當(dāng)人體細(xì)胞在太空中失去重力錨點(diǎn)，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(shí)代，人類面臨著前所的健康挑戰(zhàn)。在遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)。研究表明，太空環(huán)境中骨質(zhì)流失速度可達(dá)每月1%，肌肉質(zhì)量每周減少高達(dá)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(xì)胞在微重力環(huán)境下力學(xué)感知與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的深刻重構(gòu)。

近年來的突破性研究揭示，細(xì)胞對重力變化的響應(yīng)本質(zhì)上是“力學(xué)-生物學(xué)耦合”過程——機(jī)械力信號通過細(xì)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(yīng)，最終改變細(xì)胞命運(yùn)。這一認(rèn)知飛躍為開發(fā)新型防護(hù)策略提供了科學(xué)基礎(chǔ)，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(jī)制的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)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(jī)體構(gòu)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(hù)，誘發(fā)DNA損傷與癌癥風(fēng)險(xiǎn)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(xué)模擬研究揭示，微重力環(huán)境下骨細(xì)胞遭受的流體剪切應(yīng)力（FSS）顯著降低，甚至在高重力環(huán)境（3.7g）下，仍有部分骨細(xì)胞無法達(dá)到觸發(fā)生物反應(yīng)的閾值0.8 Pa。這種力學(xué)刺激的缺失直接導(dǎo)致成骨細(xì)胞-破骨細(xì)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(xué)變化引發(fā)腦脊液壓力升高，導(dǎo)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(xiàng)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(fù)機(jī)制失效，導(dǎo)致永性損傷。這一發(fā)現(xiàn)暗示微重力可能通過干擾細(xì)胞自我保護(hù)通路，放大其他空間風(fēng)險(xiǎn)因素的破壞力。

下表總結(jié)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(xì)胞的重力智慧，感知與響應(yīng)的分子革命

在微重力環(huán)境下，細(xì)胞并非被動受害者。它們啟動了一套精密的力學(xué)感知與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)程序，這一過程被稱為“重力轉(zhuǎn)導(dǎo)”（gravisignal transduction）。

SUMO化修飾——這一新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞重力感應(yīng)機(jī)制正在改寫教科書。2023年俄克拉荷馬州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)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(fù)、細(xì)胞骨架重組和能量代謝調(diào)控等核心功能。SUMO如同細(xì)胞內(nèi)的力學(xué)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(gòu)指令。

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

人類細(xì)胞雖無特化的平衡細(xì)胞，但力學(xué)受體同樣多樣。整合素、鈣離子通道、初級纖毛和細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成分布式重力感知系統(tǒng)。在微重力下，細(xì)胞骨架經(jīng)歷顯著重組——微管排列紊亂，肌動蛋白應(yīng)力纖維減少，導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)和遷移能力改變。微重力細(xì)胞力學(xué)研究進(jìn)一步揭示，這種結(jié)構(gòu)重塑通過RhoA/ROCK信號通路**影響細(xì)胞周期和分化進(jìn)程，成為組織退化的起點(diǎn)。

03 橋梁與紐帶，力學(xué)-生物學(xué)耦合機(jī)制

“力學(xué)-生物學(xué)耦合”（mechano-biological coupling）概念正成為理解空間細(xì)胞響應(yīng)的核心框架。該理論強(qiáng)調(diào)，機(jī)械刺激與生物學(xué)反應(yīng)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(guān)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(luò)構(gòu)成生物力學(xué)微循環(huán)系統(tǒng)。流-固耦合模型模擬顯示：地球重力下骨細(xì)胞表面流體剪切應(yīng)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(xué)信號衰減通過影響骨細(xì)胞纖毛變形和鈣火花頻率，最終導(dǎo)致RANKL/OPG比率失衡，破骨細(xì)胞活性占據(jù)主導(dǎo)。

2015年學(xué)者進(jìn)一步指出，力學(xué)-生物學(xué)耦合具有多層次特征：從亞細(xì)胞水平的細(xì)胞器位移，到細(xì)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(xué)刺激缺失會引發(fā)系統(tǒng)性生理衰退。

人工重力干預(yù)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(jī)（臂長7.6米）提供人工重力，可使骨細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境接近地球重力狀態(tài)。而下體負(fù)壓裝置則通過改變流體分布，有效改善骨細(xì)胞的流體力學(xué)環(huán)境。

下表比較了不同重力環(huán)境對骨細(xì)胞力學(xué)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(shù)突破

太空實(shí)驗(yàn)機(jī)會稀缺且昂貴，地面模擬微重力平臺成為研究的關(guān)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(lǐng)域的技術(shù)前沿，為力學(xué)-生物學(xué)耦合研究提供了可及性強(qiáng)、精確度高的實(shí)驗(yàn)平臺。

該系統(tǒng)核心技術(shù)在于三維隨機(jī)旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機(jī)制。通過雙軸獨(dú)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(jī)化，實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控能力。設(shè)備內(nèi)置傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控并可視化平均重力水平；旋轉(zhuǎn)器主體緊湊設(shè)計(jì)可放入標(biāo)準(zhǔn)CO2培養(yǎng)箱，維持細(xì)胞培養(yǎng)的溫濕度和氣體環(huán)境。

該系統(tǒng)在干細(xì)胞醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的獲得廣泛應(yīng)用。研究表明，微重力環(huán)境下間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體分泌增強(qiáng)，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(xì)胞干性并實(shí)現(xiàn)高保真擴(kuò)增。

05 從機(jī)制到防護(hù)，健康保障技術(shù)的轉(zhuǎn)化之路

力學(xué)-生物學(xué)耦合機(jī)制的解析為宇航員健康防護(hù)提供了精準(zhǔn)靶點(diǎn)。基于此開發(fā)的干預(yù)策略正從多個(gè)維度構(gòu)建深空健康屏障。

人工重力優(yōu)化是力學(xué)替代的核心路徑。研究模擬表明，臂長7.6米的離心機(jī)提供的人工重力可使骨細(xì)胞力學(xué)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(jī)雖空間優(yōu)勢明顯但力學(xué)刺激不足。下體負(fù)壓裝置則通過改變流體分布，有效改善骨細(xì)胞的流體力學(xué)環(huán)境，且更具擴(kuò)展性。

運(yùn)動-力學(xué)耦合方案需重新設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)宇航員鍛煉設(shè)備雖能維持肌肉質(zhì)量，但對骨密度的保護(hù)效果欠佳。研究發(fā)現(xiàn)，在3000με骨應(yīng)變條件下，即使微重力環(huán)境中，8Hz的高頻振動訓(xùn)練仍可使骨細(xì)胞表面液體壓力提升2-4個(gè)數(shù)量級。結(jié)合個(gè)體化生物力學(xué)模型，調(diào)節(jié)運(yùn)動阻力與頻率，可精準(zhǔn)補(bǔ)償重力缺失的力學(xué)刺激不足。

分子靶向干預(yù)是生物化學(xué)防護(hù)的前沿。基于Kilby Gravity平臺發(fā)現(xiàn)的SUMO通路機(jī)制，科學(xué)家正篩選SUMO化調(diào)節(jié)劑——促進(jìn)DNA修復(fù)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(xì)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(jìn)骨組織修復(fù)。

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(yīng)尚需深入解析——研究表明兩者在DNA損傷修復(fù)環(huán)節(jié)存在交叉干擾，但分子機(jī)制仍未完闡明。

未來技術(shù)突破點(diǎn)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(jié)構(gòu)的空間部署難題；基因編輯增強(qiáng)細(xì)胞抗性，可能通過構(gòu)建輻射抵抗型干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)組織自主修復(fù)；而植物生物反應(yīng)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(xué)研究成果正反向轉(zhuǎn)化應(yīng)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(diǎn)；太空干細(xì)胞研究催生了新型再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品；而力學(xué)-生物學(xué)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(shè)備發(fā)展為多學(xué)科交叉創(chuàng)新平臺，另有Kirkstall Quasi Vivo 多細(xì)胞/器官3D動態(tài)灌流培養(yǎng)系統(tǒng),其應(yīng)用場景延伸至類器官構(gòu)建、藥物篩選和個(gè)體化醫(yī)療。

微重力下的細(xì)胞智慧：力學(xué)-生物學(xué)耦合機(jī)制在深空探索中的守護(hù)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(xì)胞尺度上的力學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)儀，

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

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