Abstract The SpaceX Inspiration4 mission provided a unique opportunity to study the impact of spaceflight on the human body. Biospecimen samples were collected from four crew members longitudinally before (Launch: L-92, L-44, L-3 days), during (Flight Day: FD1, FD2, FD3), and after (Return: R + 1, R + 45, R + 82, R + 194 days) spaceflight, spanning a total of 289 days across 2021-2022. The collection process included venous whole blood, capillary dried blood spot cards, saliva, urine, stool, body swabs, capsule swabs, SpaceX Dragon capsule HEPA filter, and skin biopsies. Venous whole blood was further processed to obtain aliquots of serum, plasma, extracellular vesicles and particles, and peripheral blood mononuclear cells. In total, 2,911 sample aliquots were shipped to our central lab at Weill Cornell Medicine for downstream assays and biobanking. This paper provides an overview of the extensive biospecimen collection and highlights their processing procedures and long-term biobanking techniques, facilitating future molecular tests and evaluations.As such, this study details a robust framework for obtaining and preserving high-quality human, microbial, and environmental samples for aerospace medicine in the Space Omics and Medical Atlas (SOMA) initiative, which can aid future human spaceflight and space biology experiments.

Spaceflight induces an immune response in astronauts. To better characterize this effect, we generated single-cell, multi-ome, cell-free RNA (cfRNA), biochemical, and hematology data for the SpaceX Inspiration4 (I4) mission crew. We found that 18 cytokines/chemokines related to inflammation, aging, and muscle homeostasis changed after spaceflight. In I4 single-cell multi-omics data, we identified a "spaceflight signature" of gene expression characterized by enrichment in oxidative phosphorylation, UV response, immune function, and TCF21 pathways. We confirmed the presence of this signature in independent datasets, including the NASA Twins Study, the I4 skin spatial transcriptomics, and 817 NASA GeneLab mouse transcriptomes. Finally, we observed that (1) T cells showed an up-regulation of FOXP3, (2) MHC class I genes exhibited long-term suppression, and (3) infection-related immune pathways were associated with microbiome shifts. In summary, this study reveals conserved and distinct immune disruptions occurring and details a roadmap for potential countermeasures to preserve astronaut health.

Abstract As spaceflight becomes more common with commercial crews, blood-based measures of crew health can guide both astronaut biomedicine and countermeasures. By profiling plasma proteins, metabolites, and extracellular vesicles/particles (EVPs) from the SpaceX Inspiration4 crew, we generated “spaceflight secretome profiles,” which showed significant differences in coagulation, oxidative stress, and brain-enriched proteins. While >93% of differentially abundant proteins (DAPs) in vesicles and metabolites recovered within six months, the majority (73%) of plasma DAPs were still perturbed post-flight. Moreover, these proteomic alterations correlated better with peripheral blood mononuclear cells than whole blood, suggesting that immune cells contribute more DAPs than erythrocytes. Finally, to discern possible mechanisms leading to brain-enriched protein detection and blood-brain barrier (BBB) disruption, we examined protein changes in dissected brains of spaceflight mice, which showed increases in PECAM-1, a marker of BBB integrity. These data highlight how even short-duration spaceflight can disrupt human and murine physiology and identify spaceflight biomarkers that can guide countermeasure development.

Spaceflight induces molecular, cellular and physiological shifts in astronauts and poses myriad biomedical challenges to the human body, which are becoming increasingly relevant as more humans venture into space

Maintenance of astronaut health during spaceflight will require monitoring and potentially modulating their microbiomes. However, documenting microbial shifts during spaceflight has been difficult due to mission constraints that lead to limited sampling and profiling. Here we executed a six-month longitudinal study to quantify the high-resolution human microbiome response to three days in orbit for four individuals. Using paired metagenomics and metatranscriptomics alongside single-nuclei immune cell profiling, we characterized time-dependent, multikingdom microbiome changes across 750 samples and 10 body sites before, during and after spaceflight at eight timepoints. We found that most alterations were transient across body sites; for example, viruses increased in skin sites mostly during flight. However, longer-term shifts were observed in the oral microbiome, including increased plaque-associated bacteria (for example, Fusobacteriota), which correlated with immune cell gene expression. Further, microbial genes associated with phage activity, toxin-antitoxin systems and stress response were enriched across multiple body sites. In total, this study reveals in-depth characterization of microbiome and immune response shifts experienced by astronauts during short-term spaceflight and the associated changes to the living environment, which can help guide future missions, spacecraft design and space habitat planning.

Abstract Spaceflight can change metabolic, immunological, and biological homeostasis and cause skin rashes and irritation, yet the molecular basis remains unclear. To investigate the impact of short-duration spaceflight on the skin, we conducted skin biopsies on the Inspiration4 crew members before (L-44) and after (R + 1) flight. Leveraging multi-omics assays including GeoMx™ Digital Spatial Profiler, single-cell RNA/ATAC-seq, and metagenomics/metatranscriptomics, we assessed spatial gene expressions and associated microbial and immune changes across 95 skin regions in four compartments: outer epidermis, inner epidermis, outer dermis, and vasculature. Post-flight samples showed significant up-regulation of genes related to inflammation and KRAS signaling across all skin regions. These spaceflight-associated changes mapped to specific cellular responses, including altered interferon responses, DNA damage, epithelial barrier disruptions, T-cell migration, and hindered regeneration were located primarily in outer tissue compartments. We also linked epithelial disruption to microbial shifts in skin swab and immune cell activity to PBMC single-cell data from the same crew and timepoints. Our findings present the inaugural collection and examination of astronaut skin, offering insights for future space missions and response countermeasures.

Abstract The advent of civilian spaceflight challenges scientists to precisely describe the effects of spaceflight on human physiology, particularly at the molecular and cellular level. Newer, nanopore-based sequencing technologies can quantitatively map changes in chemical structure and expression at single molecule resolution across entire isoforms. We perform long-read, direct RNA nanopore sequencing, as well as Ultima high-coverage RNA-sequencing, of whole blood sampled longitudinally from four SpaceX Inspiration4 astronauts at seven timepoints, spanning pre-flight, day of return, and post-flight recovery. We report key genetic pathways, including changes in erythrocyte regulation, stress induction, and immune changes affected by spaceflight. We also present the first m 6 A methylation profiles for a human space mission, suggesting a significant spike in m 6 A levels immediately post-flight. These data and results represent the first longitudinal long-read RNA profiles and RNA modification maps for each gene for astronauts, improving our understanding of the human transcriptome’s dynamic response to spaceflight.

Summary Spaceflight has been documented to produce detrimental effects to physiology and genomic stability, partly a result of Galactic Cosmic Radiation (GCR). In recent years, extensive research into extremotolerant organisms has begun to reveal how they survive harsh conditions, such as ionizing radiation. One such organism is the tardigrade ( Ramazzottius varieornatus ) which can survive up to 5kGy of ionizing radiation and the vacuum of space. In addition to their extensive network of DNA damage response mechanisms, the tardigrade also possesses a unique damage suppressor protein (Dsup) that co-localizes with chromatin in both tardigrade and transduced human cells to protect against DNA damage from reactive oxygen species induced by ionizing radiation. While Dsup has been shown to confer human cells with increased radiotolerance; much of the mechanism of how it does this in the context of human cells remains unknown. Until now there is no knowledge yet of how introduction of Dsup into human cells can perturb molecular networks and if there are any systemic risks associated with foreign gene introduction. Here, we created a stable HEK293 cell line expressing Dsup, validated its radioprotective phenotype, and performed multi-omic analyses across different time points and doses of radiation to delineate molecular mechanism of the radioprotection and assess molecular network pertubations. Dsup expressing human cells showed an enrichment for pathways seen in cells overexpressing HMGN1, a chromosomal architectural protein that has a highly similar nucleosome binding motif. As HMGN1 binding to nucleosomes promotes a less transcriptionally repressed chromatin state, we further explored the hypothesis that Dsup could behave similarly via ATAC-seq analysis and discovered overall selective differential opening and closing of the chromatin landscape. Cut&Run analysis further revealed global increases in histone post translational modifications indicative of open chromatin and global decreases in repressive marks, with Dsup binding preferentially towards promoter regions marked by H3K27ac and H3K4me3. We further validated some of the enriched pathways via in-vitro assays and revealed novel phenotypes that Dsup confers to human cells such as reduction in apoptosis, increased cell proliferation, and increased cell adhesion properties. Our analysis provides evidence that the Dsup protein in the context of HEK293 cells may behave as a chromatin architectural protein and that in addition to its nucleosome shielding effect, may confer radio-resistance via chromatin modulation. These results provide future insight into mitigating some of the major challenges involved with long term spaceflight as well as understanding some of the molecular architectural underpinnings that lead to radioresistant cancer phenotypes back home.

The SpaceX Inspiration4 mission provided a unique opportunity to study the impact of spaceflight on the human body. Biospecimen samples were collected from the crew at different stages of the mission, including before (L-92, L-44, L-3 days), during (FD1, FD2, FD3), and after (R+1, R+45, R+82, R+194 days) spaceflight, creating a longitudinal sample set. The collection process included samples such as venous blood, capillary dried blood spot cards, saliva, urine, stool, body swabs, capsule swabs, SpaceX Dragon capsule HEPA filter, and skin biopsies, which were processed to obtain aliquots of serum, plasma, extracellular vesicles, and peripheral blood mononuclear cells. All samples were then processed in clinical and research laboratories for optimal isolation and testing of DNA, RNA, proteins, metabolites, and other biomolecules. This paper describes the complete set of collected biospecimens, their processing steps, and long-term biobanking methods, which enable future molecular assays and testing. As such, this study details a robust framework for obtaining and preserving high-quality human, microbial, and environmental samples for aerospace medicine in the Space Omics and Medical Atlas (SOMA) initiative, which can also aid future experiments in human spaceflight and space biology.