CHI3L1在膠質瘤診治中的研究進展

樊鵬偉，趙學明

膠質瘤是顱內常見的惡性腫瘤，分為低級別膠質瘤[LGG、世界衛生組織(WHO)Ⅰ級或Ⅱ級]和高級別膠質瘤(HGG、WHOⅢ級或Ⅳ級)兩類，其中，低級別膠質瘤生長侵襲相對緩慢，高級別膠質瘤則以快速生長和侵襲正常腦組織為特征[1]。高級別膠質瘤主要包括多形性膠質母細胞瘤和間變性星形細胞瘤，兩者的中位總生存期分別為15個月和3年[2]。膠質母細胞瘤(GBM)是最致命和最具侵襲性的腦腫瘤類型，其特點是高度血管化的腫瘤和對放化療耐藥[3]。盡管近年來在膠質瘤的治療方面有外科干預、放化療及更多新型療法的出現，但病人的臨床預后仍不佳。研究表明，膠質瘤病人血清殼多糖酶3樣蛋白1(chitinase-3-like protein 1，CHI3L1)濃度明顯升高，且血清CHI3L1水平與膠質瘤病人的不良預后明顯相關[4]。因此，CHI3L1有望成為膠質瘤的新型生物標志物及治療靶點。

1 CHI3L1的生物學結構與功能

人類CHI3L1基因位于1q32.1染色體上，包含7 498個堿基對和10個外顯子，在人群中發現了3個啟動子單核苷酸多態性(SNP，rs4950928，rs10399805和rs10399931)，1個非同義SNP(rs880633)和4個內含子SNP(rs1538372，rs2071579，rs946259和rs2275353)與血清水平相關聯，處于或低于全基因組關聯的上游水平[5]。天然蛋白質的晶體結構表明，CHI3L1由(β/α)8-桶狀折疊組成，具有β+α結構域插入物，這對其在生理和病理過程中的功能至關重要[6]。由于存在以分泌形式出現的3個N末端氨基酸殘基酪氨酸(Y)、賴氨酸(K)和亮氨酸(L)，分子量為40 kDa，由此也命名為YKL-40。CHI3L1是哺乳動物幾丁質酶樣糖蛋白家族的成員，是一種由于幾丁質酶活性位點對應區域的氨基酸被取代而缺乏幾丁質酶活性的凝集素[7]。CHI3L1由多種細胞類型產生，包括巨噬細胞、中性粒細胞、軟骨細胞、平滑肌和內皮細胞[8]，以及幾種類型的癌細胞，如乳腺癌、骨肉瘤、卵巢癌、肺癌和膠質母細胞瘤[9-10]。其在組織損傷、炎癥、組織修復和重塑反應中發揮重要作用[11]。研究發現，多種疾病病人的血清YKL-40水平的升高與不良結局相關[12]，如哮喘、結節病、類風濕性關節炎、肝硬化和動脈粥樣硬化斑塊以及乳腺癌、結腸直腸癌、卵巢癌、腎癌、前列腺癌、小細胞肺癌、黑色素瘤及神經膠質瘤等惡性腫瘤[13]。

2 CHI3L1對膠質瘤的影響

2.1 CHI3L1對于膠質瘤血管生成的影響 膠質母細胞瘤是最致命的癌癥之一，其特征是具有很強的血管化表型[3]。腫瘤血管生成的典型特征是內皮細胞的新生血管小管形成，然后是血管支持細胞的壁細胞腔隙性募集[14]。Francescone等[3]小鼠模型的研究表明，YKL-40具有誘導膜受體syndecan-1和整合素αvβ5的協同作用，并通過FAK397激活ERK-1和ERK-2的信號級聯反應，導致血管內皮細胞生長因子(VEGF)升高，促進血管生成；還發現YKL-40不僅可作為一種獨立的血管生成誘導因子，而且具有促進VEGF表達的能力，對血管生成具有協同作用，并且持續抑制VEGF會導致YKL-40上調，從而刺激血管快速恢復和腫瘤的重新生長，這增加了抗VEGF治療的耐藥性。Shao等[14]研究了YKL-40在壁細胞介導腫瘤血管生成中的潛在作用，通過在異體移植的腦腫瘤模型中使用抗YKL-40中和抗體(mAY)及電離輻射(IR)的組合可顯著抑制腫瘤生長并增加小鼠的存活率，mAY被證明通過N-鈣黏蛋白與β-連環蛋白的解離消除壁細胞介導的血管穩定性并增加血管通透性，從而抑制血管生成。在YKL-40表達與腫瘤血管形成的相關性分析中，通過對內皮細胞標志物CD31進行免疫組化染色，顯示YKL-H(YKL高表達)的血管密度是YKL-L(YKL低表達)的2.5倍，YKL-H中觀察到的血管直徑是YKL-L中的2.4倍。這些數據都提示YKL-40在腫瘤中的表達可能與血管穩定性和血管生成有關。

2.2 CHI3L1對膠質瘤細胞生長與增殖的影響 一些研究通過軟瓊脂轉化試驗來測量細胞是否可以進行錨定非依賴性生長，與不表達CH3L1的U373MG細胞系相比，表達內源性CH3L1的U87MG細胞系在軟瓊脂中的集落形成能力更高，表明CHI3L1可以調節錨定非依賴性生長[12]。Kavsan等[15]的研究同樣發現，293-CH3L1細胞系在軟瓊脂中生長成大量的菌落，這種特性在用空載體轉染的細胞或用穩定產生綠色熒光蛋白的載體轉染的細胞中沒有觀察到；其體內試驗數據表明，僅CHI3L1的過表達就足以使293細胞系在Wistar大鼠腦中致瘤，而在注射空載體轉染的293細胞大鼠中沒有觀察到腫瘤生長。Pelloski等[16]研究發現，YKL-40和活化的蛋白激酶B(Akt)途徑與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)中間體之間存在正相關，而促分裂MAPK和Akt途徑成員的激活已顯示出促進細胞增殖、存活和抗輻射的能力，這也支持了體外實驗數據，向結締組織細胞中添加YKL-40蛋白會通過激活Akt和MAPK途徑導致細胞增殖增加。關于突變的IDH1抑制劑如何增加細胞生長的研究發現，突變的IDH1抑制劑激活致癌轉錄因子STAT3導致突變IDH1表達細胞中BCAT1和YKL-40水平的增加，觀察到STAT3過表達和白細胞介素-6(STAT3激活劑)治療增加了BCAT1和YKL-40水平，從而增加了細胞生長[17]。

2.3 CHI3L1對膠質瘤侵襲與遷移的影響 腫瘤細胞的侵襲性是一個復雜的多步驟過程，包括細胞從其原始位置脫離，黏附到細胞外基質蛋白，細胞外基質的蛋白水解和細胞通過破壞基質的遷移。Ku等[12]評估了體外膠質瘤模型中CHI3L1的表達，證明了CHI3L1通過調節黏附、肌動蛋白細胞骨架重排與基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)的表達和活性來調節膠質瘤細胞的侵襲。Lee等[18]在核轉錄因子(RelB)與間葉膠質瘤的關系研究中觀察到，高表達RelB與膠質瘤細胞存活率相關，而且也是YKL-40和OLIG2表達的正調控因子，可以促進膠質瘤細胞運動和侵襲。Pinet等[19]通過shRNA在U87-MG細胞系中進行了YKL-40滅活，數據顯示腦微血管內皮細胞增殖和誘導遷移能力顯著降低，并且獲得了低侵襲表型。有研究提出了慢循環/靜止細胞亞群的概念，這些細胞與同一培養物中的其他細胞相比，表現出增強的遷移和侵襲、侵襲足活性和細胞外基質降解酶的分泌，而通過RNAseq表達分析發現了CHI3L1在這些細胞中過度表達，并與GBM病人存活率低密切相關[20]。

2.4 CHI3L1對膠質瘤細胞存活與凋亡的影響 研究發現，γ-射線照射U87細胞增加了YKL-40的表達，YKL-40通過激活Akt來加速細胞死亡[3]。Yao等[21]研究表明，CHI3L1在膠質瘤干細胞(glioma stem cells，GSCs)中的表達水平高于GBM，提示CHI3L1在GSCs中具有致癌作用，同時發現通過高表達miR-101下調克虜伯像因子 6(Kruppel like factor 6)來抑制CHI3L1表達，顯示KLF6通過與啟動子區域推測的結合位點2結合促進CHI3L1的啟動子活性，而CHI3L1表達降低可能阻斷絲裂原活化蛋白激酶(MEK)1/2和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)信號通路的激活，從而抑制GSCs的增殖、遷移、侵襲，促進其凋亡。Ku等[12]通過對體外膠質瘤模型研究發現，CHI3L1可能通過抑制神經膠質瘤細胞失巢凋亡相關途徑，賦予在侵襲過程中無錨定情況下存活的能力，并且CHI3L1表達保護膠質瘤細胞免受順鉑、依托泊苷和阿霉素誘導的細胞凋亡。這些研究都表明CHI3L1可能是一種抗凋亡因子。

3 CHI3L1作為惡性膠質瘤的生物標志物

多項研究表明，CHI3L1是惡性膠質瘤中最有吸引力的誘導基因之一[1，10，13，22]。Tanwar等[23]通過基因表達芯片分析結果表示，正常受試者和GBM病人之間以及低級別膠質瘤和GBM病人之間YKL-40血清濃度存在顯著差異。隨后Iwamoto等[22]進行了一個較長時期的大樣本人群跟蹤調查，收集了343例膠質瘤，包含1 740份病人血清，證實了YKL-40的升高與間變性膠質瘤和膠質母細胞瘤的生存不良明顯相關。Zhang等[13]對210例WHOⅠ-Ⅳ級原發性星形細胞瘤病人的YKL-40蛋白表達水平進行檢測，結果顯示YKL-40免疫反應評分隨著病理分級的增加而顯著增加。這些研究都提示CHI3L1的血清水平在高級別膠質瘤病人中顯著升高[24]。

Steponaitis等[8]研究發現，CHI3L1在所有膠質瘤類型中GBM的表達水平最高，這表明CHI3L1在膠質瘤惡性過程中表達水平逐漸上調。Kazakova等[24]通過基因分析、免疫組化和酶聯免疫吸附測定法(ELISA)檢測了36個神經膠質瘤病人(星形細胞瘤Ⅲ級，GBM)的YKL-40血清濃度，結果發現YKL-40濃度隨腫瘤等級升高而上調，并與轉錄率呈正相關，而且YKL-40濃度在GBM中最高。這也證明了YKL-40在GBM中表達強于其他類型膠質瘤[24]。與之不同的是Holst等[25]基于YKL-40對腫瘤微環境并參與免疫調節的基礎上，對全血DNA進行CHI3L1 rs4950928基因分型分析后發現，在復發性GBM病人中，高血漿YKL-40有望作為其預后標志物。

Deluche等[26]使用TaqMan低密度陣列確定了CHI3L1與IDH狀態和1p/19q共缺失具有相關性，影響膠質瘤病人的預后，并且在癌癥基因組圖譜(TCGA)數據庫的大型獨立隊列中得到驗證。Tang等[27]基于基因表達和DNA甲基化數據集分析了膠質母細胞瘤病人的關鍵生物標記物和途徑，觀察到在GBM組織中CHI3L1的mRNA表達顯著更高，并且CHI3L1 mRNA水平的降低與有利的總生存(OS)相關，此外，ROC曲線分析表明其可以作為區分GBM病人和健康對照的有價值的生物標志物。另外也有研究發現，將血清CHI3L1和骨橋蛋白(OPN)蛋白表達值和腫瘤異檸檬酸脫氫酶1(IDH1)突變狀態整合到一個參數中，可以預測低級別星形細胞瘤病人的兩年生存率，準確率為93.8%[28]。有研究利用液體活組織檢查進行分子診斷，傾向于在不需要侵入性手術組織累積的情況下重復監測腫瘤演變和腦惡性腫瘤的治療反應，實施了基于質譜的蛋白質分析管道，通過將腦脊液CSF數據與匹配膠質母細胞瘤腫瘤組織和原發性膠質母細胞的蛋白質分析相結合，確定了(CHI3L1)和膠質纖維顫動酸性蛋白(GFAP)作為膠質母細胞瘤的潛在CSF生物標志物，并且該發現在由35例膠質瘤病人組成的前瞻性群體中得到驗證[4]。這些都為CHI3L1可能成為膠質瘤的生物標志物提供了重要依據。

4 CHI3L1對膠質瘤耐藥與治療的意義

Chandra等[29]通過成對的病人標本和貝伐單抗耐藥的異種移植物模型進行耐藥性分析，在對貝伐單抗耐藥的GBM病人單細胞測序中證實了間充質基因的上調，特別是糖蛋白YKL-40和轉錄因子盒結合鋅指蛋白1(ZEB1)，提示這些變化是治療誘導的，提出了以YKL-40作為耐藥生物標志物的觀點，以ZEB1作為預防耐藥的靶點，可以實現抗血管生成治療的前景。在Cardona等[30]的研究發現了YKL-40高表達與更差的預后以及對卡莫司汀(BCNU)/貝伐單抗的反應減弱有關，建議高YKL-40表達病人不使用抗血管生成療法。

O6-甲基鳥嘌呤DNA甲基轉移酶(MGMT)啟動子甲基化是GBM病人替莫唑胺(TMZ)耐藥的重要預后指標。研究發現，在替莫唑胺耐藥(TMZ-R)膠質母細胞瘤病人中，CHI3L1抑制了侵襲活性并部分恢復對TMZ的敏感性[9]。信號轉導與轉錄活化因子3(STAT3)的抑制劑STX-0119阻斷STAT3導致CHI3L1表達降低，并抑制TMZ-R U87細胞系生長，使用哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制劑雷帕霉素和STAT3抑制劑的組合靶向CHI3L1-STAT3-mTOR信號通路對TMZ-R復發性膠質瘤具有顯著的生長抑制作用[31]。Chen等[32]通過建立并研究了6例病人的IDH1/2野生型膠質母細胞瘤干細胞樣細胞(GSCs)，以進一步確定YKL-40和MGMT啟動子甲基化的潛在相互作用，證明了YKL-40在人IDH1/2野生型GSCs中有不同的功能。在MGMT啟動子甲基化(MGMT-m)的GSCs中，其是一個抑癌基因，另一方面，在MGMT啟動子非甲基化(MGMTum)GSCs中，其促進了腫瘤的發生，而且這個過程涉及RAS-MEK-ERK通路。YKL-40通過激活MGMT-m-GSCs中的DNA損傷反應(DDRs)介導TMZ敏感性，并通過抑制MGMT-um-GSCs中的DDRs介導對TMZ的抗性。研究發現，CHI3L1圍分泌期GBM的缺氧表型中發揮關鍵作用，并且與GBM微環境中的免疫細胞浸潤顯著相關[33]。而且發現CHI3L1與半乳糖凝集素3(Gal3)的結合促進TAM遷移和浸潤，癌癥內在的CHI3L1信號上調可通過重新編程腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)來調節免疫抑制微環境，揭示了CHI3L1蛋白復合物在膠質母細胞瘤免疫逃避中的作用，并作為GBM的潛在免疫治療靶點[34]。

5 小結與展望

綜上所述，膠質瘤的治療目前仍是一個重大的醫學難題。雖然相關實驗研究已經證實CHI3L1對于膠質瘤的病理分級、亞型分化都有重大影響，尤其是膠質母細胞瘤。隨著生物信息及高通量技術的進步，以及各種癌癥基因組數據庫的完善，發現CHI3L1與MGMT啟動子甲基化、IDH狀態和1p19q共缺失具有相關性，這些都提示其可作為潛在血清生物標志物。而且最新的腦脊液蛋白組學分析揭示CHI3L1可作為GBM的潛在腦脊液生物標志物，但仍需要大量臨床數據去驗證。研究已經證實CHI3L1作為免疫調節因子參與了腫瘤微環境，也在膠質瘤細胞的增殖、侵襲、凋亡各通路上發揮重要作用，但僅僅靠已知的這些還是不夠的，尚需要進一步研究CHI3L1在GBM微環境中的構成作用以及各個信號通路中的更確切的作用。隨著免疫靶向治療的發展，CHI3L1可能會為膠質瘤的治療作出貢獻。今后對癌細胞的基因表達譜、蛋白質相互作用、轉錄后調控等各層次的數據資料整合，可為膠質瘤病人個體化分子病理診斷和治療提供依據。