YKL-40在兒童呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進展

高 蒙，賈春梅，寧立華

(1.內(nèi)蒙古科技大學包頭醫(yī)學院，內(nèi)蒙古包頭 014060；2.包頭市第四醫(yī)院兒科)

YKL-40作為一種新型炎癥因子，因其具有多種生物學功能，在兒童多系統(tǒng)基礎(chǔ)及臨床研究中廣泛應用。既往對它的研究主要集中于關(guān)節(jié)炎、惡性腫瘤及肝硬化等多種慢性疾病，而近期的相關(guān)研究表明，YKL-40在呼吸系統(tǒng)疾病中參與重要的作用。因此，研究YKL-40在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用機制，可能為呼吸系統(tǒng)疾病尋找到有效的治療靶點，進而為其診斷、治療等提供新思路。本文現(xiàn)對YKL-40與小兒部分呼吸系統(tǒng)疾病的近期研究進展作一簡要綜述。

YKL-40又被稱為人軟骨糖蛋白39，最早是1992年Johansen等[1]在體外利用人類骨肉瘤細胞株MG63大量的分泌而進行研究發(fā)現(xiàn)的一種幾丁質(zhì)酶樣分泌糖蛋白。自YKL-40發(fā)現(xiàn)以來，近幾十年國內(nèi)外研究均表明YKL-40在許多病理生理過程中發(fā)揮重要作用，包括細胞生長、遷移、趨化性、重組和組織重塑[2]，尤其與兒童呼吸系統(tǒng)疾病緊密相關(guān)。近年來的大量研究表明YKL-40在兒童呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、診斷、治療與轉(zhuǎn)歸中扮演重要的角色。因此，本文就YKL-40在兒童部分呼吸系統(tǒng)疾病中的近期研究進展作一簡要綜述。

1 YKL-40的一般結(jié)構(gòu)及特性

YKL-40是在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的一種殼質(zhì)酶類似物蛋白(chitinase like protein,CLP)，編碼YKL-40的基因CHI3L1位于1號染色體q31-q32上一個高度保守的幾丁質(zhì)結(jié)合域，該區(qū)域是由7948個堿基對與10個外顯子組成[3]，在人體組織中是一個分子質(zhì)量大約為40 000的糖蛋白，由于其氨基酸序列N端的3個氨基酸殘基分別為酪氨酸(Y)、賴氨酸(K)、和亮氨酸(L)，故命名為YKL-40[4]。由于亮氨酸取代了對幾丁質(zhì)酶活性至關(guān)重要的催化性谷氨酸殘基，使得高度保守的催化酶位點突變，故YKL-40雖與幾丁質(zhì)高度結(jié)合，但已失去了幾丁質(zhì)酶活性[5]。YKL-40具有結(jié)合某些蛋白質(zhì)和碳水化合物的能力，除了幾丁質(zhì)外，還確定了幾種生理配體，例如肝素、殼六糖、纖維六糖、透明質(zhì)酸和膠原蛋白[6]。最近的一項研究表明，負責肝素結(jié)合和YKL-40特定生物學功能的功能域是在蛋白質(zhì)的C端包含精氨酸和賴氨酸(殘基334-345)的區(qū)域[7]。YKL-40主要由活化的巨噬細胞分泌及表達，但也存在于其他細胞類型中，如中性粒細胞、滑膜成纖維細胞、軟骨細胞、血管平滑肌細胞、內(nèi)皮細胞以及癌細胞等[8]。

2 YKL-40的生物學功能

YKL-40是人類血清中的正常成分，正常成人(中位年齡37歲)血液中YKL-40水平為(59.6±21.6)ng/mL[9]。雖然至今仍缺乏YKL-40在人類病理生理中作用的共識，但目前已知的是YKL-40在人類組織中廣泛參與促進細胞增殖分化、腫瘤血管生成、抑制凋亡、炎性反應及調(diào)節(jié)基質(zhì)重構(gòu)等多種病理生理改變[10]。

2.1YKL-40與細胞增殖分化 有學者認為YKL-40可能具有促進細胞增殖分化的作用，一方面，YKL-40通過激活細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/ERK2)從而啟動絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路；另一方面，YKL-40通過激活蛋白激酶B(AKT)進而介導PI3K(PI-3K)信號通路，二者共同促進細胞的有絲分裂發(fā)生[11,16]。YKL-40可與胰島素樣生長因子(IGF)-1通過協(xié)同作用共同啟動MAPK和PI3K信號轉(zhuǎn)導通路，進一步激活ERK1/2和AKT介導的信號級聯(lián)通路，從而加快成纖維細胞的生長速度[12]。

2.2YKL-40與血管生成 相關(guān)研究表明，重組YKL-40和血管內(nèi)皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)均可促進微血管的形成，其機制可能為YKL-40通過誘導內(nèi)皮細胞膜上的膜受體蛋白多糖-1(syndecan-1,Syn-1)與鄰近膜相關(guān)蛋白αvβ5緊密結(jié)合，并通過FAK觸發(fā)細胞內(nèi)信號級聯(lián)至ERK1和ERK2，最終通過調(diào)節(jié)VEGF的高表達來誘導血管生成[13-14]。YKL-40也可通過釋放與細胞外基質(zhì)結(jié)合的促血管生成因子來促進血管生成[15]。

2.3YKL-40與細胞凋亡 迄今為止，YKL-40與細胞凋亡的關(guān)系還未進行更深入的探討。但現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，YKL-40可抑制由腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)誘導的細胞凋亡，其作用機制可能為YKL-40通過激活PI3K/AKT信號通路，從而抑制凋亡信號激酶-1(ASK1)的表達，并進一步阻遏p38和JNK1/2的傳導，最終抑制由TNF-α介導的多種基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-1、MMP-3和MMP-13)以及趨化因子IL-8的分泌[16-17]。也有研究者指出，YKL-40可能是巨噬細胞、嗜酸性粒細胞及T細胞的抗凋亡受體，可通過抑制Fas蛋白的表達、激活PKB/AKT或誘導Faim3，最終抑制體內(nèi)炎癥細胞的凋亡[18]。

2.4YKL-40與炎性反應 近年來，許多研究表明，YKL-40在多種炎癥性疾病中均存在高表達，并且YKL-40在判斷疾病的嚴重程度及轉(zhuǎn)歸預后中發(fā)揮著重要的作用。在一項關(guān)于YKL-40在食物過敏發(fā)展中的作用研究中，YKL-40在食物過敏過程中通過MAPK/ERK和PI3K/AKT磷酸化在Th2炎癥和M2巨噬細胞極化中起關(guān)鍵作用[11]。此外，還有研究表明，血漿YKL-40的最高水平與白細胞計數(shù)和血漿CRP、IL-6等炎癥標志物具有明顯的相關(guān)性[19]。

2.5YKL-40與基質(zhì)重構(gòu) 目前研究表明，YKL-40在支氣管平滑肌細胞的增殖和遷移中起重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)，YKL-40可能通過激活MAPK(JNK和ERK)和NF-kB途徑誘導支氣管上皮細胞分泌IL-8參與哮喘的炎癥反應，從而促進支氣管平滑肌細胞的增殖和遷移，最終參與哮喘的氣道重塑[20]。同時，也有研究表明，YKL-40的表達可能通過ERK和p38依賴性途徑促進COPD患者肺成纖維細胞的膠原蛋白的生成[21]，提示YKL-40在細胞外基質(zhì)的形成與重塑中起重要作用。

3 YKL-40與兒童呼吸系統(tǒng)疾病

近年來，許多研究均已表明YKL-40參與并調(diào)節(jié)了多種兒童呼吸系統(tǒng)疾病的病理生理過程，如支氣管哮喘、變應性鼻炎、毛細支氣管炎、肺炎及支氣管肺發(fā)育不良等。

3.1YKL-40與支氣管哮喘 支氣管哮喘是以慢性氣道炎癥和氣道高反應性為特征的一種變態(tài)反應性疾病，是兒童時期最常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病。研究表明，血清YKL-40水平在支氣管哮喘患兒中顯著增加，并且與哮喘的氣道炎癥、氣道重塑、肺功能水平及病情嚴重程度具有密切關(guān)系。國外一項研究[22]表明，在經(jīng)變應原致敏后的小鼠中，YKL-40的主要表達細胞為小鼠肺內(nèi)的巨噬細胞和氣道上皮細胞。一方面，YKL-40可增加肺內(nèi)樹突狀細胞數(shù)量，進一步激活并導致Th2型細胞因子極化增強；另一方面，YKL-40還可通過減少T細胞凋亡或增加T細胞存活來增加Th2型細胞數(shù)量，而活化T細胞分泌的TGF-β和其他類似Th2型細胞因子產(chǎn)生的生長因子可刺激氣道重建；與此同時，這些細胞因子(如IL-13、IL-4)又可通過調(diào)節(jié)細胞凋亡反應或選擇性巨噬細胞激活，進一步促進YKL-40產(chǎn)生。YKL-40是兒童重度難治性哮喘的已知標志物，在一項針對6～44個月兒童急性喘息的縱向研究中，發(fā)現(xiàn)血清YKL-40水平與中性粒細胞計數(shù)呈正相關(guān)[23]。另有研究[24]顯示，哮喘急性加重期組患兒血清YKL-40水平高于哮喘控制良好組，哮喘控制良好組患兒血清YKL-40水平高于健康對照組，結(jié)果提示哮喘組患兒血清YKL-40水平顯著升高，且其水平與哮喘疾病嚴重程度呈正相關(guān)。已有研究[25]表明，血漿YKL-40水平與氣道壁上皮下基底膜厚度和細胞外基質(zhì)沉積呈正相關(guān)，表明其在氣道重塑中起重要作用。在一項關(guān)于血清YKL-40水平與特定哮喘表型之間關(guān)系的研究[26]中，該研究納入了167例慢性哮喘患者的3種不同表型：早發(fā)特應性哮喘、晚發(fā)非特應性哮喘和肥胖相關(guān)性哮喘，研究者證明了3種哮喘表型中YKL-40的血清水平之間存在顯著差異，其中肥胖相關(guān)疾病患者的血清YKL-40水平最高。與疾病控制良好的患者相比，癥狀和惡化程度高的哮喘患者以及特應性哮喘患者的血清酶水平顯著高于非特應性哮喘患者。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)高脂肪飲食增加了YKL-40的肺部表達(動物研究)，這可能是由于YKL-40介導了炎癥、修復和重塑反應。目前國內(nèi)外鮮有文獻報道關(guān)于血清YKL-40水平與支氣管哮喘患兒肺功能水平的相關(guān)性，但在成人支氣管哮喘中的研究表明，血清YKL-40水平與一秒用力呼氣容積(forced expiratory volume at 1 second,FEV1)呈負相關(guān)而與哮喘嚴重程度呈正相關(guān)[27]。眾多研究均表明YKL-40與支氣管哮喘的發(fā)病機制或是病情嚴重程度緊密相關(guān)，但仍需通過進一步的前瞻性研究來確定，并且YKL-40在支氣管哮喘的管理和研究中更多潛在的作用還有待深入研究。

3.2YKL-40與變應性鼻炎 變應性鼻炎(allergic rhinitis，AR)又稱過敏性鼻炎，是由特異性IgE介導的鼻黏膜非感染性炎性疾病[28]。近年來，關(guān)于中國兒童AR患病率的國際報告逐漸增多，不同年齡、不同地區(qū)和不同生活方式的兒童，AR的患病率也存在較大差異。國外一項研究[29]結(jié)果顯示，中-重度持續(xù)性AR患者血清YKL-40水平明顯增加，且AR患者鼻黏膜中YKL-40的mRNA和蛋白表達水平與AR的病情嚴重程度呈正相關(guān)，特別是鼻癢、鼻塞的嚴重程度與血清YKL-40水平呈正相關(guān)，這些結(jié)果均提示YKL-40可能參與了AR中鼻黏膜的重塑。另有研究[30]顯示，AR患者血清中YKL-40水平與Eotaxin-2、IgE的水平以及Th1/Th2、Treg/Th17的免疫失衡程度均呈正相關(guān)。AR患者血清YKL-40水平高于正常人，且與血清IL-4水平呈正相關(guān)，這表明YKL-40可能通過促進Th0細胞向Th2細胞分化，并相對抑制Th0細胞向Th1細胞分化，最終導致Th2細胞因子的分泌增加，并且可能通過激活炎性細胞或者抑制炎性細胞凋亡來調(diào)節(jié)機體的免疫功能[31]。

3.3YKL-40與毛細支氣管炎 毛細支氣管炎多見于2～6個月的小嬰兒，以喘息、三凹征和氣促為主要的臨床特點。毛細支氣管炎與兒童哮喘發(fā)病有較強的相關(guān)性，嬰兒的第一次感染性喘息發(fā)作多為毛細支氣管炎，若有反復多次喘息發(fā)作、親屬有哮喘或變應性疾病史則其發(fā)展為哮喘的可能性增加。張曉娟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，毛細支氣管患兒血清中YKL-40水平明顯升高。肺功能中的參數(shù)達峰時間比和達峰容積比是反映小氣道阻塞的重要指標，阻塞越嚴重，比值則越低，是評估喘息病情嚴重程度和控制水平的重要依據(jù)之一，而毛細支氣管炎患兒血清YKL-40水平與達峰時間比及達峰容積比均呈負相關(guān)，提示血清YKL-40水平與毛細支氣管炎的嚴重程度呈正相關(guān)。

3.4YKL-40與支氣管肺炎

3.4.1YKL-40與病毒性肺炎 病毒性肺炎是兒童肺部感染性疾病中最常見的社區(qū)獲得性肺炎(CAP)。引起兒童肺炎的病原體很多，而病毒是其中的主要病原體之一。有學者[33]應用多變量logistic回歸分析研究發(fā)現(xiàn)YKL-40的降低程度(接受治療后第5天血清YKL-40水平降低的百分比)與ICU的入院率、機械通氣的發(fā)生率和敗血癥的發(fā)生率呈負相關(guān)，結(jié)果表明作為炎癥因子的YKL-40水平降低程度與兒童病毒性肺炎的預后相關(guān)。國內(nèi)學者[34]研究發(fā)現(xiàn)病毒性肺炎患兒的血清YKL-40水平明顯高于正常兒童，提示YKL-40水平與病毒性肺炎有關(guān)，且輕癥患兒與重癥患兒的血清YKL-40水平存在顯著差異，表明YKL-40可能與兒童病毒性肺炎的嚴重程度有關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)YKL-40在病毒性肺炎患兒的支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)中也呈高表達，且血清YKL-40水平與患兒病情嚴重程度、肺功能情況及預后有一定的相關(guān)性。有相關(guān)文獻[33]指出，在病毒性肺炎、細菌性肺炎或合并感染的患者血清中YKL-40水平之間無顯著差異，但是，細菌性肺炎患者的BALF標本中YKL-40水平明顯高于單純性病毒性肺炎。

3.4.2YKL-40與支原體肺炎 肺炎支原體肺炎(mycoplasma pneumoniae penumonia,MPP)是學齡前兒童最常見的社區(qū)獲得性肺炎之一，經(jīng)大環(huán)內(nèi)酯類藥物規(guī)范治療后一般預后良好[35]。國內(nèi)研究學者[36]通過對107例MPP患兒研究發(fā)現(xiàn)，MPP患兒血清中的YKL-40水平顯著高于健康兒童，血清YKL-40對MPP患者診斷的ROC曲線下面積(AUC)為0.797，具有較高的敏感度及特異性，結(jié)果表明血清YKL-40水平可明確區(qū)分MPP患兒和健康兒童。進一步研究發(fā)現(xiàn)，血清YKL-40水平與MPP患兒的肺部啰音、呼吸音低、肺外并發(fā)癥、胸腔積液及肺部壞死性炎癥發(fā)生率呈正相關(guān)，表明血清YKL-40水平與MPP疾病的嚴重程度相關(guān)，提示YKL-40可能參與了MPP的疾病進展。另有研究[37]通過分析MPP患兒的臨床特點并檢測其BALF中YKL-40水平，并同時分析不同影像學表現(xiàn)、支氣管鏡檢查結(jié)果及BALF中 YKL-40水平變化，提示MPP患兒BALF中 YKL-40水平變化可能與氣道損傷嚴重程度有關(guān)。BALF中 YKL-40水平升高的患兒，其在胸片上多發(fā)生肺毛玻璃樣變甚至肺實變，且支氣管鏡下分泌物增加、管腔阻塞甚至會形成塑型性支氣管炎，臨床表現(xiàn)會相對較重，治療時間也相對延長。

3.5YKL-40與支氣管肺發(fā)育不良 支氣管肺發(fā)育不良(bronchopulmonary dysplasia,BPD)是一種慢性疾病，其特征為早產(chǎn)和機械通氣后肺部發(fā)育不全、受損。與哮喘相比，BPD與更多的氣道纖維化和不可逆的肺功能損害有關(guān)。在一項橫斷面研究[38]中發(fā)現(xiàn)，BPD患兒中血清YKL-40水平的升高可能反映了其與該疾病相關(guān)的肺纖維化和結(jié)構(gòu)改變具有高度相關(guān)性。已有相關(guān)研究表明YKL-40參與了許多與纖維化相關(guān)的過程，包括平滑肌與成纖維細胞的增殖，因此，YKL-40與氣道重塑指數(shù)相關(guān)，包括支氣管壁厚度和上皮下纖維化。在BPD患兒中，血清YKL-40的水平變化反映了疾病的嚴重程度，血清YKL-40水平與FEV1及FEV1/用力肺活量(forced vital capacity,FVC)呈負相關(guān)、與持續(xù)氣道正壓通氣(CPAP)呈正相關(guān)。與此同時，其研究發(fā)現(xiàn)，BPD中較高水平的YKL-40也可能與中性粒細胞炎癥有關(guān)，盡管其生物學機制需要進一步研究。既往研究表明，慢性BPD與持續(xù)氣道阻塞的兒童表現(xiàn)出持續(xù)的中性粒細胞炎癥，且痰液中的中性粒細胞與IL-8增加。而此項研究中表明血清YKL-40與IL-8與TNF-α(參與中性粒細胞功能的細胞因子)相關(guān)，更加支持了YKL-40參與中性粒細胞炎癥的推測。

綜上所述，YKL-40水平的升高與多種兒童呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展、預后及轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)。YKL-40作為近年來一種新型的氣道慢性炎癥因子，未來的研究不僅集中于YKL-40在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用上，更有望成為兒童呼吸系統(tǒng)疾病中的一個潛在的治療靶點。然而，YKL-40在兒童呼吸系統(tǒng)疾病中的具體作用機制還尚未闡明，有待進一步更深入的研究，從而為多種兒童呼吸系統(tǒng)疾病的診斷提供有力的依據(jù)，為其治療提供可靠的實施方案。