尹基忠 李兵

海军军医大学附属上海长征医院呼吸与危重症医学科,上海200003

中性粒细胞起源于骨髓静脉窦,是人体内最常见的炎症细胞。当机体受病原体入侵时,中性粒细胞可以快速动员、释放,对维持人体正常免疫功能至关重要。然而随着对肿瘤免疫认识的加深,发现中性粒细胞还具有重要的促肿瘤作用。肿瘤患者外周血中性粒细胞计数增多提示较差的疗效和较短的生存期[1],肿瘤组织内浸润的中性粒细胞可以减弱T淋巴细胞功能,甚至能影响患者免疫治疗疗效[2]。因此,中性粒细胞在肿瘤发生、发展中的作用越来越不能忽视,深入了解中性粒细胞促肿瘤机制有助于发现新的治疗手段。

1 中性粒细胞的起源及生理功能

中性粒细胞是人体内最丰富的白细胞种类,约占白细胞总数的50%～70%,在免疫应答的启动中发挥着重要作用[3]。中性粒细胞产生于骨髓静脉窦,在Egr1、HoxB7、STAT3、PU1、C/EBP等转录因子的调节下[4-5],经历造血干细胞、原始粒细胞、早幼粒细胞、中幼粒细胞、晚幼粒细胞、杆状核粒细胞等阶段,最终发育为成熟分叶核粒细胞[6]。中性粒细胞在骨髓中持续产生(每日最大产生量达2×1011个),这个过程主要由粒细胞-集落刺激因子调节,其作用包括诱导造血祖细胞向髓系细胞分化、中性粒细胞前体的增殖以及成熟中性粒细胞从骨髓中释放,靶向抑制粒细胞-集落刺激因子可导致中性粒细胞缺乏,降低人体固有免疫[7]。

当接收到细菌、真菌等病原体强信号时,骨髓中的中性粒细胞会快速动员、释放,吞噬作用显著增加,通过脱颗粒作用产生活性氧及溶菌酶等细胞毒性物质,杀伤病原体[8]。有趣的是,在血液循环中,中性粒细胞经过核膜裂解、细胞核DNA释放等过程可形成以DNA为主干的网状结构,称为中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)[9],网状结构上覆盖有组蛋白及中性粒细胞弹性蛋白酶,对病原体强烈的杀伤作用[10]。NETs释放到外周血可以确保在流动的血液中接触和捕获病原体。此外,中性粒细胞还可释放基质金属蛋白酶9(matrix metalloprotein 9,MMP9),它能够裂解细胞外基质(如弹性蛋白和胶原蛋白),促进坏死组织的溶解,并进一步刺激血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的释放,促进炎症及损伤部位新生血管形成,有利于组织的修复[11]。

既往的观点认为中性粒细胞是人体抵御病原的第一道防线,是维持人体正常免疫功能所必需的炎症细胞。但近年来的研究结果却颠覆了对中性粒细胞的传统认知:中性粒细胞在肿瘤背景下会表现出明确的免疫抑制功能。Murakami等[12]通过临床研究发现,外周血中性粒细胞水平较高的胃癌患者对化疗的反应较差,与中性粒细胞水平较低的患者相比,其总生存时间平均缩短8个月。Gentles等[13]分析了14种癌症包括3 000个实体瘤组织中免疫细胞群(包括中性粒细胞)的密度及患者生存期,发现肿瘤内高密度中性粒细胞浸润是最不利的预后相关细胞群。中性粒细胞的增多导致癌症患者不良预后的重要原因是因为它们可以抑制抗肿瘤免疫应答。当发挥这种免疫抑制功能时,中性粒细胞这类亚群通常被称为骨髓源性抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs),其表型可定义为CD11b+CD14-CD66b+,形态与未成熟中性粒细胞相似[14]。

2 MDSCs的起源

目前广泛认为,MDSCs是中性粒细胞的一种亚群[15],也起源于骨髓造血干细胞,二者形态及表面分子标记具有相似性,但MDSCs受肿瘤信号刺激而激活,这导致其分化成熟阶段产生巨大差别[2]。正常功能的中性粒细胞通常是在细菌、真菌病原体强信号的刺激下大量动员,并在成熟时获得吞噬功能及细胞杀伤活性。但在肿瘤患者中,肿瘤细胞及基质细胞持续分泌粒细胞-集落刺激因子[16]、IL-17[17]等细胞因子,作用于骨髓原始细胞后进一步激活转录因子C/EBP-β和RORc1[18-19],这种刺激较弱,而且持续时间长,虽然可以激活中性粒细胞增殖,但这种情况下产生的中性粒细胞表现出不成熟的表型,如吞噬活动较弱,活性氧和NO产生增加,精氨酸酶表达升高,前列腺素E2产生增加等[20-22]。中性粒细胞在这种激活状态下不具有清除抗原的能力,而是具有免疫抑制和促进肿瘤进展和转移作用。MDSCs主要在外周循环及肿瘤微环境中发挥促肿瘤作用,下将详细介绍相关机制。

3 MDSCs的促肿瘤机制

3.1 循环MDSCs释放精氨酸酶等抑制T细胞抗肿瘤免疫MDSCs进入血液循环后,主要通过抑制T细胞的功能来发挥免疫抑制作用。Sagiv等[23]通过对癌症患者和小鼠模型的外周血进行离心,发现了两大类密度不同的中性粒细胞,高密度中性粒细胞和低密度中性粒细胞(low density neutrophil,LDN),分别将两类细胞与肿瘤细胞共培养发现高密度中性粒细胞具有细胞毒性并能够杀死肿瘤细胞,而LDN具有免疫抑制功能,允许肿瘤细胞快速生长,随着肿瘤的进展,循环中LDN数量急剧增加,而在无瘤小鼠中,超过95%的中性粒细胞是高密度中性粒细胞。进一步对LDN的免疫表型进行鉴定发现,循环LDN的主要细胞亚群正是MDSCs。在肿瘤患者中,MDSCs从骨髓中激活并进入循环,会发生脱颗粒现象,释放精氨酸酶,它可以将L-精氨酸转化为L-鸟氨酸和尿素,从而在肿瘤微环境中消耗精氨酸[24]。而精氨酸是T细胞活化所必须的氨基酸,精氨酸的缺乏导致T细胞抗原受体无法正常形成,外周血及淋巴系统中的T细胞均失去识别肿瘤抗原信号的功能。此外,MDSCs可在过氧化物酶的作用下产生许多活性氧[25],而在诱导型一氧化氮合酶的作用下精氨酸可转化为NO,活性氧可与NO一起反应形成过氧化亚硝酸盐,已证明过氧化亚硝酸盐会使T细胞受体硝化,对T细胞功能有强烈抑制作用[26],其次活性氧O2-可以转化为H2O2,Ghassemi-Rad等[27]在小鼠模型中已经证实中性粒细胞通过H2O2依赖的方式抑制T细胞增殖。由于以上过程往往伴随中性粒细胞脱颗粒,因此MDSCs在循环中表现为低密度中性粒细胞[28]。

3.2 循环MDSCs释放NETs促进血运转移 中性粒细胞胞外陷阱也在肿瘤进展中发挥作用。NETs正常功能是通过其网状结构捕获细菌、真菌等病原体,但正是这种特殊结构的存在,使得循环中的NETs可以捕获部分肿瘤细胞,并随血液循环促进肿瘤细胞转移和定植。Cools-Lartigue等[29]发现,将NETs与肿瘤细胞共同注射入小鼠模型后,48 h可发现肝脏微转移,2周后全身转移风险明显增加,而使用DNA酶处理(将NETs降解)后这种现象消失。

3.3 肿瘤组织内MDSCs表达PD-L1引起免疫抑制 MDSCs进入循环后,在肿瘤及其基质细胞分泌的CXCR2、IL-8、IL-17等趋化因子的作用下,会顺趋化因子浓度梯度浸润到局部肿瘤组织内发挥免疫抑制作用[30-32]。MDSCs表达PD-L1与T细胞上PD-1的结合是肿瘤微环境中重要的免疫抑制机制。众所周知,PD-1与配体的结合会抑制T细胞的增殖和γ-干扰素、IL-2等细胞因子产生,导致T细胞功能丧失。正常情况下中性粒细胞不表达PD-L1,但在γ-干扰素和低氧刺激情况下会诱导PD-L1表达[33-34]。并且有研究进一步证实,免疫检查点抑制剂治疗期间联合应用MDSCs抑制剂将增加免疫治疗效果[35-37]。

3.4 肿瘤组织内MDSCs促进肿瘤血管再生 中性粒细胞的促血管生成活性在肿瘤微环境形成的早期阶段至关重要。VEGF是一种有效的血管生成因子,也是阻断肿瘤内血管生成的有效治疗靶点[38]。在癌症小鼠模型中,JAK2/STAT3信号通过激活VEGFA、FGF2和MMP9的转录来控制中性粒细胞的促血管生成功能[39]。中性粒细胞内含有大量VEGF,可在刺激后迅速释放[40]。在肿瘤小鼠模型中应用AG490(JAK2/STAT3抑制剂)后,发现肿瘤微环境中MDSCs数量明显下降,VEGFA的表达明显下降,肿瘤生长速度明显减缓[41]。此外,骨髓细胞中的MMP9缺乏会抑制移植肿瘤模型中的血管成熟,这表明MMP9也控制肿瘤血管生成的后期过程。组织金属蛋白酶抑制剂是抑制MMPs功能的关键分子,通常情况下组织金属蛋白酶抑制剂与MMPs共分泌来保持MMPs功能的平衡,而中性粒细胞分泌MMP9时通常缺乏组织金属蛋白酶抑制剂的共分泌,这就使得中性粒细胞能够快速活化并促进血管生成,这种快速促血管生成的作用在肿瘤发生早期尤为重要[42]。

3.5 肿瘤组织内MDSCs促进上皮-间质转化 中性粒细胞分泌的颗粒中包含多种蛋白质,可刺激肿瘤微环境中的细胞发生侵袭、转移。上皮-间质转化是上皮肿瘤细胞失去其上皮特征并获得间质表型的过程,上皮-间质转化被认为是肿瘤细胞获得更高侵袭和转移能力的关键步骤[43]。中性粒细胞可在IL-17a的作用下激活JAK2/STAT3通路促使上皮-间质转化发生,激活的中性粒细胞会释放丝氨酸蛋白酶和基质金属蛋白酶,引起基底膜降解[44],释放中性粒细胞弹性蛋白酶降解E-钙粘蛋白,降低肿瘤细胞黏附作用[45],肿瘤细胞更容易脱离原来的部位发生迁移和侵袭。更有趣的是,Wculek和Malanchi[46]在转移性乳腺癌小鼠模型中发现:在发生肺转移之前,中性粒细胞就已经在肺内大量聚集,它们预先转移到靶器官内,可释放MMP9和CXCL12等细胞因子促进循环肿瘤细胞的粘附和生长,并进一步释放精氨酸酶来耗竭精氨酸,使细胞毒性T淋巴细胞及自然杀伤细胞功能丧失,从而为定植的肿瘤细胞创造良好的存活条件[47-48]。因此,中性粒细胞在肿瘤转移的全程起到了 “保驾护航”的作用。

4 总结与展望

中性粒细胞对肿瘤免疫的抑制及其作为治疗靶点的潜力已经得到广泛关注,临床上已将其纳入影响癌症患者预后的重要因素之一。为了避免中性粒细胞在肿瘤进展中的不利影响,已经探索出许多降低其活性的方法,部分研究已进入临床评估。CXCR1和CXCR2抑制剂目前处于临床试验阶段,它可以抑制骨髓和循环中性粒细胞向肿瘤组织的迁移,减少肿瘤微环境中性粒细胞密度,解除免疫抑制,并且已经证明在乳腺癌、肾癌及头颈部肿瘤中有效[49]。另一种策略是直接抑制集落刺激因子,减少MDSCs的数量,扭转肿瘤微环境免疫抑制,这种策略在动物模型中显示出其有效性[50],然而,中性粒细胞的减少可能会导致严重的细菌感染,药物的安全性尚有待进一步临床评估。此外,可以从已上市的炎症性疾病药物中寻找可能的抗中性粒细胞药物,例如治疗哮喘的白三烯抑制剂可抑制中性粒细胞活化,明显阻断乳腺癌转移[46];IL-17抑制剂已被FDA批准用于治疗银屑病,也有潜力成为抑制中性粒细胞迁移的靶向药物。但仍需要进一步的研究以明确中性粒细胞活化的核心过程,从而研制出高效的阻断药物,针对中性粒细胞的治疗很可能成为下一代免疫治疗重要组成部分。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突