SIRIUS-21空间模拟任务期间与肌肉功能障碍相关的代谢组学特征

《Frontiers in Network Physiology》：Metabolomic signatures associated with muscle dysfunction during the SIRIUS-21 space analog mission

　　

摘要专业翻译 引言： 探索外层空间以拓展科学知识和获取宝贵物质资源日益受到关注。然而，微重力、电离辐射、隔离与限制（IC）、昼夜节律紊乱以及营养挑战等严酷太空环境制约着这一进程。这些应激源导致多个器官系统的健康问题，尤其是肌肉骨骼、免疫、肾脏/泌尿及心血管系统。尽管研究人员对上述太空飞行相关应激源诱导的骨骼肌病理生理变化已有深入了解，但长期IC引起的骨骼肌功能性改变的分子机制仍未完全阐明。 方法： 在为期8个月的SIRIUS-21空间模拟任务中，五名参与者（3名男性，2名女性）在五个时间点——基线（进入期）、IC早期、中期、晚期以及任务结束后14天（退出期）——接受了血浆和唾液样本采集及肌电描记术（EMG）评估。代谢物通过液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）进行分析。纵向代谢物变化采用重复测量方差分析（ANOVA）结合Tukey HSD事后检验进行评估，代谢物与EMG之间的直接关系采用Spearman秩相关进行探索。 结果： 代谢组学分析鉴定出45种骨骼肌相关代谢物呈现名义显著的纵向变化（p < 0.0001–0.05）：其中8种在血浆和唾液中均可检出，26种仅在血浆中检出，11种仅在唾液中检出。部分代谢物与EMG指标之间存在直接探索性Spearman相关，包括哌啶酸、苯乙酸、L-苯丙氨酸、L-乙酰肉碱、L-谷氨酰胺和丙酮醛。EMG结果显示，在长期IC期间肌肉激活和抗疲劳能力进行性下降，退出期后部分恢复。由于队列仅包含两名女性和三名男性，探索性性别相关分析仅作描述性解读。 结论： 长期IC伴随肌肉功能与循环或唾液代谢物的协同变化。所鉴定的代谢物代表了与肌肉功能障碍相关的候选代谢特征，在确立诊断或治疗价值之前，需在更大规模的独立队列中进行验证。

论文解读

一、研究背景与目的

太空探索正日益受到关注，但严酷的太空环境——包括微重力、宇宙辐射、昼夜节律紊乱、特殊饮食以及隔离与限制（IC）等心理社会因素——对人类健康构成重大挑战，可导致肌肉骨骼萎缩、骨密度降低、心血管功能减退以及免疫和代谢紊乱。骨骼肌约占人体总质量的40%–50%，在太空飞行中受到显著影响。虽然微重力导致的肌肉萎缩、肌力下降和氧化代谢受损已有充分记录，但IC本身——特别是其神经内分泌和心理社会应激成分——对骨骼肌结构和功能的具体贡献及其分子机制仍未充分阐明。既往研究表明，空间模拟任务中的IC可导致骨骼肌功能改变，但其潜在分子机制尚不完全清楚。本研究基于研究人员前期发现（IC任务期间肌力下降和肌肉疲劳增加），旨在鉴定长期IC期间与骨骼肌功能相关的血浆和唾液代谢特征，并探索其与EMG衍生肌肉功能指标的关系。

二、研究设计与主要技术方法

本研究为SIRIUS-21空间模拟任务，由俄罗斯航天局（Roscosmos）、美国国家航空航天局（NASA）和阿联酋穆罕默德·本·拉希德航天中心（MBRSC）合作开展，于2021年11月至2022年7月在俄罗斯莫斯科生物医学问题研究所（IBMP）的地面隔离设施中进行。因一名女性乘员因伤提前退出，最终队列由5名参与者（2名女性，3名男性）组成，平均年龄34.75±5.44岁。任务包含254天连续IC。研究采用以下关键技术方法：表面肌电描记术（sEMG）使用Trigno无线EMG系统（Delsys Inc.）配合PowerLab数据采集单元（ADInstruments），在优势侧上下肢六个肌群（肱二头肌UL1、肱三头肌UL2、前臂屈肌区UL3、股四头肌LL1、腘绳肌LL2、小腿肌LL3）放置传感器，采集标准化屈伸运动和60秒最大自主收缩时的肌电信号；代谢组学分析采用timsTOF Pro质谱仪（Bruker）耦合ELUTE超高效液相色谱系统，以LC-MS/MS正离子模式对血浆和唾液样本进行代谢物鉴定，使用MetaboScape 4.0软件进行数据处理和注释；统计分析采用重复测量方差分析（ANOVA）结合Tukey-Kramer HSD事后检验评估纵向代谢物变化，混合效应模型分析EMG数据，Spearman秩相关探索代谢物与EMG指标的直接关联，并使用Huber M估计进行稳健响应筛选。

三、研究结果

肌电描记术（EMG）在隔离与限制期间的适应性变化： 混合效应模型分析显示，254天隔离期间不同肌群的平均EMG频率存在差异。抗阻收缩的平均频率略高于非抗阻收缩（最小二乘均值约80 Hz vs 约77 Hz）。下肢肌群呈现异质性反应，小腿肌（LL3）激活频率相对较高，而腘绳肌（LL2）持续较低。上肢肌群呈中间水平反应。时间维度上，EMG平均频率在隔离早期和中期相对稳定，晚期下降，退出期后部分但不完全恢复。持续收缩能力（60秒最大用力）在隔离期间逐渐下降，晚期最低，退出期后部分恢复但未达基线水平。总体表明长期隔离与肌肉激活和抗疲劳能力进行性下降相关。

血浆和唾液中均检出的代谢物： 8种代谢物在血浆和唾液中均检出。探索性Spearman分析基于五个时间点水平观测值（T0-T4，每相关n=5）鉴定出哌啶酸、琥珀酰丙酮、L-苯丙氨酸、苯乙酸和2-苯基丁酸与特定EMG指标之间存在大幅度的正或负相关（|ρ|=0.9–1.0）。尿嘧啶、鞘氨醇和烟酰胺未鉴定出直接代谢物-EMG关联。这些代谢物涉及线粒体功能能量代谢、糖酵解和脂肪酸氧化、信号转导、抗疲劳和肌肉恢复等骨骼肌功能相关生物学过程。

仅在血浆中检出的代谢物： 26种血浆独有代谢物中，N-乙酰-L-丙氨酸、胍、α-酮戊二酸、L-精氨酸、L-乙酰肉碱、（R）-硫辛酸、1-甲基腺苷、脱氧胆酸甘氨酸结合物、柠檬酸、硬脂酸、三甲胺、乙醇胺、L-胱氨酸、3-甲基组氨酸和水苏糖等与特定EMG指标存在直接Spearman相关。未鉴定出直接相关的代谢物的时间变化不与EMG关联描述。

仅在唾液中检出的代谢物： 11种唾液独有代谢物中，L-谷氨酰胺、丙酮醛、腺苷、异戊酰肉碱和2-酮己酸与EMG指标存在直接探索性Spearman相关。其余唾液独有代谢物未鉴定出直接EMG相关。

时间点动态： Tukey HSD分析显示，许多代谢物浓度在T2和T3显著变化，与EMG频率和肌肉收缩潜力的急剧下降相吻合。能量相关代谢物（如烟酰胺、L-乙酰肉碱）在T2–T3期间下降；应激相关或分解代谢指标（如皮质醇、不对称二甲基精氨酸ADMA）在隔离晚期达峰；退出期（T4）部分恢复，但谷胱甘肽、L-亮氨酸、3-甲基组氨酸等仍保持改变，提示代谢恢复不完全。

血浆代谢物的性别相关差异： 探索性分析发现泛酸（维生素B5）和水苏糖存在名义性别差异。经FDR校正后，仅水苏糖保持显著（p_FDR=0.02052），泛酸未达显著（p_FDR=0.12531）。由于独立参与者仅5名（2女3男），这些发现仅作描述性和假设生成性解读。

骨骼肌相关代谢物的功能通路分析： 稳健响应筛选中19种代谢物经FDR校正后保持显著（FDR校正p<0.05），按功能类别分为：DNA损伤与核苷酸周转（二氢胸腺嘧啶、尿嘧啶、胸苷、6-甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤）；氨基酸与蛋白质代谢（L-组氨酸、L-谷氨酰胺、哌啶酸、N-乙酰-L-丙氨酸、N6-乙酰-L-赖氨酸）；氧化还原平衡与炎症（（R）-硫辛酸、L-胱氨酸、17α-雌二醇、尿囊酸）；神经肌肉信号传导（胍、5-羟基-L-色氨酸、5-羟基色醇、苯甲酸）；能量与线粒体代谢（胸腺嘧啶、N6-乙酰-L-赖氨酸）。

四、讨论与结论

讨论总结： 研究表明，长期IC期间肌肉激活进行性下降，退出期后仅部分恢复，肌肉疲劳进行性增加。代谢组学鉴定出45种骨骼肌相关代谢物呈名义显著纵向变化。研究结果与国际空间站（ISS）长期飞行任务和头低位卧床休息研究一致，表明即使没有微重力，IC环境中的活动受限、激素和心理应激也足以导致可测量的肌肉功能减退。IC期间肌肉功能减退的机制是多因素的，包括机械负荷减少导致的肌肉萎缩、神经驱动下降和代谢转变，以及心理应激对神经肌肉表现的损害。代谢物变化与EMG指标的时间一致性提示代谢应激与肌肉功能减退之间可能存在关联。唾液独有代谢物（如吡哆醛和L-谷氨酰胺）支持唾液作为IC环境中纵向肌肉监测的非侵入性生物样本。退出期后部分标志物仍保持改变，提示代谢恢复不完全，需更长退出后随访。性别相关发现仅作描述性解读。研究主要局限为样本量小，结果应视为探索性，需在更大、性别均衡的队列中验证。

结论翻译： 长期隔离与限制与EMG衍生的肌肉功能进行性改变以及45种骨骼肌相关代谢物的名义显著纵向变化相关。部分代谢物与EMG指标存在直接探索性Spearman相关，其他代谢物则呈现时间变化但未鉴定出直接相关。由于队列较小，特别是用于性别比较的独立参与者数量有限，这些发现应视为假设生成性的。所鉴定的代谢物是与肌肉功能障碍相关的候选代谢特征；需要更大规模的独立研究来确定可重复性及任何未来的诊断或治疗价值。