胞中都经常发生改变，其中28个基因在同一方向受到调控
这些发现证实，至少一部分已知发生在地球上的感染生物特征也发生在航天飞行期间
与未感染的对照组相比，两种环境中的感染细胞都表现出与炎症相关的基因调控，这是沙门氏菌感染的特征性效应
在感染的宿主细胞中也同时检测到细菌转录物，表明与发病机制相关的基因上调，包括抗生素抗性和应激反应
这些发现有助于为更好地保护宇航员健康铺平道路，也许是通过使用营养补充剂或益生菌
正在进行的这类研究将在国际空间站和其他空间栖息地进行，这些研究将进一步阐明与致病性感染有关的许多秘密以及致病性感染所导致的一系列人类疾病
巴里拉说:“在我们开始这项研究之前，我们有大量的数据表明，航天飞行在各个层面上完全重新编程了沙门氏菌，使之成为更好的病原体。”
“另外，我们知道航天飞行也影响了人类细胞的几个重要结构和功能特征，沙门氏菌通常在地球上感染时利用这些特征
然而，没有数据显示当两种细胞类型在感染期间在微重力环境下相遇时会发生什么
我们的研究表明，由于航天飞行，肠上皮的分子结构发生了一些很大的变化，这种全球结构在沙门氏菌感染期间似乎会进一步改变
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