长期密闭空间作业对人体肠道菌群与血清代谢组的动态影响及机制研究

《Human Nutrition & Metabolism》：Effects of prolonged confined space operations on human gut microbiota and serum metabolome

本研究针对长期密闭环境作业引发的心理生理应激如何破坏肠道菌群稳态并影响机体健康这一关键问题，通过整合16S rRNA测序、LC-MS非靶向代谢组学和Olink靶向蛋白组学技术，动态监测了9名健康志愿者在28天密闭作业期间肠道微生物群落结构、血清代谢谱及炎症因子表达的变化。研究发现密闭环境可诱导肠道菌群结构重塑（厚壁菌门富集、拟杆菌门减少），并引发血清代谢物的动态重编程，表现为早期（第14天）氨基酸生物合成通路上调，后期（第28天）固醇激素和脂肪酸生物合成通路激活，同时炎症因子IL-2和CCL23表达显著升高。该研究揭示了密闭环境下微生物代谢功能与宿主炎症反应的时间适应性规律，为相关从业人员的健康防护提供了重要理论依据。

　　

随着载人航天、潜艇作业、可重复亚轨道系统及太空旅游领域的飞速发展，人类在密闭环境中工作与生活的时间显著增加。这些密闭空间不仅限制了身体活动和视野范围，还缺乏自然光刺激。单调的光照环境削弱了人体对昼夜节律的感知，可能导致时间定向障碍、睡眠紊乱以及疲劳恢复受损，最终诱发慢性应激。研究表明，这种由封闭环境引发的应激会触发全身性炎症反应，增加感染易感性，延缓伤口愈合，并加剧过敏、哮喘等免疫系统疾病。与此同时，应激还会扰乱胃肠功能，包括胃酸分泌、肠道蠕动以及黏膜屏障完整性。因此，维持密闭环境作业人员的健康状态，对于保障任务执行效率至关重要。

在众多影响健康的潜在通路中，肠道菌群因其对环境变化的高度敏感性以及对宿主生理功能的 pivotal（关键的）调控作用，已成为一个重要的研究焦点。肠道菌群的稳态是健康的关键指标，其失衡与糖尿病、肥胖、神经退行性疾病等多种疾病密切相关。此外，肠道菌群通过其代谢产物深刻影响着血液代谢物的构成。然而，对于密闭环境相关疾病的发生机制、长期暴露下微生物功能变化的深层次规律，以及其对血清代谢组的系统性影响，目前仍存在认知空白。

为了解答这些问题，一篇发表在《Human Nutrition》上的研究进行了一项为期28天的人工密闭实验。该研究创新性地整合了16S rRNA基因测序和非靶向代谢组学技术，旨在系统阐明密闭环境如何通过扰乱作业人员肠道菌群稳态、改变血清代谢谱，进而对健康产生负面影响的内在机制。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术：首先，研究招募了9名健康男性志愿者，在进入密闭舱前（第0天）、进入后第14天和第28天分别采集粪便和血清样本。其次，利用16S rRNA测序技术（针对V3-V4可变区）对肠道微生物群落进行分析。第三，采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术进行血清非靶向代谢组学分析。最后，运用Olink靶向蛋白组学技术（Target 96 Inflammation panel）对血清中的炎症因子进行精准定量。这些技术的结合使得能够从微生物群落、代谢小分子和炎症蛋白多个层面进行动态、全面的评估。

样本收集

研究按计划收集了每位参与者在进入密闭舱前（f.0组）、第14天（f.14组）和第28天（f.28组）的粪便和血清样本。采用16S rRNA基因测序分析肠道菌群，并利用LC-MS技术进行血清非靶向代谢组学分析，为后续研究奠定了基础。

密闭空间作业对肠道菌群组成的影响

对16S rRNA基因V3-V4区的测序分析共识别出6,373个OTUs（操作分类单元）。在门（Phylum）水平上，丰度最高的10个门包括厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）等。动态变化显示，在进入舱内第14天，5/9的个体表现出变形菌门水平显著升高；到第28天，6/9的个体表现出厚壁菌门水平升高，而拟杆菌门水平持续下降。线性判别分析效应大小（LEfSe）显示，到第28天，普雷沃氏菌科中的Prevotellamassilia timonensis和Alloprevotella减少，而梭菌目（Clostridiales）物种增加。这些结果表明，密闭环境能够诱导微生物群落的结构调整，且在不同分类学水平上均表现出多样性差异。

密闭空间作业对微生物多样性的影响

为了评估不同密闭时间对肠道菌群多样性的影响，研究人员进行了Alpha多样性分析和LEfSe分析。Alpha多样性的七项指标（包括Observed species、Chao1、Shannon、Simpson等）在三个时间点组间均无显著差异。然而，LEfSe分析比较f.0组和f.28组发现，f.0组在Prevotellamassilia timonensis和Alloprevotella上得分最高，而f.28组在梭菌目（Clostridiales）上得分最高。这表明，尽管整体群落多样性保持稳定，但特定分类单元的相对丰度随着实验周期发生波动，提示长期密闭环境可能通过调控关键微生物群来影响群落结构。

密闭环境作业不同时间点的血清差异代谢物

通过血清非靶向代谢组学技术，研究从三组共27个样本中鉴定出2088种代谢物。根据VIP（变量重要性投影）> 1、P值 < 0.05以及变化倍数（Fold Change）≥ 2或≤ 0.5的标准筛选差异代谢物。结果显示，与f.0组相比，f.14组有86种差异代谢物上调，30种下调；f.28组有92种上调，63种下调。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）表明，f.0、f.14和f.28组之间的代谢谱存在显著差异，模型经过置换验证证实具有良好的稳定性和判别能力。火山图分析进一步揭示了在不同时间点特异性上调或下调的代谢物，如第14天丙氨酸-色氨酸（Ala-Trp）上调、没食子酸（Gallic acid）下调，第28天茄啶（Solanidine）、麦角硫因（Ergothioneine）上调等，证实了密闭作业时间对血清代谢物的影响。

密闭环境作业不同时间点血液差异代谢物的功能分析

通过KEGG（京都基因与基因组百科全书）富集分析，研究人员探索了代谢物变化的生物学功能。结果显示，与进入舱前（f.0）相比，第14天（f.14 vs. f.0）志愿者血清中氨基酸生物合成通路显著富集；而到第28天（f.28 vs. f.0），代谢变化转向以固醇激素生物合成通路为主。动态比较（f.28 vs. f.14）发现，脂肪酸生物合成通路在第28天显著富集。这些发现揭示了密闭环境影响人体代谢网络的时间性机制：早期以氨基酸代谢激活为主，后期则转向固醇激素和脂肪酸合成。

密闭环境影响作业人员血清炎症因子表达

利用Olink蛋白组学技术评估密闭环境不同时长对作业人员血清炎症因子表达的影响。分析发现，与f.0组相比，f.28组中两种炎症因子IL-2（白细胞介素-2）和CCL23（趋化因子配体23）的表达存在差异表达。IL-2和CCL23在f.28组的表达范围更广，中位数更高，数据变异性更大，组间差异具有统计学意义（P < 0.05）。这表明在密闭28天后，作业人员的炎症反应被激活。

归纳研究结论与讨论部分，本研究系统地揭示了长期密闭空间作业对人体肠道菌群和血清代谢组的动态影响及其潜在机制。主要结论包括：首先，密闭环境会破坏肠道菌群稳态，表现为厚壁菌门（Firmicutes）富集、拟杆菌门（Bacteroidetes）减少，以及Alloprevotella等有益菌的耗竭，尽管整体Alpha多样性未发生显著改变。其次，血清代谢组发生了动态重编程，呈现出时间依赖性特征：早期（第14天）以氨基酸生物合成通路激活为主，可能与肠道菌群重塑和能量供应调整有关；而后期（第28天）则转向固醇激素和脂肪酸生物合成通路占主导，反映了机体对慢性应激和营养失衡的补偿性适应。第三，随着密闭时间延长，血清中炎症因子IL-2和CCL23的表达显著上调，表明晚期出现了炎症反应的逐步激活。此外，特定代谢物的变化也具有重要指示意义，如麦角硫因（EGT）的持续增加可能增强了机体的抗氧化防御能力，而茄啶（Solanidine）的升高则提示可能存在药物代谢能力受损的风险。

这项研究的重要意义在于，它首次通过多组学整合分析，动态描绘了28天密闭环境下人体微生物-代谢-免疫轴的适应性变化图谱，揭示了“微生物群落结构重塑→血清代谢物动态重编程→炎症反应逐步激活”这一潜在通路，凸显了微生物代谢功能与宿主炎症反应的时间适应性。这些发现不仅深化了对密闭环境生理应激机制的理解，更重要的是为未来开发针对性的微生态调节剂、营养干预策略或健康监测指标，以保护航天员、潜艇兵等长期在密闭环境作业人员的健康，提供了宝贵的科学依据和理论支撑。当然，本研究也存在样本量较小、时间点有限等局限性，未来需要更大样本和更精细化设计的研究来进一步验证和拓展这些发现。