《Frontiers in Immunology》：Enhanced CHI3L1 promotes macrophage activation in persistent inflammatory events of ulcerative interstitial cystitis
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本研究揭示了CHI3L1在Hunner型间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征（HIC）中通过调控转录因子MYC（而非STAT3），重编程巨噬细胞代谢（促进糖酵解、抑制OXPHOS及天冬氨酸代谢），从而驱动持续性炎症事件（PIEs）的核心机制，为HIC的靶向治疗提供了新策略。
背景
间质性膀胱炎/膀胱疼痛综合征（IC/BPS）是一种慢性膀胱疾病，尤其以Hunner型亚型（HIC）为代表，其特征是持续性炎症和巨噬细胞驱动的免疫代谢失调。CHI3L1是一种参与炎症和组织重塑的分泌型糖蛋白，在HIC中显著上调并与疾病严重程度相关，但其在巨噬细胞介导的持续性炎症事件（PIEs）中的机制作用尚不明确。
方法
本研究整合了多组学分析，包括IC/BPS转录组数据集生物信息学分析、环磷酰胺诱导的IC/BPS小鼠模型进行体内验证，以及涉及巨噬细胞CHI3L1过表达的体外功能实验。研究采用了转录组学、代谢组学和分子生物学技术来评估代谢转变、炎症通路和转录因子相关性。
结果
CHI3L1表达在HIC患者中显著上调，尤其是在膀胱容量减小的患者中，并与炎症标志物（IL-6, TNFα）相关。在巨噬细胞中，CHI3L1过表达通过NF-κB和TNF通路驱动促炎激活，促进糖酵解，并抑制线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）和天冬氨酸代谢。关键的是，在炎症条件下，CHI3L1表达与转录因子MYC而非STAT3强烈相关，从而强化了M1极化。
IC/BPS转录组与临床特征的整合分析
对来自GEO数据库的IC/BPS膀胱组织转录组数据集（GSE11783和GSE57560）进行整合分析，发现与正常对照组相比，IC/BPS患者存在大量差异表达基因（DEGs）。通路富集分析显示，白细胞趋化作用占据绝对主导地位，前二十条富集通路还包括免疫反应的正调控、免疫效应过程的调控以及淋巴细胞的调控，这表明PIEs是IC/BPS的关键致病机制。在众多候选基因中，几丁质酶-3样蛋白1（CHI3L1）表现出最显著的上调。进一步分析证实，CHI3L1在NHIC和HIC患者中的表达均显著高于正常对照组，且HIC亚型的表达显著高于NHIC亚型。此外，CHI3L1表达还与膀胱容量相关，在膀胱容量未减小的IC/BPS患者中，其CHI3L1表达与正常对照组无显著差异，但一旦病情进展至膀胱挛缩，CHI3L1则呈现显著上调。以CHI3L1表达的中位值为分界点，HIC亚型和膀胱容量减小的患者几乎全部被划分为高表达组。这些发现提示CHI3L1表达上调可能参与了HIC患者PIEs的发生，最终导致膀胱挛缩。
IC/BPS动物模型中CHI3L1表达状态的验证
通过环磷酰胺诱导的IC/BPS小鼠模型，研究初步验证了CHI3L1在IC/BPS中的表达趋势。模型小鼠表现出疼痛阈值显著降低，排尿频率增加且平均排尿量减少。对两组小鼠膀胱组织的分析显示，IC组中靶基因CHI3L1以及炎症基因IL-6和TNFα的mRNA表达水平均显著上调，CHI3L1的蛋白表达也增加。这些结果有力地支持了利用IC/BPS动物模型成功验证了CHI3L1的上调。
巨噬细胞中CHI3L1表达上调与IC/BPS相关PIEs相关
鉴于前期研究表明巨噬细胞在IC/BPS相关PIEs过程中扮演重要角色，研究进一步探讨了CHI3L1对巨噬细胞的调控作用及相关机制。首先，在巨噬细胞（RAW264.7）中过表达CHI3L1，随后通过转录组测序分析巨噬细胞基因表达谱的变化。共筛选出219个差异表达基因，其中136个上调，83个下调。KEGG通路分析显示，差异表达基因富集的通路可分为四类：细胞过程、环境信息处理、人类疾病和机体系统。在细胞过程中，内吞作用和吞噬体位居前列。在环境信息处理中，细胞粘附分子、细胞因子-细胞因子受体相互作用、NF-κB信号通路和TNF信号通路也被广泛富集。人类疾病中大多数与病毒相关。在机体系统中，富集了多种受体信号通路（NOD样、RIG-I样和Toll样受体）。进一步的基因集富集分析（GSEA）显示，在显著上调的前十条KEGG通路中，有七条与炎症免疫微环境重塑相关，而下调的KEGG通路多为病毒相关通路。最显著上调的生物过程是细胞内信号转导和T细胞受体信号通路，最显著下调的生物过程是碳水化合物代谢过程。此外，巨噬细胞重要的抗感染过程以及血管生成能力也位列最显著下调的生物过程列表中。基于以上发现，结论是巨噬细胞中CHI3L1表达上调促进了多种炎症免疫通路的激活，导致了IC/BPS PIEs的发展。
CHI3L1上调介导巨噬细胞激活
巨噬细胞的能量代谢是调控其功能状态的重要机制。为探究CHI3L1与巨噬细胞碳水化合物代谢模式的关系，研究使用Oroboros O2k技术通过高分辨率呼吸测量法检测了巨噬细胞的线粒体呼吸功能。与对照组相比，CHI3L1过表达组（CHI3L1-OE）的基础呼吸、最大呼吸和ATP相关的氧消耗率（OCR）均降低，提示线粒体OXPHOS功能障碍。对糖酵解代谢通路中差异代谢物的代谢组学分析显示，CHI3L1-OE组中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）、磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、3-磷酸甘油酸（3-PG）、2-磷酸甘油酸（2-PG）和乳酸（Lac）表达上调，而衣康酸（IA）表达下调，后者已知可抑制巨噬细胞的M2极化。从转录组中筛选出的唯一与糖酵解相关的差异表达基因是甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH），其表达显著上调。GAPDH是糖酵解第六步的关键酶，催化甘油醛-3-磷酸转化为D-甘油酸-1,3-二磷酸。GAPDH活性上调是巨噬细胞活化的特征之一，抑制其活性可有效减少有氧糖酵解，从而发挥抗炎作用。综上所述，CHI3L1增强了巨噬细胞的活化。
CHI3L1上调介导天冬氨酸代谢抑制
为了进一步研究CHI3L1表达对巨噬细胞代谢谱的影响，研究进行了靶向代谢组学分析。共鉴定出属于38个亚类的362种 distinct 代谢物。主成分分析（PCA）显示组内一致性高，组间分离明显，表明代谢组数据稳健。正交偏最小二乘-判别分析（OPLS-DA）有效揭示了组间代谢谱的差异。Pearson树状图聚类和Spearman相关性热图均证实了NC组和OE组内强烈的重复性以及显著的组间变异性，支持了后续分析的可靠性。置换检验和5折交叉验证证实模型具有优异的稳定性且无过拟合。以p < 0.05为阈值，两组间共鉴定出46种差异表达代谢物，其中大多数在OE组中上调。只有天冬氨酸和天冬酰胺在OE组中表达下降。相关性分析显示，天冬氨酸和天冬酰胺彼此呈正相关，但与大多数其他差异表达代谢物呈负相关。对所有差异代谢物的富集分析进一步证实，天冬氨酸代谢是改变最显著的通路。
CHI3L1在巨噬细胞中表达并与MYC显著正相关
利用人类蛋白质图谱数据库，研究发现人类CHI3L1在类似内脏脂肪组织中的巨噬细胞内表达证据最为突出。同样，CHI3L1表达与三种巨噬细胞标志基因（C1QC、CD68、FCER1G）具有最高的相关系数。为了探索CHI3L1可能介导巨噬细胞功能改变的潜在转录因子，研究使用TFTF工具整合了四个主要转录因子数据库（hTFtarget、KnockTF、ENCODE、GTRD）来识别CHI3L1的下游转录因子。在所有四个数据库中共同鉴定出两个转录因子：MYC和STAT3。随后，研究分析了基因型-组织表达（GTEx）项目正常人体组织样本以及整合数据集中CHI3L1表达与MYC和STAT3的相关性。分析显示，在膀胱组织中，CHI3L1与MYC和STAT3均存在显著正相关。这种相关性在正常对照组中几乎消失，但在实验组中得到进一步验证。已有研究表明，MYC促进巨噬细胞的M1极化并增强糖酵解过程，而STAT3在巨噬细胞的M2极化中起关键作用，促进抗炎和免疫调节功能。总之，推测在特定条件下（例如HIC中），CHI3L1介导的巨噬细胞活化可能与MYC相关。
讨论
本研究通过整合生物信息学分析、细胞实验和动物模型，探讨了HIC的发病机制。研究结果表明，CHI3L1表达在HIC患者中显著上调，并与膀胱容量减小密切相关。在巨噬细胞中过表达CHI3L1可通过激活NF-κB和TNFα等关键信号通路以及促进糖酵解来驱动促炎表型。CHI3L1介导的激活抑制了线粒体OXPHOS并破坏了天冬氨酸代谢。此外，在炎症条件下，CHI3L1表达与致癌转录因子MYC而非STAT3强烈相关。这些结果揭示了一种新机制，即CHI3L1通过代谢重编程和增强巨噬细胞活化加剧HIC中的PIEs。
CHI3L1在HIC患者中的显著上调，特别是在膀胱容量减小的患者中，与其在各种慢性疾病中作为严重炎症和组织重塑生物标志物的既定作用相符。本研究的整合转录组分析不仅证实了免疫过程的参与，还特别强调了CHI3L1的核心作用。
本研究的一个关键机制见解是CHI3L1对巨噬细胞代谢的深远影响。观察到的线粒体OXPHOS抑制，连同糖酵解中间产物（如PEP、3-PG、2-PG、Lac）和关键糖酵解酶GAPDH的上调，表明代谢向有氧糖酵解转变。这种重编程，即Warburg效应，是M1样促炎巨噬细胞活化的已知驱动因素。在M2巨噬细胞中上调并通过翻译后修饰GAPDH抑制糖酵解从而发挥抗炎作用的衣康酸，在本研究模型中下调，进一步强化了CHI3L1诱导的促炎环境。
转录组分析显示，CHI3L1过表达伴随着IC/BPS代表性标志物TNFα表达的增加。代谢组学分析进一步证明CHI3L1过表达后天冬氨酸代谢受到显著抑制。这些现象可能相互关联。天冬氨酸是蛋白质合成、核苷酸生产以及苹果酸-天冬氨酸穿梭的关键代谢物，后者对高效的线粒体呼吸至关重要。其耗竭可能直接导致OXPHOS功能障碍，并迫使细胞更多地依赖糖酵解。这一发现为理解CHI3L1如何重编程细胞代谢以促发促炎状态增添了新的维度。
转录因子c-Myc（MYC）在改变细胞代谢途径、细胞生长和增殖中起重要作用。在HIC的炎症背景下，CHI3L1与MYC（而非STAT3）之间的强正相关性为维持M1样促炎表型提供了一个合理的机制，因为MYC是糖酵解的主要调控因子。然而，CHI3L1调控MYC活性的精确分子机制仍不清楚，可能涉及与已知受体（如IL-13Rα2）结合，随后激活下游信号级联（如MAPK通路），这些通路汇聚于MYC的稳定化或转录控制。
本研究存在一些局限性应考虑。主要局限源于体外模型系统。使用在含有25 mM葡萄糖的DMEM-H培养基中培养的RAW264.7细胞，虽然是维持细胞活力的标准方案，但创建了一个超生理的代谢环境。因此，观察到的更广泛的碳水化合物代谢过程的下调可能特定于这种高葡萄糖条件，可能不能完全概括IC/BPS的体内病理，特别是考虑到临床证据表明这种下调并非IC/BPS患者样本的标志。此外，关于GAPDH上调和碳水化合物代谢物下调共存的推测性解释需要谨慎。来自这种特定细胞培养模型的发现需要在更具病理相关性的系统中进行进一步验证，例如在生理葡萄糖水平下培养的原代细胞或IC/BPS动物模型，以确认其生物学和临床意义。
研究结果的转化意义受到若干方法学局限的限制。首先，主要功能验证是在小鼠巨噬细胞系（RAW264.7）中进行的，这可能不能完全重现人原代巨噬细胞的行为或HIC中人膀胱复杂的体内微环境。其次，体内数据依赖于环磷酰胺诱导的IC/BPS小鼠模型。尽管该模型表现出膀胱炎症和疼痛的关键特征，但可能不能完全反映人类HIC的慢性性和异质性，特别是特定的免疫细胞相互作用和基质贡献。此外，虽然该模型对于阐明CHI3L1在本研究中的作用很有价值，但需要指出的是，它可能不能完全代表人类IC/BPS的整个谱系。未来采用替代或补充动物模型的研究将有助于进一步验证和扩展我们的发现。第三，尽管我们确定了CHI3L1与MYC之间的相关性，但本研究未提供直接的遗传证据（例如MYC敲低）来确立在观察到的巨噬细胞活化和代谢变化中的因果关系。未来使用条件性敲除模型或针对巨噬细胞特异性方式靶向MYC的药理学抑制剂的研究对于验证这一提出的通路至关重要。最后，我们提出CHI3L1的诊断效用可能通过将其与其他HIC特异性标志物（例如特定的尿液细胞因子或组织病理学特征）结合成多分析物面板来优化，这代表了未来研究的一个关键目标。
尽管存在这些局限性，我们的研究结果将CHI3L1定位为HIC中一个有前景的治疗靶点。其在持续炎症和代谢功能障碍中的核心作用表明，抑制CHI3L1可能打破慢性炎症的循环。新兴策略包括针对CHI3L1的单克隆抗体或破坏其与受体相互作用的小分子抑制剂。然而，必须仔细考虑潜在的靶向副作用，因为CHI3L1在组织修复和感染应答中具有多效性功能。因此，未来研究应探索膀胱特异性靶向策略，以最大化治疗疗效，同时最小化全身不良反应。
