上海百趣代谢组学技术研究中心携手中国航天员科研训练中心、山东大学齐鲁医学院口腔医学院在Gut期刊上发表了题为“Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-term isolation confinement”的研究成果，该研究加强了我们对人在长时间密闭环境下菌群和代谢稳态变化的了解，为未来实现更长时间的CELSS试验或太空飞行提供一定的支持和帮助。
文章标题：Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-term isolation confinement
发表期刊：Gut
影响因子：31.793
作者单位：中国航天员科研训练中心；山东大学齐鲁医学院口腔医学院；上海百趣代谢组学技术研究中心
方案设计长期在密闭环境中生活对人的身体健康（如免疫能力、听力、脑功能都能）和心理健康具有显著性影响，且多组学技术的快速发展为综合性评估和了解人体健康提供了更深入和广泛的支持。比如Flemer等发现将口腔和肠道微生物结合能够显著性提高结直肠癌的检测，Zhang等发现口腔和肠道中Haemophilus spp.在风湿性关节患者中含量低且与自身抗体负相关，Lactobacillus salivarius则刚好相反且与疾病严重程度具有一定相关。
据报道，居住地迁徙、细菌感染、无规律饮食、昼夜节律变化等各种外部因素都会影响菌群微生态的变化。口腔和肠道微生物组两者都有丰富的菌群结构，但是因为生理结构较远，两者间菌群分布和代谢状态不一，并且两者间展现出了一定的互作作用。动态性研究人在长时间密闭环境下的菌群和代谢变化在国际上比较稀缺，因此，研究长时间密闭环境下的人体口腔和肠道菌群微生态和代谢的动态变化就显得特别重要，这将为长时间载人航天飞行保持和改善人体健康提供一定的数据支持。
成果展示本研究共募集了4位模拟航天员进行180天的受控生态生命保障系统集成试验（Controlled Ecological Life Support System, CELSS），一共获取了18个时间的样本，如图1所示，主要包括进舱前、在舱中和出舱后3个部分，其中获取的唾液和粪便样本进行微生物检测，血浆、尿液和粪便样本进行代谢组学检测，通过将人的多个部位样本的代谢组学和宏基因组学结果进行联合分析，用于评估人体微生态系统和代谢稳态与密闭环境间的相互作用。
图1. Overview of the study design and sample collection (saliva (S), faeces (F) and plasma (P)) in the controlled ecological life support system. The experiment was divided into five stages: before going into the space capsule (Before), pre-Mars landing (M1), Mars landing (M2), leaving Mars and returning to Earth (M3) and landing on Earth and exiting the space capsule (After). ‘-’ means that a sample was not obtained from this person at this time point. See online supplementary file for more details.
如图2A-B所示，PD whole tree和PCOA分析表明人在‘space travel’（M1+M2+M3） 和 ‘Mars solar day’（M2）期间菌群多样性在粪便中是非显著性降低的，而在唾液中是非显著性增高的。门水平上，从‘Mars solar day’（M2）到出舱期间人的唾液和粪便中Bacteroidetes附随Firmicutes相互变化（图2C-D）。Firmicutes/Bacteroidetes比值被报道与肥胖可能有一定的关系，从图2E-I中可以发现，该比率随着时间不断变化。在属和种水平上，粪便和唾液中的菌群随着时间变化可分成不同的聚类（P<0.05）。如图2H所示，在粪便中，与抗炎作用相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现增强趋势，而与促炎作用相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现降低趋势。相关性分析表明粪便菌群和血浆中的phosphatidylcholine : phosphatidylethanolamine的互作变化在机体炎症的调节作用中可能发挥一定的作用（图2J-K）。在唾液中，与牙周炎发生相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现出增强趋势（图2I），且与唾液菌群相关的代谢物具有促进生物膜生成、牙槽骨丧失和系统性疾病发生的作用（图2L）。此外，还发现粪便和唾液样本中Streptococcus salivarius subsp. salivarius 和Streptococcus dentisani 是共同显著性差异菌群。
图2. 动态的微生态和代谢变化
总之，本研究发现人在CELSS居住180天，人体多部位的微生态和代谢出现了一定的动态变化。部分变化与疾病的潜在发生具有密切关系，且在整个过程中两个不同部位菌群的变化具有一定的稳定性，这与Turroni等的发现具有一定的一致性。该研究加强了我们对人在长时间密闭环境下菌群和代谢稳态变化的了解，为未来实现更长时间的CELSS试验或太空飞行提供一定的支持和帮助。
参考文献1. Feng Q, Lan X, Ji X, et al. Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-term isolation confinement. Gut. doi:10.1136/ gutjnl-2020-320666.
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