蘇瑩瑩 何丹丹 任靖宜 吳曉梅

慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease， COPD)是引起全球慢性呼吸系統(tǒng)健康問(wèn)題的主要原因之一，是全球范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率較高的一種常見的慢性肺部疾病。氣道炎癥、阻塞和重塑以及肺實(shí)質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變是COPD最重要的特征，這些過(guò)程產(chǎn)生的臨床癥狀(如咳嗽咳痰、運(yùn)動(dòng)不耐受、呼吸困難)與不可逆的進(jìn)行性氣流受限直接相關(guān)，尤其是在疾病加重時(shí)[1]。因此，為了早期診斷、監(jiān)測(cè)和優(yōu)化COPD的醫(yī)療管理以及改善預(yù)后，人們對(duì)探索與COPD相關(guān)的個(gè)性化的和新穎的生物標(biāo)志物產(chǎn)生了濃厚的興趣。近年來(lái)，幾丁質(zhì)酶(chitinases)[2]和結(jié)構(gòu)相關(guān)的幾丁質(zhì)酶樣蛋白(chitinase-like proteins, CLPs)YKL-40[3]在COPD中被認(rèn)為是有價(jià)值的生物標(biāo)志物，在COPD的發(fā)生、發(fā)展中起著重要的作用。

幾丁質(zhì)(又稱甲殼質(zhì)或甲殼素，chitin)是地球上僅次于纖維素的第二大豐富的天然碳水化合物聚合物，是細(xì)菌及真菌的細(xì)胞壁、甲殼類動(dòng)物的外骨骼、寄生線蟲微絲蚴鞘以及許多昆蟲的消化道內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)成分。幾丁質(zhì)是幾丁質(zhì)合成酶的酶促產(chǎn)物，需要特定的酶即幾丁質(zhì)酶才能降解[4]。幾丁質(zhì)酶又稱殼質(zhì)酶，是一類相對(duì)分子質(zhì)量為20000～90000的糖基化水解酶，在植物、細(xì)菌、真菌、放線菌、昆蟲與包括人類在內(nèi)的動(dòng)物中廣泛表達(dá)。這些酶在免疫和防御、營(yíng)養(yǎng)獲取、消化、致病性和節(jié)肢動(dòng)物蛻皮等方面發(fā)揮作用。而CLPs是一類由于高度保守的假定酶位點(diǎn)突變而缺乏幾丁質(zhì)酶活性但保留幾丁質(zhì)結(jié)合活性的蛋白質(zhì)，哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶和CLPs同屬于進(jìn)化保守的18糖基水解酶家族(GH18)[5-6]。

越來(lái)越多的證據(jù)表明[7-9]，幾丁質(zhì)酶和YKL-40在炎癥、組織損傷和修復(fù)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，從而導(dǎo)致各種人類疾病的發(fā)病。本文主要綜述近年來(lái)幾丁質(zhì)酶和YKL-40的最新研究進(jìn)展，并探討其與COPD的關(guān)系，總結(jié)其在COPD中發(fā)揮的作用。

幾丁質(zhì)酶和YKL-40的生物學(xué)特性和功能

一、幾丁質(zhì)酶

GH18家族幾丁質(zhì)酶的結(jié)構(gòu)域和結(jié)構(gòu)特征是高度保守的，由N末端的催化結(jié)構(gòu)域和C末端的富含半胱氨酸(C)的碳水化合物或幾丁質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域通過(guò)富含脯氨酸(P)的鉸鏈連接組成。哺乳動(dòng)物有兩種真正的幾丁質(zhì)酶：殼三糖苷酶(chitotriosidase，CHIT1)和酸性哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶(acid mammal chitinase，AMCase)，兩者均具有內(nèi)切酶活性[4]。

CHIT1是人體肺和血液循環(huán)中最主要的幾丁質(zhì)酶，其活性主要來(lái)源于CHIT1，而AMCase在人體中的貢獻(xiàn)微乎其微。CHIT1基因位于染色體1q32.1，由13個(gè)外顯子組成，全長(zhǎng)約20 kb，是編碼445個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)[10]。CHIT1在多種組織中表達(dá)，如肺、脾、肝、胸腺和淚腺[11]。在這些細(xì)胞中，CHIT1主要由免疫細(xì)胞例如活化的巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和結(jié)構(gòu)細(xì)胞(例如上皮細(xì)胞)分泌，具有水解和轉(zhuǎn)糖基化的活性[12-13]。該酶最適pH約為5，在低pH時(shí)是無(wú)活性的。CHIT1和AMcase均是分子量約為50kD的分泌蛋白[4]。近年來(lái)，CHIT1被報(bào)道參與了肺纖維化、支氣管哮喘、COPD和肺部感染的分子發(fā)病機(jī)制，為其在肺病理生理中的作用提供了新的線索[10]。但是，CHIT1在肺內(nèi)活動(dòng)的確切作用機(jī)制尚未完全闡明。

AMCase是在人類中發(fā)現(xiàn)的第二種能夠降解幾丁質(zhì)底物的幾丁質(zhì)酶，被認(rèn)為是CHIT1的一種補(bǔ)償酶，其基因位于染色體1p13.2，由12個(gè)外顯子組成。肺上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞可表達(dá)AMCase。該酶在酸性pH條件下非常穩(wěn)定，在pH為2時(shí)表現(xiàn)出最佳活性，AMCase的名稱也源自該酶的這一特性。據(jù)報(bào)道，AMCase在胃腸道和肺部具有水解活性，這可能表明其在消化和/或免疫防御中扮演重要角色[1,4-5,11]。AMCase能抑制白細(xì)胞介素-13(interleukin-13，IL-13)通路激活和趨化因子誘導(dǎo)，減輕2型輔助性T細(xì)胞(type 2 T helper cells, Th2)炎癥，由此改善一些炎性疾病的進(jìn)程[14]。AMCase在人類呼吸系統(tǒng)中的作用還沒有得到充分研究，一些作者認(rèn)為這種酶在人類肺中可能是不活躍的，而是小鼠肺部主要的幾丁質(zhì)酶[1,5]。

二、YKL-40

YKL-40也被稱為幾丁質(zhì)酶3樣蛋白1 (Chitinase 3 like 1,CHI3L1)， 是一種最初在小鼠乳腺癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的相對(duì)分子質(zhì)量為40000的CLPs，因?yàn)槠潆逆溒鹗级税ɡ野彼?Y)、賴氨酸(K)和亮氨酸(L)所以命名為YKL-40，其編碼基因位于染色體1q32.1的一個(gè)高度保守的區(qū)域，大小為7948個(gè)堿基對(duì)并由10個(gè)外顯子組成，與幾丁質(zhì)具有高度親和力，但是由于在幾丁質(zhì)酶3樣蛋白催化域中，谷氨酸(E)突變?yōu)榱涟彼?L)而不具有酶活性，而酶活性在許多器官和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡中起著重要作用[15-16]。YKL-40的確切生物學(xué)作用尚未可知，但作為一種炎癥糖蛋白，它被認(rèn)為參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、黏附、遷移和激活[2]。在不同的哺乳動(dòng)物的器官和組織(例如人類，牛，小鼠和山羊)中發(fā)現(xiàn)了YKL-40的表達(dá)。該酶的表達(dá)受到多種細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)，包括IL-13、IL-6、IL-1β和干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)，可由各種類型的細(xì)胞產(chǎn)生，包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、乳腺細(xì)胞和實(shí)體腫瘤細(xì)胞[17-18]。迄今為止，CHI3L1已經(jīng)成為阻塞性肺疾病(哮喘和COPD)患者中最廣泛評(píng)估的CLPs。

幾丁質(zhì)酶和YKL-40在COPD患者發(fā)病中的作用

已有研究證據(jù)表明，AMCase在哮喘病人中具有潛在作用[14]，而CHIT1在COPD中具有潛在價(jià)值，即CHIT1是COPD組織病理改變的潛在的和重要的驅(qū)動(dòng)因素，中和幾丁質(zhì)酶水解活性或限制CHIT1的合成有望成為COPD治療的新靶點(diǎn)[19]。CHIT1與肺部炎癥和損傷(如COPD)發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系可能如下：環(huán)境中的有毒物質(zhì)、香煙煙霧暴露和其他因素，例如干擾素IFN-γ、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、粒-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF)、脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)以及Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)和核苷酸結(jié)合寡聚域-2(nucleotide binding oligomerization domain-2，NOD-2)的激活均可增強(qiáng)肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞中CHIT1的表達(dá)，增加CHIT1的產(chǎn)生，刺激CHIT1的釋放[1]。而CHIT1對(duì)于肺部細(xì)胞的影響是異質(zhì)性的，一方面，CHIT1可增加巨噬細(xì)胞釋放IL-8、基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9，MMP-9)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)從而介導(dǎo)組織炎癥和肺泡破壞[19]。另一方面，可增加成纖維細(xì)胞中轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號(hào)的活性(例如，通過(guò)誘導(dǎo)TGF-β受體表達(dá)，抑制其反饋抑制因子SMAD7，并與伴侶蛋白TGF-β受體相關(guān)蛋白1(TGFRAP1)和FOXO3相互作用)促進(jìn)細(xì)胞外結(jié)締組織(如膠原)的產(chǎn)生，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix，ECM)的積聚，進(jìn)而導(dǎo)致肺泡破壞和組織重塑[13,20-21]。

YKL-40也表現(xiàn)出類似的肺部效應(yīng)。最近的一項(xiàng)系統(tǒng)綜述和薈萃分析[3]表明，CHI3L1可能參與了COPD的發(fā)病機(jī)制，包括支氣管炎癥和氣道重塑，可作為COPD診斷和監(jiān)測(cè)的有價(jià)值的生物標(biāo)志物，同時(shí)也是一個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)。YKL-40相關(guān)的肺氣腫破壞、組織炎癥和重塑可能涉及的機(jī)制如下：外界環(huán)境中的有害物質(zhì)和/或香煙煙霧暴露以及兩者間接導(dǎo)致的IL-1、IL-13、IL-17A、IL-18和TNF-α等多種介質(zhì)的增加均可介導(dǎo)巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表達(dá)和分泌YKL-40[1]。CHI3L1誘導(dǎo)促炎和促纖維化介質(zhì)的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致組織炎癥、肺泡破壞和重塑。這一復(fù)雜的過(guò)程涉及了炎癥和組織反應(yīng)的不同途徑、機(jī)制和多個(gè)階段。包括：1)YKL-40促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的激活和積累導(dǎo)致Th2細(xì)胞因子IL-4、IL-5、IL-9和IL-13的產(chǎn)生增加從而造成組織炎癥，其中IL-13可刺激TGF-β增加導(dǎo)致組織重塑[22]。2)YKL-40可以通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核轉(zhuǎn)錄因子-κβ(nuclear factor-κβ，NK-κβ)途徑，促進(jìn)支氣管上皮細(xì)胞過(guò)度表達(dá)IL-8，并促進(jìn)支氣管平滑肌細(xì)胞遷移、增殖，導(dǎo)致組織炎癥和肺泡破壞[23]。3)YKL-40可刺激肺泡巨噬細(xì)胞增生，而肺泡巨噬細(xì)胞一方面可刺激支氣管上皮細(xì)胞依賴于IL-8的產(chǎn)生從而促進(jìn)組織炎癥和肺泡破壞，另一方面可刺激TGF-β或MCP-1、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-1α(macrophage inflammatory protein-1α，MIP-1α)和MMP-9的增生造成組織重塑[24]。4)YKL-40可誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)和p38依賴性途徑來(lái)刺激成纖維細(xì)胞中膠原的產(chǎn)生進(jìn)而導(dǎo)致組織重塑[25]。而Matsuura等人在小鼠中的研究[26]發(fā)現(xiàn)，肺內(nèi)生理水平的CHI3L1對(duì)于阻止過(guò)度的炎癥反應(yīng)或氣腫性肺泡破壞起到有利作用。

有研究結(jié)果[2,19,25,27-29]表明，COPD吸煙患者的血清，誘導(dǎo)痰(induced sputum，IS)和支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid，BALF)中CHIT1和YKL-40水平以及支氣管上皮和黏膜下層表達(dá)CHIT1陽(yáng)性的細(xì)胞數(shù)目明顯高于非COPD吸煙患者和從不吸煙的受試者。COPD患者血清和BALF中較高水平的CHIT1和YKL-40與肺功能快速減退、氣流阻塞和彌散性肺功能損傷的程度以及加重發(fā)作的頻率有關(guān)。其他研究結(jié)果[30-31]也強(qiáng)調(diào)了血清中高水平的YKL-40與COPD的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Lai等人研究[25]發(fā)現(xiàn)COPD急性加重期患者血清YKL-40水平和C反應(yīng)蛋白(CRP)水平升高，且血清YKL-40升高與CRP呈正相關(guān)，與一秒用力呼氣容積(Forced expiratory volume in one second， FEV1)和動(dòng)脈血氧分壓(PaO2)呈負(fù)相關(guān)。這在一定程度上提示，血清YKL-40水平升高可能預(yù)示了COPD的診斷和進(jìn)展。Shirai等研究[32]認(rèn)為CHI3L1和血清骨膜素的聯(lián)合評(píng)估可用于ACOS與哮喘、COPD的鑒別診斷。上述研究均表明CHIT1和YKL-40可以作為COPD診斷和病情監(jiān)測(cè)的可用生物標(biāo)記。

皮質(zhì)類固醇對(duì)幾丁質(zhì)酶和YKL-40水平的影響

皮質(zhì)類固醇對(duì)幾丁質(zhì)酶和YKL-40水平的影響似乎是一個(gè)重要而值得探討的問(wèn)題。這不僅僅是因?yàn)槠べ|(zhì)類固醇通常用于治療哮喘和COPD，還因?yàn)橐呀?jīng)有數(shù)據(jù)報(bào)道了系統(tǒng)性皮質(zhì)類固醇對(duì)不同疾病患者幾丁質(zhì)酶水平的影響。早在1999年，Johansen等人[33]就報(bào)道了強(qiáng)的松龍治療降低了類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的血清CHI3L1水平。BIOAIR研究[34]表明，在常規(guī)治療基礎(chǔ)上加入兩周口服潑尼松治療(0.5 mg/kg·d),不會(huì)導(dǎo)致哮喘患者血清YKL-40水平和CHIT1的活性改變，然而在COPD患者中應(yīng)用相同的治療方案時(shí)會(huì)造成血清CHIT1活性降低,但CHI3L1水平并未降低。Kunz等人的研究[35]證實(shí)了地塞米松能強(qiáng)烈抑制促炎癥巨噬細(xì)胞釋放YKL-40。Lai等人的研究[36]最近顯示吸入性糖皮質(zhì)激素(ICS)治療8周后，血清YKL-40水平降低，血清YKL-40水平與患者癥狀改善所需激素的劑量呈正相關(guān)。然而，ICS長(zhǎng)期(30個(gè)月)治療對(duì)于COPD患者痰和血清中YKL-40水平無(wú)明顯影響[35]。血清YKL-40水平無(wú)明顯變化，可能是因?yàn)镮CS治療過(guò)程中循環(huán)中皮質(zhì)類固醇水平較低所致。此外，有數(shù)據(jù)[37]顯示，與未患有COPD的吸煙者相比，COPD患者肺巨噬細(xì)胞對(duì)于皮質(zhì)類固醇的敏感性下降。因此，闡明YKL-40和其他幾丁質(zhì)酶基因的表達(dá)是否直接受到皮質(zhì)類固醇控制，似乎是十分重要的。

總結(jié)與展望

綜上所述，幾丁質(zhì)酶和YKL-40不僅在氣道免疫病理(包括慢性炎癥和組織重塑)中發(fā)揮作用，而且在COPD的臨床過(guò)程中也同樣發(fā)揮著作用，即氣道阻塞的嚴(yán)重程度、惡化的速率和對(duì)類固醇治療的反應(yīng)。它們?cè)谘装Y中是起到保護(hù)性作用還是致病性作用一直存在爭(zhēng)議。由此，未來(lái)我們要著眼于研究幾丁質(zhì)酶和YKL-40作為治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用以及作為表現(xiàn)疾病特異性特征的生物標(biāo)志物的作用。對(duì)幾丁質(zhì)酶抑制劑的研究[1]表明，甲基黃嘌呤(茶堿、咖啡因和己酮可可堿)不僅是GH18家族真菌幾丁質(zhì)酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，而且對(duì)人類幾丁質(zhì)酶也有活性，因此了解幾丁質(zhì)酶和YKL-40的生物活性有助于促進(jìn)針對(duì)幾丁質(zhì)酶的特異性治療藥物在COPD中的未來(lái)發(fā)展。