當人體細胞在太空中失去重力錨點，一場微觀世界的生存革命悄然開啟，而這場革命的密鑰正被人類逐步破解。深空探索時代，人類面臨著前所的健康挑戰。在遠離地球的宇宙空間，微重力環境如同一位無形的對手，持續重塑著宇航員的生理結構。研究表明，太空環境中骨質流失速度可達每月1%，肌肉質量每周減少高達5%，心血管功能與神經視覺系統同樣遭受系統性損傷。

這些宏觀健康威脅的背后，是細胞在微重力環境下力學感知與信號轉導通路的深刻重構。

近年來的突破性研究揭示，細胞對重力變化的響應本質上是“力學-生物學耦合"過程——機械力信號通過細胞骨架、離子通道和蛋白質修飾等途徑轉化為生化反應，最終改變細胞命運。這一認知飛躍為開發新型防護策略提供了科學基礎，而北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培養系統，正成為解碼這一機制的關鍵實驗平臺。

北京基爾比生物科技公司研制生產——Kilby Gravity微重力培養系統

01 深空健康威脅，微重力的多維度挑戰

太空環境對人類機體構成了多重生理挑戰。銀河宇宙射線和太陽高能粒子穿透航天器防護，誘發DNA損傷與癌癥風險升高；而微重力則引發更廣泛的系統性生理失衡。

骨骼系統。2022年生物力學模擬研究揭示，微重力環境下骨細胞遭受的流體剪切應力（FSS）顯著降低，甚至在高重力環境（3.7g）下，仍有部分骨細胞無法達到觸發生物反應的閾值0.8 Pa。這種力學刺激的缺失直接導致成骨細胞-破骨細胞穩態破壞。

心血管系統同樣經歷重塑。在失重狀態下，心臟泵血參數發生改變，左心室質量可減少10%-15%。血流動力學變化引發腦脊液壓力升高，導致視盤水腫和神經-眼綜合征（SANS）——這是長期太空飛行中最常見的眼科疾病。

更令人警覺的是2025年一項研究發現：在模擬微重力環境下，眼部爆炸傷后視網膜的自噬修復機制失效，導致永性損傷。這一發現暗示微重力可能通過干擾細胞自我保護通路，放大其他空間風險因素的破壞力。

下表總結了微重力對宇航員主要生理系統的影響：

北京基爾比生物科技公司研制生產微重力培養系統

02 細胞的重力智慧，感知與響應的分子革命

在微重力環境下，細胞并非被動受害者。它們啟動了一套精密的力學感知與信號轉導程序，這一過程被稱為“重力轉導"（gravisignal transduction）。

SUMO化修飾——這一新發現的細胞重力感應機制正在改寫教科書。2023年俄克拉荷馬州立大學團隊發現，在模擬微重力條件下，SUMO蛋白修飾劑與37種靶蛋白發生顯著相互作用。

這些蛋白涉及DNA損傷修復、細胞骨架重組和能量代謝調控等核心功能。SUMO如同細胞內的力學信號翻譯器，將缺失的重力刺激轉化為蛋白質組的重構指令。

在植物細胞中，重力感知機制更為直觀。淀粉-平衡石假說已被廣泛接受——細胞內含淀粉體的平衡細胞（statocyte）通過感受淀粉體的沉降方向判斷重力矢量。

人類細胞雖無特化的平衡細胞，但力學受體同樣多樣。整合素、鈣離子通道、初級纖毛和細胞骨架網絡共同構成分布式重力感知系統。在微重力下，細胞骨架經歷顯著重組——微管排列紊亂，肌動蛋白應力纖維減少，導致細胞形態和遷移能力改變。微重力細胞力學研究進一步揭示，這種結構重塑通過RhoA/ROCK信號通路**影響細胞周期和分化進程，成為組織退化的起點。

03 橋梁與紐帶，力學-生物學耦合機制

“力學-生物學耦合"（mechano-biological coupling）概念正成為理解空間細胞響應的核心框架。該理論強調，機械刺激與生物學反應之間形成閉環反饋系統，而微重力正是打破這一閉環的關鍵擾動。

在骨組織中，這一耦合體現得尤為清晰。骨單位（osteon）作為骨骼功能的基本單元，其內部的骨陷窩-骨小管網絡構成生物力學微循環系統。流-固耦合模型模擬顯示：地球重力下骨細胞表面流體剪切應力（FSS）維持在1.2-2.5 Pa，而微重力環境下該值降至0.3 Pa以下——顯著低于激活骨形成的閾值0.8 Pa。這種力學信號衰減通過影響骨細胞纖毛變形和鈣火花頻率，最終導致RANKL/OPG比率失衡，破骨細胞活性占據主導。

2015年學者進一步指出，力學-生物學耦合具有多層次特征：從亞細胞水平的細胞器位移，到細胞水平的離子通道激活，再到組織水平的激素梯度重建。這種跨尺度耦合解釋了為何局部力學刺激缺失會引發系統性生理衰退。

人工重力干預正是基于這一原理。研究表明，在微重力環境下使用長臂離心機（臂長7.6米）提供人工重力，可使骨細胞力學微環境接近地球重力狀態。而下體負壓裝置則通過改變流體分布，有效改善骨細胞的流體力學環境。

下表比較了不同重力環境對骨細胞力學刺激的影響：

北京基爾比生物科技公司研制生產微重力培養系統

04 地面模擬利器，Kilby Gravity系統的技術突破

太空實驗機會稀缺且昂貴，地面模擬微重力平臺成為研究的關鍵支撐。北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity重力模擬控制裝置代表了該領域的技術前沿，為力學-生物學耦合研究提供了可及性強、精確度高的實驗平臺。

該系統核心技術在于三維隨機旋轉重力矢量分散機制。通過雙軸獨立控制旋轉系統，使培養容器內的重力矢量在空間快速隨機化，實現持續的10?3g微重力環境模擬——接近國際空間站的實際微重力水平。

北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培養系統系統的優勢在于多功能集成與實時監控能力。設備內置傳感器，可實時監控并可視化平均重力水平；旋轉器主體緊湊設計可放入標準CO2培養箱，維持細胞培養的溫濕度和氣體環境。

該系統在干細胞醫學和再生醫學領域的獲得廣泛應用。研究表明，微重力環境下間充質干細胞的外泌體分泌增強，這些囊泡攜帶的miRNA-21和miRNA-146a具有抗炎和促再生潛能。通過7天10?3g微重力暴露，成功維持細胞干性并實現高保真擴增。

05 從機制到防護，健康保障技術的轉化之路

力學-生物學耦合機制的解析為宇航員健康防護提供了精準靶點。基于此開發的干預策略正從多個維度構建深空健康屏障。

人工重力優化是力學替代的核心路徑。研究模擬表明，臂長7.6米的離心機提供的人工重力可使骨細胞力學微環境接近地球重力狀態，而臂長2.4米的短臂離心機雖空間優勢明顯但力學刺激不足。下體負壓裝置則通過改變流體分布，有效改善骨細胞的流體力學環境，且更具擴展性。

運動-力學耦合方案需重新設計。傳統宇航員鍛煉設備雖能維持肌肉質量，但對骨密度的保護效果欠佳。研究發現，在3000με骨應變條件下，即使微重力環境中，8Hz的高頻振動訓練仍可使骨細胞表面液體壓力提升2-4個數量級。結合個體化生物力學模型，調節運動阻力與頻率，可精準補償重力缺失的力學刺激不足。

分子靶向干預是生物化學防護的前沿。基于Kilby Gravity平臺發現的SUMO通路機制，科學家正篩選SUMO化調節劑——促進DNA修復蛋白SUMO化的小分子化合物可望緩解空間輻射與微重力的協同損傷。在Kilby Gravity系統模擬的微重力環境下培養的間充質干細胞，其外泌體分泌量增加2倍以上，這些納米囊泡攜帶的再生信號分子可有效促進骨組織修復。

06 深空健康未來，挑戰與前景并存

深空探索的健康保障體系仍面臨多重挑戰。輻射與微重力的協同效應尚需深入解析——研究表明兩者在DNA損傷修復環節存在交叉干擾，但分子機制仍未完闡明。

未來技術突破點聚焦于三方面：人工重力艙工程優化，需解決大型旋轉結構的空間部署難題；基因編輯增強細胞抗性，可能通過構建輻射抵抗型干細胞實現組織自主修復；而植物生物反應器創新——如印度空間研究組織（ISRO）開發的耐輻射擬南芥，既能調控艙內微生物群，又能提供抗輻射功能食品。

微重力生物學研究成果正反向轉化應用于地面醫療。神經-眼綜合征研究為青光眼治療提供了新靶點；太空干細胞研究催生了新型再生醫學產品；而力學-生物學耦合模型更是革新了骨質疏松治療理念。

北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培養系統已從單一研究設備發展為多學科交叉創新平臺，另有Kirkstall Quasi Vivo 多細胞/器官3D動態灌流培養系統,其應用場景延伸至類器官構建、藥物篩選和個體化醫療。

微重力下的細胞智慧：力學-生物學耦合機制在深空探索中的守護使命——既不臣服于它的束縛，也不屈服于它的缺席，而是通過理解細胞尺度上的力學語言，創造新的生存平衡。

北 京 基 爾 比 生物科技公司主營產品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉細胞培養儀，

Kilby Gravity 微/超重力三維細胞培養系統，

3D回轉重力環境模擬系統，隨機定位儀，

類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯芯片仿生系統