Nature ｜ 肿瘤中性粒细胞的铁死亡导致癌症中的免疫抑制

我能一切皆有可能

原创 珍奇 图灵基因 2022-11-27 11:21 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：珍奇
IF：69.504
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
本研究发现肿瘤微环境中的PMN-MDSCs会发生自发性铁死亡。在免疫功能正常的小鼠中，通过遗传学方法和药物抑制铁死亡作用可以抵抗PMN-MDSCs的抑制活性，减少肿瘤的进展，并与免疫检查点阻断协同抑制肿瘤的生长。




铁死亡是一种非凋亡形式的调节性细胞死亡，由调节性氧化机制失调所引发，最终导致多不饱和磷脂的大量过氧化。铁死亡诱导剂在体外对肿瘤细胞显示出有效的杀伤能力，但在实验性动物模型中却没有显著效果，特别是免疫缺陷小鼠。这表明，人们对铁死亡对免疫细胞的影响仍然知之甚少。病理上被激活的中性粒细胞（PMNs）被称为骨髓源性抑制细胞（PMN-MDSCs），它们是抗肿瘤免疫的主要负性调节因子。2022年11月16日，美国宾夕法尼亚大学Dmitry Gabrilovich课题组在《Nature》杂志上发表了名为“Ferroptosis of tumour neutrophils causes immune suppression in cancer”的研究型文章。他们发现在免疫功能正常的宿主中，PMN-MDSC的铁死亡通过限制抗肿瘤免疫来促进肿瘤生长，而诱导铁蛋白沉着会促进肿瘤的生长。铁蛋白沉降是肿瘤微环境中PMN-MDSCs的一种独特的免疫抑制机制，可以通过靶向药物调节来限制肿瘤的发展。





首先，研究者通过对人类肿瘤PMN-MDSCs的全转录组分析显示，确定了几个参与铁蛋白调节的基因。在从EL-4淋巴瘤、CT26结肠癌、Lewis肺癌（LLC）等可移植小鼠模型的骨髓（BM）、脾脏和肿瘤中分离出的PMN-MDSCs中，以及从转基因KrasG12DTrp53氧化磷脂酰乙醇胺Pdx1-cre（KPC）小鼠原发性胰腺癌中对铁蛋白相关基因进行了深入分析。与分离自BM和脾脏的PMN-MDSCs相比，肿瘤的PMN-MDSCs相关基因显著上调。

铁死亡的特点是FALIS的积累，其中包括含有花生四烯酸的氧化磷脂酰乙醇胺（AA-PEox）。因此，他们在不同的肿瘤模型中使用了质谱（MS）测量PMNs中的氧化磷脂酰乙醇胺（PEox）。为了进一步澄清铁死亡对PMN-MDSC细胞程序性死亡的贡献，研究者从EL-4 TB小鼠的脾脏和肿瘤中分离出细胞，然后在细胞凋亡[z-VAD-FMK（zVAD）]、铁质化（ferrostatin-1）或坏死（necrostatin-1）抑制剂存在下培养24小时。肿瘤PMN-MDSCs的存活率不仅被zVAD改善，而且还被ferrostatin-1改善，表明铁死亡作用促进了肿瘤PMN-MDSCs的死亡。

为了进一步确定PMN-MDSCs在不同组织中所经历的细胞死亡类型，他们对PMN-MDSCs进行了全局氧化还原脂质组学分析。数据表明，细胞铁死亡途径是肿瘤PMN-MDSCs中程序性死亡的一个主要类型，且与BM和脾脏PMN-MDSCs不同，铁死亡主要发生于肿瘤PMN-MDSCs细胞中。





随后，他们研究了铁吞噬作用是否会赋予其他非免疫抑制性PMNs以抑制功能。为了验证铁死亡在 PMN 介导的 T 细胞抑制中的作用，他们使用了不同的铁死亡诱导剂 IKE 和铁死亡 liproxstatin-1 的药理学抑制剂。IKE 引起 PMN 强烈诱导抑制活性，这不受zVAD 的影响，但在很大程度上被 liproxstatin-1 逆转。接着他们探究了肿瘤微环境(TME) 中的条件是否会导致 PMN-MDSC 介导的铁死亡抑制。结果表明，铁蛋白酶在肿瘤PMN-MDSCs的免疫抑制活性中具有重要作用，但对脾脏PMN-MDSCs没有影响。此外，在人类细胞中也观察到铁蛋白介导的PMNs向PMN-MDSCs的转化。





为了评估Alox12/15缺失对肿瘤PMN-MDSCs基因表达谱的影响，他们对从Alox12/15flcre-和Alox12/15flcre+小鼠的肿瘤中分离出来的PMN-MDSCs进行了RNA-seq分析。此外，还评估了野生型和Alox12/15flcre+小鼠的肿瘤PMN-MDSCs的代谢组。基于分析结果，在使用COXi和EP2/EP4阻断剂的条件下，都未能完全消除铁蛋白诱导的抑制作用，这表明可能存在多种途径参与调节PMN-MDSC铁蛋白诱导的抑制作用。





为了说明药理抑制铁蛋白酶对肿瘤生长的影响，他们使用了一种可耐受剂量的脂质蛋白酶-1，用于经体外植入的EL-4和LLC结核小鼠。在两种模型中，抑制铁蛋白形成都导致了肿瘤生长明显减少。为了进一步研究铁死亡对肿瘤生长的影响，我们在免疫功能正常的小鼠中诱导铁死亡，IKE治疗轻微增加了CT26肿瘤的生长。在另一组实验中，CT26 TB小鼠在接受PD-1抗体的同时，也接受了IKE的治疗。即使同时给予抗PD-1，IKE也能促进肿瘤的生长。为了更好地了解铁蛋白酶抑制在对PD-1反应中的可能作用，他们使用了来自KPC小鼠原发肿瘤晚期的PD-1抗性胰腺肿瘤克隆细胞，并发现铁蛋白酶抑制与抗PD-1协同作用。





在这项研究中，作者证明了在TME中PMN-MDSCs会发生铁死亡，这使它们更具免疫抑制性。诱导铁死亡足以使非抑制性的PMNs转化为免疫抑制性的PMN-MDSCs。虽然铁死亡减少了TME中PMN-MDSCs的数量，但铁死亡细胞释放的免疫抑制分子的增强对T细胞有抑制作用。有几个因素使肿瘤的PMN-MDSCs对铁蛋白的诱导特别敏感。其中一个因素是缺氧介导的GPX4在肿瘤PMN-MDSCs中的下调，这有利于PEox的积累以驱动铁死亡。他们还确定了AA转运体FATP2在肿瘤PMN-MDSCs中作为铁死亡的积极调节者的作用。肿瘤PMN-MDSC通过FATP2偏向于AA转运，这可能是PMN-MDSCs与TME中其他骨髓细胞类型相比对铁死亡更敏感的原因。

教授介绍：




Dmitry Gabrilovich，美国马里兰州盖瑟斯堡阿斯利康癌症免疫学首席科学家。他的研究重点是肿瘤能够抑制免疫系统的方法，以及如何开发新的免疫疗法来对抗这种能力。Gabrilovich 描述了树突状细胞在诱导癌症免疫反应方面的缺陷能力，并且是髓源性抑制细胞 (MDSC) 的发现者之一。 Gabrilovich 实验室专注于未成熟骨髓细胞生物学及其与癌症的关系。 MDSC 与许多与癌症相关的信号通路有关，包括 NF-κB、Jak-STAT、Notch、Wnt 和 Rb 等。他的研究发现，肿瘤细胞可以通过一种产生自由基过氧亚硝酸盐的机制，使它们对某些类型的癌症免疫疗法产生耐药性。他的研究还集中于单核细胞-骨髓来源的抑制细胞和多形核-骨髓来源的抑制细胞，以及它们对癌症治疗可能产生的影响，因为骨髓来源的抑制细胞负向调节抗肿瘤活性。他的团队描述了靶向抑制性骨髓细胞的方法。

参考文献：
Kim, R., Hashimoto, A., Markosyan, N.et al. Ferroptosis of tumour neutrophils causes immune suppression in cancer. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05443-0