一、細胞形態與結構的改變

1. 細胞骨架重構

• 微重力可導致細胞骨架（如微管、微絲、中間纖維）的組裝和分布異常。例如，成骨細胞在微重力下微管網絡變得稀疏，細胞形態趨于扁平化，可能影響細胞極性和機械敏感性。

• 機制：重力信號通過細胞骨架傳遞，微重力削弱了機械應力對細胞骨架的調控，導致肌動蛋白收縮力下降。

2. 細胞器功能變化

• 線粒體：微重力可能影響線粒體的分布和能量代謝，如心肌細胞線粒體膜電位降低，ATP 生成減少。

• 高爾基體和內質網：在微重力環境中，某些細胞的高爾基體結構可能碎片化，分泌功能受到抑制（如肝細胞分泌白蛋白減少）。

二、細胞增殖與分化的調控

1. 增殖速率的改變

• 抑制增殖：成纖維細胞、內皮細胞在微重力下增殖減緩，可能與周期蛋白（如 Cyclin D1）表達下調有關。

• 促進增殖：某些癌細胞（如骨肉瘤細胞）在微重力下增殖加速，可能與凋亡通路抑制相關。

• 不同細胞類型對微重力的響應差異顯著：

2. 分化方向的偏移

• 軟骨細胞在微重力下合成 Ⅱ 型膠原蛋白減少，軟骨基質形成受損，可能與力學信號缺失導致的 SOX9 表達下調有關。

• 間充質干細胞（MSCs）在微重力下向脂肪細胞分化的傾向增強，成骨分化受到抑制，這與 Wnt/β-catenin 信號通路活性降低有關。

• 胚胎干細胞的多能性維持可能受微重力影響，Oct4、Sox2 等轉錄因子表達波動。

• 干細胞分化：

• 組織特異性細胞：

三、細胞代謝與信號傳導的變化

1. 代謝通路異常

• 能量代謝：微重力可誘導細胞轉向糖酵解途徑，線粒體氧化磷酸化效率下降，如成骨細胞的耗氧量降低。

• 氧化應激：微重力可能增強細胞內活性氧（ROS）的產生，導致 DNA 損傷和炎癥反應（如免疫細胞釋放 IL-6、TNF-α 增加）。

2. 信號通路失調

• 機械敏感通路：整合素 - focal adhesion kinase（FAK）通路、YAP/TAZ 通路對重力信號敏感，微重力下細胞對基質硬度的感知能力減弱，影響細胞黏附和遷移。

• 炎癥與免疫信號：免疫細胞（如 T 細胞、巨噬細胞）的 NF-κB 通路激活增強，導致促炎因子分泌增加，可能與太空飛行中航天員免疫功能下降相關。

四、細胞間相互作用與組織形成

1. 細胞黏附與細胞外基質（ECM）

• 微重力下細胞間黏附分子（如 E - 鈣黏蛋白）表達減少，細胞與 ECM 的相互作用減弱，導致組織樣結構形成困難（如三維細胞球體的穩定性下降）。

2. 類器官培養的挑戰與機遇

• 挑戰：缺乏重力誘導的組織層次化，如腸類器官的絨毛結構發育不完整。

• 機遇：微重力可能抑制成纖維細胞過度增殖，減少瘢痕組織形成，有利于某些功能性組織（如心肌組織）的有序排列。

五、應用與研究價值

1. 疾病模型構建

• 微重力環境可模擬某些病理狀態（如骨質疏松、)下的細胞行為，用于研究疾病機制（如成骨細胞 - 破骨細胞失衡）和藥物篩選。

2. 生物制造與再生醫學

• 利用微重力減少重力引起的對流和沉降，可能促進細胞均勻分布和三維結構形成，優化組織工程支架的構建。

3. 太空生物學研究

• 探索重力作為一種物理信號對生命活動的基礎調控機制，為航天員健康防護（如骨丟失、免疫抑制）提供理論依據。

六、地面模擬技術

• 旋轉壁式生物反應器：通過旋轉消除細胞所受重力矢量，模擬自由落體狀態。

• TDCCS-3D（微重力三維細胞培養系統）：精準模擬生理環境：采用傾斜45°旋轉裝置，實現整機三維旋轉，能有效實現細胞培養過程的低剪切力，讓細胞處于自由懸浮狀態，精準模擬微重力環境，更接近細胞在體內所處的力學微環境。

• 磁懸浮技術：利用磁場懸浮細胞，減少接觸應力的干擾。