YKL-40与呼吸系统疾病相关的研究进展

王玲 贲素琴

上海交通大学附属第一人民医院呼吸与危重症医学科200080

YKL-40是新发现的一种几丁质酶样蛋白,众多研究表明YKL-40和炎症、肿瘤、组织重塑等多种病理生理过程有关,尤其是和呼吸系统疾病有着密切的联系,近年的许多研究表明YKL-40在呼吸系统疾病的发生、发展中有着重要的作用。

1 YKL-40的一般特性

YKL-40蛋白也称为几丁质酶3样蛋白1(Chitinase 3 like 1,CHI3L1),是在牛哺乳期乳腺分泌物中发现的微小乳清蛋白,因其N-末端连接的前三个氨基酸为-酪氨酸(Y)、赖氨酸(K)和亮氨酸(L)以及相对分子质量为40 000而命名YKL-40,编码YKL-40的基因位于1号染色体q32.1一个高度保守的区域,大小为7 948个碱基对并由10个外显子组成[1-3]。

在结构上,YKL-40属于糖基水解酶18家族和哺乳动物几丁质酶样蛋白,其具有肝素、丁质和胶原蛋白结合特性,但由于具有酶活性序列末端的谷氨酸催化残基被亮氨酸取代,YKL-40失去了几丁质酶活性,但仍对几丁质有高亲和力。X射线晶体学研究结果显示YKL-40的结构构型为(β/α)8桶状折叠结构,并插入一个α+β结构域[4-6]。

YKL-40来源于多种细胞,包括巨噬细胞、中性粒细胞、单核细胞、气道上皮、血管平滑肌细胞、滑膜细胞、软骨细胞和乳腺细胞、实体肿瘤细胞等,其表达受多种细胞因 子 的 刺 激,包 括IL-13、IL-6、IL-1β 和 干 扰 素 γ(interferon-γ,IFN-γ)[6-7]。

2 YKL-40的生物学功能

YKL-40是人类血清中的正常成分,在健康儿童中的平均值为80μg/L,成年后逐渐升高至102μg/L[8]。研究表明YKL-40是成纤维细胞、嗜酸粒细胞、血管平滑肌细胞、血管内皮细胞、软骨细胞和滑膜细胞的生长、黏附和趋化因子,并可通过激活丝裂原活化蛋白激酶,蛋白激酶B/AKT和Wnt/β-连环蛋白信号途径调节氧化损伤、细胞凋亡、细胞死亡、炎症体激活、抗菌应答、肿瘤转移[9-11]。

3 YKL-40和呼吸系统疾病

近年来的许多研究均表明YKL-40参与调节呼吸系统疾病的病理生理过程,如哮喘、COPD、肺癌、胸腔积液、肺炎、结节病等。以下主要阐述了YKL-40在这些疾病中的最新研究发现。

3.1 YKL-40和支气管哮喘(哮喘) 哮喘是世界上最常见的慢性呼吸系统疾病之一,其主要特征是气道炎症和气道重塑。研究表明,肺和血清中的YKL-40水平在哮喘患者中是增加的,并且和哮喘的气道炎症、气道重塑、疾病严重程度、肺功能水平有关[8,12]。进一步的研究表明YKL-40可以诱导Th2炎症应答、刺激树突状细胞活化、调节细胞凋亡,通过C-Jun氨基末端激酶、细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)和核因子κB途径诱导上皮细胞产生IL-8,从而参与气道重塑[13-14]。

韩连奎等[15]对哮喘小鼠气道平滑肌细胞转染YKL-40 siRNA的研究发现,沉默YKL-40基因能够抑制哮喘小鼠气道平滑肌细胞的增殖和迁移,其机制可能与YKL-40调节IL-4/IFN-γ平衡失调、减轻炎症反应有关。

Abe等[16]对390例日本成年哮喘患者YKL-40基因多态性的研究发现具有rs1214194遗传变异的哮喘患者的第1秒用力呼气容积占预计值百分比(forced expiratory volume in one second as a percentage of expected value,FEV1%pred)明显低于其他基因型。rs4950928和rs1214194纯合子的哮喘患者的发病年龄明显小于其他基因型。rs4950928和rs1214194的纯合子可能更易引起哮喘的早期发作及气道重塑。通过对YKL-40基因单核苷酸多态性的检查可以进行早期检测及干预,防止气道阻塞。

Gomez等[17]通过使用聚类分析的方法,根据来自三个数据中心的哮喘患者的血清YKL-40水平、临床症状和生理特征将哮喘分为4个簇(C1～C4)。该研究发现C1簇患者血清YKL-40水平最低,是最常见的簇,与高YKL-40水平的C3和C4相比,C1簇患者病情和急性加重风险较低。同样为低YKL-40水平的C2簇是第二常见的簇,和C1相比,C2具有较高的血清IgE水平。高YKL-40水平的C3簇患者与其他3组相比,其发生哮喘最早,病程最长。C4是具有最高血清YKL-40水平的簇,C4和C3相比,哮喘发病年龄较大,疾病持续时间较短。同时也发现低YKL-40水平C2簇患者Th2炎症相关的IL-4、IL-5、IL-13m RNA的高表达;通过对哮喘患者的痰基因转录组分析发现C2簇中IL-5信号途径的额外转录,表明了YKL-40主要和非Th2炎症途径相关[17]。高YKL-40水平的C3和C4簇患者的特点是痰中高YKL-40蛋白表达及气道中性粒细胞增多,且和Th2炎症的痰标志物无关。这些结果表明YKL-40可能是非Th2哮喘的生物标志物[17]。对C1～C4簇患者和健康者痰基因表达转录组分析显示C1、C3和C4簇中的平均Th2基因(IL-4、IL-5、IL-13)表达水平较低,和健康对照组相比C3簇痰基因表达的热图分析显示先天免疫途径和NETosis途径的激活。C4簇显示IL-1和IL-18途径的活化,而无NETosis途径的激活[17]。该研究同时也存在一些局限性,它无法确定YKL-40是否随时间改变或受环境及药物变化的影响。但是这些结果从另一方面表明YKL-40或许不仅仅和Th2型哮喘相关,也可能通过调节非Th2型炎症参与调节哮喘,为研究YKL-40和哮喘的发病机制提供了新的途径,具体的机制仍需进一步探究。

众多的研究均表明YKL-40和哮喘的发生有着紧密联系,也为YKL-40成为哮喘的生物标志物提供了更充分的依据。

3.2 YKL-40和COPD Lai等[18]研究发现急性加重期COPD患者YKL-40水平升高,YKL-40升高与C反应蛋白呈正相关,与FEV1和PaO2呈负相关。YKL-40刺激人肺成纤维细胞导致ERK和p38的瞬时磷酸化,以剂量依赖性的方式激活ERK和p38磷酸化,推测YKL-40可能通过ERK和p38依赖性途径促成COPD患者肺成纤维细胞的胶原产生,从而加重气道重塑。

Shirai等[19]对117例哮喘患者、115例哮喘-慢性阻塞性肺疾病重叠综合征(asthma-chronic obstructive pulmonary disease overlap syndrome,ACOS)患者、61例COPD患者的血清骨膜素和YKL-40的分析发现:哮喘和ACOS患者的血清骨膜素水平显著高于COPD患者,哮喘患者和ACOS患者之间差异无统计学意义。哮喘患者血清YKL-40水平显著低于ACOS患者和COPD患者,但ACOS患者和COPD患者之间差异无统计学意义,具有高血清骨膜素和YKL-40水平患者的比例在ACOS中显著高于哮喘或COPD患者,表明血清骨膜素和YKL-40的组合评估可用于ACOS与哮喘、COPD的鉴别诊断。

众多的研究表明YKL-40在COPD的发病中有着重要作用,但是研究结果不一致。Tong等[20]对目前已发表的YKL-40和COPD相关的文献进行系统检索,对15篇符合其研究条件的文献进行荟萃分析发现:COPD患者血清YKL-40水平显著高于健康对照组,与稳定组相比,急性加重组血清YKL-40水平升高,血清YKL-40浓度升高与肺功能降低有关,COPD患者痰液YKL-40水平高于健康对照组。综合目前的研究结果,推测YKL-40可通过激活一系列信号通路分泌和调节细胞因子以促进组织炎症和重塑。YKL-40有望成为COPD诊断和病情监测的有效标志物。

3.3 YKL-40和胸腔积液 胸腔积液病因诊断面临的临床挑战主要是良恶性胸腔积液的鉴别。良性胸腔积液中以结核性胸腔积液多见。目前临床上用于鉴别结核性胸腔积液与恶性胸腔积液的生物标志物主要为腺苷脱氨酶(adenosine deaminase,ADA)和癌胚抗原(carcinoembryonic antigen,CEA)。

Kayhan等[21]通过对23例(充血性心力衰竭)和57例(23例肺炎胸腔积液、22例恶性胸腔积液和12例结核性胸腔积液)胸腔积液患者的一项前瞻性、观察性多学科研究发现,血清YKL-40水平均低于胸水中的YKL-40水平,结核性胸腔积液患者血清中YKL-40水平较其他组相比最低。漏出液组胸水YKL-40中位数为205.9μg/L,渗出液组胸水YKL-40中位数为219.4μg/L,漏出液中的YKL-40水平低于渗出液。受试者工作特征曲线分析显示,当胸水中YKL-40＞215μg/L,诊断渗出液的灵敏度为73%,特异度为73%,似然比为2.8,曲线下面积为0.77。此外,结核性胸腔积液患者的胸水YKL-40/血清YKL-40比值为3.38高于非结核组,且和结核性胸水中升高的ADA水平具有一致性。当胸水YKL-40/血清YKL-40比值＞1.5对诊断结核性胸腔积液有75%的敏感度,72%的特异度,似然比2.6,曲线下面积为0.825。胸腔积液患者胸水中的高YKL-40水平可鉴别渗出液和漏出液,高胸水YKL-40/血清YKL-40比值有助于从非结核性胸腔积液患者中鉴别结核性胸腔积液。

Adamidi等[22]对11例漏出液和49例渗出液(10例结核,13例肺癌,15例非肺部转移性癌,11例肺炎积液)患者研究发现,渗出液和漏出液患者胸水YKL-40以及血清YKL-40水平相比差异无统计学意义。渗出液患者亚组分析发现,结核性患者血清YKL-40明显低于其他组,胸水YKL-40/血清YKL-40比值明显高于其他组,结核患者组的ADA水平也是升高的。此外还发现无论胸水还是血清,使用受试者工作特征曲线分析评估YKL-40的诊断性能发现血清YKL-40是区分结核和其他渗出液的极佳指标,使用122.8μg/L、118.9μg/L和113.2μg/L的临界 值,YKL-40对结核和肺癌、结核和转移性肺癌以及结核和肺炎积液之间的区别有91%的灵敏度和100%的特异度。上述研究纳入病例样本少,且研究结果并不完全一致,仍需大量临床样本的研究。

尽管YKL-40目前尚没有临床已应用的ADA和CEA敏感,且目前研究结论尚不一致,将YKL-40和ADA、CEA结合用于临床鉴别胸腔积液的性质或许更有价值。

3.4 YKL-40和肺癌 在肺癌患者中,无论原发性肺癌还是转移性肺癌,血清YKL-40的水平均较高。YKL-40与肺癌的分期、肿瘤复发、预后以及总体存活率显著相关[23-25]。

YKL-40的诱导是发生肿瘤转移的关键性微环境事件,YKL-40可抑制自然杀伤细胞的积聚和活化,同时抑制磷酸化的丝切蛋白、LIM激酶2、人类第十号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因和B型RAF激酶,参与调节肺肿瘤转移[24]。

Kim等[26]研究发现在活化型T细胞中YKL-40的表达是增加的,并通过抑制IFN-γ介导的信号转导及转录激活因子1磷酸化负调节T细胞的分化。YKL-40缺陷的Th1细胞其抗肿瘤免疫基因的表达增加;特异性沉默肺组织中YKL-40的表达,可以增强Th1细胞和细胞毒性T淋巴细胞的抗肿瘤应答反应,有效抑制肺转移癌的发生、发展。

3.5 YKL-40和肺炎 研究表明社区获得性肺炎、过敏性肺炎、间质性肺病以及急性肺部感染患者血清和支气管肺泡灌洗液(bronchalveolar lavage fluid,BALF)中YKL-40水平是升高的,并与肺功能、BALF细胞计数、病情和预后相关[27-29]。

对肺部感染的儿童患者的研究发现,复发性肺炎组血清YKL-40水平明显升高,急性肺炎组次之,对照组最低。复发性肺炎组血清IgG和补体4水平显著低于急性肺炎组。血清YKL-40水平和血清IgG水平、血清补体4水平呈负相关,YKL-40可能参与复发性肺炎的发生,并与体液免疫有关[30]。

Kim等[31]对呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus,RSV)感染的儿童鼻咽提取物分析后发现RSV感染儿童的鼻咽提取物中YKL-40和IL-13水平高于健康对照者;此外,他们利用RSV接种野生型和乳腺退化蛋白-39(breast regression protein-39,BRP-39)敲除的C57/BL小鼠的研究发现:与单纯的野生型小鼠相比,RSV感染的小鼠中BRP-39和Th2相关的细胞因子的表达显著增加,尤其是IL-13。而RSV感染的BRP-39敲除小鼠肺的Th2细胞因子水平没有增加。用抗YKL-40抗体治疗,可以减轻RSV感染的野生型小鼠的气道炎症和Th2细胞因子产生。上述研究表明BRP-39是RSV诱导气道炎症的重要调节剂,BRP-39可能成为治疗RSV诱导的气道炎症的潜在靶点,YKL-40有望作为肺部炎症的诊断和预后血清学标志物。

3.6 YKL-40和其他呼吸系统疾病 除上述呼吸系统疾病,YKL-40和急性细支气管炎、ALI、特发性肺纤维化、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征均有关。

Uysal等[32]对59例患有慢性结节病患者和25例健康人比较,发现慢性结节病患者血清中的YKL-40活性高于健康人,在结节病活动期YKL-40水平显著高于非活动期,血清YKL-40可能是肺结节病患者的结节病活动和持续纤维化的新型生物标志物。

Bonella等[33]对34例自身免疫性肺泡沉积症患者和50例健康对照者研究发现YKL-40在肺泡蛋白沉积症患者的血清和BALF中的水平均高于健康者,疾病进展期患者的血清YKL-40水平高于稳定期和改善期患者,YKL-40可能成为临床上评估肺泡沉积症病情的有效指标。

4 展望

YKL-40作为一种新型的生物标志物,其和风湿性关节炎、冠状动脉粥样硬化性心脏病、骨关节炎、实体肿瘤、血管炎等多种疾病相关。目前的许多研究表明YKL-40和多种不同的肺部疾病相关,并且和呼吸系统疾病的病情及预后有着密切联系。YKL-40在不久的将来可能成为诊断及预测呼吸系统疾病风险的重要标志物。但YKL-40参与各种肺部疾病发生的具体机制仍未阐明,有待更深层次的研究。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突