YKL-40在2型炎症性疾病中的研究进展*

范家明 周培媚

1 成都中医药大学医学与生命科学学院,四川省成都市 610032; 2 成都市第二人民医院皮肤科

2型炎症是以2型辅助性T细胞(T helper type 2 cell,Th2)、2型固有淋巴样细胞(Innate lymphoid cell 2,ILC2)及相关细胞因子[如白细胞介素(IL)-4、IL-5、IL-13、IL-31等]为主介导的炎症[1]。2型炎症性疾病是以2型免疫应答和2型炎症反应为共同特征的一大类疾病的统称,其涉及了皮肤、呼吸、消化系统等多个领域[2]。YKL-40是一种哺乳动物糖蛋白,近年来研究发现YKL-40在多种2型炎症性疾病(如特应性皮炎、哮喘等)中发挥重要作用,本文综述了有关YKL-40的作用及其与2型炎症性疾病的关系。

1 YKL-40概述

YKL-40是一种肝素和几丁质结合且分子量为40kDa的糖蛋白,又叫几丁质酶3样蛋白1(Chitinase-3-like-1,CHI3L1)、人类软骨糖蛋白-39(Human cartilage glycoprotein-39,HCgp-39),是几丁质酶的衍生物,属于几丁质酶样蛋白家族成员之一,但其不具有几丁质酶的活性[3],在小鼠中也被称为乳腺退化蛋白39(Breast regression protein 39,BRP-39)[4]。YKL-40是由位于染色体1q31-q32的CHI3L1基因编码,包含383个氨基酸。于1992年首次在培养的人成骨细胞分泌中被发现,因其分泌形式上的3个N端氨基酸为:酪氨酸(Y)、赖氨酸(K)和亮氨酸(L)以及其相对分子质量约40kDa,故命名为YKL-40[3]。YKL-40是目前研究最充分的人糖基水解酶18家族(GH18)几丁质酶,它能在Th2型相关炎症疾病中发挥作用[5]。

YKL-40是一种分泌蛋白,可由多种免疫细胞(如中性粒细胞、巨噬细胞)和结构细胞(如软骨细胞、成纤维细胞、内皮细胞和平滑肌细胞)表达与释放[6]。其确切的病理生理学功能和作用机制目前尚不清楚,前期研究认为,YKL-40对于细胞生长和增殖、血管生成、组织纤维化有促进作用,并且可调节基质重构和参与炎症反应[7]。YKL-40可参与固有免疫系统的激活、使CD14+单核细胞向CD14-和CD16+巨噬细胞分化,并在抗原诱导的Th2细胞应答、抗原致敏和诱导免疫球蛋白E(IgE)以及固有免疫细胞活化中发挥重要作用[3]。血清YKL-40水平在健康人群中相对稳定,年龄的增加可影响其分泌水平增加,而性别、运动不影响其分泌水平[7]。目前针对YKL-40与疾病的研究涉及广泛,如免疫系统疾病(类风湿性关节炎、银屑病、系统性红斑狼疮、白塞氏病、炎症性肠病等)、呼吸系统疾病(哮喘、慢性阻塞性肺疾病等)、肿瘤疾病(乳腺癌、卵巢癌、结肠癌、肺癌等)、阿尔茨海默病、皮肌炎/多发性肌炎等[3,8-12]。多项研究表明,YKL-40可被认为是部分疾病诊断、预后、疾病活动度和严重程度的生物标志物[3]。因此,可以推测YKL-40可能成为急性或慢性炎症、细胞外基质重塑、纤维化和癌症等疾病的潜在治疗靶点。

2 2型炎症性疾病概述

2型炎症性疾病是2型免疫应答过强所致的一类炎症性疾病[2]。2型免疫主要由Th2细胞和ILC2细胞及相关细胞因子IL-4、IL-5、IL-13和IL-31等参与,其异常表达可以诱导肥大细胞、嗜碱性粒细胞和嗜酸性粒细胞活化,产生IgE抗体,导致相关疾病的发生。由于IL-25、IL-33和胸腺基质淋巴细胞生成素(Thymic stromal lymphopoietin,TSLP)可以诱导ILC2细胞的生长和细胞因子的产生,因此也归类为2型炎细胞因子。目前研究认为,2型免疫应答有Th2和ILC2细胞驱动的2条通路[13]。当机体暴露在粉尘、细胞、寄生虫等不同环境或动植物过敏原为启动点时,树突细胞等抗原提呈细胞被激活,从而使CD4+初始T细胞向Th2细胞分化,继而分泌2型细胞因子(如IL-4、IL-5、IL-13、IL-31等);或者通过刺激上皮细胞分泌预警素(IL-25、IL-33、TSLP等),促进ILC2细胞产生2型细胞因子(如IL-5、IL-9、IL-13)[1-2]。

IL-4和IL-13是介导典型2型免疫应答的关键因素,IL-4可启动和促进初始T辅助(Th)细胞向Th2细胞表型分化和增殖,而IL-13对2型炎症具有多效性作用,包括与IL-4结合以及降低屏障功能。这两种细胞因子均参与B细胞同种型类别转换,导致IgE产生、组织纤维化和瘙痒。IL-5是嗜酸性粒细胞的关键调节因子,负责嗜酸性粒细胞的生长、分化、存活和迁移[14]。IL-4、IL-13、IL-31不仅可作为2型炎症反应的促炎介质,还是导致强烈瘙痒的细胞因子,可通过直接激活与瘙痒相关的感觉神经元,从而诱发瘙痒[1]。

2型炎症性疾病涉及广泛,常见的2型炎症性疾病包括:皮肤疾病(特应性皮炎、慢性自发性荨麻疹、结节性痒疹、大疱性类天疱疮、疥疮等)、呼吸系统疾病(哮喘、慢性鼻窦炎伴或不伴鼻息肉、过敏性鼻炎、过敏性支气管肺曲霉菌病、慢性阻塞性肺疾病、嗜酸性肉芽肿性多血管炎等)、消化系统疾病(食物过敏、嗜酸性粒细胞性食管炎等)等多个领域。

3 YKL-40与2型炎症性疾病

YKL-40分泌的增加被认为与许多2型炎症性疾病相关,如特应性皮炎、哮喘、慢性自发性荨麻疹、过敏性鼻炎、寻常型天疱疮等[6,8,15-17]。既往研究证实,YKL-40在抗原诱导的Th2炎症反应中发挥重要作用[18]。

3.1 YKL-40在AD发生发展中的作用 特应性皮炎(Atopic dermatitis,AD)是一种与遗传、环境、心理等因素相关以反复出现的湿疹样皮损和剧烈瘙痒为特征的常见慢性炎症性疾病[19]。影响全球15%～20%的儿童及高达10%的成人[20]。WHO疾病负担研究显示,全球范围内AD患病人数高达2.3亿(全球年度患病率为3.5%),是非致命性疾病中疾病负担排行第一的皮肤疾病[21]。而我国AD患者在2019年已达约3 558万人[22]。可见其作为全球性的公共卫生问题,严重影响了人类整体生活质量。

目前对于AD确切的病因与发病机制还未完全清楚,但目前大量研究显示皮肤屏障功能障碍、免疫异常、皮肤菌群紊乱是其发病的重要环节,三者之间并非完全独立,而是互为诱因,相互影响。有研究认为,Th2型炎症是其发病主要驱动因素,Th2型炎症导致皮肤屏障功能缺陷,使得过敏原/病原体进入并被表皮的朗格汉斯细胞和其他抗原提呈细胞摄取[14]。皮肤屏障被破坏从而刺激了角质形成细胞产生大量TSLP、IL-25和IL-33,并通过OX40L/OX40信号通路促进Th2型炎症反应,这种炎症反过来又会下调角质形成细胞中聚丝蛋白(filaggrin,FLG)的表达,加重表皮屏障功能障碍[23]。Th2型炎症的极化可促进皮肤金黄色葡萄球菌定植增加,而其主要分泌的细胞因子IL-4和IL-13能抑制皮肤产生抗菌肽,使AD患者皮肤易患金黄色葡萄球菌感染,这又反过来进一步加剧皮肤炎症和皮肤屏障缺陷[24]。这使得三者之间可以造成恶性循环,使AD反复发作、迁延不愈。

近年来研究表明,AD具有异质性,其特征是基于年龄、疾病病程、种族、FLG和IgE水平以及潜在的分子机制/内型的不同,而表现为不同的亚型/表型;但是所有患者均表现为过度激活的Th2型炎症反应[25]。在AD患者非皮损期时,由于皮肤屏障被破坏,激活了表皮的朗格汉斯细胞和真皮的树突状细胞,导致了多种Th(Th1、Th2、Th17、Th22)细胞浸润和低水平激活,Th2分泌的IL-4等炎症因子可下调屏障蛋白的表达,影响屏障功能;在AD患者皮损急性期,Th2、Th22细胞显著增加,释放多种炎症分子(IL-4、IL-5、IL-13等)和致痒原(IL-31等)导致皮肤急性炎症和瘙痒加剧;在AD患者皮损慢性期Th2、Th22细胞持续激活,同时Th1、Th17细胞显著增加,Th2细胞及其分泌的IL-4、IL-13与Th1共同导致了表皮重塑、苔藓化和持续瘙痒[26]。可见,Th2型炎症反应贯穿AD发病全程,可通过影响皮肤屏障功能、瘙痒、表皮增生、皮肤菌群等来影响AD[27]。有研究发现,AD患者血清中YKL-40的水平较健康人群升高,并与疾病严重程度有一定相关性[6]。YKL-40可促进Th2型炎症影响AD的发生发展[4]。

3.1.1 YKL-40上调2型炎症。AD不仅表现为Th1/Th2失衡,还存在包括巨噬细胞在内的多种免疫细胞的失调,巨噬细胞发挥着吞噬、组织愈合和适应性免疫调节的作用。虽然Th2细胞因子诱导的M2型巨噬细胞的作用尚未完全清楚,但已知它有助于保护机体免受寄生虫感染,促进Th2免疫应答,诱导AD发生,并抑制过度炎症作用[4,28]。YKL-40被广泛认为是M2型巨噬细胞活化和Th2炎症的重要调节因子,前期研究发现,YKL-40在卵清蛋白(OVA)诱导的AD小鼠和AD患者的皮肤巨噬细胞中表达,并参与M2巨噬细胞活化[4]。M2巨噬细胞可通过CCL17和CCL22驱动Th2型炎症[29]。而另一项研究表明,M2型巨噬细胞也在银屑病等炎症性皮肤病中发挥作用[30]。

在OVA诱导的AD小鼠模型中,同样观察到其真皮中有表达BRP-39的炎症细胞浸润。通过检测真皮中浸润的炎症细胞(CD4+T细胞和MBP+嗜酸性粒细胞)数量,观察到OVA致敏的BRP-39-/-小鼠数量显著低于OVA致敏的野生型(WT)小鼠。OVA致敏的BRP-39-/-小鼠中血清总IgE和OVA特异性IgE血清水平以及Th2细胞因子(如IL-4、IL-5和IL-13)的皮肤mRNA水平较均降低。此外通过流式细胞术分析,与OVA致敏的WT小鼠相比,OVA致敏的BRP-39-/-小鼠的皮肤引流淋巴结和脾脏中CD4+效应T细胞群减少。这些发现表明,BRP-39介导了OVA诱导AD的发展,部分是通过上调Th2炎症反应[4]。与此一致的是,最近的一项研究表明,YKL-40在活化的T细胞和Th2细胞中表达,然后通过增加IFN-γ信号调节Th1和Th2的分化,而YKL-40缺陷可使CD4+T细胞易于向Th1分化,并且通过IFN-γ信号通路减少Th2分化[31]。

3.1.2 YKL-40破坏皮肤屏障功能。YKL-40不仅影响Th2型免疫反应,还影响皮肤屏障完整性,BRP-39-/-小鼠中,编码表皮分化复合体和紧密连接的基因功能障碍减弱。YKL-40缺陷减轻了FLG、兜甲蛋白、外皮蛋白、紧密连接蛋白的失调,从而影响皮肤屏障完整性。但是FLG缺陷不影响YKL-40的表达,反之亦然[4]。这些结果表明,YKL-40、FLG这两种蛋白的表达是独立的,表明YKL-40缺陷减轻的皮肤炎症主要与Th2炎症减少和M2型巨噬细胞活化有关,而不是FLG缺陷影响的皮肤屏障功能。

3.1.3 YKL-40促进表皮角质形成细胞增殖。研究表明,YKL-40通过激活ERK1/2通路诱导HaCaT细胞增殖,而HaCaT细胞为表皮角质形成细胞系之一,因此YKL-40可能通过促进表皮角质形成细胞增殖参与AD的发病[32]。而另一项实验表明,静息和TNF-α/FN-γ处理的HaCaT细胞中,YKL-40过表达促进NF-κB信号活化,YKL-40通过调控NF-κB依赖的整合素α5(ITGA5)表达介导AD样皮肤炎症,此外,YKL-40抗体可通过调控YKL-40、NF-κB/ITGA5轴抑制AD样症状和炎症反应,该研究为开发靶向YKL-40的AD治疗策略提供了依据[33]。

3.2 YKL-40在哮喘发生发展中的作用 哮喘是一种常见的慢性呼吸道疾病,伴随气道炎症。哮喘的临床表现包括喘息、呼吸急促、胸闷和可逆性气道受限引起的间歇性咳嗽。虽然临床症状相似,但不同类型哮喘的血清标志物和治疗敏感性存在差异。Th2免疫应答相关标志物如IgE不能完全反映中性粒细胞性哮喘和肥胖性哮喘的严重程度和预后[8]。前期大量研究证实,哮喘患者血清YKL-40水平显著高于健康人群,且可以作为诊断、鉴别、活动性和(或)严重程度的生物标志物[8]。研究显示,YKL-40通过刺激树突状细胞的聚集和M2巨噬细胞的激活来增强Th2过敏性炎症[34]。在哮喘中气道重塑和炎症是其重要发病机,而YKL-40可以加速支气管平滑肌细胞的增殖和迁移,抑制Ⅰ型胶原的降解,形成胶原纤维,刺激促纤维化因子和炎性细胞因子的释放,参与组织重塑;Th1/Th2免疫失衡参与了哮喘气道炎症的发病过程;而YKL-40可增强Th2应答中关键细胞因子IL-13的效应反应,并与抗原致敏和LgE产生有关,参与炎症反应[8]。

3.3 YKL-40在其他2型炎症性疾病中的作用 前期有临床研究显示,血清YKL-40水平在慢性自发性荨麻疹患者中升高[15]。也有研究显示,在过敏性鼻炎患者中,YKL-40可增强嗜酸性粒细胞作用而诱导炎症,过敏性鼻炎患者中血清YKL-40水平与疾病严重程度和严重标志物增加相关,尤其是特应性IgE和浸润鼻黏膜的嗜酸性粒细胞数量[16]。寻常型天疱疮(PV)是一种严重的自身免疫性大疱性皮肤病,研究认为PV是一种以Th2免疫反应驱动的自身免疫性疾病[35]。Th2淋巴细胞可通过其分泌的细胞因子促进B细胞产生抗体,同时外周血清中IL-4、IL-5、IL-6分泌增加,从而参与了PV的发病。有研究发现,血清中YKL-40水平与PV病情严重程度有强烈的相关性,其可以作为一种具有潜在价值的预测PV严重程度的生物标志物[17]。

综上所述,YKL-40参与介导了多种疾病的发生发展,并在大量2型炎症性疾病中起着重要的作用。随着精准及个性化医疗逐渐成为疾病治疗的主流方向和目标,不断探究2型炎症性疾病发病机制及新的潜在治疗靶点,是目前2型疾病研究的重点、热点和难点。随着深入探究YKL-40在2型炎症性疾病中的表达及其作用机制研究,将有助于给2型炎症性疾病带来新的治疗选择,也有助于人类公共卫生事业的发展进步。