血流動力學剪切應力作為血流產生的摩擦力，可調節血管內皮細胞行為（如凋亡），其異常與肺栓塞（PE）、肺動脈高壓（PAH）和慢性血栓栓塞性肺動脈高壓（CTEPH ）等肺血管疾病相關。肺內皮細胞分為大血管和微血管兩類，其中微血管內皮細胞的凋亡特性獨特且與 PAH 等疾病相關。已知生理范圍的剪切應力可通過激活 PI3K/Akt 通路抑制某些內皮細胞（如 HUVECs）的凋亡，但對人肺微血管內皮細胞（PMVECs）的作用及機制尚未明確。

鑒于肺內皮細胞異常凋亡的危害性，美國約翰?霍普金斯大學醫學院肺科與危重癥醫學科的研究團隊對生理剪切應力通過 PI3K 信號通路減少人肺微血管內皮細胞凋亡這一假設進行驗證。研究成果發表在Physiological reports期刊，題為“ Physiological shear stress suppresses apoptosis in human pulmonary microvascular endothelial cells"。

首先，為了明確剪切應力對人肺微血管內皮細胞（PMVECs）中 PI3K 激活的作用，研究人員檢測了 PI3K 下游靶標 Akt 的磷酸化水平。結果顯示，1 小時急性或 24 小時長期的生理性剪切應力（12 dyn/cm2）均可顯著提高 Akt 磷酸化水平，且這一效應可被 PI3K 抑制劑 LY294002 阻斷，而總 Akt 表達量不受影響（圖 1a  和1b）。當停止（0 dyn/cm2）或降低剪切應力（3 dyn/cm2）后，Akt 磷酸化水平會迅速下降（圖 1c ）。這些結果表明，剪切應力可通過 PI3K 快速且動態地調控 Akt 磷酸化，并在持續暴露期間維持這一激活狀態。

圖1    剪切應力激活 PMVECs 中的 PI3K/Akt 通路。

接著，研究人員探究了 PI3K 在PMVECs 存活中的作用。研究發現，在靜態培養條件下，PI3K 抑制劑 LY294002 會通過增加染色質濃縮（圖 2a）、提高胱天蛋白酶 3/7 活性（圖 2b）和促進 DNA 片段化等方式誘導細胞凋亡（圖 2c）。但當PMVECs 先在生理性剪切應力下適應 24 小時后，LY294002 誘導的凋亡能被wanquan抑制。這表明生理性剪切應力可抵消 PI3K 被抑制所引發的凋亡效應。

圖2     剪切應力可減少 PMVECs 的凋亡。

隨后，為了研究生理性剪切應力的抗凋亡作用是否具有廣譜性，研究人員使用廣譜蛋白激酶抑制劑星形孢菌素（STS）對細胞進行處理。結果顯示，靜態培養的細胞經 STS 處理后，染色質濃縮、胱天蛋白酶激活及 DNA 濃縮等凋亡標志物均顯著增加（圖 3a-c）。而在剪切應力條件下，STS 誘導的上述凋亡指標均被顯著抑制。這些結果表明，生理性剪切應力的抗凋亡作用不僅針對 PI3K 抑制引發的凋亡，對 STS 介導的凋亡同樣有效，提示生理性剪切應力抗凋亡效應具有一定的廣泛性。

圖3     剪切應力減弱 STS 誘導的 PMVECs 凋亡。

最后，研究人員探究了 PI3K 活性在剪切應力誘導的對 STS 凋亡抵抗中的作用。結果顯示，在生理性剪切應力下維持 48 小時的 PMVECs，其 Akt 磷酸化水平較靜態條件下的細胞升高，且暴露于 STS 后 Akt 磷酸化水平較剪切應力作用下的細胞略有增加（圖 4），可能存在代償性抗凋亡機制，而 Akt 豐度在各實驗條件下均無變化。此外，在經剪切應力適應 24 小時后暴露于 STS 并持續處于剪切應力下的細胞中，使用 LY294002 抑制 PI3K，會使染色質濃縮、胱天蛋白酶 3/7 激活及 DNA 片段化顯著增加（圖 5），這表明 PI3K 介導了剪切應力誘導的對 STS 的凋亡抵抗。

圖4    剪切應力誘導的 PI3K 活性升高不受 STS 的抑制。

圖5    PI3K/Akt 通路參與剪切應力依賴性的對 STS 的凋亡抵抗

圖6    研究結果示意圖

總之，文章指出肺血管疾病與血流及剪切應力的改變密切相關。生理性剪切應力可使肺微血管內皮細胞中 PI3K 活性持續升高，并能保護細胞免受 LY294002 或 STS 誘導的凋亡，其中對 STS 誘導凋亡的保護作用依賴于 PI3K（圖 6）。生理剪切應力增加 PI3K/Akt 活性并抑制正常人 PMVEC 的細胞凋亡。

參考文獻：Yan S, Philip NM, Murray ST, Yun X, Croglio MP, Suresh K, Damarla M, Shimoda LA, Kolb TM. Physiological shear stress suppresses apoptosis in human pulmonary microvascular endothelial cells. Physiol Rep. 2025 Mar;13(6):e70269. doi: 10.14814/phy2.70269. PMID: 40110888; PMCID: PMC11923950.

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