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.

Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection inhibits mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) and elevates mitochondrial reactive oxygen species (ROS, mROS) which activates hypoxia-inducible factor-1alpha (HIF-1α), shifting metabolism toward glycolysis to drive viral biogenesis but also causing the release of mitochondrial DNA (mtDNA) and activation of innate immunity. To determine whether mitochondrially targeted antioxidants could mitigate these viral effects, we challenged mice expressing human angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) with SARS-CoV-2 and intervened using transgenic and pharmacological mitochondrially targeted catalytic antioxidants. Transgenic expression of mitochondrially targeted catalase (mCAT) or systemic treatment with EUK8 decreased weight loss, clinical severity, and circulating levels of mtDNA; as well as reduced lung levels of HIF-1α, viral proteins, and inflammatory cytokines. RNA-sequencing of infected lungs revealed that mCAT and Eukarion 8 (EUK8) up-regulated OXPHOS gene expression and down-regulated HIF-1α and its target genes as well as innate immune gene expression. These data demonstrate that SARS-CoV-2 pathology can be mitigated by catalytically reducing mROS, potentially providing a unique host-directed pharmacological therapy for COVID-19 which is not subject to viral mutational resistance.

Lethal COVID-19 causation most often invokes classic cytokine storm and attendant excessive immune signaling. We re-visit this question using RNA sequencing in nasopharyngeal and 40 autopsy samples from both COVID-19-positive and negative individuals. In nasal swabs, the top 100 genes expressed, and significantly correlated with COVID-19 viral load, indeed include many canonical innate immune genes. However, 22 much less studied "non-canonical" genes are found and despite the absence of viral transcripts, subsets of these are upregulated in heart, lung, kidney, and liver, but not mediastinal lymph nodes. An important regulatory potential emerges for the non-canonical genes for over-activating the renin-angiotensin-activation-system (RAAS) pathway, resembling this phenomenon in hereditary angioedema (HAE) and its overlapping multiple features with lethal COVID-19 infections. Specifically, RAAS overactivation links increased fibrin deposition, leaky vessels, thrombotic tendency, and initiating the PANoptosis death pathway, as suggested in heart, lung, and especially mediastinal lymph nodes, and a tight association mitochondrial dysfunction linked to immune responses. For mediastinal lymph nodes, immunohistochemistry studies correlate showing abnormal architecture, excess fibrin and collagen deposition, and pathogenic fibroblasts. Further, our findings overlap these for COVID-19 infected hamsters, C57BL/6 and BALB/c mouse models, and importantly peripheral blood mononuclear cell (PBMC) and whole blood samples from COVID-19 patients infected with early alpha but also later COVID-19 omicron strains. We thus present cytokine storm in lethal COVID-19 disease as an interplay between upstream immune gene signaling producing downstream RAAS overactivation with resultant severe organ damage, especially compromising mediastinal lymph node function.