Nature综述：癌症中的中性粒细胞:异质性和多样性

中性粒细胞是人类血液中最丰富的髓系细胞，是癌症的重要调节因子。然而，基于它们的短命、终末分化和非增殖性，它们的功能重要性常常被忽视。最近对它们在癌症中的突出作用的研究，让我们对中性粒细胞功能多样性的认识发生转变。本篇综述由Catherine C. Hedrick1和Ilaria Malanchi 发表于《Nature Reviews Immunology》。作者比较了中性粒细胞在癌症和其他生理背景下的异质性，以提供目前对中性粒细胞在癌症中的功能的最新认知。

中性粒细胞是抵御微生物感染的第一道防线。它们是人体血液循环中最丰富的细胞，并迅速被招募到组织损伤部位。长期以来，人们一直认为，循环中性粒细胞在成熟后无法增殖，很快就会耗尽，因此在稳态条件下半衰期很短。因此，中性粒细胞的功能多样性还没有像对其他髓细胞那样深入研究。

近年来，中性粒细胞受到越来越多的关注，旧的认知正在受到挑战。最近对中性粒细胞生物学的重新评估在很大程度上要归功于技术的进步，例如体内成像、高维转录组学和表观基因组学方法以及在单细胞分辨率下进行的研究。这些新策略不仅使我们能够解剖免疫相关疾病中中性粒细胞基因表达的调节，而且还揭示了不同健康组织之间和随时间变化的中性粒细胞高度异质性。最近的工作也揭示了中性粒细胞未被认识到的可塑性。中性粒细胞最近在癌症中获得了越来越多的关注。最近的综述提供了中性粒细胞在癌症和肿瘤耐药中的功能的全面分析，以及它们与癌症患者的临床相关性。

在这里，作者讨论了目前对中性粒细胞与癌症之间关系的了解，重点是这些细胞的环境依赖性活性。首先分析影响中性粒细胞异质性的参数，并考虑它们在癌症期间的作用，从疾病的发病到其进展。回顾了中性粒细胞在肿瘤发病期间和肿瘤微环境内与周围组织的多方面相互作用。还介绍了癌症衍生的系统信号如何改变骨髓中中性粒细胞的产生，并描述了这些概念如何对转移性生长具有重要意义。总的来说，作者的目标是强调不同的中性粒细胞对癌症和其他病理条件的反应之间的相似之处，因为这一研究领域涉及广泛的潜在治疗干预措施。

中性粒细胞在骨髓中由一系列造血祖干细胞发育而来。目前的模型将中性粒细胞在人骨髓中的分化分化成了几个发育阶段，每个阶段都有不同的基因表达特征。首先，多能性粒细胞-单核细胞祖细胞(GMP)，由普通骨髓祖细胞发育而来，产生中性粒细胞和单核细胞前体。随后的中性粒细胞发育发生在逐步谱系和形态成熟阶段。

图1骨髓中嗜中性粒细胞的发育。

骨髓外的中性粒细胞异质性

与骨髓中的中性粒细胞前体一样，外周成熟的中性粒细胞也是异质性的。通过检测所谓的低密度和高密度中性粒细胞，有力地证明了人类和荷瘤小鼠中循环中性粒细胞的异质性。

最近使用CyTOF分析的细胞术研究表明，在癌症个体中至少存在7个成熟的中性粒细胞亚群。然而，在高通量分析和分子特征的基础上，很难区分这些亚群是真正的谱系依赖亚群，还是仅仅是基于其环境线索的不同细胞表型状态。

三个参数有助于中性粒细胞异质性在稳定状态下，并在没有特定挑战的反应:这些是空间，时间和疾病背景。空间参数是指中性粒细胞对组织或循环中的局部信号作出反应并相应地改变其性质的能力。中性粒细胞异质性的时间参数是指观察到，在某些情况下，中性粒细胞可以作为未成熟细胞从骨髓中释放出来，并且血液中成熟的中性粒细胞会随着时间的推移改变其表型和功能。导致中性粒细胞异质性的第三个参数——疾病环境——揭示了不同疾病状态下中性粒细胞亚群的产生和表型改变，与健康状态相比，不同疾病状态下中性粒细胞异质性更大。

因此，空间、时间和疾病特异性参数结合起来影响我们在肿瘤中观察到的早期和晚期中性粒细胞的表型异质性。

中性粒细胞在肿瘤发生和生长中的作用

肿瘤起始涉及几个重要事件:组织祖细胞的致瘤性突变，增强其增殖和功能的事件，如组织损伤和再生，以及肿瘤炎性环境的建立。鉴于中性粒细胞是炎症反应中重要的免疫成分，很容易想象它们对肿瘤发病的贡献(图2)。

中性粒细胞的直接前致癌作用与它们释放ROS，诱导肺部氧化DNA损伤有关。最近一项使用肺化学致癌模型的研究表明，中性粒细胞衍生的ROS在致癌物暴露时只会放大DNA损伤，从而促进肿瘤发生65(图2a)。中性粒细胞还通过各种旁分泌信号通路直接支持肿瘤细胞增殖(图2b)。

最近对癌细胞遗传改变与其微环境之间关系的研究表明癌症-中性粒细胞串扰的作用。这种串扰的例子已经在非小细胞肺癌模型中报道过，其中中性粒细胞在免疫环境中占主导地位。

中性粒细胞的另一个关键功能是它们影响其他免疫细胞行为的能力。正如在转移的背景下讨论的那样，中性粒细胞抑制其他免疫细胞抗癌活性的能力是它们更频繁报道的致瘤功能之一。再一次，肿瘤细胞的特定遗传组成决定了中性粒细胞的行为;例如，免疫抑制性中性粒细胞是TGFβ介导的，并支持肿瘤生长和肝脏转移(图2e)。中性粒细胞也可以表达免疫检查点抑制受体的配体，诱导T细胞衰竭(图2e)。最近有证据表明，在可移植肿瘤模型和自发性胰腺腺癌小鼠模型中，肿瘤微环境中释放的NETs可以保护癌细胞免受细胞毒性免疫细胞的侵害，从而证明了中性粒细胞免疫抑制机制的复杂性(图2e)。在RAS驱动的胰腺癌遗传模型中，NETs通过激活星状细胞和促进间质细胞活化间接增强了癌细胞的增殖(图2f)。

中性粒细胞也能够调节炎症反应，在自发皮肤和肠道肿瘤发生模型中，依赖于促肿瘤炎症，通过删除Cxcr2而缺乏中性粒细胞募集减少了整体炎症，导致肿瘤抑制。然而，对肠道肿瘤背景下中性粒细胞功能的理解由于微生物群的存在而变得复杂。例如，通过删除编码中性粒细胞存活因子的Mcl1来消耗中性粒细胞，由于肿瘤内细菌的同步增加，导致肠道肿瘤生长和IL-17依赖性炎症增强。同样，中性粒细胞中Il1r1的消融限制了它们的抗菌功能，导致细菌侵袭肿瘤，再次导致炎症增加和癌症进展(图2g)。相反，在肺癌模型中，局部微生物群激活中性粒细胞释放细胞因子，诱导肺驻留γδT细胞促进炎症和肿瘤生长(图2g)。综上所述，这些研究突出了嗜中性粒细胞在癌变过程中的环境依赖性活性。

虽然大多数研究支持中性粒细胞促肿瘤的作用，但实验证据表明，中性粒细胞在早期具有抗肿瘤作用。其中一个例子是一项研究表明，人中性粒细胞在体外表达TRAIL并介导癌细胞杀伤，这一途径通过IFNγ刺激中性粒细胞而增强。在子宫癌小鼠模型中，中性粒细胞通过诱导癌细胞脱离周围基底膜，从而阻断早期肿瘤生长，具有直接的抗癌作用(图2h)。

中性粒细胞还可以通过创建抗肿瘤微环境间接地抑制肿瘤生长。最近的一项研究表明，抗肿瘤中性粒细胞驱动巨噬细胞产生IL-12，这反过来促进了非常规αβT细胞亚群中IFNγ途径的激活(图2k)。中性粒细胞促进抗癌反应的另一个例子是在人肺癌中鉴定出具有抗原呈递细胞样表型的中性粒细胞，其可触发抗肿瘤T细胞反应并支持抗癌活性(图2l)。

在讨论中性粒细胞的促肿瘤和抗肿瘤功能时，需要考虑到肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和TAMs也有类似的功能，并且在免疫反应中存在交叉调节。TAMs和TANs都可以抑制适应性免疫反应，但它们在肿瘤内相互影响的机制尚不清楚。因此，需要进一步的工作来了解中性粒细胞和巨噬细胞在肿瘤反应中的调节性串扰，特别是针对这些细胞的抗肿瘤策略的发展，正如作者稍后讨论的那样。还需要进一步的研究来确定引导中性粒细胞浸润不同肿瘤类型的不同表型和功能的分子驱动因素和转录因子。

图2中性粒细胞对肿瘤发生和生长的影响。中性粒细胞在肿瘤发生和生长的早期阶段具有直接和间接的抗肿瘤作用。中性粒细胞可以引起DNA氧化损伤，并将物质转化为致癌物。

到目前为止提出的中性粒细胞活动描述了组织中性粒细胞在肿瘤转化导致肿瘤发作时的不同行为，以及它们参与肿瘤生长。然而，一旦原发肿瘤形成，肿瘤衍生信号参与与骨髓的远距离相互作用，扰乱中性粒细胞的产生，从而改变TAN的组成(图3)。在一项具有里程碑意义的研究中，Engblom等人发现肺腺癌细胞和骨中成骨细胞之间的系统性串音，诱导促癌Siglec- F高表达的中性粒细胞的动员(图3b)，后者在肺癌中积累并促进肿瘤生长。这是中性粒细胞生物学中一个基本的新兴概念:癌症系统性地干扰中性粒细胞的数量、性质和异质性。这一现象也是转移进展过程中的一个重要事件。正如在下一节中讨论的那样，在肿瘤诱导的粒细胞生成的情况下，不仅中性粒细胞的数量增加，而且中性粒细胞也经历了癌症依赖性的启动，这调节了它们在循环和远处器官中的特性，在那里它们可以影响转移性扩散(图3c)。

多项研究显示，在小鼠和人类的各种癌症类型中，中性粒细胞及其祖细胞大量过早地释放到外周循环中(图3a)。这些中性粒细胞通常驻留在远处的器官，如脾脏，在那里它们迅速响应扩大的颗粒生成(称为“髓外颗粒生成”)的紧急状态。在患有各种恶性实体瘤的患者中，可观察到淋巴结、肝脏和肾脏的髓外造血。因此，癌症也可能通过这一过程导致循环中性粒细胞群体的异质性。

生长因子和细胞因子，包括G- CSF、GM-CSF和IL-6，可被癌症释放，在介导紧急粒细胞生成中起重要作用(图3a)。感染诱导的紧急粒细胞生成是由中性粒细胞前体中稳态粒细胞生成的主调节因子C/EBPα转换为C/EBPβ 驱动的。在人类和小鼠癌症中，这种开关由视黄酸相关孤儿受体(RORC)驱动，并抑制中性粒细胞分化，导致更大的不成熟中性粒细胞池。然而，由于在癌症中也检测到成熟中性粒细胞数量的增加，因此在这种情况下，许多其他外在因素可能会影响中性粒细胞的成熟。例如，肿瘤释放因子，如TGFβ，影响循环、组织和肿瘤中中性粒细胞的成熟。事实上，癌症全身释放的可溶性介质不仅影响循环和不同组织中中性粒细胞的数量，还通过改变它们的细胞状态、代谢和激活来影响它们的行为(图3b)。这种由癌症介导的中性粒细胞启动对疾病进展具有重要影响。

癌症依赖性中性粒细胞启动

尽管越来越多的人认识到肿瘤中循环中性粒细胞的异质性，但尚不清楚这种异质性如何影响肿瘤生长或转移停滞。对影响肿瘤中和感染反应中性粒细胞活动的介质的比较揭示了抗肿瘤功能和感染介导的组织损伤之间有趣的相似之处。

癌症动员的中性粒细胞在其代谢中表现出扰动，从而影响其功能。中性粒细胞的生存和功能通常依赖于糖酵解，但在感染性和自身免疫性疾病中，不同的代谢途径在中性粒细胞发育过程中也很重要。这种代谢转变的证据出现在各种癌症背景下，并与免疫抑制能力有关。在乳腺癌模型中，肿瘤诱导的中性粒细胞能够通过参与线粒体氧化代谢来维持ROS的产生以抑制T细胞。这种癌症依赖性的全身性中性粒细胞启动使这些细胞在浸润葡萄糖限制的肿瘤微环境时保持免疫抑制功能。最近，与位于远离转移灶的肺部的中性粒细胞相比，在转移环境中局部发现的肺中性粒细胞显示出增加的氧化磷酸化，这表明这种代谢转变可以局部和全身诱导。

图3转移进展过程中的中性粒细胞扰动。原发肿瘤信号诱导的系统性扰动，产生和动员中性粒细胞(a部分)和主要循环中性粒细胞(b部分)，以促进癌细胞在远处器官的转移生长(c部分)。

在上一节中，作者研究了由癌症调动和启动中性粒细胞触发的系统性炎症循环如何促进表型异质性和细胞产生。在本节中，作者讨论了中性粒细胞如何影响转移级联(图4)。

中性粒细胞参与癌细胞扩散的转移过程。例如，在紫外线辐射诱导的炎症模型中，中性粒细胞支持黑色素瘤细胞和内皮细胞之间的相互作用，通过循环促进传播。最近，中性粒细胞被发现在循环中通过形成细胞簇来支持转移性癌细胞(图4a)。中性粒细胞-癌细胞簇中的癌细胞获得增殖优势，并且在转移方面比不与中性粒细胞相关的癌细胞更有效。

如前所述，循环中性粒细胞的代谢启动导致它们在转移性组织中积累，并使它们易于获得免疫抑制功能或释放NETs(图4b)。除了分泌因子外，据报道，肿瘤来源的外泌体还可将转移前中性粒细胞招募到特定组织并支持转移性生长。一项研究表明，肺内肿瘤源性外泌体可以激活肺泡细胞中的Toll样受体3，诱导趋化因子的产生和免疫抑制中性粒细胞的募集(图4c)。

最近的一项研究再次证实了肺驻留细胞对乳腺癌模型中转移前功能的影响。在这里，肺间充质细胞抑制中性粒细胞中的脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)活性，导致脂质积累。随后，脂质通过巨噬细胞-溶酶体途径从中性粒细胞转移到癌细胞，增强了癌细胞的增殖和转移活性(图4d)。这项工作还强调了如何通过与组织驻留细胞的相互作用诱导浸润中性粒细胞的组织特异性变化。反过来，转移性肺募集的原转移性中性粒细胞可以通过释放基质金属蛋白酶来改变肺环境，从而进一步增强乳腺癌模型中的转移(图4e)。

中性粒细胞促进肿瘤生长的另一个重要功能是它们释放NETs的能力。癌症引发的中性粒细胞释放NET可发生在自发转移过程中，浸润癌细胞周围组织中NET的存在支持了各种小鼠模型的转移潜力。最近，在癌细胞上发现了NET相关DNA的特异性受体CCDC25，揭示了NET直接支持转移的机制，其中NET相关DNA与CCDC25的接触触发了整合素连接激酶(ILK)途径并增加了粘附。肝脏中转移性癌细胞的运动和生长(图4f)。独立于癌症触发的炎症信号可使中性粒细胞易发生NETosis(图4)，这对肿瘤进展具有重要的影响，下一节将讨论。

转移前中性粒细胞通过分泌炎症信号如白三烯(图4h)对小鼠癌症模型中的早期元静态播种和生长产生积极影响，通过释放IL-1β产生消极影响，IL-1β阻断癌细胞生长所需的间质向上皮转化(图4i)。有趣的是，因为癌细胞在转移级联的不同阶段转换其间充质/上皮状态，IL-1β依赖的上皮向间充质转化反过来被报道促进肿瘤细胞迁移和原发性胃癌的侵袭。这突出表明，即使是相同的中性粒细胞分泌因子，在元静态级联的不同阶段也可能具有相反的作用。

最后，根据表型的不同，癌细胞会以不同的方式与中性粒细胞相互作用。例如，在小鼠乳腺癌模型中，中性粒细胞衍生的白三烯诱导的癌细胞增殖增加仅影响表达白三烯受体的转移启动细胞亚群(图4h)。同样，只有某些类型的癌细胞易受中性粒细胞ROS介导的杀伤的影响。这种H2O2-dependent杀伤活性是由瞬时受体电位阳离子通道M2 (TRPM2)介导的，它在癌细胞上表达，特别是在上皮细胞向间质细胞的转化中，并驱动中性粒细胞趋化剂CXCL2的表达。因此，只有表达高水平TRPM2的癌细胞对这种中性粒细胞介导的抑制敏感(图4j)。

图4 中性粒细胞在转移过程中的参与情况

癌症中被修饰的中性粒细胞

中性粒细胞在其他病理生理环境(如感染)中被修饰，这对它们对癌症的反应有影响。例如，循环脂多糖诱导补体C3a受体在中性粒细胞上的表达并触发补体激活，从而通过TANs促进NETosis促进肠道癌变。因此，其他增加凝血的条件也可能改变癌症中中性粒细胞的功能。全身或局部脂多糖暴露会通过中性粒细胞的积累来增强肺转移，中性粒细胞会诱导抗肿瘤因子血小板反应蛋白1的降解(图4)或释放细胞因子，重新激活休眠的癌细胞。最近，它被证明，暴露于含有脂多糖污染物的烟草烟雾是一个强大的触发NETosis的因素。NET相关蛋白酶诱导细胞外基质重塑，包括层粘连蛋白的切割和信号肽的产生，该信号肽唤醒休眠的癌细胞(图4)。

最后，慢性代谢状况会影响癌症中的中性粒细胞行为。在肥胖的情况下，乳腺癌小鼠脂肪组织的增加不仅会诱导中性粒细胞增多，还会诱导ROS和NET的释放，促进肿瘤细胞涌入肺部，促进转移。相反，在高血糖(糖尿病的标志)的情况下，骨髓中中性粒细胞的动员减少，导致乳腺癌转移增加。这些全身性效应是否也反映了中性粒细胞表型和激活状态的变化，还有待澄清。尽管高脂肪饮食和高血糖具有更复杂的代谢影响，但这些研究表明，这些条件会诱导中性粒细胞间室内的特定扰动，这对癌症具有重要意义。

每个肿瘤的免疫细胞浸润是一个独特的生态系统，可以提供疾病预后和潜在治疗反应的指示。在各种类型的癌症中，TAN的丰富通常与化疗和放疗反应较差有关，但卵巢癌和胃癌除外，在这些癌症中，较高的TAN数量预示着更好的化疗反应。此外，血液中中性粒细胞与淋巴细胞的比例已被用作许多肿瘤类型生存的预后标志物。在患者之间观察到循环中性粒细胞的不同水平的异质性，但它们与临床预后的关系仍然难以捉摸。

在考虑中性粒细胞靶向治疗时，人们应该考虑巨噬细胞和中性粒细胞在肿瘤微环境中的共同贡献及其可互换的功能。事实上，中性粒细胞和巨噬细胞的原肿瘤和抗肿瘤功能受到许多常见的可溶性因子的调节，这些因子可以作为潜在的靶点。

中性粒细胞是一种迷人的细胞，对体内平衡的变化反应迅速，具有异质功能和适应环境的能力。然而，由于它们的脆弱性、短寿命和低RNA含量，在技术上对它们的研究具有挑战性。根据癌症类型的不同，它们可以代表肿瘤内的大量细胞，并且在癌症转移和总体患者预后中起着至关重要的作用。尽管我们的研究已经取得了相当大的进展，但它们在癌症中的作用仍有许多悬而未决的问题。例如，中性粒细胞祖细胞的异质性是否会在循环中产生特异性的中性粒细胞后代?不同的中性粒细胞亚群在癌症中的功能是什么，针对所有的中性粒细胞亚群是否是一种成功的治疗方法?到目前为止，研究主要集中在靶向中性粒细胞的免疫抑制或其他原癌功能上，但是否有可能控制和利用它们的杀癌功能?旨在回答这些问题的未来研究肯定有助于确定中性粒细胞在癌症生长和转移中的新作用，并可能有助于开发新的治疗方法，以依赖于环境的方式改变其行为。

Hedrick CC.,Malanchi I.,Nature Reviews Immunology, 2022 Mar,22(3):173, Neutrophiles in cancer: heterogeneous and multifaceted.