Nature最新！癌症转移背后的中性粒细胞

中性粒细胞，作为免疫系统的 “ 先头部队 ” ，平日里奋勇抵御外来病原体。然而，在肿瘤的复杂环境下，它们却被悄然 “ 策反 ” 。 中性粒细胞在协助肿瘤转移过程中发挥着重要作用，它们通过分泌中性粒细胞胞外陷阱（ NETs ）来护送和隔离循环肿瘤细胞 。 反过来，肿瘤细胞也采取相应策略来促进转移过程。 现在让我们一起 了解 下 微观世界里的 这种 “ 黑暗勾结 ” 。

一、 2024 年 1 月发表在《 Immunity 》 （ IF ： 25.5 ）

本文主要探讨了中性粒细胞在癌症中的相关研究。

(A) 三个提出的特征定义了中性粒细胞的适应。首先，在血液循环中的群体内，转录噪音的增加，计算为到群体类型质心代表的平均欧几里得距离。其次，接收局部线索，如在肺中的前列腺素2（PGE2）和脾脏中的IL-10，这些线索触发进入组织时的转录组变化。最后，组织线索引导在组织中快速获得最终表型。在这里展示的例子中，这些过程支撑了调节性肺部中性粒细胞和脾脏B辅助中性粒细胞等多种可能的组织适应状态的出现。

(B) 在癌症中，粒细胞生成压力促使不成熟中性粒细胞进入血液。增加的循环中性粒细胞群体可能进一步增加循环中的转录噪音。肿瘤特异性环境线索驱动许多不同中性粒细胞表型的表达，这些表型在进入肿瘤后24小时内获得。在这里说明的两个例子中，不成熟和成熟的中性粒细胞在其缺氧-糖酵解的肿瘤微环境中进行适应，以生成一个促血管生成的中性粒细胞群体。另一方面，在亮氨酸和其他趋化因子的影响下，成熟中性粒细胞可以采用一种抗原呈递表型。

该文并表明了 时间和位置决定了中性粒细胞的适应 。 早期研究的一个有趣发现是， 在肿瘤发生早期浸润肿瘤的中性粒细胞更有可能发挥抗肿瘤作用，而在肿瘤发生后期进入的中性粒细胞则具有促肿瘤特性 。 这种中性粒细胞功能的时间变化表明，肿瘤微环境的累积变化推动了中性粒细胞适应性的不同路径。潜在机制可能源于配体 -受体相互作用的差异，以及随着肿瘤进展局部产生的细胞因子和代谢物。例如，CCL3/4和CXCL8的上调以及CCR1/CXCR1/CXCR2信号基因的上调被认为会驱动促血管生成的中性粒细胞在人类肝脏和转移性脑肿瘤中的积累。

图 1 ：中性粒细胞在稳态和癌症中的适应模型

二、 202 5 年 3 月发表在《 Nature Cancer 》（ IF: 23.5 ）

这篇文章由 以 色列特拉维夫大学 Merav Cohen 等人组成的 医学团队研究的 中性粒细胞与肿瘤细胞物理相互作用，形成促进乳腺癌侵袭性的信号转导生态位 。 文章通过 乳腺组织发育和癌症各阶段应用 单细胞 RNA测序（scRNA-seq）和物理相互作用细胞测序（PIC-seq） ，发现中性粒细胞在发育过程中会短暂扩增，并且在晚期癌症中，与癌细胞发生物理相互作用的中性粒细胞数量增多。 揭示了一个由中性粒细胞 -肿瘤细胞PIC、导管巨噬细胞和脉管系统之间的双向串扰所激活的信号生态位 。 阐明了中性粒细胞在乳腺癌进展中的关键功能作用。

研究结果

1. 组成乳腺组织的多谱系细胞状态

为了研究乳腺组织在发育及癌症进展过程中的细胞生态位和细胞间串扰， 作者构建 了 MMTV-PyMT 转基因 小鼠模型，模拟人类导管乳腺癌的不同阶段，包括增生、 肿 瘤形成、早期和晚期癌症以及转移。

首先 作者 通过从携带致癌基因（ PyMT+）和非携带对照（PyMT−）组织中纯化单细胞，来探究诱导乳腺生理发育的过程，研究涵盖的发育阶段包括青春期前（10 d ， 10d）和青春期（3 w ， 3w）。随后， 作者 选取了代表组织维持状态的时间点，即 PyMT−对照组的幼年（6 w 和 8 w ）及成年（ 10 w 和 12 w ）组织，而对于 PyMT+乳腺组织则选取早期癌（6 w 和 8 w ）和晚期癌（ 10 w 和 12 w ）阶段。

作者 的目标是分离并从分子层面表征多种免疫和非免疫细胞，以全面探究乳腺组织发育和癌症进展过程中的细胞异质性、生态位组成以及细胞间通讯 。 单细胞结果分析显示 在 PyMT+和PyMT−小鼠的早期发育阶段，中性粒细胞的丰度都较高 （ 图 1 ） 。

图 2 ： 在生理发育和癌变过程中，乳腺免疫和非免疫谱系的彻底特征

2. 中性粒细胞与乳腺肿瘤细胞发生物理作用

为了探索细胞类型的物理相互作用， 作者 应用了 PIC-seq技术 —— 用于测序和分析物理相互作用细胞（ PICs）双联体的平台，通过将单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据用作背景单细胞，PIC-seq分析使我们能够表征PICs的单细胞组成，并突出显示由物理相互作用诱导的基因程序 。

将所有免疫细胞和上皮 /肿瘤细胞作为背景单细胞进行分析，同时额外分析了从PyMT⁻和PyMT⁺乳腺腺体中分离出的8158个CD45⁺EpCAM⁺免疫-上皮-肿瘤细胞PICs。这些细胞来自发育阶段（10 d ， 3 w ）、青年 /早期癌（6 w 和 8 w ）以及成年 /晚期癌（10 w 和 12 w ）的时间点 。

在乳腺腺体发育过程中（ 10 d 和 3 w ），中性粒细胞以单细胞形式出现，其比例在组织成熟过程中逐渐降低。然而，在晚期乳腺癌阶段，我们发现中性粒细胞与上皮细胞的物理相互作用显著增加。我们通过流式细胞术（ FACS）对CD45⁺单细胞和CD45⁺EpCAM⁺PICs中的Ly6G⁺中性粒细胞进行定量分析，通过共聚焦显微镜观察CD45⁺Ly6G⁺EpCAM⁺双细胞团，以及通过ImageStream分析12 w PyMT⁺组织来验证这一结果。在转录水平上，发现这些PICs展现出中性粒细胞和上皮细胞的联合基因表达谱。此外，对12 w PyMT⁺乳腺腺体的免疫荧光（IF）染色显示，CD45⁺Ly6G⁺中性粒细胞与EpCAM⁺上皮细胞在肿瘤微环境中存在物理接触。综合来看，在晚期乳腺癌中发现了一种中性粒细胞在乳腺腺体中重新出现的现象，这一现象是通过关注肿瘤细胞与免疫细胞在肿瘤微环境中的物理接触而识别出来的。

图 3 ： PIC-seq 分析显示，中性粒细胞与上皮细胞的物理相互作用中富集

3. 乳腺 TME 中的中性粒细胞异质性

随后，研究人员聚焦于肿瘤特异性细胞生态位中上皮细胞和免疫细胞之间的物理相互作用。 利用 PIC-seq 技术，他们发现中性粒细胞在乳腺发育过程中以单态形式出现，在组织成熟时比例下降，但在晚期癌症中，与上皮细胞物理相互作用的中性粒细胞显著富集。进一步研究发现，中性粒细胞存在多种状态，如在早期发育中富集的半胱氨酸蛋白酶抑制剂高表达中性粒细胞状态(Cystatin Neut)和年轻中性粒细胞状态(Young Neut)，以及在癌症发展过程中出现的与主要组织相容性复合体Ⅱ类途径相关的中性粒细胞状态(MHC-IlNeut)、Ptgs2 表达中性粒细胞状态(Ptgs2+Neut)和肿瘤相关中性粒细胞(TANS)等 。 其中， TANs 的基因特征与晚期乳腺癌患者的低生存率显著相关，可作为预测患者生存的生物标志物。

图 4 ： 乳腺发育和肿瘤进展过程中的异质性中性粒细胞状态

接着，研究人员深入探究了中性粒细胞在肿瘤微环境 (TME)中的异质性。通过对中性粒细胞单态和 PIC 群体的分析，发现乳腺组织中的中性粒细胞具有独特的转录组特征，与外周血中的中性粒细胞存在差异。同时，TME 中的中性粒细胞与其他原发性肿瘤中的中性粒细胞共享特定的转录程序，表明不同肿瘤部位的TANS可能具有相似的功能机制。进一步研究中性粒细胞在肿瘤生态位中的细胞间信号传导时，研究人员发现肿瘤激活的巨噬细胞通过 CCL3 信号招募中性粒细胞。中性粒细胞-肿瘤细胞 PICs 与血管周围细胞存在复杂的分泌和物理相互作用，可诱导促血管生成信号。此外，中性粒细胞-肿瘤细胞 PICs 表达促肿瘤基因程序，促进肿瘤细胞的侵袭、增殖和血管生成，这一特征与晚期乳腺癌患者的不良生存相关。

最后，研究人员通过体内和体外实验验证了中性粒细胞对肿瘤细胞增殖和血管生成的促进作用。在体外实验中，与中性粒细胞共培养的肿瘤细胞增殖能力增强，血管内皮生长因子 A(VEGFA)表达升高。在体内实验中，使用抗 Ly6G 抗体耗尽中性粒细胞后，肿瘤细胞和内皮细胞的增殖均受到抑制，相关基因表达下调。 揭示了由中性粒细胞 -肿瘤细胞PICs驱动的促血管生成的相互作用，包括VEGFA介导的信号传导 。

图 5 ： 中性粒细胞在乳腺 TME 中的前肿瘤作用取决于它们的物理相互作用

三、 202 5 年 2 月发表在《 Nature Cancer 》（ IF: 23.5 ）

2025 年 2 月 18 日，北京大学生物医学前沿创新中心白凡教授团队联合复旦大学附属肿瘤医院大肠外一科蔡国响教授团队 。 文章揭示了结直肠癌（ CRC ）腹膜转移（ PM ）的机制，发现肠道菌群失调、中性粒细胞募集及腹膜间皮细胞的间充质转化在其中发挥关键作用 。

图 6 ：研究思路

研究结果

1. 结直肠癌与腹膜转移中的恶性细胞程序

scRNA-seq 数据分析发现炎症相关基因表达程序在 CRC 中富集，间充质相关基因表达程序在 PM 中富集。发现了三个与肿瘤转移相关的基因表达程序，程序 11 和程序 13 在 CRC 中表达显著高于 PM ，可能与炎症反应和中性粒细胞招募相关；程序 22 在 PM 中表达显著高于 CRC ，与间充质转化和细胞外基质重塑相关 。

图 7 ：腹膜转移瘤中癌细胞与结肠直肠癌中癌细胞之间的转录组差异

2. 结直肠癌中中性粒细胞的富集与生态失调有关

程序 13 基因集包括中性粒细胞招募因子 CXCL2 ，并且富集于与炎症反应相关的功能。 中性粒细胞在 CRC 微环境中显著富集。 然而，与健康腹膜组织相比，中性粒细胞在 PM 微环境中显著耗竭。通过分析受体 - 配体相互作用网络、 NLRP3 激活水平及细菌成像、测序，发现 CRC 多种细胞吸引中性粒细胞，且其微环境中细菌浸润多，主要菌群有梭杆菌属和拟杆菌属等。同时， CRC 患者的 IGHA 浆细胞和 IEL_GDT 细胞减少，经多方法验证，最终推断 CRC 发生时黏膜免疫重塑与肠道菌群失调相互作用，致使抗菌性中性粒细胞募集。

图 8 ：结直肠癌中中性粒细胞的富集与生态失调有关

3. PM 中中性粒细胞消耗是由于 CXCL14 缺失

研究发现，尽管受体 - 配体相互作用分析可以解释 CRC 中中性粒细胞的富集，但它无法解释 PM 中中性粒细胞的缺失。作者对细胞因子基因表达的研究中，重点研究了孤儿配体 CXCL14 优先在健康腹膜组织中表达，主要在富集的 MSC/ASC 簇中表达。 CXCL14 已被确定为中性粒细胞的有效趋化剂，尽管其受体尚未阐明。因此，作者假设 MSC/ACS 集群高表达 CXCL14 ，将中性粒细胞招募到健康的腹膜组织中，并且这种微环境在转移的癌细胞定植后经历了重构。通过免疫荧光染色和趋化实验验证， CXCL14 在健康腹膜组织中显著表达，并能有效吸引中性粒细胞。然而，在 PM 中，由于 MSC/ASC 细胞缺失，中性粒细胞的招募也相应减少。

研究发现， CRC 和 PM 中中性粒细胞的分布和功能存在显著差异。 在 CRC 中，中性粒细胞亚群（如 Neu-IL1B-2 ）高表达炎症相关基因（如 CCL3 、 CCL4 和 IL1B ），表现出促肿瘤特性；而在健康腹膜组织中，中性粒细胞亚群（如 Neu-MMP9-2 和 Neu-ISG15-2 ）则与免疫激活和抗肿瘤功能相关 。 这些差异与 NFKB1 （在 CRC 中上调）和 STAT4 （在健康腹膜中上调）的激活有关。通过体外和体内实验，研究证实 NFKB1 过表达的中性粒细胞促进肿瘤细胞增殖和迁移，而 STAT4 过表达的中性粒细胞则抑制肿瘤生长。

图 9 ： PM 中中性粒细胞的减少归因于 CXCL14 表达的缺失和中性粒细胞的多样性

总之，该文通过对 CRC 及 PM 组织的单细胞测序等研究，发现恶性细胞的三种转录组变化与肿瘤微环境重塑协同促进肿瘤生长和转移。 具体表现为肠道菌群失调、中性粒细胞募集及间皮细胞向间充质细胞转化 。 此外，研究还表明靶向间皮细胞和肿瘤微环境重塑或为 CRC-PM 的治疗提供策略，且抗 MSLN 抗体在抑制 CRC-PM 方面展现出潜力 。

最后

传统观念曾将中性粒细胞视为单纯的炎症效应细胞，然而近年来的研究彻底颠覆了这一认知。 如今，中性粒细胞被发现具有极高的可塑性，能够根据微环境的变化做出复杂且精细的适应性调整 。 在癌症的发展过程中，它们的角色发生了戏剧性的转变：从最初的抗肿瘤免疫细胞逐渐演变为促进肿瘤生长和转移的 “ 帮凶 ” 。 这种适应性变化涉及转录组的重塑、表观遗传修饰的调控以及蛋白质水平的动态调整，共同构成了一个复杂而精细的调控网络 ，随着现在测序技术逐渐的发达，从多种组学角度探究中性粒细胞在癌症中的作用，我们仍然任重道远 。