白 珀，劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

國外對微生物在空間艙內(nèi)環(huán)境下繁殖、代謝、異常變異等進行了長期且廣泛的研究[1]。近年來隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)也進行了該領(lǐng)域的探索及研究，如常德等[2-3]發(fā)現(xiàn)神舟八號飛船搭載的屎腸球菌基因重組介導蛋白dprA發(fā)生突變以及屎腸球菌LCT-EF18出現(xiàn)與代謝相關(guān)的多種蛋白差異表達?？臻g艙內(nèi)環(huán)境復雜，具有微重力等各種環(huán)境因素。在載人航天活動中，一些正常定植的細菌會隨著航天員或航空部件進入太空艙，并在太空艙內(nèi)形成微生物群。以上這些因素會對空間艙內(nèi)駐留人員及空間站攜帶細菌的生物學性狀及致病性產(chǎn)生影響[4]。而突變微生物返回地面后也可能會對我們所生活的環(huán)境造成一定的影響。因此空間飛行對細菌毒力、傳染性及耐藥性等生物學特性方面影響的研究對于我國載人航天事業(yè)顯得尤為重要。葡萄球菌屬(staphylococcus)是自然界最為常見的一類革蘭陽性球菌，根據(jù)生化特性和生產(chǎn)色素的不同分為金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和腐生葡萄球菌。葡萄球菌是人類正常定植菌，它們廣泛定植于人體皮膚和黏膜，有報道稱約20%的健康人群鼻黏膜定植有金黃色葡萄球菌[5]。同時作為條件致病菌，葡萄球菌又是化膿性疾病及敗血癥最常見的致病菌，其中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA)具有極高的耐藥性和極強的致病力，已經(jīng)成為院內(nèi)感染的重要致病菌[6-7]。對于航天員，葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌具有潛在威脅，因此空間飛行中葡萄球菌各項生物學指標變化是一項非常重要的研究課題。

1空間艙內(nèi)環(huán)境下葡萄球菌的分布

與地面環(huán)境不同，空間飛行中多種因素會對細菌的各項生物學特征產(chǎn)生影響，其中微重力是最有影響力的因素[8-9]。航天器內(nèi)的特殊封閉環(huán)境也導致了細菌流行病學分布發(fā)生很大的變化。Noviko[10]發(fā)現(xiàn)葡萄球菌是和平號空間站分離出的數(shù)量最為龐大的細菌。盡管航天器在發(fā)射前會進行嚴格消毒，但隨著人類的進入，微生物迅速出現(xiàn)定植。有研究證實這些菌株幾乎全部來自于航天員所攜帶進入太空艙的皮膚、黏膜定植菌[11]。由于微重力的原因，上呼吸道葡萄球菌菌群數(shù)量有所減少，但是條件致病菌的比例卻明顯增加；封閉的環(huán)境也導致了航天員之間交叉定植更為普遍[12]?？谇粍t是另一個與地面完全不同的葡萄球菌來源途徑，葡萄球菌引起的牙周炎對航天員的健康造成不利影響有所報道。葡萄球菌通過飛沫、接觸進行傳播并定植在航天器設(shè)備上，其中真空干燥器和高效微?？諝膺^濾器(HEPA)最為常見[13]。Reidt等[14]對國際空間站(ISS)俄羅斯部分航天器表面菌群的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄球菌屬細菌更傾向于首先定植于阻燃芳綸纖維等高分子材料。這就意味著航天員的皮膚是早期葡萄球菌污染和傳播的主要來源，并且這些污染微生物可以在嚴格的消毒過程中頑強地存活下來。此后這些定植菌可以與下一批宇航員進行交叉?zhèn)魅?，從而形成一個小的微生物菌落圈。隨著時間推移，微生物污染的程度和復雜性將會提高，雖然目前還沒有針對這些復雜微生物群落對航天員是否會造成不利影響的具體研究，但是這種潛在的危險必須引起重視。

2空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對葡萄球菌生物學特性的影響

2.1 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對葡萄球菌生長及形態(tài)學的影響 葡萄球菌在微重力影響下的生理變化并不顯著。Taylor和Rosado等[15-17]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力條件下對MRSA進行培養(yǎng)，24 h后在微重力條件下的菌株生長動力學變化很小，同時通過掃描電鏡和透射電鏡觀察到的金黃色葡萄球菌細胞形態(tài)無明顯變化。實驗數(shù)據(jù)顯示，在微重力條件下生長的金黃色葡萄球菌可能對環(huán)境壓力不產(chǎn)生反應(yīng)。關(guān)于微重力影響的累積數(shù)據(jù)表明，葡萄球菌顯示的生物膜/定植表型表達也有所降低。說明短時期的空間飛行對葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌形態(tài)和生長的影響有限。但是也有研究發(fā)現(xiàn)在沒有抗生素存在的情況下，空間飛行中生長的葡萄球菌細胞壁增厚，這種細菌形態(tài)的變化與地面上生長的耐萬古霉素金黃色葡萄球菌和在多酚中生長的MRSA非常相似。

2.2 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對葡萄球菌耐藥性的影響封閉、失重的空間艙內(nèi)環(huán)境會引起人體免疫抑制。因此作為機會致病菌的葡萄球菌對航天員會產(chǎn)生潛在威脅，并且這種威脅會隨著空間作業(yè)時間的延長而加大[18]?？臻g艙內(nèi)環(huán)境會造成葡萄球的不定向突變，從而進一步增加了這種威脅的不確定性。已有研究表明，在國際空間站上的葡萄球菌中發(fā)現(xiàn)了與地面原生菌相同的ermC、tetK、catpIP501、catLM和catpC194等耐藥基因，這些基因由質(zhì)粒攜帶，參與編碼大環(huán)內(nèi)酯、四環(huán)素和氯霉素的耐藥蛋白[19]。但與地面菌株不同的是，空間艙內(nèi)環(huán)境里的葡萄球菌中基因ermD和ermG也有了明顯的表達。ErmD基因以往只在桿菌屬中發(fā)現(xiàn)過[20]，而基因ermG雖然在地面葡萄球菌中發(fā)現(xiàn)，但是遠遠小于空間環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的數(shù)量[21-22]。Tixador等[23]通過對航天員的共生菌叢中分離出的金黃色葡萄球菌研究發(fā)現(xiàn)，與地面對照相比，苯唑西林、紅霉素和氯霉素對金黃色葡萄球菌的最低抑菌濃度有所增加。空間艙內(nèi)環(huán)境下葡萄球菌中數(shù)量最為龐大的表皮葡萄球菌也有類似的變化[13]。Fajardo-Cavazos和Nicholson[24]將表皮葡萄球菌按照空間飛行、地面和模擬微重力分為3組，其中空間飛行時間為122 h。空間飛行組中編碼利福平耐藥蛋白的rpoB基因突變頻率遠遠大于地面組和模擬重力組。但是模擬微重力組中突變的頻率基本與地面組相同，這提示了表皮葡萄球菌的耐藥突變或許是空間多因素共同作用導致。需要指出的是，葡萄球菌耐藥的變化并非都是一致的。謝瓊等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，微生物經(jīng)搭載后的耐藥性遺傳指標基本穩(wěn)定，如MRSA對頭孢他啶等35種抗生素的耐藥性沒有變化。而Rosado等[26]也發(fā)現(xiàn)模擬微重力條件下生長的金黃色葡萄球菌與對照組相比抗生素敏感性無明顯變化。

2.3 空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對葡萄球菌毒力的影響Hammond等[8]利用秀麗隱桿線蟲作為宿主對空間艙內(nèi)飛行后MRSA的毒力進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)MRSA地面組(幼年線蟲宿主)培養(yǎng)基的OD620是0.378±0.023，而空間飛行組則是0.303±0.039，為地面對照組的80%左右；地面組(成年線蟲宿主)OD620是0.479±0.023，而空間飛行組為0.333±0.065，為地面對照組的69%左右；這兩組數(shù)據(jù)均提示空間飛行后MRSA的繁殖能力有所降低，這種變化也從側(cè)面說明了空間飛行削弱了MRSA的毒力。Taylor和Rosado等[15-17]研究了模擬微重力對MRSA毒力的影響。在24 h培養(yǎng)期內(nèi)，3株臨床分離出的MRSA菌株產(chǎn)生了一種與金黃色葡萄球菌毒力相關(guān)的類胡蘿卜素色素的三萜類化合物，但是產(chǎn)量與正常重力細菌相比減少了7% ～ 20%[27]。同時總蛋白分泌量以及細胞外α、β、γ和δ溶血素較普通重力組也有明顯減少。3個菌株中都觀察到了vraX的急劇下調(diào)。VraX是一種編碼致密多肽(55氨基酸)的基因，含有一個假定的磷酸化位點，能夠參與細胞內(nèi)的調(diào)節(jié)過程并在細胞壁活性抗生素和其他表面相互作用分子的應(yīng)激反應(yīng)中顯著上調(diào)[28-29]。VraX下調(diào)以及微重力影響的累積數(shù)據(jù)表明，金黃色葡萄球菌的生物膜/定植表型毒力特性會在微重力作用下明顯降低。Rosado等[26]還發(fā)現(xiàn)在微重力作用下金黃色葡萄球菌溶血素及葡萄金黃色素(Staphyloxanthin)表達減少；通過基因芯片分析表明，hla(編碼α溶素)基因和saeR/saeS調(diào)節(jié)系統(tǒng)表達下調(diào)。Castro等[30]也證實了MRSA在低切力條件下生長時，顯示出生長較慢和毒性被抑制的特征，包括對于氧化應(yīng)激的易感性增加和全血存活率降低。

3空間艙內(nèi)環(huán)境及模擬微重力對葡萄球菌基因表達的影響

郭軍等[31]對在空間飛行和模擬微重力條件下生長的MRSA基因表達進行研究發(fā)現(xiàn)，空間飛行組、模擬微重力組以及地面組顯示了幾乎相同的突變頻率。3種菌株共發(fā)現(xiàn)39個菌株特異性的序列結(jié)構(gòu)變異，這些變異并不是隨機分布在全基因組，而是顯示了一些聚集的現(xiàn)象。其中23個序列結(jié)構(gòu)變異分布在基因間區(qū)，而這個基因間區(qū)僅覆蓋了17%的基因組。16個序列結(jié)構(gòu)變異分布在9個基因的蛋白編碼區(qū)，其中推測編碼轉(zhuǎn)座酶的F4L001784基因擁有5個序列結(jié)構(gòu)變異，而其他擁有變異的基因分別編碼DNA甲基化酶和Mul連接酶。以上這些均提示這些突變可能在錯配修復、DNA復制調(diào)速和細胞壁肽聚糖合成方面起著重要的作用。值得注意的是，空間飛行條件下的空間飛行組菌株中有9種序列結(jié)構(gòu)變異，而其他兩組都沒有這種變化，而且獨特的序列結(jié)構(gòu)變異數(shù)量也遠遠多于另外兩組(模擬微重力5組、地面4組)。在空間飛行組中發(fā)現(xiàn)了9個潛在的基因缺失區(qū)域(DRs)和2個潛在的插入?yún)^(qū)域(IRs)。其中DR1(F4GL000753)和DR4(未命名)是空間組獨有，而DR6(未命名)和DR9(F4GL002699)是空間組和地面模擬組共同擁有，但是這4組DR所包含的基因功能尚屬未知。此外還發(fā)現(xiàn)了可能是重復序列導致的F4GL002038和F4GL002044這兩組IRs。通過上述研究發(fā)現(xiàn)、空間飛行組比其他菌株更為脆弱。而編碼耐藥性及毒力基因在空間飛行組均未發(fā)現(xiàn)有異于其他兩組的獨特突變。

4結(jié)語

空間飛行對葡萄球菌影響的研究相對較少，因為在短期空間飛行中，葡萄球菌尤其是金黃色葡萄球菌的變異較少，而毒力方面甚至有所下調(diào)，因此有學者認為葡萄球菌在短期空間飛行中的潛在致病性并不大，更多的是與航天員成為一種共生關(guān)系。然而作為條件致病菌，金黃色葡萄球菌導致的感染和敗血癥即使在醫(yī)療條件完備的地面環(huán)境中都是難以輕易治愈的疾病，一旦在空間艙內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)類似病例，將是一場災(zāi)難。因此，在空間艙內(nèi)環(huán)境下我們不應(yīng)該對任何一種有潛在致病性的細菌掉以輕心。而短期的人-菌共生關(guān)系會對人體造成什么樣的影響以及長期空間飛行后葡萄球菌生物學特性會有什么變化都是未來值得研究和探索的領(lǐng)域。