幾丁質酶在COPD中的研究進展

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健康問題的主要原因之一，是全球范圍內發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質的結構改變是COPD最重要的特征，這些過程產生的臨床癥狀(如咳嗽咳痰、運動不耐受、呼吸困難)與不可逆的進行性氣流受限直接相關，尤其是在疾病加重時[1]。因此，為了早期診斷、監測和優化COPD的醫療管理以及改善預后，人們對探索與COPD相關的個性化的和新穎的生物標志物產生了濃厚的興趣。近年來，幾丁質酶(chitinases)[2]和結構相關的幾丁質酶樣蛋白(chitinase-like proteins, CLPs)YKL-40[3]在COPD中被認為是有價值的生物標志物，在COPD的發生、發展中起著重要的作用。

幾丁質(又稱甲殼質或甲殼素，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，是細菌及真菌的細胞壁、甲殼類動物的外骨骼、寄生線蟲微絲蚴鞘以及許多昆蟲的消化道內壁的結構成分。幾丁質是幾丁質合成酶的酶促產物，需要特定的酶即幾丁質酶才能降解[4]。幾丁質酶又稱殼質酶，是一類相對分子質量為20000～90000的糖基化水解酶，在植物、細菌、真菌、放線菌、昆蟲與包括人類在內的動物中廣泛表達。這些酶在免疫和防御、營養獲取、消化、致病性和節肢動物蛻皮等方面發揮作用。而CLPs是一類由于高度保守的假定酶位點突變而缺乏幾丁質酶活性但保留幾丁質結合活性的蛋白質，哺乳動物幾丁質酶和CLPs同屬于進化保守的18糖基水解酶家族(GH18)[5-6]。

越來越多的證據表明[7-9]，幾丁質酶和YKL-40在炎癥、組織損傷和修復反應中發揮重要作用，從而導致各種人類疾病的發病。本文主要綜述近年來幾丁質酶和YKL-40的最新研究進展，并探討其與COPD的關系，總結其在COPD中發揮的作用。

幾丁質酶和YKL-40的生物學特性和功能

一、幾丁質酶

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

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

AMCase是在人類中發現的第二種能夠降解幾丁質底物的幾丁質酶，被認為是CHIT1的一種補償酶，其基因位于染色體1p13.2，由12個外顯子組成。肺上皮細胞、巨噬細胞和嗜酸性粒細胞可表達AMCase。該酶在酸性pH條件下非常穩定，在pH為2時表現出最佳活性，AMCase的名稱也源自該酶的這一特性。據報道，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能抑制白細胞介素-13(interleukin-13，IL-13)通路激活和趨化因子誘導，減輕2型輔助性T細胞(type 2 T helper cells, Th2)炎癥，由此改善一些炎性疾病的進程[14]。AMCase在人類呼吸系統中的作用還沒有得到充分研究，一些作者認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酶[1,5]。

二、YKL-40

YKL-40也被稱為幾丁質酶3樣蛋白1 (Chitinase 3 like 1,CHI3L1)， 是一種最初在小鼠乳腺癌細胞中發現的相對分子質量為40000的CLPs，因為其肽鏈起始端包括酪氨酸(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的一個高度保守的區域，大小為7948個堿基對并由10個外顯子組成，與幾丁質具有高度親和力，但是由于在幾丁質酶3樣蛋白催化域中，谷氨酸(E)突變為亮氨酸(L)而不具有酶活性，而酶活性在許多器官和系統的動態平衡中起著重要作用[15-16]。YKL-40的確切生物學作用尚未可知，但作為一種炎癥糖蛋白，它被認為參與調節細胞的增殖、黏附、遷移和激活[2]。在不同的哺乳動物的器官和組織(例如人類，牛，小鼠和山羊)中發現了YKL-40的表達。該酶的表達受到多種細胞因子的調節，包括IL-13、IL-6、IL-1β和干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)，可由各種類型的細胞產生，包括巨噬細胞、中性粒細胞、單核細胞、氣道上皮細胞、軟骨細胞、滑膜細胞、血管平滑肌細胞、乳腺細胞和實體腫瘤細胞[17-18]。迄今為止，CHI3L1已經成為阻塞性肺疾病(哮喘和COPD)患者中最廣泛評估的CLPs。

幾丁質酶和YKL-40在COPD患者發病中的作用

已有研究證據表明，AMCase在哮喘病人中具有潛在作用[14]，而CHIT1在COPD中具有潛在價值，即CHIT1是COPD組織病理改變的潛在的和重要的驅動因素，中和幾丁質酶水解活性或限制CHIT1的合成有望成為COPD治療的新靶點[19]。CHIT1與肺部炎癥和損傷(如COPD)發病機制之間的關系可能如下：環境中的有毒物質、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)和核苷酸結合寡聚域-2(nucleotide binding oligomerization domain-2，NOD-2)的激活均可增強肺泡巨噬細胞和中性粒細胞中CHIT1的表達，增加CHIT1的產生，刺激CHIT1的釋放[1]。而CHIT1對于肺部細胞的影響是異質性的，一方面，CHIT1可增加巨噬細胞釋放IL-8、基質金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9，MMP-9)和單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)從而介導組織炎癥和肺泡破壞[19]。另一方面，可增加成纖維細胞中轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號的活性(例如，通過誘導TGF-β受體表達，抑制其反饋抑制因子SMAD7，并與伴侶蛋白TGF-β受體相關蛋白1(TGFRAP1)和FOXO3相互作用)促進細胞外結締組織(如膠原)的產生，細胞外基質蛋白(extracellular matrix，ECM)的積聚，進而導致肺泡破壞和組織重塑[13,20-21]。

YKL-40也表現出類似的肺部效應。最近的一項系統綜述和薈萃分析[3]表明，CHI3L1可能參與了COPD的發病機制，包括支氣管炎癥和氣道重塑，可作為COPD診斷和監測的有價值的生物標志物，同時也是一個潛在的治療靶點。YKL-40相關的肺氣腫破壞、組織炎癥和重塑可能涉及的機制如下：外界環境中的有害物質和/或香煙煙霧暴露以及兩者間接導致的IL-1、IL-13、IL-17A、IL-18和TNF-α等多種介質的增加均可介導巨噬細胞、上皮細胞和中性粒細胞表達和分泌YKL-40[1]。CHI3L1誘導促炎和促纖維化介質的產生，最終導致組織炎癥、肺泡破壞和重塑。這一復雜的過程涉及了炎癥和組織反應的不同途徑、機制和多個階段。包括：1)YKL-40促進樹突狀細胞的激活和積累導致Th2細胞因子IL-4、IL-5、IL-9和IL-13的產生增加從而造成組織炎癥，其中IL-13可刺激TGF-β增加導致組織重塑[22]。2)YKL-40可以通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核轉錄因子-κβ(nuclear factor-κβ，NK-κβ)途徑，促進支氣管上皮細胞過度表達IL-8，并促進支氣管平滑肌細胞遷移、增殖，導致組織炎癥和肺泡破壞[23]。3)YKL-40可刺激肺泡巨噬細胞增生，而肺泡巨噬細胞一方面可刺激支氣管上皮細胞依賴于IL-8的產生從而促進組織炎癥和肺泡破壞，另一方面可刺激TGF-β或MCP-1、巨噬細胞炎癥蛋白-1α(macrophage inflammatory protein-1α，MIP-1α)和MMP-9的增生造成組織重塑[24]。4)YKL-40可誘導成纖維細胞通過細胞外調節蛋白激酶(ERK)和p38依賴性途徑來刺激成纖維細胞中膠原的產生進而導致組織重塑[25]。而Matsuura等人在小鼠中的研究[26]發現，肺內生理水平的CHI3L1對于阻止過度的炎癥反應或氣腫性肺泡破壞起到有利作用。

有研究結果[2,19,25,27-29]表明，COPD吸煙患者的血清，誘導痰(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CHIT1陽性的細胞數目明顯高于非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作的頻率有關。其他研究結果[30-31]也強調了血清中高水平的YKL-40與COPD的嚴重程度呈正相關。Lai等人研究[25]發現COPD急性加重期患者血清YKL-40水平和C反應蛋白(CRP)水平升高，且血清YKL-40升高與CRP呈正相關，與一秒用力呼氣容積(Forced expiratory volume in one second， FEV1)和動脈血氧分壓(PaO2)呈負相關。這在一定程度上提示，血清YKL-40水平升高可能預示了COPD的診斷和進展。Shirai等研究[32]認為CHI3L1和血清骨膜素的聯合評估可用于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診斷和病情監測的可用生物標記。

皮質類固醇對幾丁質酶和YKL-40水平的影響

皮質類固醇對幾丁質酶和YKL-40水平的影響似乎是一個重要而值得探討的問題。這不僅僅是因為皮質類固醇通常用于治療哮喘和COPD，還因為已經有數據報道了系統性皮質類固醇對不同疾病患者幾丁質酶水平的影響。早在1999年，Johansen等人[33]就報道了強的松龍治療降低了類風濕性關節炎患者的血清CHI3L1水平。BIOAIR研究[34]表明，在常規治療基礎上加入兩周口服潑尼松治療(0.5 mg/kg·d),不會導致哮喘患者血清YKL-40水平和CHIT1的活性改變，然而在COPD患者中應用相同的治療方案時會造成血清CHIT1活性降低,但CHI3L1水平并未降低。Kunz等人的研究[35]證實了地塞米松能強烈抑制促炎癥巨噬細胞釋放YKL-40。Lai等人的研究[36]最近顯示吸入性糖皮質激素(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。然而，ICS長期(30個月)治療對于COPD患者痰和血清中YKL-40水平無明顯影響[35]。血清YKL-40水平無明顯變化，可能是因為ICS治療過程中循環中皮質類固醇水平較低所致。此外，有數據[37]顯示，與未患有COPD的吸煙者相比，COPD患者肺巨噬細胞對于皮質類固醇的敏感性下降。因此，闡明YKL-40和其他幾丁質酶基因的表達是否直接受到皮質類固醇控制，似乎是十分重要的。

總結與展望

綜上所述，幾丁質酶和YKL-40不僅在氣道免疫病理(包括慢性炎癥和組織重塑)中發揮作用，而且在COPD的臨床過程中也同樣發揮著作用，即氣道阻塞的嚴重程度、惡化的速率和對類固醇治療的反應。它們在炎癥中是起到保護性作用還是致病性作用一直存在爭議。由此，未來我們要著眼于研究幾丁質酶和YKL-40作為治療干預的潛在靶點在COPD發病機制中的作用以及作為表現疾病特異性特征的生物標志物的作用。對幾丁質酶抑制劑的研究[1]表明，甲基黃嘌呤(茶堿、咖啡因和己酮可可堿)不僅是GH18家族真菌幾丁質酶的競爭性抑制劑，而且對人類幾丁質酶也有活性，因此了解幾丁質酶和YKL-40的生物活性有助于促進針對幾丁質酶的特異性治療藥物在COPD中的未來發展。