太空飞行对人体蛋白质组的影响|对话Seer公司Daniel Hornburg博士

随着航天技术的发展,人类对太空的探索日益深入。在太空环境中,宇航员的身体会发生一系列复杂的生理变化。为了更好地监测和保护宇航员的健康,利用前沿的生命科学技术来研究太空环境对人体的影响已成为一个重要课题。蛋白质是生命的基石，在一个有机体中执行所有的基本功能。在太空生物学研究中,蛋白质组学技术展现出巨大的应用潜力。

Seer公司成立于2017年，是蛋白质组学分析领域的代表企业之一，拥有独特的纳米粒子技术，能够实现深度、快速、大规模的蛋白质组学分析，其提供的产品组合包试剂、耗材、自动化仪器和数据分析软件。Seer也陆续与高分辨质谱仪器供应商如赛默飞、布鲁克等达成合作，允许seer提供赛默飞Orbitrap和布鲁克timsTOF质谱系统作为整体工作流程的一部分，为用户提供完整的解决方案。

本文摘录整理了Seer公司首席科学家Daniel Hornburg博士在the Medicine Maker的采访内容。文中与Hornburg博士就蛋白质组学技术在太空生物学研究中的应用进行讨论，重点关注其对于监测宇航员生理状态、找出生物响应机制等方面的意义。Seer公司正在对宇航员的蛋白质组学开展研究,希望这些发现能让科学家更多地了解蛋白质在太空环境下的工作方式以及如何应对疾病。Daniel Hornburg博士在蛋白质组学和生物标志物领域有着丰富的研究经验，他也是HUPO 2022蛋白质组科学与技术奖获得者，其在纳米-生物相互作用方面的跨学科研究奠定了Seer Proteograph产品的基本原理，并推动了跨学科研究和技术开发的进展。

Daniel Hornburg博士

问：你(和Seer公司)是如何对太空产生兴趣的?

我一直被对理解世界运转机制的渴望所驱动。当我还小的时候,我想成为一名宇航员或科学家。作为一名科学家,我仍然对太空旅行和天文学充满着好奇,但我已经研究生物分子超过15年了,这些分子涵盖从肽到蛋白质再到脂质和代谢产物等生命的组成成分。在Seer,我的团队通过开发和使用新的技术来更快、更深入和更精确地检测成千上万种生物分子,推动跨学科研究。

Seer正在构建定量探索蛋白质组的平台技术,我们认为这是生物学的下一个前沿。与基因组相比,蛋白质是动态调节的,生化复杂,并且更接近表型;因此,分析蛋白质组为我们提供了一个机会,可以以更详细、更直接的方式来理解人类健康和疾病。样本如血浆中的蛋白质,其丰度分布在多个数量级中。事实上,只有22种蛋白质构成了99%的血浆蛋白质质量。蛋白质丰度的有挑战性的动态范围使得无论是检测通量还是对低丰度部分蛋白质组的覆盖深度的扩展在技术上都面临很大的挑战。我们相信,大规模深入定量血浆蛋白质组将使科学界能够发现新的生物标志物,这些标志物可以提供受试者健康状态的信息,并与基因组信息一起扩展我们对疾病的机制理解。

问：太空环境如何影响宇航员的蛋白质?

迄今约有600人进入太空,这些宇航员科学家本身通常都会成为每次新任务的实验对象。宇航员数据集非常独特,包含详细的生理学信息。实验方法和技术每年都在发展,我们的认识也在不断深入。利用当前一些较新的数据定量工具,我们有一个非常好的机会来进一步研究人类蛋白质组。蛋白质是所有细胞的功能性构建块,并介导几乎所有的生物过程。与所有的生理反应一样,疾病中也都涉及到蛋白质的作用。例如,如果宇航员由于微重力而出现肌肉萎缩,那么很可能就涉及到降解其他蛋白质复合物的蛋白质。当压力导致炎症水平升高时,这一过程就会受到循环血液中的细胞因子等信号蛋白质的调节。即使是一个被打乱的昼夜节律也会与蛋白质组的改变有关。我们才刚刚开始理解诸如太空等环境是如何重编程我们的蛋白质组的。

航天医学研究转换学院(TRISH)是一个由贝勒医学院、加州理工学院和麻省理工学院组成的学术联盟。TRISH与NASA紧密合作,开发和资助创新型健康研究和技术开发,具有两个目标:i)帮助宇航员保持健康; ii)将太空健康研究的知识和投资应用于惠及地球上的所有人。

迄今,只有有限数量的记录在案的研究调查了太空飞行对人体蛋白质组的影响。由于技术限制,记录在案的少量人体研究所依赖的分析工具并未提供足够深入的洞察力。研究蛋白质组的子集确实提供了有价值的信息,但我们对极端环境如何影响人体生理学的系统级理解还存在一个空白。利用当前一些较新的数据定量工具,我们有一个非常好的机会来进一步研究人类蛋白质组。

问：关于Seer与NASA、康奈尔医学院和SpaceX的合作,您能透露什么信息?

Seer于2021年开始与SpaceX和TRISH合作,以了解人类在太空旅行期间会发生什么变化。Seer贡献的是利用我们开发的新型纳米颗粒工作流进行的深层血浆蛋白质组学探索,同时利用非标记质谱法进行检测。其他合作伙伴正在探索人类健康的不同分子层面;例如,康奈尔医学院正在研究宇航员的微生物组。最终,研究人员将结合分子层面得到一个更完整的图片,了解太空的力量如何影响人类。

2021年9月,SpaceX发射了其激励4号任务,在近地轨道上度过了三天时间。我们的合作伙伴从四人乘员(两男两女)中采取了发射前和返回后样本。Seer目前正在分析这些样本,确定飞行如何改变了血液的分子组成。

我们的纳米颗粒技术可以压缩并捕获血浆中极大的(及通常无法进入的)分子信息量所形成的所谓蛋白层,使其对下游检测器如质谱仪更易检测。 然后,我们使用机器学习来解释这些信号,这些信号告诉我们每个样本的分子组成,并揭示宇航员的生物分子状态。 然后,我们可以在四名宇航员之间比较飞行后分子信息,也可以与他们的飞行前分子信息进行比较。这告诉我们低重力、更高水平的辐射和太空的其他方面如何在分子水平上影响人体,这反过来又可以帮助我们为未来的太空任务做准备。

问：理解生物学如何对极端环境做出反应,将如何有益于生物医学研究?

生命很复杂,研究人体如何对太空的压力做出反应,不仅可以帮助我们为未来的任务做准备,而且还可以更好地理解一些生物分子的生理和病理作用。例如,与RNA分子或基因组相比,由于蛋白质与表型的联系更近,我们预期蛋白质将动态响应扰动,提供身体状态的快照及其如何适应变化环境。重要的是,以规范化和统一的方式向公开访问数据库贡献数据,为所有医学研究者设置了一个很好的先例,无论他们是研究太空适应还是正常人体生理学

问：你们工作中面临的最大挑战是什么,如何应对这些挑战?

我们的技术可以定量成千上万种蛋白质。一个关键挑战是,到目前为止,我们只研究了少数几个受试者,而且他们的人口统计学信息非常狭窄,且我们只在飞行前后采样了几个时间点。 有限的多样性和样本数量从统计学的角度来看提出了挑战。 一些变化将是微妙的,需要在任务期间进行更频繁的采样以及从更多的生物重复(宇航员)中才能变得明显。尽管我个人认为这是一个去太空的绝佳理由,但当前的研究将产生我们可以在地球上进行后续实验以验证的假设。 最终,我们会增加在太空进行的多组学研究的数据点和“多样性”,以便准确地从个体推广到人群,但我们必须从某个地方开始学习和进步。