YKL-40與呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)的研究進(jìn)展

王玲 賁素琴

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科200080

YKL-40是新發(fā)現(xiàn)的一種幾丁質(zhì)酶樣蛋白,眾多研究表明YKL-40和炎癥、腫瘤、組織重塑等多種病理生理過程有關(guān),尤其是和呼吸系統(tǒng)疾病有著密切的聯(lián)系,近年的許多研究表明YKL-40在呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中有著重要的作用。

1 YKL-40的一般特性

YKL-40蛋白也稱為幾丁質(zhì)酶3樣蛋白1(Chitinase 3 like 1,CHI3L1),是在牛哺乳期乳腺分泌物中發(fā)現(xiàn)的微小乳清蛋白,因其N-末端連接的前三個(gè)氨基酸為-酪氨酸(Y)、賴氨酸(K)和亮氨酸(L)以及相對分子質(zhì)量為40 000而命名YKL-40,編碼YKL-40的基因位于1號(hào)染色體q32.1一個(gè)高度保守的區(qū)域,大小為7 948個(gè)堿基對并由10個(gè)外顯子組成[1-3]。

在結(jié)構(gòu)上,YKL-40屬于糖基水解酶18家族和哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶樣蛋白,其具有肝素、丁質(zhì)和膠原蛋白結(jié)合特性,但由于具有酶活性序列末端的谷氨酸催化殘基被亮氨酸取代,YKL-40失去了幾丁質(zhì)酶活性,但仍對幾丁質(zhì)有高親和力。X射線晶體學(xué)研究結(jié)果顯示YKL-40的結(jié)構(gòu)構(gòu)型為(β/α)8桶狀折疊結(jié)構(gòu),并插入一個(gè)α+β結(jié)構(gòu)域[4-6]。

YKL-40來源于多種細(xì)胞,包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、氣道上皮、血管平滑肌細(xì)胞、滑膜細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和乳腺細(xì)胞、實(shí)體腫瘤細(xì)胞等,其表達(dá)受多種細(xì)胞因 子 的 刺 激,包 括IL-13、IL-6、IL-1β 和 干 擾 素 γ(interferon-γ,IFN-γ)[6-7]。

2 YKL-40的生物學(xué)功能

YKL-40是人類血清中的正常成分,在健康兒童中的平均值為80μg/L,成年后逐漸升高至102μg/L[8]。研究表明YKL-40是成纖維細(xì)胞、嗜酸粒細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞的生長、黏附和趨化因子,并可通過激活絲裂原活化蛋白激酶,蛋白激酶B/AKT和Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)途徑調(diào)節(jié)氧化損傷、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞死亡、炎癥體激活、抗菌應(yīng)答、腫瘤轉(zhuǎn)移[9-11]。

3 YKL-40和呼吸系統(tǒng)疾病

近年來的許多研究均表明YKL-40參與調(diào)節(jié)呼吸系統(tǒng)疾病的病理生理過程,如哮喘、COPD、肺癌、胸腔積液、肺炎、結(jié)節(jié)病等。以下主要闡述了YKL-40在這些疾病中的最新研究發(fā)現(xiàn)。

3.1 YKL-40和支氣管哮喘(哮喘) 哮喘是世界上最常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病之一,其主要特征是氣道炎癥和氣道重塑。研究表明,肺和血清中的YKL-40水平在哮喘患者中是增加的,并且和哮喘的氣道炎癥、氣道重塑、疾病嚴(yán)重程度、肺功能水平有關(guān)[8,12]。進(jìn)一步的研究表明YKL-40可以誘導(dǎo)Th2炎癥應(yīng)答、刺激樹突狀細(xì)胞活化、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡,通過C-Jun氨基末端激酶、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)和核因子κB途徑誘導(dǎo)上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-8,從而參與氣道重塑[13-14]。

韓連奎等[15]對哮喘小鼠氣道平滑肌細(xì)胞轉(zhuǎn)染YKL-40 siRNA的研究發(fā)現(xiàn),沉默YKL-40基因能夠抑制哮喘小鼠氣道平滑肌細(xì)胞的增殖和遷移,其機(jī)制可能與YKL-40調(diào)節(jié)IL-4/IFN-γ平衡失調(diào)、減輕炎癥反應(yīng)有關(guān)。

Abe等[16]對390例日本成年哮喘患者YKL-40基因多態(tài)性的研究發(fā)現(xiàn)具有rs1214194遺傳變異的哮喘患者的第1秒用力呼氣容積占預(yù)計(jì)值百分比(forced expiratory volume in one second as a percentage of expected value,FEV1%pred)明顯低于其他基因型。rs4950928和rs1214194純合子的哮喘患者的發(fā)病年齡明顯小于其他基因型。rs4950928和rs1214194的純合子可能更易引起哮喘的早期發(fā)作及氣道重塑。通過對YKL-40基因單核苷酸多態(tài)性的檢查可以進(jìn)行早期檢測及干預(yù),防止氣道阻塞。

Gomez等[17]通過使用聚類分析的方法,根據(jù)來自三個(gè)數(shù)據(jù)中心的哮喘患者的血清YKL-40水平、臨床癥狀和生理特征將哮喘分為4個(gè)簇(C1～C4)。該研究發(fā)現(xiàn)C1簇患者血清YKL-40水平最低,是最常見的簇,與高YKL-40水平的C3和C4相比,C1簇患者病情和急性加重風(fēng)險(xiǎn)較低。同樣為低YKL-40水平的C2簇是第二常見的簇,和C1相比,C2具有較高的血清IgE水平。高YKL-40水平的C3簇患者與其他3組相比,其發(fā)生哮喘最早,病程最長。C4是具有最高血清YKL-40水平的簇,C4和C3相比,哮喘發(fā)病年齡較大,疾病持續(xù)時(shí)間較短。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)低YKL-40水平C2簇患者Th2炎癥相關(guān)的IL-4、IL-5、IL-13m RNA的高表達(dá);通過對哮喘患者的痰基因轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)C2簇中IL-5信號(hào)途徑的額外轉(zhuǎn)錄,表明了YKL-40主要和非Th2炎癥途徑相關(guān)[17]。高YKL-40水平的C3和C4簇患者的特點(diǎn)是痰中高YKL-40蛋白表達(dá)及氣道中性粒細(xì)胞增多,且和Th2炎癥的痰標(biāo)志物無關(guān)。這些結(jié)果表明YKL-40可能是非Th2哮喘的生物標(biāo)志物[17]。對C1～C4簇患者和健康者痰基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄組分析顯示C1、C3和C4簇中的平均Th2基因(IL-4、IL-5、IL-13)表達(dá)水平較低,和健康對照組相比C3簇痰基因表達(dá)的熱圖分析顯示先天免疫途徑和NETosis途徑的激活。C4簇顯示IL-1和IL-18途徑的活化,而無NETosis途徑的激活[17]。該研究同時(shí)也存在一些局限性,它無法確定YKL-40是否隨時(shí)間改變或受環(huán)境及藥物變化的影響。但是這些結(jié)果從另一方面表明YKL-40或許不僅僅和Th2型哮喘相關(guān),也可能通過調(diào)節(jié)非Th2型炎癥參與調(diào)節(jié)哮喘,為研究YKL-40和哮喘的發(fā)病機(jī)制提供了新的途徑,具體的機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

眾多的研究均表明YKL-40和哮喘的發(fā)生有著緊密聯(lián)系,也為YKL-40成為哮喘的生物標(biāo)志物提供了更充分的依據(jù)。

3.2 YKL-40和COPD Lai等[18]研究發(fā)現(xiàn)急性加重期COPD患者YKL-40水平升高,YKL-40升高與C反應(yīng)蛋白呈正相關(guān),與FEV1和PaO2呈負(fù)相關(guān)。YKL-40刺激人肺成纖維細(xì)胞導(dǎo)致ERK和p38的瞬時(shí)磷酸化,以劑量依賴性的方式激活ERK和p38磷酸化,推測YKL-40可能通過ERK和p38依賴性途徑促成COPD患者肺成纖維細(xì)胞的膠原產(chǎn)生,從而加重氣道重塑。

Shirai等[19]對117例哮喘患者、115例哮喘-慢性阻塞性肺疾病重疊綜合征(asthma-chronic obstructive pulmonary disease overlap syndrome,ACOS)患者、61例COPD患者的血清骨膜素和YKL-40的分析發(fā)現(xiàn):哮喘和ACOS患者的血清骨膜素水平顯著高于COPD患者,哮喘患者和ACOS患者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。哮喘患者血清YKL-40水平顯著低于ACOS患者和COPD患者,但ACOS患者和COPD患者之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,具有高血清骨膜素和YKL-40水平患者的比例在ACOS中顯著高于哮喘或COPD患者,表明血清骨膜素和YKL-40的組合評(píng)估可用于ACOS與哮喘、COPD的鑒別診斷。

眾多的研究表明YKL-40在COPD的發(fā)病中有著重要作用,但是研究結(jié)果不一致。Tong等[20]對目前已發(fā)表的YKL-40和COPD相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)檢索,對15篇符合其研究條件的文獻(xiàn)進(jìn)行薈萃分析發(fā)現(xiàn):COPD患者血清YKL-40水平顯著高于健康對照組,與穩(wěn)定組相比,急性加重組血清YKL-40水平升高,血清YKL-40濃度升高與肺功能降低有關(guān),COPD患者痰液YKL-40水平高于健康對照組。綜合目前的研究結(jié)果,推測YKL-40可通過激活一系列信號(hào)通路分泌和調(diào)節(jié)細(xì)胞因子以促進(jìn)組織炎癥和重塑。YKL-40有望成為COPD診斷和病情監(jiān)測的有效標(biāo)志物。

3.3 YKL-40和胸腔積液 胸腔積液病因診斷面臨的臨床挑戰(zhàn)主要是良惡性胸腔積液的鑒別。良性胸腔積液中以結(jié)核性胸腔積液多見。目前臨床上用于鑒別結(jié)核性胸腔積液與惡性胸腔積液的生物標(biāo)志物主要為腺苷脫氨酶(adenosine deaminase,ADA)和癌胚抗原(carcinoembryonic antigen,CEA)。

Kayhan等[21]通過對23例(充血性心力衰竭)和57例(23例肺炎胸腔積液、22例惡性胸腔積液和12例結(jié)核性胸腔積液)胸腔積液患者的一項(xiàng)前瞻性、觀察性多學(xué)科研究發(fā)現(xiàn),血清YKL-40水平均低于胸水中的YKL-40水平,結(jié)核性胸腔積液患者血清中YKL-40水平較其他組相比最低。漏出液組胸水YKL-40中位數(shù)為205.9μg/L,滲出液組胸水YKL-40中位數(shù)為219.4μg/L,漏出液中的YKL-40水平低于滲出液。受試者工作特征曲線分析顯示,當(dāng)胸水中YKL-40＞215μg/L,診斷滲出液的靈敏度為73%,特異度為73%,似然比為2.8,曲線下面積為0.77。此外,結(jié)核性胸腔積液患者的胸水YKL-40/血清YKL-40比值為3.38高于非結(jié)核組,且和結(jié)核性胸水中升高的ADA水平具有一致性。當(dāng)胸水YKL-40/血清YKL-40比值＞1.5對診斷結(jié)核性胸腔積液有75%的敏感度,72%的特異度,似然比2.6,曲線下面積為0.825。胸腔積液患者胸水中的高YKL-40水平可鑒別滲出液和漏出液,高胸水YKL-40/血清YKL-40比值有助于從非結(jié)核性胸腔積液患者中鑒別結(jié)核性胸腔積液。

Adamidi等[22]對11例漏出液和49例滲出液(10例結(jié)核,13例肺癌,15例非肺部轉(zhuǎn)移性癌,11例肺炎積液)患者研究發(fā)現(xiàn),滲出液和漏出液患者胸水YKL-40以及血清YKL-40水平相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。滲出液患者亞組分析發(fā)現(xiàn),結(jié)核性患者血清YKL-40明顯低于其他組,胸水YKL-40/血清YKL-40比值明顯高于其他組,結(jié)核患者組的ADA水平也是升高的。此外還發(fā)現(xiàn)無論胸水還是血清,使用受試者工作特征曲線分析評(píng)估YKL-40的診斷性能發(fā)現(xiàn)血清YKL-40是區(qū)分結(jié)核和其他滲出液的極佳指標(biāo),使用122.8μg/L、118.9μg/L和113.2μg/L的臨界 值,YKL-40對結(jié)核和肺癌、結(jié)核和轉(zhuǎn)移性肺癌以及結(jié)核和肺炎積液之間的區(qū)別有91%的靈敏度和100%的特異度。上述研究納入病例樣本少,且研究結(jié)果并不完全一致,仍需大量臨床樣本的研究。

盡管YKL-40目前尚沒有臨床已應(yīng)用的ADA和CEA敏感,且目前研究結(jié)論尚不一致,將YKL-40和ADA、CEA結(jié)合用于臨床鑒別胸腔積液的性質(zhì)或許更有價(jià)值。

3.4 YKL-40和肺癌 在肺癌患者中,無論原發(fā)性肺癌還是轉(zhuǎn)移性肺癌,血清YKL-40的水平均較高。YKL-40與肺癌的分期、腫瘤復(fù)發(fā)、預(yù)后以及總體存活率顯著相關(guān)[23-25]。

YKL-40的誘導(dǎo)是發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵性微環(huán)境事件,YKL-40可抑制自然殺傷細(xì)胞的積聚和活化,同時(shí)抑制磷酸化的絲切蛋白、LIM激酶2、人類第十號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因和B型RAF激酶,參與調(diào)節(jié)肺腫瘤轉(zhuǎn)移[24]。

Kim等[26]研究發(fā)現(xiàn)在活化型T細(xì)胞中YKL-40的表達(dá)是增加的,并通過抑制IFN-γ介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1磷酸化負(fù)調(diào)節(jié)T細(xì)胞的分化。YKL-40缺陷的Th1細(xì)胞其抗腫瘤免疫基因的表達(dá)增加;特異性沉默肺組織中YKL-40的表達(dá),可以增強(qiáng)Th1細(xì)胞和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞的抗腫瘤應(yīng)答反應(yīng),有效抑制肺轉(zhuǎn)移癌的發(fā)生、發(fā)展。

3.5 YKL-40和肺炎 研究表明社區(qū)獲得性肺炎、過敏性肺炎、間質(zhì)性肺病以及急性肺部感染患者血清和支氣管肺泡灌洗液(bronchalveolar lavage fluid,BALF)中YKL-40水平是升高的,并與肺功能、BALF細(xì)胞計(jì)數(shù)、病情和預(yù)后相關(guān)[27-29]。

對肺部感染的兒童患者的研究發(fā)現(xiàn),復(fù)發(fā)性肺炎組血清YKL-40水平明顯升高,急性肺炎組次之,對照組最低。復(fù)發(fā)性肺炎組血清IgG和補(bǔ)體4水平顯著低于急性肺炎組。血清YKL-40水平和血清IgG水平、血清補(bǔ)體4水平呈負(fù)相關(guān),YKL-40可能參與復(fù)發(fā)性肺炎的發(fā)生,并與體液免疫有關(guān)[30]。

Kim等[31]對呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)感染的兒童鼻咽提取物分析后發(fā)現(xiàn)RSV感染兒童的鼻咽提取物中YKL-40和IL-13水平高于健康對照者;此外,他們利用RSV接種野生型和乳腺退化蛋白-39(breast regression protein-39,BRP-39)敲除的C57/BL小鼠的研究發(fā)現(xiàn):與單純的野生型小鼠相比,RSV感染的小鼠中BRP-39和Th2相關(guān)的細(xì)胞因子的表達(dá)顯著增加,尤其是IL-13。而RSV感染的BRP-39敲除小鼠肺的Th2細(xì)胞因子水平?jīng)]有增加。用抗YKL-40抗體治療,可以減輕RSV感染的野生型小鼠的氣道炎癥和Th2細(xì)胞因子產(chǎn)生。上述研究表明BRP-39是RSV誘導(dǎo)氣道炎癥的重要調(diào)節(jié)劑,BRP-39可能成為治療RSV誘導(dǎo)的氣道炎癥的潛在靶點(diǎn),YKL-40有望作為肺部炎癥的診斷和預(yù)后血清學(xué)標(biāo)志物。

3.6 YKL-40和其他呼吸系統(tǒng)疾病 除上述呼吸系統(tǒng)疾病,YKL-40和急性細(xì)支氣管炎、ALI、特發(fā)性肺纖維化、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征均有關(guān)。

Uysal等[32]對59例患有慢性結(jié)節(jié)病患者和25例健康人比較,發(fā)現(xiàn)慢性結(jié)節(jié)病患者血清中的YKL-40活性高于健康人,在結(jié)節(jié)病活動(dòng)期YKL-40水平顯著高于非活動(dòng)期,血清YKL-40可能是肺結(jié)節(jié)病患者的結(jié)節(jié)病活動(dòng)和持續(xù)纖維化的新型生物標(biāo)志物。

Bonella等[33]對34例自身免疫性肺泡沉積癥患者和50例健康對照者研究發(fā)現(xiàn)YKL-40在肺泡蛋白沉積癥患者的血清和BALF中的水平均高于健康者,疾病進(jìn)展期患者的血清YKL-40水平高于穩(wěn)定期和改善期患者,YKL-40可能成為臨床上評(píng)估肺泡沉積癥病情的有效指標(biāo)。

4 展望

YKL-40作為一種新型的生物標(biāo)志物,其和風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病、骨關(guān)節(jié)炎、實(shí)體腫瘤、血管炎等多種疾病相關(guān)。目前的許多研究表明YKL-40和多種不同的肺部疾病相關(guān),并且和呼吸系統(tǒng)疾病的病情及預(yù)后有著密切聯(lián)系。YKL-40在不久的將來可能成為診斷及預(yù)測呼吸系統(tǒng)疾病風(fēng)險(xiǎn)的重要標(biāo)志物。但YKL-40參與各種肺部疾病發(fā)生的具體機(jī)制仍未闡明,有待更深層次的研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突