CHI3L1在肝切除術后參與肝臟血管再生的研究進展

(湖南師范大學附屬第一醫(yī)院 湖南省人民醫(yī)院肝膽外科,湖南省長沙市410005)

肝損傷大致分為藥物性肝損傷、酒精性肝損傷、缺血再灌注所致肝損傷以及肝切除術所致肝損傷。前三種類型的肝損傷大范圍損害肝竇內皮細胞的組織完整性，幾乎肝臟組織中所有的細胞和組織都受到了不同程度的損傷，對肝臟功能的恢復和組織修復影響很大。而肝切除術所致的肝損傷類型往往只是局部肝組織的急性肝損傷，沒有破壞肝臟血管和組織結構的完整性。這是生理性肝組織再生和肝臟腫瘤血管生成的組織學基礎[1-2]。

肝切除術后主要是肝臟組織急性炎癥期，此時占主導地位的是呈現傷口愈合表型的巨噬細胞群體，它們能生成豐富的促進血管生長的細胞因子，包括缺氧誘導因子、血小板衍生生長因子、轉化生長因子b1(transforming growth factor-b1,TGF-b1)、胰島素樣生長因子1、血管內皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGFA)以及殼多糖酶3樣蛋白1(chitinase-3-like protein 1，CHI3L1)等[3-4]。以上這些因子的相互作用，促進局灶炎癥的消退，血管的再生，進而構成了肝切除術后急性肝損傷組織修復的早期階段。

目前，國內外的相關研究主要側重在CHI3L1對慢性乙型肝炎病毒患者肝纖維化的分期和晚期肝纖維化的診斷上，CHI3L1含量與肝纖維化的進展和預后具有顯著相關性。CHI3L1通過抑制肝巨噬細胞的凋亡加劇肝纖維化進程,與肝纖維化的程度呈正相關，因此CHI3L1可被視作為肝纖維化進展和嚴重程度的一項預后指標[5]。研究表明，通過抑制CHI3L1的活性,能加快肝臟巨噬細胞的凋亡，從而有可能延緩甚至逆轉肝纖維化的進程，這可能是治療肝纖維化的新方向[6]。而國內外對急性肝損傷后肝臟血管再生機制的研究較少。筆者綜述國內外最新研究，旨在探究肝切除術后，CHI3L1參與肝臟血管再生及腫瘤復發(fā)的可能機制。

1 CHI3L1的生物學作用及主要來源

1.1 CHI3L1在機體內發(fā)揮的生物學作用

CHI3L1是由位于1號染色體上的CHI3L1基因編碼而成，相對分子質量約為39 kDa的一種蛋白質，在人體內被稱為殼多糖酶3樣蛋白1，而在小鼠體內則被稱為小鼠乳腺退化蛋白39，CHI3L1屬于糖基水解酶(glycosyl hydrolase,GH)家族中的幾丁質酶樣蛋白，此類蛋白不具有酶蛋白的活性，并且CHI3L1基因具有高度保守的特性，機體內很多組織和細胞都表達CHI3L1，根據人類蛋白質圖譜的分析,CHI3L1在肝臟巨噬細胞中的表達為最高[7]。CHI3L1參與了機體內很多重要的生理學過程。比如介導細胞氧化損傷、細胞凋亡、焦磷酸化、炎癥小體活化等過程，還參與了調控M2型巨噬細胞的分化、TGF-b1的合成、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)活化、調控蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)信號傳導以及參與肝臟腫瘤血管再生等過程[8-11]。

1.2 肝切除術后CHI3L1的主要來源

在正常的生理條件下，CHI3L1在許多組織中呈現低表達或不表達的狀態(tài)，例如，CHI3L1在正常人單核細胞中為低表達或不表達狀態(tài)，但特定的條件下，在巨噬細胞分化的后期，CIH3L1能被顯著誘導表達。Pizano-Martínez等[12]發(fā)現，在健康機體肝臟細胞中，CD14+細胞群和CD14-細胞群均無CHI3L1蛋白的顯著表達，而在急性肝損傷類型中CHI3L1水平比正常肝臟組織中的CHI3L1表達的水平高4倍以上。在慢性肝損傷中，除了CD14+細胞群，CD14-細胞群也能表達CHI3L1，兩者都是CHI3L1蛋白的重要來源。在急性肝損傷的形成過程中，原本存在于肝臟血液中的內毒素、肽聚糖、鞭毛蛋白和酵母多糖等物質，被表達Toll樣受體1-8(Toll-like receptors1-8,TLR1-8)的單核細胞群和庫普弗細胞群攝取并提呈。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是Toll樣受體-4(Toll-like receptors-4，TLR-4)的配體，TLR-4是一類大量表達于單核細胞和巨噬細胞上的Toll樣受體。LPS與TLR-4的結合誘導表達了大量的細胞因子，如TGF-β、白細胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)及CHI3L1。因此，LPS被認為是急性肝損傷中直接刺激巨噬細胞產生CHI3L1的獨立因素。

2 巨噬細胞在肝臟血管生成過程中的作用

2.1 CHI3L1與肝臟巨噬細胞

肝臟巨噬細胞在肝臟各種生理或病理活動的信號通路傳導過程中居于關鍵地位，一方面肝臟巨噬細胞能調控機體免疫反應、吞噬壞死細胞、介導炎癥反應、并能參與組織的修復(如肝纖維化)；另一方面，巨噬細胞通過產生和釋放各種細胞因子促進肝臟組織的增殖、血管生成，以及腫瘤的復發(fā)、轉移和侵襲[13]。

肝臟中的巨噬細胞群主要來源于肝臟常駐巨噬細胞群和外周循環(huán)系統(tǒng)中的單核細胞群。前者主要分布在肝竇內皮組織，后者主要分布于外周循環(huán)血液和骨髓中?；罨木奘杉毎笾驴煞譃閮深悾航浀浠罨?M1型)和選擇活化型(M2型)；M1型巨噬細胞可由LPS或干擾素-γ(Interferon-γ，IFN-γ)誘導，其主要作用是抵抗外界病原體入侵；而M2型巨噬細胞可由多種抗炎因子、輔助型T細胞2(T helper cells 2，Th2)細胞因子或糖蛋白等誘導產生，參與慢性炎癥性疾病如寄生蟲感染、肺纖維化、過敏發(fā)應；另外，M2型巨噬細胞還能調控CHI3L1、IL-8、IL-10、單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)等細胞因子的表達，進一步參與肝臟再生、血管生成、腫瘤復發(fā)等過程[14-16]。

有些巨噬細胞群可以同時表達膜表面的M1型和M2型分子，因此很難嚴格地將肝臟巨噬細胞進行分類。肝臟巨噬細胞在功能上分為防御性巨噬細胞、修復性巨噬細胞和調節(jié)性巨噬細胞。其吞噬細胞受體可分為膜表面受體和細胞內受體，所有這些受體都通過不同的信號通路識別和激活下游分子，從而參與炎癥、血管修復、組織修復、腫瘤的復發(fā)、轉移侵襲等過程。Rehli等[17]發(fā)現，CHI3L1基因是調控巨噬細胞分化的關鍵基因，CHI3L1基因的轉錄蛋白同時也是巨噬細胞成熟晚期的標志性蛋白。其中，信號肽1(signal peptides-1，SP-1)在控制CHI3L1基因啟動子活性中起著重要作用，巨噬細胞成熟相關的核因子與SP-1位點的結合，表明SP-1元件在誘導單核細胞向巨噬細胞分化過程中起著重要作用。

2.2 M2型巨噬細胞分泌CHI3L1參與肝臟血管再生及腫瘤復發(fā)

Ngernyuang等[18]發(fā)現,CHI3L1在腫瘤血管的生成中起到關鍵作用，而血管生成是腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中至關重要的一環(huán)，它為腫瘤的生長提供了充足的營養(yǎng)和氧氣，并通過增強氧合作用和新陳代謝來促進腫瘤細胞的生長增殖，從而促進了腫瘤血管的復發(fā)和轉移。與正常組織的血管結構不同，腫瘤血管管腔高度擴張，內皮細胞間連接疏松，管壁結構高度紊亂，這種組織結構特征有利于腫瘤細胞的侵襲和轉移，腫瘤血管內皮細胞的增殖速率明顯高于正常血管組織。血管內皮細胞的遷移和小管形成是血管生成的關鍵步驟，兩者形成了血管的骨架結構；另外還需要通過增加血管壁內皮細胞的數量與加強血管壁內皮細胞之間的連接，來完成血管的重塑，形成血管的結構[19-20]。

M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞分化依賴于CHI3L1表達。肝臟M2型巨噬細胞在促進血管生成中具有重要作用，而且局部浸潤的M2型巨噬細胞分泌CHI3L1，然后CHI3L1和巨噬細胞膜表面的白細胞介素13受體α2(Interleukin-13 receptor α2)結合，激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節(jié)激酶蛋白(ERK)和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途徑信號通路，促進巨噬細胞向M2型分化。分化后的巨噬細胞則通過調控大量炎癥因子和促血管生長因子激活下游的信號通路。ERK1和ERK2信號通路的激活介導肝臟正常細胞和腫瘤細胞的增殖和分化，而PI3K/Akt信號通路則調節(jié)細胞存活，兩者均參與由CHI3L1誘導的巨噬細胞分化、血管生成及腫瘤復發(fā)[21-23]。

3 CHI3L1在肝切除術后參與肝臟血管再生的可能機制

3.1 CHI3L1具有肝素結合特性

Ngernyuang等[24]研究表明，CHI3L1是一種肝素結合糖蛋白，它對肝素的結合具有很高親和力，而肝素是許多腫瘤中誘導腫瘤血管生成所必需的蛋白。CHI3L1在第144～147位殘基上含有一個共同的肝素結合基序(RRDK，BBXB),而且在C末端近端的第334～345位殘基上含有一個富含KR的結構域(R:精氨酸；D:天冬氨酸；K:賴氨酸；BBXB；B：堿性氨基酸殘基；X：親水性殘基)。CHI3L1上RRDK結合基序與肝素沒有結合親和力，而C端KR富含結構域可能在肝素結合活性中起核心作用。

膜結合蛋白多配體蛋白聚糖-1(syndecan-1,SDC-1)是分布在血管內皮細胞表面的一類重要受體，主要介導CHI3L1誘導血管生成。SDC-1是一種細胞表面硫酸乙酰肝素，可通過相鄰的膜表面整聯蛋白αvβ3與CHI3L1結合。這種偶聯促進了局部黏著斑激酶861(focal adhesion kinase 861,FAK861)信號通路向MAP激酶ERK1和ERK2、血管內皮生長因子受體-2(vascular endothelial growth factor receptor-2，VEGFR-2)的信號傳導途徑，增強了VEGF表達，VEGF與CHI3L1協(xié)同作用最終誘發(fā)血管內皮細胞生成血管。同時，CHI3L1通過SDC1誘導β-連環(huán)蛋白(β-catenin)和細胞骨架蛋白平滑肌肌動蛋白的活化，從而調節(jié)內皮細胞衍生的平滑肌細胞的血管通透性和新生血管的穩(wěn)定性，進一步增加了細胞黏附和血管的封閉[25]。

3.2 CHI3L1與IL-13Ra2結合激活下游信號通路

耿彪[26]的研究表明，IL-13Rα2是細胞膜上的50 kDa糖蛋白，是一種18糖基水解酶(GH18)的膜受體，它只包含一個17個氨基酸的細胞質結構域,而且它缺少在信號轉導中發(fā)揮關鍵作用的Box1基因區(qū)域。故在先前的研究中被認為是IL-13的誘捕受體，不能進行信息轉導。但是，近來通過對巨噬細胞、上皮細胞、內皮細胞等進行結構蛋白質組學研究，發(fā)現CHI3L1可以與細胞膜表面IL-13Ra2形成CHI3L1-IL-13Rα2-IL-13多聚體復合體，然后募集跨膜蛋白219(Transmembrane protein,TMEM 219)膜蛋白形成二聚體，活化促絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節(jié)激酶蛋白(ERK)和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途徑和Wnt/β-連環(huán)蛋(β-catenin)途徑，進而調節(jié)氧化損傷、誘導炎癥小體激活、細胞凋亡、TGF-β1的產生、細胞癌變、細胞增殖及腫瘤血管再生。

另外，CHI3L1還通過激活細胞外調節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)和應激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)等信號通路促進肝臟組織細胞分泌IL-8和MCP-1。IL-8和MCP-1可以進一步調控細胞有絲分裂和血管生成，此外，CHI3L1也能夠通過SDC1提高基質金屬蛋白-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)，以及趨化因子(Chemokines)的表達水平，以上諸多細胞因子協(xié)同作用，共同介導了巨噬細胞聚集和血管的生成，從而促進了腫瘤血管的再生[27]。

3.3 CHI3L1調控血管內皮生長因子生成肝臟血管

CHI3L1以依賴式和非依賴式兩種途徑，調節(jié)VEGF的表達進而促進血管的生成。一方面CHI3L1與VEGF具有協(xié)同作用，即CHI3L1通過上調VEGF的表達，進一步與VEGFR結合，激活VEGFR-1信號通路，從而促進肝竇血管內皮細胞的增殖，誘導血管內皮細胞形成管腔，最終修復肝臟微血管系統(tǒng)。另一方面，當缺乏VEGF時，CHI3L1的表達反而被誘導升高，表明CHI3L1在血管生成中起重要作用；而同時缺乏CHI3L1則會完全抑制血管生成，這表明CHI3L1的生成血管效應，可以不依賴VEGF生成血管作用。VEGF并不能調節(jié)M2型巨噬細胞的分化或調控CHI3L1的表達,而CHI3L1可以促進M2型巨噬細胞的分化和上調VEGF的表達，從而協(xié)同誘導肝臟的血管生成及腫瘤的發(fā)展。另外，CHI3L1能通過促炎癥和促血管生成活性的雙重作用來驅動肝臟血管再生和腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，而VEGF的作用則是直接促進血管管腔的生成[28]。

3.4 Nogo蛋白在血管生成中起到重要作用

賈波等[29]表明，神經突因子抑制蛋白(neurite outgrowth inhibitor protein，Nogo)主要在中樞神經系統(tǒng)中表達，起到強效地抑制神經再生作用，而且，Nogo蛋白主要表達于真核細胞的內質網上，是由網狀蛋白家族(Reticulon protein family，Rtn)基因編碼的蛋白質產物。它具有三種主要的同工型蛋白：Nogo-A、Nogo-B和Nogo-C。在神經系統(tǒng)和巨噬細胞中主要分布Nogo-A和Nogo-B，骨骼肌細胞中主要分布Nogo-A和Nogo-C，在血管內皮細胞中和平滑肌細胞血管壁中主要分布Nogo-B。

研究表明，CHI3L1和Nogo蛋白共同參與了細胞內MAPK通路和PI3K/Akt信號轉導通路，這兩條路徑交叉作用在腫瘤發(fā)生、增殖和遷移等方面都起著至關重要的作用[30]。其中，Nogo-A亞型作為MAPK/ERK1/2和PI3K/Akt通路激活劑的重要性在小鼠神經元傳導性和再生的活體研究中得到證實。CHI3L1、Nogo-A和VEGF呈正相關，這可能提示Nogo-A與惡性腫瘤的血管形成有關。這些研究結論為研究CHI3L1和Nogo蛋白在肝臟血管生成的詳細機制奠定了理論基礎，具體的機制尚未闡明清楚，需要通過進一步的動物實驗來證實。

4 小 結

血管的再生是肝臟再生、組織修復、腫瘤復發(fā)、轉移以及侵襲的關鍵環(huán)節(jié)，CHI3L1已被證明在血管的生成中起到關鍵作用。CHI3L1參與肝臟血管再生的可能機制為：首先，M2型巨噬細胞有著強大的生成血管能力，通過分泌具有肝素結合特性的CHI3L1,與血管壁內皮細胞表面IL-13Rα2結合，活化促分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節(jié)激酶(ERK)和磷酸肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)途徑和Wnt/β-catenin途徑，促進肝臟血管生成及腫瘤復發(fā)。其次，CHI3L1通過與血管內皮細胞膜上ITG αvβ3聯系，再與細胞膜上SDC1結合，這種偶聯方式促進了FAK861信號通路向MAP激酶ERK1、ERK2、VEGFR-2的信號傳導途徑，增強了VEGF的表達，CHI3L1通過依賴和非依賴VEGF的途徑，協(xié)同VEGF最終誘發(fā)血管內皮細胞生成血管。Nogo蛋白能促進血管生成，可能是因為CHI3L1和Nogo蛋白共同參與了細胞內MAPK通路和PI3K/Akt信號轉導通路，這兩條路徑交叉作用在腫瘤發(fā)生、增殖和遷移等方面都起著至關重要的作用，具體的機制目前尚未闡述清楚，有待于進一步研究。