大家好，我是北京理工大学生命学院的郝梓凯。今天很高兴，我们来到这里给大家分享一下我们的科研故事。
这个故事就是“月宫一号”寻“菌”记。
看到这个题目，我想大家脑海中有很多疑问。比如说月宫一号是什么？在月宫一号中寻什么菌？如何寻菌？为何要在月宫一号中寻菌？但是大家别急，接下来我会慢慢地给大家道来。
一问：“月宫一号”是什么？
首先在这里，我要向大家介绍一下什么是“月宫一号”。
“月宫一号”是北京航空航天大学刘红教授研究团队发明的空间基地生物再生生命保障系统地基综合实验装置。大家看到这个名字太长了，所以我们就给它起了个名字叫“月宫一号”。
“月宫一号”是世界上第一个成功的四生物链环，是包括植物、动物、微生物和人组成的人工闭合生态系统。
更通俗一些讲，“月宫一号”是一个自给自足的人工闭合生态系统。概括起来，它具有以下5个特点。
首先，是由植物、动物、微生物和人组成。
第二个特点，人类生活所必需的物质，如氧气、水和食物可以在系统内循环再生。
第三个特点，它是一个生物再生生命保障系统。它对应的就是我们当前空间上主要应用的物理化学再生式生命保障系统。
它们两个最大的区别就是，生物再生生命保障系统是利用生物再生的方式来实现系统内氧气、水和食物的再生，物理化学再生式生命保障系统则是采用物理化学方法再生系统内的氧气和水等物质。
这个系统还有一个特点就是，它可以为人类在外太空或星球基地长久地驻留，提供类似地球生态环境的生命保障。
最后，“月宫一号”，它也可以实现长期的密闭隔离。
二问：寻什么“菌”？
大家知道了什么是“月宫一号”，一定还有疑问，就是在“月宫一号”中去寻找什么菌呢？
答案是精神益生菌。
什么精神益生菌呢？
精神益生菌的定义是当被摄入足够量时赋予精神健康益处的活细菌。它与传统的益生菌的不同之处就在于，精神益生菌能够产生或刺激宿主来产生神经递质、短链脂肪酸、肠内分泌激素和抗炎细胞因子，从而对大脑来产生影响。
大家看到这里可能会有疑问，就是精神益生菌主要是作用于肠道，为何会影响大脑呢？
讲到这里，我们就不得不提一下微生物-肠-脑轴。
它是指肠道菌群、肠道与中枢神经系统的双向交流系统。在这个系统中，肠道菌群可通过多种机制直接、间接地影响神经系统。比如说经肠道细胞作用于迷走神经，通过血液输送菌群代谢产物到大脑，激活肠内分泌细胞来产生激素和神经递质，影响免疫细胞和炎症等。
特别是近年来，随着微生物-肠-脑轴理论的不断完善，精神益生菌也称活体生物药，有望为预防、改善和治疗精神疾病提供一些创新疗法。
实际上近年来，西方和我国台湾已经投入了数10亿美金来开展精神益生菌或者活体生物药的研发，开展了大量的动物实验和临床试验。
我们从左边的这个图表可以看到，精神益生菌在预防、治疗抑郁焦虑，改善认知障碍、阿尔茨海默病和帕金森病等精神神经疾病方面表现出了积极的作用。精神益生菌也成为预防、改善神经和精神类疾病领域的热点方向。
我们从右边的这个图表可以看到，国内外许多公司也积极投身于精神益生菌或活体生物药的研发领域，推出了多款产品。
但是我们通过调研发现，当前临床研究中的精神益生菌几乎都是早前发现的经典益生菌，也就是乳杆菌或双歧杆菌，而关于新的精神益生菌的研究工作近年来鲜有报道。
为什么呢？究其原因，我们认为可能是受到目前微生物-肠-脑轴研究局限性的影响。
我们从左图可以看到，微生物-肠-脑轴容易受到饮食、环境、疾病、药物以及生活方式等多方面的影响。因此基于微生物-肠-脑轴来开展新的精神益生菌的研究，对实验设计和实验条件要求非常苛刻。
例如，我们如果想基于微生物-肠-脑轴来找到与压力相关的精神益生菌，那么我们就要控制这些影响微生物-肠-脑轴的因素基本保持不变，然后在肠道菌群中寻找与压力变化相关的益生菌。但是，我们在正常的生活环境中很难控制这些因素不变。
幸运的是，我们发现“月宫一号”可以做到这些控制，是挖掘精神益生菌的理想实验平台。
为什么这么说呢？我们来看，因为“月宫一号”有以下几个特点。
第一，在密闭前，我们对“月宫一号”的环境、空气微生物进行了严格的消毒和灭菌，这样就最大程度地避免了微生物的引入。
第二，在密闭期间，“月宫一号”几乎不与外界发生物质交换，并且我们会对其中的水、固、气微生物进行严格的监测和控制。这样就有利于保持系统中微生物环境的相对稳定。
第三，“月宫一号”中的理化环境条件，比如说温度、湿度都处于一个恒定的状态，这样就可以避免环境变化对人体肠道微生物的影响。
第四，志愿者在“月宫一号”有固定的作息时间，还有严格的工作日程和确定的食谱。这样我们就可以有效地避免生活方式、饮食对肠道微生物的影响。
第五，在上述条件下，我们可以更加易于保持乘员，也就是志愿者的身体健康，来避免这些药物或者疾病对肠道菌群的影响。
在实验期间，我们还会定期地对志愿者进行生理参数的测量、规范的心理评估。这样就更加有利于情绪量化，也更加有助于筛选到更好的精神益生菌。
总之，基于以上特点，我们发现“月宫一号“可以最大限度地保持影响微生物-肠-脑轴的因素基本不变，并且最大限度地避免非精神因素对微生物-肠-脑轴的影响。
因此我们认为，“月宫一号”是挖掘精神益生菌的理想实验平台。
其实通过前面的讲解，也为大家解答了为何要在月宫一号中去寻找精神益生菌的这个问题。
三问：如何寻找精神益生菌？
接下来，我们要如何在“月宫一号”去挖掘精神益生菌？
正好我们团队在2017年到2018年，在“月宫一号”中开展了为期一年的“月宫365”实验。
什么是“月宫365”实验呢？它是目前世界上密闭时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验，它共持续了370天。
在这个实验中共有8名志愿者，平均分为两组，设置为三班。其中第一组值第一班，持续时间是60天；第二组值第二班，持续时间是200天；最后再由第一组值第三班，持续时间是110天。
因此，我们借助珍贵的“月宫365”实验机会，利用“月宫一号”开展了精神益生菌的筛选及作用机理研究。
大家可以看右边这个图，在这个研究中我们尽可能地避开入仓前饮食变化对志愿者肠道菌群的干扰，因为我们经过调研发现受干扰的肠道微生物达到一个新的平衡需要21天。因此，我们选择志愿者入仓28天后的粪便样本来进行多组学分析，这样就可以避免饮食的影响。
其中我们共筛选了103个粪便样本进行宏基因组分析，90个粪便样本进行宏蛋白组分析，56个粪便样本进行宏代谢组分析。同时获取了志愿者肠道样本采集当天的情绪量化数据。
谈到情绪量化，我们为了更加准确地筛选到精神益生菌，就需要更加客观地对志愿者的情绪进行量化。
在本研究中，我们采用了多种方式对志愿者的情绪进行量化。除了在实验期间对志愿者进行情绪量表测量外，我们还进行了视频连线，进行半结构化访谈。并且在基于前期文献调研的基础上，我们筛选了一类有可能反映人类情绪变化，同时兼顾在我们“月宫一号”中具有可实施性的生理指标。
最后我们发现，以下这些指标可以应用，主要包括基本的身体指标，例如体重、晨起和睡前体温、血氧饱和度、脉率、血压、心率，还有睡眠状况。睡眠状况我们是用专门的睡眠仪进行测量的，包括凌晨12点之前入睡的次数、夜醒次数、总睡眠时间、深度睡眠时间、浅睡眠时间。
我们也对大小便情况也进行了记录和测量，比如说大便的频率、大便的重量、排尿次数、排尿总量，志愿者的活动量包括步数、卡路里消耗、摄水量，以及女性志愿者的月经情况等28项指标。
如右图所示，我们在实验期间还专门设计了流程，来每天记录他们的生理和表型数据。
基于情绪量化研究，我们明确了“月宫365”密闭实验中志愿者的情绪变化规律，就是这8名志愿者在密闭隔离期间都没有表现出心理障碍，也没有心理困扰的报告。
但是他们的情绪变化确实会有波动，但是这个波动与隔离时间无关。也就是说志愿者的情绪变化并不会随着隔离时间越久，他就出现一些跟时间相关的变动。这样的话，其实也为我们后续筛选精神益生菌提供了更大的一些支持。
同时我们筛选出了情绪量化的潜在客观指标：乘员的体重相关指标、饮水量、大便重量，晨起体温和舒张压，睡前心率和舒张压，卡路里消耗，还有晚上12点前的入睡次数等11种生理表型与情绪变化显著相关；43种尿液代谢物与情绪变化显著相关。
这些情绪量化的数据也为我们后续开展精神益生菌的研究提供了重大的支持。
接下来我们就开始基于多组学来筛选精神益生菌。
首先，我们基于宏基因组学获得的肠道菌群物种组成数据，结合前期的志愿者情绪量化数据，利用多组学和生物信息学分析筛选出了4株潜在的精神益生菌。它们分别是普氏粪杆菌、单形拟杆菌、直肠真杆菌、罗斯氏菌。
接下来，我们利用多组学分析了这些精神益生菌的作用机理。
我们利用宏基因组的功能注释，共获得了5074个KEGG同源组。其中与精神益生菌相关的40个KEGG同源组涉及到了34种酶，其中18种酶参与微生物发酵以产生短链脂肪酸的通路。
接着，我们与渥太华大学Figeys教授实验室合作，利用其建立的宏蛋白组学方法获得了348个与精神益生菌匹配的蛋白质组。其中，与精神益生菌正向调节作用相关的23个蛋白质组涉及到了67个KEGG通路，这些通路主要涉及天冬氨酸、谷氨酸代谢等。
我们还利用非靶向代谢组学对粪便样本的代谢物进行了分析，获得了12种与精神益生菌匹配的神经系统相关的代谢产物。
这些代谢产物主要涉及转化谷氨酸生成γ-氨基丁酸的代谢途径，以及转化色氨酸生成血清素、色胺和犬尿喹啉酸等代谢途径。
综上所述，我们利用在“月宫一号”中开展的“月宫365”实验，从肠道菌群中筛选获得了4株潜在的精神益生菌，并利用宏基因组、宏蛋白组和宏代谢组等多组学分析方法明确了精神益生菌的作用机理。
如右图所示，主要是有三个：第一，通过产生丁酸等短链脂肪酸；第二，通过调节天冬氨酸、谷氨酸和色氨酸等氨基酸神经递质的代谢途径，如转化谷氨酸生成γ-氨基丁酸，转化色氨酸生成血清素、色胺和犬尿喹啉酸等；第三，通过调节牛磺酸代谢、皮质醇代谢等其他途径。
最后为了进一步验证这些精神益生菌的作用效果，我们利用动物模型实验来开展研究。我们主要是对这些精神益生菌的抑郁、焦虑的预防和治疗作用，以及机理来进行研究。
动物模型实验主要分为两个阶段进行。第一个阶段是慢性轻度不可预见性的应激处理期，也可以称为预防期。因为在这个时期，我们对实验组大鼠进行边抑郁造模、边灌胃精神益生菌，这样的话就可以来验证精神益生菌是否对大鼠的抑郁样、焦虑样行为起到预防作用。
第二个阶段称为治疗恢复期。因为在这个阶段我们对抑郁造模成功的大鼠进行精神益生菌的干预，通过对比分析以验证精神益生菌是否对大鼠抑郁样、焦虑样行为起到治疗作用。
同时在实验过程中，我们在每个阶段都进行了取样，这样可以分析精神益生菌的作用机理。
动物实验结果证实了精神益生菌能够预防和改善大鼠的焦虑样、抑郁样行为，同时进一步明确了其作用机理。
可以看到，它的作用机理主要包括以下六个方面。
首先，调节肠道短链脂肪酸的代谢，例如乙酸、丙酸和丁酸；
第二，降低肠道屏障通透性损伤，以减少细菌移位；
第三，调节外周免疫反应；
第四，调节5-羟色氨酸等大脑神经递质的代谢；
第五，降低HPA轴的活性；
第六，减少皮质酮的分泌等。
最后，谢谢《肠·道》演讲平台，谢谢大家
