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(zhàn)。在遠離地球的宇宙空間，微重力環(huán)境如同一位無形的對手，持續(xù)重塑著宇航員的生理結構。研究表明，太空環(huán)境中骨質(zhì)流失速度可達每月1%，肌肉質(zhì)量每周減少高達5%，心血管功能與神經(jīng)視覺系統(tǒng)同樣遭受系統(tǒng)性損傷。

這些宏觀健康威脅的背后，是細胞在微重力環(huán)境下力學感知與信號轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)修飾等途徑轉(zhuǎn)化為生化反應，最終改變細胞命運。這一認知飛躍為開發(fā)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(yǎng)系統(tǒng)，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(chǎn)——Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)

01 深空健康威脅，微重力的多維度挑戰(zhàn)

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

骨骼系統(tǒng)。2022年生物力學模擬研究揭示，微重力環(huán)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(huán)境（3.7g）下，仍有部分骨細胞無法達到觸發(fā)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(wěn)態(tài)破壞。

心血管系統(tǒng)同樣經(jīng)歷重塑。在失重狀態(tài)下，心臟泵血參數(shù)發(fā)生改變，左心室質(zhì)量可減少10%-15%。血流動力學變化引發(fā)腦脊液壓力升高，導致視盤水腫和神經(jīng)-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(fā)現(xiàn)：在模擬微重力環(huán)境下，眼部爆炸傷后視網(wǎng)膜的自噬修復機制失效，導致永性損傷。這一發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的影響：

北京基爾比生物科技公司研制生產(chǎn)微重力培養(yǎng)系統(tǒng)

02 細胞的重力智慧，感知與響應的分子革命

在微重力環(huán)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(zhuǎn)導程序，這一過程被稱為“重力轉(zhuǎn)導”（gravisignal transduction）。

SUMO化修飾——這一新發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，在模擬微重力條件下，SUMO蛋白修飾劑與37種靶蛋白發(fā)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(diào)控等核心功能。SUMO如同細胞內(nèi)的力學信號翻譯器，將缺失的重力刺激轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)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(nèi)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(wǎng)絡共同構成分布式重力感知系統(tǒng)。在微重力下，細胞骨架經(jīng)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(tài)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(diào)，機械刺激與生物學反應之間形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，而微重力正是打破這一閉環(huán)的關鍵擾動。

在骨組織中，這一耦合體現(xiàn)得尤為清晰。骨單位（osteon）作為骨骼功能的基本單元，其內(nèi)部的骨陷窩-骨小管網(wǎng)絡構成生物力學微循環(huán)系統(tǒng)。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(huán)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(jù)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(fā)系統(tǒng)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(huán)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(huán)境接近地球重力狀態(tài)。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(huán)境。

下表比較了不同重力環(huán)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(chǎn)微重力培養(yǎng)系統(tǒng)

04 地面模擬利器，Kilby Gravity系統(tǒng)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(tǒng)核心技術在于三維隨機旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機制。通過雙軸獨立控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使培養(yǎng)容器內(nèi)的重力矢量在空間快速隨機化，實現(xiàn)持續(xù)的10?3g微重力環(huán)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(yǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于多功能集成與實時監(jiān)控能力。設備內(nèi)置傳感器，可實時監(jiān)控并可視化平均重力水平；旋轉(zhuǎn)器主體緊湊設計可放入標準CO2培養(yǎng)箱，維持細胞培養(yǎng)的溫濕度和氣體環(huán)境。

該系統(tǒng)在干細胞醫(yī)學和再生醫(yī)學領域的獲得廣泛應用。研究表明，微重力環(huán)境下間充質(zhì)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(xiàn)高保真擴增。

05 從機制到防護，健康保障技術的轉(zhuǎn)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?；诖碎_發(fā)的干預策略正從多個維度構建深空健康屏障。

人工重力優(yōu)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(huán)境接近地球重力狀態(tài)，而臂長2.4米的短臂離心機雖空間優(yōu)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(huán)境，且更具擴展性。

運動-力學耦合方案需重新設計。傳統(tǒng)宇航員鍛煉設備雖能維持肌肉質(zhì)量，但對骨密度的保護效果欠佳。研究發(fā)現(xiàn)，在3000με骨應變條件下，即使微重力環(huán)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(shù)量級。結合個體化生物力學模型，調(diào)節(jié)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?；贙ilby Gravity平臺發(fā)現(xiàn)的SUMO通路機制，科學家正篩選SUMO化調(diào)節(jié)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(xié)同損傷。在Kilby Gravity系統(tǒng)模擬的微重力環(huán)境下培養(yǎng)的間充質(zhì)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(zhàn)與前景并存

深空探索的健康保障體系仍面臨多重挑戰(zhàn)。輻射與微重力的協(xié)同效應尚需深入解析——研究表明兩者在DNA損傷修復環(huán)節(jié)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(yōu)化，需解決大型旋轉(zhuǎn)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(xiàn)組織自主修復；而植物生物反應器創(chuàng)新——如印度空間研究組織（ISRO）開發(fā)的耐輻射擬南芥，既能調(diào)控艙內(nèi)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(zhuǎn)化應用于地面醫(yī)療。神經(jīng)-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(yī)學產(chǎn)品；而力學-生物學耦合模型更是革新了骨質(zhì)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(yǎng)系統(tǒng)已從單一研究設備發(fā)展為多學科交叉創(chuàng)新平臺，另有Kirkstall Quasi Vivo 多細胞/器官3D動態(tài)灌流培養(yǎng)系統(tǒng),其應用場景延伸至類器官構建、藥物篩選和個體化醫(yī)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(chuàng)造新的生存平衡。

北 京 基 爾 比 生物科技公司主營產(chǎn)品：

Kilby 3D-clinostat 旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)儀，

Kilby Gravity 微/超重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨機定位儀，

類器官芯片搖擺灌注儀，

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片仿生系統(tǒng)