一、研究背景與科學問題

在太空探索中，微重力環境對宇航員免疫系統的影響一直是航天醫學的核心挑戰。既往研究表明，低地球軌道（LEO）飛行會導致 T 細胞功能受損、潛伏病毒再激活（如 EB 病毒、巨細胞病毒）以及先天免疫失衡，但具體分子機制仍不明確。

機械力作為免疫細胞功能的關鍵調控因素，其在微重力下的信號轉導異常可能是免疫失調的核心環節。本文利用 NASA 模擬器模擬微重力環境，結合單細胞轉錄組分析、空間飛行數據驗證及機器學習算法，系統解析了微重力對人類外周血單個核細胞（PBMCs）的影響，并篩選出潛在的免疫調節化合物。

二、研究方法與技術路線

模擬微重力模型：使用微重力系統對 PBMCs 進行 25 小時模擬微重力（uG）處理，對照組為 1G 靜態培養，部分樣本用 TLR7/8 激動劑 R848 刺激以模擬病毒感染。

單細胞測序與分析：通過 10X Genomics 平臺構建 55,648 個細胞的單細胞圖譜，鑒定細胞類型聚類及差異表達基因（DEGs），結合軌跡分析揭示細胞狀態轉變。

多維度驗證： bulk RNA-seq 驗證：對 6 名年輕 donors 的 PBMCs 進行模擬微重力處理，驗證單細胞結果的基因表達趨勢。

空間飛行數據比對：整合 ISS 小鼠脾臟數據（GLDS-420）、Inspiration-4（I4）載人飛行單細胞數據、JAXA 細胞游離表觀基因組數據及 NASA 雙胞胎研究數據。

超分辨率顯微成像：利用 Airyscan 技術觀察微重力對肌動蛋白骨架和線粒體形態的影響。

機器學習與藥物篩選：基于 Gene Compound Enrichment Analysis（GCEA）算法，從 200 萬 + 基因 - 化合物互作網絡中篩選靶向微重力免疫特征的化合物，并驗證槲皮素的逆轉效應。

三、核心研究結果

（一）模擬微重力對免疫細胞轉錄圖譜的重塑

細胞類型比例與基因表達變化： 未刺激狀態下，uG 導致 CD14 + 單核細胞和 CD4 + 效應記憶 T 細胞（TEM）比例增加，B 中間細胞和黏膜相關恒定 T 細胞（MAIT）減少。 全細胞分析顯示 4500 + 基因差異表達，核心 DEGs（375 個）包括急性反應基因（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。

通路富集分析：

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

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

（二）微重力誘導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）時鐘評分和衰老相關分泌表型（SenMayo）得分，提示微重力可誘導免疫細胞的衰老樣炎癥狀態。

潛伏病原體轉錄激活：元轉錄組分析顯示，25 小時 uG 暴露可誘導人類免疫細胞中分枝桿菌和逆轉錄病毒（如 γ- 逆轉錄病毒）的轉錄激活，直接關聯微重力與潛伏病毒再激活。

（三）TLR 刺激下的微重力免疫應答異常

細胞應答偏向性：uG+R848 刺激導致 CD4 + 中央記憶 T 細胞（TCM）擴增，但抑制 NK 細胞和 CD8+ TEM 細胞的激活，單核細胞對刺激的敏感性顯著增強。

基因表達特征： 誘導基因：CCL8、IL1B、IDO1（色氨酸分解）、SOD2（線粒體抗氧化）。

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、細胞毒性 T 細胞殺傷通路，同時增強 sirtuin 和 Rho GTPase 信號。

（四）從模擬到實際空間飛行的機制保守性

跨物種與飛行任務驗證：小鼠脾臟數據（GLDS-420）顯示 13.3% 的核心 DEGs 重疊，包括 ATG7（自噬）、HSP90AA1 和 STAT1 下調。 I4 任務單細胞數據中，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 信號和缺氧代謝。 雙胞胎研究中，太空飛行導致 CD4+ T 細胞 NOTCH3 甲基化升高、GBP5 下調，與模擬微重力結果一致。

細胞骨架與線粒體動態異常： 超分辨率成像顯示 uG 增加肌動蛋白突起長度、降低細胞球形度，并改變 TLR 刺激下的肌動蛋白顆粒度光譜。 G-LISA 檢測發現 uG 激活 Cdc42 GTPase，提示 Rho 家族信號異常是細胞骨架重塑的關鍵。

（五）槲皮素對微重力免疫損傷的逆轉效應

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

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

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

四、討論與機制闡釋

（一）微重力免疫失調的核心通路網絡

細胞骨架 - 干擾素軸異常：微重力通過激活 Cdc42 重塑肌動蛋白骨架，干擾 TLR 誘導的 IFN 信號傳導。例如，PKR 抗病毒通路依賴肌動蛋白解聚以激活 RIG-I 樣受體，而 uG 下的細胞骨架僵化可能阻斷這一過程，導致 GBP1 等抗病毒基因下調。

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

表觀遺傳與蛋白穩態異常：sirtuin 信號激活可能作為細胞應激的代償機制，但伴隨的熱休克蛋白（BAG2）信號增強也提示蛋白折疊壓力增加，這與太空飛行中觀察到的線粒體功能障礙一致。

（二）太空免疫醫學的轉化意義

潛伏病毒再激活機制：微重力下調 GBP1 等干擾素誘導基因，削弱巨噬細胞對分枝桿菌的清除能力，同時激活逆轉錄病毒轉錄，為宇航員皰疹病毒再激活提供分子解釋。

免疫監測標志物：RBM3（冷休克蛋白）作為跨數據集一致下調的基因，可能成為微重力暴露的潛在血液標志物。

對策開發前景：槲皮素作為天然黃酮醇，其多靶點作用（抗氧化、調節 Rho GTPase、激活核受體）使其成為理想的太空免疫保護劑，且已通過安全性驗證。

（三）研究局限性與未來方向

性別與個體差異：本研究發現男性 NK 細胞和單核細胞對微重力更敏感，而女性 B 細胞反應性更強，提示未來研究需納入更多性別分層分析。

多組學整合需求：結合 ATAC-seq 解析染色質可及性變化，或代謝組學追蹤微重力下的免疫代謝重編程，將深化對機制的理解。

五、結論與展望

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

這些發現不僅為 “太空免疫學” 提供了理論框架，還通過槲皮素等天然化合物的驗證，開辟了航天免疫保護的新途徑。未來研究需在深空飛行模型中進一步驗證這些機制，并開發基于多組學的個性化免疫監測方案，為載人火星任務奠定基礎。

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