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 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 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

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.

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.

Neurotransmitters are small molecules that orchestrate complex patterns of brain activity. Unfortunately, there exist few sensors capable of directly detecting individual neurotransmitters. Those sensors that do exist are either unspecific or fail to capture the temporal or spatial dynamics of neurotransmitter release. DNA-stabilized silver nanoclusters (DNA-AgNCs) are a new class of biocompatible, fluorescent nanostructures that have recently been demonstrated to offer promise as biosensors. In this work, we identify two different DNA sequences which form dopamine-sensitive nanoclusters. We demonstrate that each sequence supports two distinct DNA-AgNCs capable of providing specific, ratiometric fluorescent sensing of dopamine concentration in vitro. DNA-Ag nanoclusters therefore offer a novel, low-cost approach to quantification of dopamine, creating the potential for real-time monitoring in vivo.

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.