CHI3L1在肝切除术后参与肝脏血管再生的研究进展

(湖南师范大学附属第一医院 湖南省人民医院肝胆外科,湖南省长沙市410005)

肝损伤大致分为药物性肝损伤、酒精性肝损伤、缺血再灌注所致肝损伤以及肝切除术所致肝损伤。前三种类型的肝损伤大范围损害肝窦内皮细胞的组织完整性，几乎肝脏组织中所有的细胞和组织都受到了不同程度的损伤，对肝脏功能的恢复和组织修复影响很大。而肝切除术所致的肝损伤类型往往只是局部肝组织的急性肝损伤，没有破坏肝脏血管和组织结构的完整性。这是生理性肝组织再生和肝脏肿瘤血管生成的组织学基础[1-2]。

肝切除术后主要是肝脏组织急性炎症期，此时占主导地位的是呈现伤口愈合表型的巨噬细胞群体，它们能生成丰富的促进血管生长的细胞因子，包括缺氧诱导因子、血小板衍生生长因子、转化生长因子b1(transforming growth factor-b1,TGF-b1)、胰岛素样生长因子1、血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGFA)以及壳多糖酶3样蛋白1(chitinase-3-like protein 1，CHI3L1)等[3-4]。以上这些因子的相互作用，促进局灶炎症的消退，血管的再生，进而构成了肝切除术后急性肝损伤组织修复的早期阶段。

目前，国内外的相关研究主要侧重在CHI3L1对慢性乙型肝炎病毒患者肝纤维化的分期和晚期肝纤维化的诊断上，CHI3L1含量与肝纤维化的进展和预后具有显著相关性。CHI3L1通过抑制肝巨噬细胞的凋亡加剧肝纤维化进程,与肝纤维化的程度呈正相关，因此CHI3L1可被视作为肝纤维化进展和严重程度的一项预后指标[5]。研究表明，通过抑制CHI3L1的活性,能加快肝脏巨噬细胞的凋亡，从而有可能延缓甚至逆转肝纤维化的进程，这可能是治疗肝纤维化的新方向[6]。而国内外对急性肝损伤后肝脏血管再生机制的研究较少。笔者综述国内外最新研究，旨在探究肝切除术后，CHI3L1参与肝脏血管再生及肿瘤复发的可能机制。

1 CHI3L1的生物学作用及主要来源

1.1 CHI3L1在机体内发挥的生物学作用

CHI3L1是由位于1号染色体上的CHI3L1基因编码而成，相对分子质量约为39 kDa的一种蛋白质，在人体内被称为壳多糖酶3样蛋白1，而在小鼠体内则被称为小鼠乳腺退化蛋白39，CHI3L1属于糖基水解酶(glycosyl hydrolase,GH)家族中的几丁质酶样蛋白，此类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，机体内很多组织和细胞都表达CHI3L1，根据人类蛋白质图谱的分析,CHI3L1在肝脏巨噬细胞中的表达为最高[7]。CHI3L1参与了机体内很多重要的生理学过程。比如介导细胞氧化损伤、细胞凋亡、焦磷酸化、炎症小体活化等过程，还参与了调控M2型巨噬细胞的分化、TGF-b1的合成、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)活化、调控蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)信号传导以及参与肝脏肿瘤血管再生等过程[8-11]。

1.2 肝切除术后CHI3L1的主要来源

在正常的生理条件下，CHI3L1在许多组织中呈现低表达或不表达的状态，例如，CHI3L1在正常人单核细胞中为低表达或不表达状态，但特定的条件下，在巨噬细胞分化的后期，CIH3L1能被显著诱导表达。Pizano-Martínez等[12]发现，在健康机体肝脏细胞中，CD14+细胞群和CD14-细胞群均无CHI3L1蛋白的显著表达，而在急性肝损伤类型中CHI3L1水平比正常肝脏组织中的CHI3L1表达的水平高4倍以上。在慢性肝损伤中，除了CD14+细胞群，CD14-细胞群也能表达CHI3L1，两者都是CHI3L1蛋白的重要来源。在急性肝损伤的形成过程中，原本存在于肝脏血液中的内毒素、肽聚糖、鞭毛蛋白和酵母多糖等物质，被表达Toll样受体1-8(Toll-like receptors1-8,TLR1-8)的单核细胞群和库普弗细胞群摄取并提呈。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是Toll样受体-4(Toll-like receptors-4，TLR-4)的配体，TLR-4是一类大量表达于单核细胞和巨噬细胞上的Toll样受体。LPS与TLR-4的结合诱导表达了大量的细胞因子，如TGF-β、白细胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)及CHI3L1。因此，LPS被认为是急性肝损伤中直接刺激巨噬细胞产生CHI3L1的独立因素。

2 巨噬细胞在肝脏血管生成过程中的作用

2.1 CHI3L1与肝脏巨噬细胞

肝脏巨噬细胞在肝脏各种生理或病理活动的信号通路传导过程中居于关键地位，一方面肝脏巨噬细胞能调控机体免疫反应、吞噬坏死细胞、介导炎症反应、并能参与组织的修复(如肝纤维化)；另一方面，巨噬细胞通过产生和释放各种细胞因子促进肝脏组织的增殖、血管生成，以及肿瘤的复发、转移和侵袭[13]。

肝脏中的巨噬细胞群主要来源于肝脏常驻巨噬细胞群和外周循环系统中的单核细胞群。前者主要分布在肝窦内皮组织，后者主要分布于外周循环血液和骨髓中。活化的巨噬细胞大致可分为两类：经典活化型(M1型)和选择活化型(M2型)；M1型巨噬细胞可由LPS或干扰素-γ(Interferon-γ，IFN-γ)诱导，其主要作用是抵抗外界病原体入侵；而M2型巨噬细胞可由多种抗炎因子、辅助型T细胞2(T helper cells 2，Th2)细胞因子或糖蛋白等诱导产生，参与慢性炎症性疾病如寄生虫感染、肺纤维化、过敏发应；另外，M2型巨噬细胞还能调控CHI3L1、IL-8、IL-10、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)等细胞因子的表达，进一步参与肝脏再生、血管生成、肿瘤复发等过程[14-16]。

有些巨噬细胞群可以同时表达膜表面的M1型和M2型分子，因此很难严格地将肝脏巨噬细胞进行分类。肝脏巨噬细胞在功能上分为防御性巨噬细胞、修复性巨噬细胞和调节性巨噬细胞。其吞噬细胞受体可分为膜表面受体和细胞内受体，所有这些受体都通过不同的信号通路识别和激活下游分子，从而参与炎症、血管修复、组织修复、肿瘤的复发、转移侵袭等过程。Rehli等[17]发现，CHI3L1基因是调控巨噬细胞分化的关键基因，CHI3L1基因的转录蛋白同时也是巨噬细胞成熟晚期的标志性蛋白。其中，信号肽1(signal peptides-1，SP-1)在控制CHI3L1基因启动子活性中起着重要作用，巨噬细胞成熟相关的核因子与SP-1位点的结合，表明SP-1元件在诱导单核细胞向巨噬细胞分化过程中起着重要作用。

2.2 M2型巨噬细胞分泌CHI3L1参与肝脏血管再生及肿瘤复发

Ngernyuang等[18]发现,CHI3L1在肿瘤血管的生成中起到关键作用，而血管生成是肿瘤发生发展过程中至关重要的一环，它为肿瘤的生长提供了充足的营养和氧气，并通过增强氧合作用和新陈代谢来促进肿瘤细胞的生长增殖，从而促进了肿瘤血管的复发和转移。与正常组织的血管结构不同，肿瘤血管管腔高度扩张，内皮细胞间连接疏松，管壁结构高度紊乱，这种组织结构特征有利于肿瘤细胞的侵袭和转移，肿瘤血管内皮细胞的增殖速率明显高于正常血管组织。血管内皮细胞的迁移和小管形成是血管生成的关键步骤，两者形成了血管的骨架结构；另外还需要通过增加血管壁内皮细胞的数量与加强血管壁内皮细胞之间的连接，来完成血管的重塑，形成血管的结构[19-20]。

M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞分化依赖于CHI3L1表达。肝脏M2型巨噬细胞在促进血管生成中具有重要作用，而且局部浸润的M2型巨噬细胞分泌CHI3L1，然后CHI3L1和巨噬细胞膜表面的白细胞介素13受体α2(Interleukin-13 receptor α2)结合，激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节激酶蛋白(ERK)和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途径信号通路，促进巨噬细胞向M2型分化。分化后的巨噬细胞则通过调控大量炎症因子和促血管生长因子激活下游的信号通路。ERK1和ERK2信号通路的激活介导肝脏正常细胞和肿瘤细胞的增殖和分化，而PI3K/Akt信号通路则调节细胞存活，两者均参与由CHI3L1诱导的巨噬细胞分化、血管生成及肿瘤复发[21-23]。

3 CHI3L1在肝切除术后参与肝脏血管再生的可能机制

3.1 CHI3L1具有肝素结合特性

Ngernyuang等[24]研究表明，CHI3L1是一种肝素结合糖蛋白，它对肝素的结合具有很高亲和力，而肝素是许多肿瘤中诱导肿瘤血管生成所必需的蛋白。CHI3L1在第144～147位残基上含有一个共同的肝素结合基序(RRDK，BBXB),而且在C末端近端的第334～345位残基上含有一个富含KR的结构域(R:精氨酸；D:天冬氨酸；K:赖氨酸；BBXB；B：碱性氨基酸残基；X：亲水性残基)。CHI3L1上RRDK结合基序与肝素没有结合亲和力，而C端KR富含结构域可能在肝素结合活性中起核心作用。

膜结合蛋白多配体蛋白聚糖-1(syndecan-1,SDC-1)是分布在血管内皮细胞表面的一类重要受体，主要介导CHI3L1诱导血管生成。SDC-1是一种细胞表面硫酸乙酰肝素，可通过相邻的膜表面整联蛋白αvβ3与CHI3L1结合。这种偶联促进了局部黏着斑激酶861(focal adhesion kinase 861,FAK861)信号通路向MAP激酶ERK1和ERK2、血管内皮生长因子受体-2(vascular endothelial growth factor receptor-2，VEGFR-2)的信号传导途径，增强了VEGF表达，VEGF与CHI3L1协同作用最终诱发血管内皮细胞生成血管。同时，CHI3L1通过SDC1诱导β-连环蛋白(β-catenin)和细胞骨架蛋白平滑肌肌动蛋白的活化，从而调节内皮细胞衍生的平滑肌细胞的血管通透性和新生血管的稳定性，进一步增加了细胞黏附和血管的封闭[25]。

3.2 CHI3L1与IL-13Ra2结合激活下游信号通路

耿彪[26]的研究表明，IL-13Rα2是细胞膜上的50 kDa糖蛋白，是一种18糖基水解酶(GH18)的膜受体，它只包含一个17个氨基酸的细胞质结构域,而且它缺少在信号转导中发挥关键作用的Box1基因区域。故在先前的研究中被认为是IL-13的诱捕受体，不能进行信息转导。但是，近来通过对巨噬细胞、上皮细胞、内皮细胞等进行结构蛋白质组学研究，发现CHI3L1可以与细胞膜表面IL-13Ra2形成CHI3L1-IL-13Rα2-IL-13多聚体复合体，然后募集跨膜蛋白219(Transmembrane protein,TMEM 219)膜蛋白形成二聚体，活化促丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节激酶蛋白(ERK)和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途径和Wnt/β-连环蛋(β-catenin)途径，进而调节氧化损伤、诱导炎症小体激活、细胞凋亡、TGF-β1的产生、细胞癌变、细胞增殖及肿瘤血管再生。

另外，CHI3L1还通过激活细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)和应激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)等信号通路促进肝脏组织细胞分泌IL-8和MCP-1。IL-8和MCP-1可以进一步调控细胞有丝分裂和血管生成，此外，CHI3L1也能够通过SDC1提高基质金属蛋白-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)，以及趋化因子(Chemokines)的表达水平，以上诸多细胞因子协同作用，共同介导了巨噬细胞聚集和血管的生成，从而促进了肿瘤血管的再生[27]。

3.3 CHI3L1调控血管内皮生长因子生成肝脏血管

CHI3L1以依赖式和非依赖式两种途径，调节VEGF的表达进而促进血管的生成。一方面CHI3L1与VEGF具有协同作用，即CHI3L1通过上调VEGF的表达，进一步与VEGFR结合，激活VEGFR-1信号通路，从而促进肝窦血管内皮细胞的增殖，诱导血管内皮细胞形成管腔，最终修复肝脏微血管系统。另一方面，当缺乏VEGF时，CHI3L1的表达反而被诱导升高，表明CHI3L1在血管生成中起重要作用；而同时缺乏CHI3L1则会完全抑制血管生成，这表明CHI3L1的生成血管效应，可以不依赖VEGF生成血管作用。VEGF并不能调节M2型巨噬细胞的分化或调控CHI3L1的表达,而CHI3L1可以促进M2型巨噬细胞的分化和上调VEGF的表达，从而协同诱导肝脏的血管生成及肿瘤的发展。另外，CHI3L1能通过促炎症和促血管生成活性的双重作用来驱动肝脏血管再生和肿瘤的发生与发展，而VEGF的作用则是直接促进血管管腔的生成[28]。

3.4 Nogo蛋白在血管生成中起到重要作用

贾波等[29]表明，神经突因子抑制蛋白(neurite outgrowth inhibitor protein，Nogo)主要在中枢神经系统中表达，起到强效地抑制神经再生作用，而且，Nogo蛋白主要表达于真核细胞的内质网上，是由网状蛋白家族(Reticulon protein family，Rtn)基因编码的蛋白质产物。它具有三种主要的同工型蛋白：Nogo-A、Nogo-B和Nogo-C。在神经系统和巨噬细胞中主要分布Nogo-A和Nogo-B，骨骼肌细胞中主要分布Nogo-A和Nogo-C，在血管内皮细胞中和平滑肌细胞血管壁中主要分布Nogo-B。

研究表明，CHI3L1和Nogo蛋白共同参与了细胞内MAPK通路和PI3K/Akt信号转导通路，这两条路径交叉作用在肿瘤发生、增殖和迁移等方面都起着至关重要的作用[30]。其中，Nogo-A亚型作为MAPK/ERK1/2和PI3K/Akt通路激活剂的重要性在小鼠神经元传导性和再生的活体研究中得到证实。CHI3L1、Nogo-A和VEGF呈正相关，这可能提示Nogo-A与恶性肿瘤的血管形成有关。这些研究结论为研究CHI3L1和Nogo蛋白在肝脏血管生成的详细机制奠定了理论基础，具体的机制尚未阐明清楚，需要通过进一步的动物实验来证实。

4 小 结

血管的再生是肝脏再生、组织修复、肿瘤复发、转移以及侵袭的关键环节，CHI3L1已被证明在血管的生成中起到关键作用。CHI3L1参与肝脏血管再生的可能机制为：首先，M2型巨噬细胞有着强大的生成血管能力，通过分泌具有肝素结合特性的CHI3L1,与血管壁内皮细胞表面IL-13Rα2结合，活化促分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节激酶(ERK)和磷酸肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)途径和Wnt/β-catenin途径，促进肝脏血管生成及肿瘤复发。其次，CHI3L1通过与血管内皮细胞膜上ITG αvβ3联系，再与细胞膜上SDC1结合，这种偶联方式促进了FAK861信号通路向MAP激酶ERK1、ERK2、VEGFR-2的信号传导途径，增强了VEGF的表达，CHI3L1通过依赖和非依赖VEGF的途径，协同VEGF最终诱发血管内皮细胞生成血管。Nogo蛋白能促进血管生成，可能是因为CHI3L1和Nogo蛋白共同参与了细胞内MAPK通路和PI3K/Akt信号转导通路，这两条路径交叉作用在肿瘤发生、增殖和迁移等方面都起着至关重要的作用，具体的机制目前尚未阐述清楚，有待于进一步研究。