王雅娟(綜述)，劉長(zhǎng)庭(審校)

隨著人類對(duì)太空的涉足，有關(guān)空間生命科學(xué)的研究越來越深入。在人體表面、呼吸道和胃腸道均寄居著大量與人類健康息息相關(guān)的細(xì)菌。研究發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下，一些條件致病菌的毒力和致病性增加[1]，可對(duì)宇航員的健康產(chǎn)生威脅。

目前，有關(guān)微重力環(huán)境下細(xì)菌致病性變化的研究越來越受到重視。由于受航天飛行時(shí)間、條件等因素所限，航天飛行器搭載實(shí)驗(yàn)實(shí)施較困難，為了在地面模擬微重力環(huán)境，美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)發(fā)明了生物反應(yīng)器(rotating wall vessel bioreactor，RWV)。RWV是一種垂直低速旋轉(zhuǎn)(10～60r/min)、充滿液體的圓柱形懸浮培養(yǎng)容器，在旋轉(zhuǎn)過程中重力向量呈隨機(jī)化分布，可模擬10－2g的微重力狀態(tài)[2]，而其水平旋轉(zhuǎn)時(shí)則是正常重力狀態(tài)。基于這一原理，NASA又發(fā)明了高截面縱橫比容器(high aspect ratio vessel，HARV)。目前二者均已廣泛用于模擬微重力實(shí)驗(yàn)[3-4]。本文綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)闡述微重力環(huán)境下細(xì)菌致病性的變化及其可能機(jī)制，為解決未來太空飛行及空間站上航天員的健康維護(hù)及抗感染治療提供新的思路和線索。

1 微重力對(duì)細(xì)菌毒力和致病性的影響

由于空間站上最大的微生物庫(kù)是宇航員的腸內(nèi)常駐菌群，有關(guān)微重力對(duì)細(xì)菌毒力和致病性影響的研究多集中在沙門菌和大腸埃希菌。在模擬微重力暴露下，沙門菌感染后第6天小鼠的生存率與對(duì)照組相比明顯降低，感染后第10天其生存率僅20%，而對(duì)照組為60%[5]。另一項(xiàng)研究利用尾吊法使小鼠處于微重力狀態(tài)，經(jīng)口灌注濃度為1×107cfu/ml模擬微重力暴露后的鼠傷寒沙門菌，灌注后第3天的死亡率由原來的60%上升至100%。該研究還發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力暴露后大腸埃希菌感染的小鼠巨噬細(xì)胞以及模擬微重力暴露后鼠傷寒沙門菌感染的小鼠上皮細(xì)胞中，腫瘤壞死因子α(TNF-α)的分泌增加，ELISA法檢測(cè)顯示，大腸埃希菌感染巨噬細(xì)胞后感染4h，常重力對(duì)照組TNF-α濃度3.8ng/ml，而微重力實(shí)驗(yàn)組為9.5ng/ml。進(jìn)一步將大腸埃希菌和巨噬細(xì)胞在模擬微重力條件下共培養(yǎng)4h，其上清液TNF-α的濃度高達(dá)35ng/ml。同樣，鼠傷寒沙門菌感染小鼠上皮細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，模擬微重力組的TNF-α轉(zhuǎn)錄較正常對(duì)照組上升了12倍[6]。2006年，亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)空間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與地面對(duì)照組比較，航天飛機(jī)搭載的沙門菌感染小鼠死亡時(shí)間提前，死亡率增高，半數(shù)致死劑量(LD50)降低，這一結(jié)論與既往地面模擬實(shí)驗(yàn)一致[7]。Orihuela等[8]研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力暴露后肺炎鏈球菌對(duì)細(xì)胞的黏附能力增加，同時(shí)一種黏附蛋白及其相關(guān)轉(zhuǎn)移蛋白的表達(dá)量也有升高。Aviles等[9]使用大鼠尾吊模型進(jìn)行模擬微重力研究，通過口腔灌注銅綠假單胞菌，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下大鼠對(duì)該致病菌的易感性增加，使用肺炎克雷白桿菌采用同樣的模擬微重力方式也獲得了相似結(jié)果。

為進(jìn)一步探討微重力致細(xì)菌毒力增強(qiáng)的機(jī)制，Chopra等[6]采用微陣列分析進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)模擬微重力處理后鼠傷寒沙門菌的22個(gè)基因發(fā)生了變化，其中上調(diào)的基因有9個(gè)，主要是環(huán)境壓力調(diào)節(jié)基因，而13個(gè)下調(diào)的基因包括多種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和細(xì)菌毒力基因。他們利用雙向凝膠電泳法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒性大腸埃希菌和鼠傷寒沙門菌的蛋白表達(dá)譜均發(fā)生明顯變化，并應(yīng)用Northern blotting進(jìn)一步證實(shí)產(chǎn)毒性大腸埃希菌編碼毒力因子LT-1的基因發(fā)生了上調(diào)。Wilson等[10]在細(xì)菌mRNA水平的研究發(fā)現(xiàn)，與鼠傷寒沙門菌細(xì)菌毒力相關(guān)的基因(orgA、prgH、sipD、invI、invA、pigB、sseB、ssaL、ssaV、sseJ)在微重力環(huán)境干預(yù)后發(fā)生下調(diào)，上述基因編碼沙門菌Ⅲ型分泌系統(tǒng)(type three secretion systems/injectisomes，TTSSs)，TTSSs與許多革蘭陰性桿菌毒力因子的分泌有關(guān)，革蘭陰性桿菌通過這些毒力因子感染人類、動(dòng)物、昆蟲和植物[11]。顯然，這些基因的下調(diào)與前述微重力致細(xì)菌毒力增加的結(jié)論相矛盾，但其中機(jī)制尚有待探明。此外針對(duì)革蘭陽(yáng)性呼吸道細(xì)菌肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)錄的研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力刺激相關(guān)的基因主要呈下調(diào)反應(yīng)[12-13]，這與前述的革蘭陰性腸道細(xì)菌研究結(jié)果并不一致。由上述研究可見，微重力對(duì)細(xì)菌來說是一個(gè)獨(dú)立的刺激因子，可引起廣泛的基因組、轉(zhuǎn)錄組以及蛋白組變化，但其機(jī)制尚不明確。幸運(yùn)的是，在亞特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)STS-115空間實(shí)驗(yàn)中，空間環(huán)境致沙門菌毒力增加的機(jī)制研究有所進(jìn)展，Wilson等[14]發(fā)現(xiàn)與地面對(duì)照組比較，STS-115攜帶的沙門菌有167種基因表達(dá)發(fā)生變化，其中69種表達(dá)增加，98種表達(dá)下調(diào)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，調(diào)控蛋白Hfq在微重力所致細(xì)菌侵襲性增加及巨噬細(xì)胞存活能力提高中起著重要作用。Hfq是一種RNA結(jié)合蛋白，通過與sRNA和mRNA結(jié)合發(fā)揮調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的作用[7]。此外，這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中的無機(jī)鹽可抵抗微重力所致的鼠傷寒沙門菌毒力增加，在STS-115搭載過程中，鼠傷寒沙門菌分別在LB肉湯培養(yǎng)基和M9普通培養(yǎng)基(含有較高濃度的無機(jī)鹽，其中無機(jī)磷酸鹽比LB培養(yǎng)基高61倍)生長(zhǎng)。結(jié)果顯示，經(jīng)航天搭載后，M9普通培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的沙門菌毒力并未增加，小鼠的LD50較地面對(duì)照組并未降低。地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)提示，無機(jī)磷酸鹽與產(chǎn)生這一現(xiàn)象的關(guān)系較大[14]。Hfq的作用在銅綠假單胞菌菌株P(guān)AO1的研究中也得到證實(shí)[15]。Crabbè等[16]的研究表明，PAO1經(jīng)航天搭載后，167個(gè)mRNA基因和28種蛋白發(fā)生變化，Hfq即是主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子之一。該研究還發(fā)現(xiàn)PAO1毒力相關(guān)基因——凝集素基因lecA、lecB以及鼠李糖基轉(zhuǎn)移酶基因rhlA均發(fā)生明顯上調(diào)，后者可促進(jìn)鼠李糖脂的生成。

2 微重力對(duì)細(xì)菌生物被膜形成的影響

細(xì)菌生物被膜(或稱細(xì)菌生物膜，bacterial biofilm，BF)是指細(xì)菌黏附于接觸表面，分泌多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂質(zhì)蛋白等，這些物質(zhì)將細(xì)菌包繞其中而形成的大量細(xì)菌聚集膜樣物[15]。多糖基質(zhì)除了多糖蛋白復(fù)合物，也包括周邊沉淀的有機(jī)物和無機(jī)物等。生物被膜的形成受RpoS基因編碼產(chǎn)物σS(RpoS蛋白)的調(diào)控[17-18]。σS是細(xì)菌RNA聚合酶的一個(gè)特別亞基，具有識(shí)別特定啟動(dòng)子的能力，RpoS基因的激活可啟動(dòng)一系列下游基因表達(dá)，使細(xì)菌適應(yīng)惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境，從而穩(wěn)定生長(zhǎng)。生物被膜不僅可提高細(xì)菌對(duì)抗生素以及滲透壓、酸堿性、過氧化等環(huán)境刺激的抵抗，而且在病變組織表面形成生物被膜可造成慢性持續(xù)性感染，因其可不斷釋放游離菌，同時(shí)生物被膜的主要成分藻酸鹽可導(dǎo)致周圍組織的變態(tài)反應(yīng)，造成組織損傷[19]。

研究發(fā)現(xiàn)，在航天飛船上，細(xì)菌可生成更厚更穩(wěn)定的生物被膜[20]。Lynch等[21]通過大腸埃希菌的模擬微重力實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一變化。為進(jìn)一步研究其機(jī)制，研究人員敲除了大腸埃希菌的RpoS基因，發(fā)現(xiàn)該突變株在模擬微重力條件下生物被膜形成下降。因細(xì)菌生物被膜與細(xì)菌對(duì)環(huán)境的抵抗以及耐藥性有關(guān)，該研究也發(fā)現(xiàn)模擬微重力暴露后的大腸埃希菌對(duì)氯霉素、青霉素、鹽以及乙醇的抵抗力均有所增加。在模擬微重力條件下其RpoS缺失突變株對(duì)乙醇、鹽的抵抗力也相應(yīng)下降，但對(duì)抗生素的抵抗力卻沒有變化，這一結(jié)果提示模擬微重力對(duì)細(xì)菌生物被膜和耐藥性的影響可能通過兩種不同的途徑發(fā)揮作用[21]。銅綠假單胞菌也同樣被用來研究失重狀態(tài)下生物被膜的形成，與大腸埃希菌相似，模擬失重暴露后的銅綠假單胞菌也形成更厚更穩(wěn)定的生物被膜。模擬失重并不是直接通過誘導(dǎo)N-乙酰高絲氨酸內(nèi)酯增加細(xì)菌毒力，而是通過啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生超強(qiáng)毒性的銅綠假單胞菌[15]。

細(xì)菌生物被膜除了與人的感染性疾病有關(guān)，還能對(duì)金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用，在航天活動(dòng)中可能腐蝕航天飛船或空間站的設(shè)備，因此研究空間環(huán)境對(duì)細(xì)菌生物被膜的影響至關(guān)重要。Mauclaire等[22]研究了兩株從國(guó)際空間站上獲得的藤黃微球菌菌株(LT100和LT110)，應(yīng)用微量BCA蛋白試劑盒以及苯酚-硫酸比色法測(cè)定了其蛋白和多糖的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與地面菌株比較空間菌株LT110可產(chǎn)生更多的膠質(zhì)碳水化合物，而LT100可產(chǎn)生更多的膠質(zhì)蛋白，但同時(shí)還發(fā)現(xiàn)與在常重力條件下培養(yǎng)的菌株比較，在模擬微重力條件下培養(yǎng)的上述兩株空間菌株以及地面對(duì)照株胞外多聚物質(zhì)(EPS)生成均有所下降。因此，微重力對(duì)細(xì)菌生物被膜的影響并不單一，可能與細(xì)菌種類有關(guān)。雖然微重力是航天活動(dòng)中空間環(huán)境的主要因素，但對(duì)細(xì)菌生物被膜的影響可能還是多種因素共同作用的結(jié)果。

3 微重力對(duì)細(xì)菌環(huán)境抵抗力及耐藥性的影響

與地面常重力下生長(zhǎng)的沙門菌相比，失重條件下生長(zhǎng)的沙門菌表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境刺激(如酸、熱、滲透)更強(qiáng)的抵抗力。針對(duì)酸性環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)，失重條件下生長(zhǎng)的沙門菌抵抗力增強(qiáng)的機(jī)制并不依賴于RpoS的調(diào)節(jié)，但編碼鐵攝取調(diào)節(jié)蛋白(ferric iron uptake regulator，F(xiàn)ur)的基因及其相關(guān)基因(fepD、sufC、sufS和feoB)卻在模擬失重條件下發(fā)生變化，表明這些基因除了調(diào)控大腸埃希菌和沙門菌的鐵代謝，也參與調(diào)控其他生理過程(如耐酸)。研究還發(fā)現(xiàn)微重力暴露后的Fur突變菌株對(duì)酸性刺激沒有抵抗力。因此，F(xiàn)ur在模擬微重力暴露后沙門菌耐酸性增強(qiáng)機(jī)制中起著重要作用[23]。

早在1982年7月，Tixador等[24-25]從“禮炮7”空間站上法國(guó)航天員J. L. Chrien攜帶的共生菌叢中分離出金黃色葡萄球菌和大腸埃希菌，他們發(fā)現(xiàn)多黏菌素E和卡那霉素對(duì)大腸埃希菌的最低抑菌濃度與地面對(duì)照組相比從4mg/L增加到16mg/L，可見空間環(huán)境中大腸埃希菌產(chǎn)生了明顯的耐藥。而且紅霉素、氯霉素和苯唑西林對(duì)金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度也呈現(xiàn)少量增加。即使在沒有抗生素存在的情況下，葡萄球菌在航天飛行中也出現(xiàn)了菌壁明顯增厚的現(xiàn)象，這種細(xì)菌形態(tài)的變化與地面上在多酚中生長(zhǎng)的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌[24]和耐萬古霉素金黃色葡萄球菌[26-28]非常相似。但細(xì)菌的這種耐藥性變化并不穩(wěn)定，在地面環(huán)境傳代培養(yǎng)，其抗生素敏感性和細(xì)菌形態(tài)還可恢復(fù)到飛行前狀態(tài)。1985年l1月在美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)和1992年1月在“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)上的實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了上述現(xiàn)象[29-30]。然而，微重力條件下不同細(xì)菌對(duì)抗生素耐藥性的變化并不一致。鮑曼不動(dòng)桿菌在低剪切力模擬微重力的環(huán)境中對(duì)多種抗生素的最低抑菌濃度(MICS)并沒有明顯升高[31]。

4 前景展望

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，人類遨游太空、探索星球不再是夢(mèng)想，但是太空環(huán)境復(fù)雜，如何保障航天員的健康至關(guān)重要。研究表明，太空飛行中航天員免疫功能下降[32-33]，細(xì)菌毒力增加，導(dǎo)致航天員發(fā)生感染的概率增加。

目前，多項(xiàng)研究表明微重力可增加多種細(xì)菌的毒力和致病性，且與相關(guān)的毒力基因、蛋白表達(dá)有關(guān)，但也發(fā)現(xiàn)了很多相互矛盾的現(xiàn)象[7,10]，例如模擬微重力暴露后沙門菌TTSSs系統(tǒng)下調(diào)，某些參與核糖核酸代謝的毒力基因(pnp和vacB，分別編碼兩種核糖核酸外切酶)的表達(dá)并沒有變化。因此，關(guān)于微重力致細(xì)菌毒力增加的機(jī)制仍不明確。迄今為止，比較深入的發(fā)現(xiàn)是微重力所致細(xì)菌基因的變化主要受RNA結(jié)合蛋白Hfq的調(diào)控。

此外，微重力對(duì)細(xì)菌的影響并非完全一致，不同細(xì)菌在微重力條件下的毒性、基因水平改變及抗生素耐藥性變化等都有所不同，例如Tucker等[34]發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌MG1655經(jīng)模擬微重力暴露后，并無特殊的微重力應(yīng)答基因表達(dá)，發(fā)生變化的基因與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，這一點(diǎn)不同于前述對(duì)沙門菌、致病性大腸埃希菌和產(chǎn)毒性大腸埃希菌的研究結(jié)果。目前對(duì)于致病菌的研究大多集中在腸道致病菌，銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌和鮑曼不動(dòng)桿菌也有少量的相關(guān)研究，但迄今為止，在“和平號(hào)”空間站(Mir)和國(guó)際空間站(International Space Station，ISS)上分離到的微生物遠(yuǎn)不止這些，除上述細(xì)菌外，還包括流感嗜血桿菌、嗜麥芽窄食單胞菌、陰溝腸桿菌、鏈球菌屬等可致病的革蘭陰性和陽(yáng)性菌[35]。因此有關(guān)微重力對(duì)航天員細(xì)菌感染的影響仍有諸多問題亟待解決：微重力環(huán)境下多種可致呼吸道和消化道感染的細(xì)菌的致病性、耐藥性等生理病理變化及其機(jī)制；微重力暴露后致病菌所致感染有何特點(diǎn)，宿主的反應(yīng)與常重力對(duì)照組有何不同；經(jīng)航天員或航天器攜帶返回地面的致病菌是否會(huì)對(duì)地面人群尤其是免疫力低下的人群產(chǎn)生嚴(yán)重危害等。此外，進(jìn)行微重力對(duì)細(xì)菌生物效應(yīng)影響的研究也有助于我們更好地理解重力對(duì)細(xì)菌的影響。

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