Cell Stem Cell | 实体瘤引发系统性免疫抑制的根源：肿瘤远程重塑骨微环境诱发造血干祖细胞畸变
2023-05-06 13:50:54, BioArt
![]()
肿瘤是一种系统性疾病，可诱发系统性性免疫反应, 尤其可导致髓系细胞增生并招募至肿瘤微环境，或动员至其他器官。具有免疫抑制性的髓源抑制性细胞如中性粒细胞（Neutrophil）可削弱免疫治疗效力【1,2】，或参与转移前微环境的形成而促进肿瘤转移【3】。多数肿瘤研究主要关注肿瘤“本土”微环境而忽略肿瘤负荷对系统性免疫的影响。由造血干祖细胞（HSPCs）和骨髓微环境（Niche）为基础的骨髓生态系统 （Bone Marrow Ecosystem, BME) 是成人免疫系统的基石。远端实体瘤如何诱发BME的深刻变革而导致髓系偏向性造血以过量生产髓源抑制性细胞在很大程度上还不清楚。2023年5月4日， 来自美国贝勒医学院的Xiang Zhang (张翔) 实验室在Cell Stem Cell上发表了文章为 Osteoprogenitor-GMP crosstalk underpins solid tumor-induced systemic immunosuppression and persists after tumor removal 。通过结合原位成像和单细胞测序，研究人员全面系统的筛查了肿瘤负荷前后骨髓Niche和HSPC的景观变化。该研究揭示了实体瘤诱发的骨祖细胞（Osteoprogenitor, OP）与CD41- 粒细胞-单核细胞祖细胞(GMP)之间的异常串扰是肿瘤引发持续性造血/免疫失调的关键所在。首先，为了明确不同肿瘤亚群诱发HSPC变化和髓源细胞产生的能力，研究人员分析了多个TNBC病人以及8种实体瘤小鼠模型。有趣的是，研究人员发现不同TNBC亚群在引发系统性失调上的能力上有很大差异。简言之，部分实体瘤亚群展现出了尤为剧烈的HSPC变化，它们一致性的引发了造血干细胞（HSC），多潜能祖细胞（MPP）和GMP的过量扩增, 而 其他HSPC亚群则相对减少或变化不大（图1）。并且该类实体瘤引发了极强的Neutrophil过度生产和系统性积累（具有免疫抑制能力【1】），远超其他实体瘤亚群。研究人员在病人中也观察到了类似的异质性变化。这说明该类肿瘤代表了一类具有极强的髓系诱导能力的造血破坏性实体瘤，同时也在另一层面揭示了肿瘤的异质性，即肿瘤诱发系统性变化的异质能力。（图1：各荷瘤小鼠或TNBC病人中主要HSPC亚群的细胞数目变化）HSPC与骨髓Niche细胞的互动对其命运具有重要的决定作用【4】。HSC在上述肿瘤负荷的小鼠骨髓中明显脱位。与此同时，研究人员意外的发现一类CD41- GMP亚群逐渐“侵占”了各个骨髓Niche位点，并且绝大多数CD41- GMP细胞在骨内膜附近聚集成簇。而以上现象在无瘤小鼠中并不存在。由于骨内膜区域富含成骨细胞(OB)及骨祖细胞（OP），研究人员进一步利用转基因小鼠观测了骨Niche和CD41- GMP亚群在移植肿瘤后的变化。发现在远端肿瘤发展的极早期，OP已显著扩增，并且CD41- GMP已簇拥粘附于OP附近（图2）。随后，研究人员在小鼠体内消融OP或OB，发现OP的缺失显著缓解了远端实体瘤所引发的GMP和髓源细胞失调，而OB细胞缺失则没有挽救效果。（图2：小鼠颅骨以及股骨中骨Niche或GMP成像）为了进一步全面而公正的研究潜在机制，研究人员从荷瘤小鼠和无瘤小鼠中分别提取了骨髓HSPC和Niche细胞进行了单细胞测序（scRNA-seq）。在验证了上述发现的同时，研究人员鉴别出了荷瘤小鼠中一个特定的自HSC途经CD41- GMP至Neutrophil的分化轨迹，并命其为“ CD41- GMP”分化轨迹。进一步分析发现该分化轨迹在荷瘤小鼠中被显著重塑，研究人员鉴别出一系列与控制HSPC活化/扩增以及谱系分化的关键基因显著失调。值得注意的是，其中多数基因早在HSC阶段已经发生表达改变，并贯穿整个分化轨迹。与此同时，与维持Neutrophil抗肿瘤功能相关的一系列通路和基因表达在分化至CD41- GMP阶段时开始显著下调，并延续续至下游Neutrophil。这些数据表明，促瘤性特征可出现在造血层级的最顶端，而髓系细胞的正常功能在随后的分化中已受到损害，髓源细胞的免疫抑制性在其浸润至肿瘤内部之前已初见倪端。通过整合骨髓Niche和HSPC数据进行细胞间通讯分析发现，OP对CD41- GMP细胞有密切的调控作用，其中OP来源的MMP-13 (Matrix metalloproteinase-13) 显示出对CD41- GMP中的许多靶点存在很强的调控作用，并且其中的靶点便有之前scRNA-seq鉴定出的关键基因。有趣的是，MMP-13同时是肿瘤负荷下OP中表达上调最高的基因之一，并且特异性的高表达在OP中。研究人员进一步在小鼠OP中特异性的敲除Mmp13，发现可缓解肿瘤引发的CD41- GMP及下游Neutrophil异常扩增。处于远端的肿瘤如何诱发骨髓中的上述变化？研究人员随后揭示了癌细胞分泌的细胞外囊泡（sEVs）很大程度上被OP摄取。一系列体内及体外实验都证明，仅用癌细胞分泌的sEVs处理可引发类似肿瘤负荷导致的HSPC扩增和Neutrophil过量产生。通过对多种TNBC细胞或其分泌的sEVs进行RNA测序和质谱鉴定，研究人员最终发现并证明肿瘤分泌的HTRA1 存在于sEVs中，其引发了OP中MMP-13的过度表达，从而在一定程度上导致了上述变化（图3）。手术切除通常是对实体肿瘤的常规治疗方案，同时，病人在切除原位肿瘤后通常会接受辅助治疗比如化疗，免疫治疗（ICB）等【5】，旨在防止肿瘤复发或者潜在的转移。然而，实体瘤对BME及髓源细胞生产的深刻影响引起了研究人员的好奇，即手术切除原位肿瘤后上述变化是否会完全复原？。研究人员精心设计了手术切除实验以确保切除彻底和排除肿瘤转移的影响，并在肿瘤切除4周后再次分离出骨髓Niche和HSPC群体进行了单细胞测序。结果令人惊讶，MMP-13在肿瘤切除4周后依然是OP中表达最上调的基， 而OP以及”CD41- GMP”分化轨迹中各个HSPC亚群的畸变大都持续存在。甚至，异常的HSPC和髓源细胞生产直至肿瘤切除45天后依然未完全复原。与此同时，研究人员分析了TNBC和肺癌病人手术切除前和切除后的髓源细胞水平，发现了相同的结果，甚至很多病人手术切除后40周依然保持异常高的髓源细胞水平（与正常人相比）。这表明肿瘤负荷所引发的一系列深刻改变具有持久性，即使手术切除后也难以很快复原。肿瘤负荷所引发的持久效应是否会形成一种“免疫抑制记忆”进而继续损害抗肿瘤免疫或促进转移？研究人员首先给小鼠种植了PyMT- N肿瘤（具造血破坏性），在一段时间肿瘤负荷后手术切除原有肿瘤，随后移植另一种对ICB有良好反应的肿瘤E0771（无造血破坏性），并进行免疫治疗（ICB）。研究人员发现与幼稚小鼠相比，PyMT-N 肿瘤负荷过的小鼠对 E0771 肿瘤的 ICB 治疗反应显着降低。重要的是，这种肿瘤诱导的免疫抑制记忆被靶向OP （MMP-13） 所消除。同样，手术切除肿瘤随后施以MMP-13抑制剂和ICB治疗减少了自发转移的发生并提高了小鼠生存期。综上所述，该研究深入探索了骨内生态系统在实体瘤转移前的景观变化，揭示了OP-GMP的异常串扰是持续系统性免疫抑制的主要驱动力。该研究提示肿瘤引发的系统性变化在不同模型和患者之间的差异性和持久性表明未来可能需要区分免疫异常的患者，从而进行个性化治疗。另一方面，不同肿瘤对BME影响力的差异是否不同的决定其入侵和定植于骨内同样是重要的研究方向。来自贝勒医学院（BCM）的郝晓鑫（博士后）和沈一超（博士）分别为论文的第一作者和共同第一作者，BCM张翔教授为论文通讯作者，张翔实验室其他成员同样提供了很多帮助。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.04.005
制版人：十一
1 Kim, I. S. et al. Immuno-subtyping of breast cancer reveals distinct myeloid cell profiles and immunotherapy resistance mechanisms. Nat Cell Biol 21, 1113-1126 (2019). https://doi.org:10.1038/s41556-019-0373-72 Gabrilovich, D. I. & Nagaraj, S. Myeloid-derived suppressor cells as regulators of the immune system. Nat Rev Immunol 9, 162-174 (2009). https://doi.org:10.1038/nri25063 Tuting, T. & Visser, K. E. D. How neutrophils promote metastasis. Science 352, 145-146 (2016). https://doi.org:10.1126/science.aaf73004 Crane, G. M., Jeffery, E. & Morrison, S. J. Adult haematopoietic stem cell niches. Nat Rev Immunol 17, 573-590 (2017). https://doi.org:10.1038/nri.2017.535 Waks, A. G. & Winer, E. P. Breast Cancer Treatment: A Review. JAMA 321, 288-300 (2019). https://doi.org:10.1001/jama.2018.19323![]()
【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。
![]()
