循環(huán)和腫瘤組織內中性粒細胞促腫瘤機制

尹基忠 李兵

海軍軍醫(yī)大學附屬上海長征醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科,上海200003

中性粒細胞起源于骨髓靜脈竇,是人體內最常見的炎癥細胞。當機體受病原體入侵時,中性粒細胞可以快速動員、釋放,對維持人體正常免疫功能至關重要。然而隨著對腫瘤免疫認識的加深,發(fā)現中性粒細胞還具有重要的促腫瘤作用。腫瘤患者外周血中性粒細胞計數增多提示較差的療效和較短的生存期[1],腫瘤組織內浸潤的中性粒細胞可以減弱T淋巴細胞功能,甚至能影響患者免疫治療療效[2]。因此,中性粒細胞在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用越來越不能忽視,深入了解中性粒細胞促腫瘤機制有助于發(fā)現新的治療手段。

1 中性粒細胞的起源及生理功能

中性粒細胞是人體內最豐富的白細胞種類,約占白細胞總數的50%～70%,在免疫應答的啟動中發(fā)揮著重要作用[3]。中性粒細胞產生于骨髓靜脈竇,在Egr1、HoxB7、STAT3、PU1、C/EBP等轉錄因子的調節(jié)下[4-5],經歷造血干細胞、原始粒細胞、早幼粒細胞、中幼粒細胞、晚幼粒細胞、桿狀核粒細胞等階段,最終發(fā)育為成熟分葉核粒細胞[6]。中性粒細胞在骨髓中持續(xù)產生(每日最大產生量達2×1011個),這個過程主要由粒細胞-集落刺激因子調節(jié),其作用包括誘導造血祖細胞向髓系細胞分化、中性粒細胞前體的增殖以及成熟中性粒細胞從骨髓中釋放,靶向抑制粒細胞-集落刺激因子可導致中性粒細胞缺乏,降低人體固有免疫[7]。

當接收到細菌、真菌等病原體強信號時,骨髓中的中性粒細胞會快速動員、釋放,吞噬作用顯著增加,通過脫顆粒作用產生活性氧及溶菌酶等細胞毒性物質,殺傷病原體[8]。有趣的是,在血液循環(huán)中,中性粒細胞經過核膜裂解、細胞核DNA釋放等過程可形成以DNA為主干的網狀結構,稱為中性粒細胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)[9],網狀結構上覆蓋有組蛋白及中性粒細胞彈性蛋白酶,對病原體強烈的殺傷作用[10]。NETs釋放到外周血可以確保在流動的血液中接觸和捕獲病原體。此外,中性粒細胞還可釋放基質金屬蛋白酶9(matrix metalloprotein 9,MMP9),它能夠裂解細胞外基質(如彈性蛋白和膠原蛋白),促進壞死組織的溶解,并進一步刺激血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的釋放,促進炎癥及損傷部位新生血管形成,有利于組織的修復[11]。

既往的觀點認為中性粒細胞是人體抵御病原的第一道防線,是維持人體正常免疫功能所必需的炎癥細胞。但近年來的研究結果卻顛覆了對中性粒細胞的傳統(tǒng)認知:中性粒細胞在腫瘤背景下會表現出明確的免疫抑制功能。Murakami等[12]通過臨床研究發(fā)現,外周血中性粒細胞水平較高的胃癌患者對化療的反應較差,與中性粒細胞水平較低的患者相比,其總生存時間平均縮短8個月。Gentles等[13]分析了14種癌癥包括3 000個實體瘤組織中免疫細胞群(包括中性粒細胞)的密度及患者生存期,發(fā)現腫瘤內高密度中性粒細胞浸潤是最不利的預后相關細胞群。中性粒細胞的增多導致癌癥患者不良預后的重要原因是因為它們可以抑制抗腫瘤免疫應答。當發(fā)揮這種免疫抑制功能時,中性粒細胞這類亞群通常被稱為骨髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs),其表型可定義為CD11b+CD14-CD66b+,形態(tài)與未成熟中性粒細胞相似[14]。

2 MDSCs的起源

目前廣泛認為,MDSCs是中性粒細胞的一種亞群[15],也起源于骨髓造血干細胞,二者形態(tài)及表面分子標記具有相似性,但MDSCs受腫瘤信號刺激而激活,這導致其分化成熟階段產生巨大差別[2]。正常功能的中性粒細胞通常是在細菌、真菌病原體強信號的刺激下大量動員,并在成熟時獲得吞噬功能及細胞殺傷活性。但在腫瘤患者中,腫瘤細胞及基質細胞持續(xù)分泌粒細胞-集落刺激因子[16]、IL-17[17]等細胞因子,作用于骨髓原始細胞后進一步激活轉錄因子C/EBP-β和RORc1[18-19],這種刺激較弱,而且持續(xù)時間長,雖然可以激活中性粒細胞增殖,但這種情況下產生的中性粒細胞表現出不成熟的表型,如吞噬活動較弱,活性氧和NO產生增加,精氨酸酶表達升高,前列腺素E2產生增加等[20-22]。中性粒細胞在這種激活狀態(tài)下不具有清除抗原的能力,而是具有免疫抑制和促進腫瘤進展和轉移作用。MDSCs主要在外周循環(huán)及腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮促腫瘤作用,下將詳細介紹相關機制。

3 MDSCs的促腫瘤機制

3.1 循環(huán)MDSCs釋放精氨酸酶等抑制T細胞抗腫瘤免疫MDSCs進入血液循環(huán)后,主要通過抑制T細胞的功能來發(fā)揮免疫抑制作用。Sagiv等[23]通過對癌癥患者和小鼠模型的外周血進行離心,發(fā)現了兩大類密度不同的中性粒細胞,高密度中性粒細胞和低密度中性粒細胞(low density neutrophil,LDN),分別將兩類細胞與腫瘤細胞共培養(yǎng)發(fā)現高密度中性粒細胞具有細胞毒性并能夠殺死腫瘤細胞,而LDN具有免疫抑制功能,允許腫瘤細胞快速生長,隨著腫瘤的進展,循環(huán)中LDN數量急劇增加,而在無瘤小鼠中,超過95%的中性粒細胞是高密度中性粒細胞。進一步對LDN的免疫表型進行鑒定發(fā)現,循環(huán)LDN的主要細胞亞群正是MDSCs。在腫瘤患者中,MDSCs從骨髓中激活并進入循環(huán),會發(fā)生脫顆粒現象,釋放精氨酸酶,它可以將L-精氨酸轉化為L-鳥氨酸和尿素,從而在腫瘤微環(huán)境中消耗精氨酸[24]。而精氨酸是T細胞活化所必須的氨基酸,精氨酸的缺乏導致T細胞抗原受體無法正常形成,外周血及淋巴系統(tǒng)中的T細胞均失去識別腫瘤抗原信號的功能。此外,MDSCs可在過氧化物酶的作用下產生許多活性氧[25],而在誘導型一氧化氮合酶的作用下精氨酸可轉化為NO,活性氧可與NO一起反應形成過氧化亞硝酸鹽,已證明過氧化亞硝酸鹽會使T細胞受體硝化,對T細胞功能有強烈抑制作用[26],其次活性氧O2-可以轉化為H2O2,Ghassemi-Rad等[27]在小鼠模型中已經證實中性粒細胞通過H2O2依賴的方式抑制T細胞增殖。由于以上過程往往伴隨中性粒細胞脫顆粒,因此MDSCs在循環(huán)中表現為低密度中性粒細胞[28]。

3.2 循環(huán)MDSCs釋放NETs促進血運轉移 中性粒細胞胞外陷阱也在腫瘤進展中發(fā)揮作用。NETs正常功能是通過其網狀結構捕獲細菌、真菌等病原體,但正是這種特殊結構的存在,使得循環(huán)中的NETs可以捕獲部分腫瘤細胞,并隨血液循環(huán)促進腫瘤細胞轉移和定植。Cools-Lartigue等[29]發(fā)現,將NETs與腫瘤細胞共同注射入小鼠模型后,48 h可發(fā)現肝臟微轉移,2周后全身轉移風險明顯增加,而使用DNA酶處理(將NETs降解)后這種現象消失。

3.3 腫瘤組織內MDSCs表達PD-L1引起免疫抑制 MDSCs進入循環(huán)后,在腫瘤及其基質細胞分泌的CXCR2、IL-8、IL-17等趨化因子的作用下,會順趨化因子濃度梯度浸潤到局部腫瘤組織內發(fā)揮免疫抑制作用[30-32]。MDSCs表達PD-L1與T細胞上PD-1的結合是腫瘤微環(huán)境中重要的免疫抑制機制。眾所周知,PD-1與配體的結合會抑制T細胞的增殖和γ-干擾素、IL-2等細胞因子產生,導致T細胞功能喪失。正常情況下中性粒細胞不表達PD-L1,但在γ-干擾素和低氧刺激情況下會誘導PD-L1表達[33-34]。并且有研究進一步證實,免疫檢查點抑制劑治療期間聯(lián)合應用MDSCs抑制劑將增加免疫治療效果[35-37]。

3.4 腫瘤組織內MDSCs促進腫瘤血管再生 中性粒細胞的促血管生成活性在腫瘤微環(huán)境形成的早期階段至關重要。VEGF是一種有效的血管生成因子,也是阻斷腫瘤內血管生成的有效治療靶點[38]。在癌癥小鼠模型中,JAK2/STAT3信號通過激活VEGFA、FGF2和MMP9的轉錄來控制中性粒細胞的促血管生成功能[39]。中性粒細胞內含有大量VEGF,可在刺激后迅速釋放[40]。在腫瘤小鼠模型中應用AG490(JAK2/STAT3抑制劑)后,發(fā)現腫瘤微環(huán)境中MDSCs數量明顯下降,VEGFA的表達明顯下降,腫瘤生長速度明顯減緩[41]。此外,骨髓細胞中的MMP9缺乏會抑制移植腫瘤模型中的血管成熟,這表明MMP9也控制腫瘤血管生成的后期過程。組織金屬蛋白酶抑制劑是抑制MMPs功能的關鍵分子,通常情況下組織金屬蛋白酶抑制劑與MMPs共分泌來保持MMPs功能的平衡,而中性粒細胞分泌MMP9時通常缺乏組織金屬蛋白酶抑制劑的共分泌,這就使得中性粒細胞能夠快速活化并促進血管生成,這種快速促血管生成的作用在腫瘤發(fā)生早期尤為重要[42]。

3.5 腫瘤組織內MDSCs促進上皮-間質轉化 中性粒細胞分泌的顆粒中包含多種蛋白質,可刺激腫瘤微環(huán)境中的細胞發(fā)生侵襲、轉移。上皮-間質轉化是上皮腫瘤細胞失去其上皮特征并獲得間質表型的過程,上皮-間質轉化被認為是腫瘤細胞獲得更高侵襲和轉移能力的關鍵步驟[43]。中性粒細胞可在IL-17a的作用下激活JAK2/STAT3通路促使上皮-間質轉化發(fā)生,激活的中性粒細胞會釋放絲氨酸蛋白酶和基質金屬蛋白酶,引起基底膜降解[44],釋放中性粒細胞彈性蛋白酶降解E-鈣粘蛋白,降低腫瘤細胞黏附作用[45],腫瘤細胞更容易脫離原來的部位發(fā)生遷移和侵襲。更有趣的是,Wculek和Malanchi[46]在轉移性乳腺癌小鼠模型中發(fā)現:在發(fā)生肺轉移之前,中性粒細胞就已經在肺內大量聚集,它們預先轉移到靶器官內,可釋放MMP9和CXCL12等細胞因子促進循環(huán)腫瘤細胞的粘附和生長,并進一步釋放精氨酸酶來耗竭精氨酸,使細胞毒性T淋巴細胞及自然殺傷細胞功能喪失,從而為定植的腫瘤細胞創(chuàng)造良好的存活條件[47-48]。因此,中性粒細胞在腫瘤轉移的全程起到了 “保駕護航”的作用。

4 總結與展望

中性粒細胞對腫瘤免疫的抑制及其作為治療靶點的潛力已經得到廣泛關注,臨床上已將其納入影響癌癥患者預后的重要因素之一。為了避免中性粒細胞在腫瘤進展中的不利影響,已經探索出許多降低其活性的方法,部分研究已進入臨床評估。CXCR1和CXCR2抑制劑目前處于臨床試驗階段,它可以抑制骨髓和循環(huán)中性粒細胞向腫瘤組織的遷移,減少腫瘤微環(huán)境中性粒細胞密度,解除免疫抑制,并且已經證明在乳腺癌、腎癌及頭頸部腫瘤中有效[49]。另一種策略是直接抑制集落刺激因子,減少MDSCs的數量,扭轉腫瘤微環(huán)境免疫抑制,這種策略在動物模型中顯示出其有效性[50],然而,中性粒細胞的減少可能會導致嚴重的細菌感染,藥物的安全性尚有待進一步臨床評估。此外,可以從已上市的炎癥性疾病藥物中尋找可能的抗中性粒細胞藥物,例如治療哮喘的白三烯抑制劑可抑制中性粒細胞活化,明顯阻斷乳腺癌轉移[46];IL-17抑制劑已被FDA批準用于治療銀屑病,也有潛力成為抑制中性粒細胞遷移的靶向藥物。但仍需要進一步的研究以明確中性粒細胞活化的核心過程,從而研制出高效的阻斷藥物,針對中性粒細胞的治療很可能成為下一代免疫治療重要組成部分。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突