髓系细胞重编程与免疫抑制：探索病理极化在慢性炎症及癌症中的机制与治疗前景

《Annual Review of Physiology》：Myeloid Cell Reprogramming and Immune Suppression

这篇综述系统阐述了巨噬细胞和中性粒细胞的极化/重编程（Reprogramming）概念，重点解析了在慢性炎症和癌症等病理条件下，这些髓系细胞如何从经典的抗菌促炎状态转变为具有免疫抑制活性、支持肿瘤进展的病理状态。文章综述了调控该过程的细胞因子、转录与表观遗传因子、代谢通路，并探讨了靶向这些病理极化细胞进行治疗的潜力。

　　

髓系细胞重编程与免疫抑制：从稳态到病理的深刻转变

髓系细胞，包括巨噬细胞和中性粒细胞，是免疫系统的核心组成部分，在先天性和适应性免疫中均发挥关键作用。它们具有高度的可塑性，能够响应环境信号进行功能状态的重编程，即极化。在稳态和急性感染消退期，巨噬细胞和中性粒细胞经历经典的极化，分别呈现促炎的M1样/经典型激活多形核中性粒细胞（CA-PMNs）和抗炎/修复的M2样状态，共同完成清除病原体、启动炎症、促进组织修复并最终平息炎症的完整过程。然而，在癌症、慢性炎症和自身免疫病等病理条件下，持续的炎症信号和独特的微环境（如肿瘤微环境，TME）驱动髓系细胞偏离其经典功能，转化为具有强大免疫抑制能力和促病变特征的状态。对于巨噬细胞，这表现为肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的出现；对于中性粒细胞，则表现为多形核髓源性抑制细胞（PMN-MDSCs）的形成。理解这些病理极化状态的调控机制，为开发靶向疗法以重塑免疫微环境、对抗疾病提供了新思路。

巨噬细胞极化的一般概念

巨噬细胞的极化是一个动态、可逆的过程。经典框架下，干扰素-γ（IFN-γ）或脂多糖（LPS）诱导产生促炎的M1样巨噬细胞，分泌肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）等，在防御病原体和肿瘤中起关键作用。相反，白介素-4（IL-4）或白介素-13（IL-13）诱导产生抗炎的M2样巨噬细胞，分泌转化生长因子-β（TGF-β）、白介素-10（IL-10）等，参与伤口愈合和组织修复。然而，单细胞转录组学揭示，这种M1/M2二分法过于简化，巨噬细胞在体内表现出复杂的功能光谱。

在急性、可消退的炎症中，巨噬细胞遵循从促炎状态到修复状态再到促消退状态的顺序转换。但在慢性炎症和癌症中，持续的炎症信号、肿瘤源性因子（如生长因子、细胞因子、趋化因子）以及TME特有的缺氧、酸中毒和营养重分布，共同导致巨噬细胞重编程为病理状态。TAMs通常同时具有M1和M2的转录特征，并表现出更强的免疫抑制和促肿瘤功能。单细胞分析在人类和小鼠肿瘤中鉴定出独特的TAM亚群，如分泌磷蛋白1（SPP1⁺）或S100钙结合蛋白A9（S100A9⁺）TAMs，它们与不良临床预后相关，可被称为“病理激活的巨噬细胞”。

调控巨噬细胞极化的因素

巨噬细胞的极化受细胞因子、生长因子、转录与表观遗传调控以及代谢重编程的精密调控。

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  细胞因子与生长因子：粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）调控巨噬细胞分化和存活。IFN-γ、TNF-α与Toll样受体（TLR）配体协同促进M1样极化。在TME中，高水平的IL-4、IL-13、IL-6、IL-10和TGF-β则驱动巨噬细胞向促肿瘤的M2样状态极化。有趣的是，IL-4甚至可以在髓系祖细胞阶段就印迹抗炎程序，影响整个髓系分化轨迹。IL-10通常被认为是免疫抑制细胞因子，但它也能由M1样巨噬细胞产生，以限制过度炎症。在TME中，调节性T细胞和髓源性抑制细胞（MDSCs）分泌的IL-10能上调巨噬细胞表面的IL-4受体，使其对IL-4/IL-13更敏感，从而放大M2样极化，这一过程涉及信号转导和转录激活因子3（STAT3）的激活。
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  巨噬细胞极化的转录与表观遗传调控：不同刺激通过激活特定的转录因子网络决定巨噬细胞命运。M1样极化主要依赖核因子-κB（NF-κB）、激活蛋白1（AP-1）和STAT1。干扰素调节因子5（IRF5）是促炎极化的核心调控因子。M2样极化的关键转录因子是STAT6（响应IL-4/IL-13），其他重要因子包括干扰素调节因子4（IRF4）、CCAAT/增强子结合蛋白β（C/EBPβ）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）和PPARδ。其中，IRF4介导的M2极化需要组蛋白去甲基酶Jumonji结构域包含蛋白3（JMJD3）去除抑制性组蛋白标记H3K27me3。PPARγ^high的TAMs在肺癌早期病变中高度富集，表达高水平的程序性死亡配体1（PD-L1）和IL-6。Krüppel样因子（KLFs）家族也参与调控，例如KLF4与STAT6协同诱导M2程序。
  表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）为极化提供了另一层调控。例如，SIRT2、蛋白精氨酸甲基转移酶1（PRMT1）、JMJD3、SET和MYND结构域包含蛋白3（SMYD3）等促进M2极化；而DNA甲基转移酶3β（DNMT3b）、JMJD1A、组蛋白去乙酰化酶9（HDAC9）等促进M1极化。组蛋白乳酸化是一种新型的代谢衍生表观遗传标记，参与调节M1巨噬细胞的稳态。在肥胖和糖尿病中，表观遗传改变（如脂肪组织巨噬细胞中DNMT3B的上调）驱动炎症和胰岛素抵抗。
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  巨噬细胞极化的代谢控制：代谢重编程是功能极化的基础。促炎（M1样）巨噬细胞依赖糖酵解，而抗炎（M2样）巨噬细胞和TAMs主要依赖氧化磷酸化（OXPHOS）和脂肪酸氧化。TME中的缺氧和代谢物（如乳酸）能稳定缺氧诱导因子1α（HIF1α）并诱导精氨酸酶1（Arg1）表达，从而促进巨噬细胞的免疫抑制表型。
  衣康酸是巨噬细胞线粒体三羧酸循环产生的一种具有抗炎特性的代谢物。它能抑制NLR家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体，并激活核因子E2相关因子2（NRF2）。在TME中，TAMs释放的衣康酸可被肿瘤细胞摄取，通过激活NRF2通路增强肿瘤对铁死亡的抵抗。相反，在淋巴瘤细胞中诱导衣康酸产生却能增强肿瘤免疫原性。
  脂质代谢深刻影响巨噬细胞极化。在动脉粥样硬化中，通过清道夫受体CD36摄取氧化低密度脂蛋白驱动泡沫细胞（具有M2样特征）形成。在TME中，CD36⁺TAMs以脂肪酸为主要能源，并与多种癌症患者的不良预后相关。在EGFR突变驱动的肺腺癌模型中，GM-CSF-PPARγ信号促进肿瘤相关肺泡巨噬细胞的胆固醇外流，为肿瘤细胞优化EGFR信号提供胆固醇。肥胖相关的油酸积累则通过上调酸感应受体GPR65抑制TAMs的炎症反应。内质网（ER）应激通路（如IRE1α/XBP1、PERK/ATF4）也被报道参与调控巨噬细胞的促肿瘤功能。

中性粒细胞的功能极化

中性粒细胞同样具有显著的可塑性和异质性。在稳态下，它们是短寿的经典型激活多形核中性粒细胞（CA-PMNs），负责抗菌、清除碎片和维持组织稳态。然而，在癌症条件下，肿瘤源性因子能重编程中性粒细胞，使其转化为具有强大免疫抑制能力的PMN-MDSCs。PMN-MDSCs高表达CD14、氧化低密度脂蛋白受体1（LOX-1）、脂肪酸转运蛋白2（FATP2）等标记物，并通过产生活性氧（ROS）、前列腺素E₂（PGE₂）以及通过Arg1消耗精氨酸等机制抑制抗肿瘤T细胞反应。肿瘤内高中性粒细胞/PMN-MDSCs浸润通常与免疫抑制和不良临床结局相关。

单细胞转录组分析证实了CA-PMNs和PMN-MDSCs这两种功能状态的存在。在癌症患者外周血中，可分离出高密度的CA-PMNs和低密度的PMN-MDSCs，其中LOX-1⁺细胞具有免疫抑制能力。研究揭示了中性粒细胞向PMN-MDSCs重编程的轨迹：在荷瘤小鼠中，CD14^?的CA-PMNs首先在外周组织（如脾脏）中转化为具有中等抑制能力的CD14^intPMN-MDSCs，最后在肿瘤内部被终末重编程为具有强效抑制能力的CD14^highPMN-MDSCs。无论进入肿瘤前状态如何，肿瘤内部的中性粒细胞都会获得独特的、适应TME压力的转录和表观遗传特征。

值得注意的是，在特定治疗干预下（如TGF-β阻断、卡介苗或β-葡聚糖治疗、缓解缺氧），中性粒细胞可被重编程为具有抗肿瘤活性的促炎表型（有时称为N1型），能够通过释放ROS、过氧化氢（H₂O₂）、中性粒细胞弹性蛋白酶等直接杀伤肿瘤细胞，或通过表达人类白细胞抗原-DR（HLA-DR）进行抗原交叉提呈。

中性粒细胞重编程的位置：外周 vs. 肿瘤

病理状态（如癌症）下的“紧急骨髓生成”受C/EBPβ等转录因子调控，导致不成熟、倾向于表达免疫抑制分子（如Arg1、诱导型一氧化氮合酶iNOS）的中性粒细胞产量增加。这种“训练免疫”效应意味着初始炎症刺激可在髓系祖细胞留下持久的表观遗传印记，影响后续生成的细胞功能。癌症可能在外周阶段就印迹中性粒细胞，使其偏向PMN-MDSCs分化。

然而，决定性的终末重编程发生在肿瘤内部。TME中的多种因素共同作用，将中性粒细胞彻底转化为强效的PMN-MDSCs。

肿瘤内调控中性粒细胞重编程的因素

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  细胞因子与信号：TGF-β、IL-1β、IL-6、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）、GM-CSF等因素能诱导中性粒细胞的免疫抑制活性，涉及JAK/STAT通路（如STAT1、STAT3、STAT5）的激活。而I型干扰素信号通常诱导抗肿瘤极化。
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  脂质代谢：TME中丰富的脂质是关键调控因素。GM-CSF/STAT5信号上调FATP2，促进中性粒细胞摄取游离脂肪酸，进而增加PGE₂合成，转化为PMN-MDSCs。CD36介导的脂质摄取也通过G-CSF/GM-CSF-STAT3/STAT5轴诱导免疫抑制表型。信号脂质如血小板活化因子和PGE₂本身也能促进免疫抑制表型。
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  内质网应激与铁死亡：TME中的营养缺乏、缺氧、脂质积累和ROS会诱导内质网（ER）应激和铁死亡。研究表明，ER应激通路（如IRE1、PERK）直接控制肿瘤内PMN-MDSCs的免疫抑制功能，敲除这些通路会削弱其抑制能力。铁死亡也被发现可调控肿瘤PMN-MDSCs免疫抑制活性的诱导，这可能解释了肿瘤内与外周PMN-MDSCs在抑制强度上的差异。
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  代谢转换：PMN-MDSCs表现出独特的代谢特征。它们通过上调Arg1和胱氨酸转运蛋白消耗TME中的精氨酸和半胱氨酸，直接抑制T细胞功能。在分化过程中，MDSCs上调糖酵解。然而，进入肿瘤后，PMN-MDSCs经历从糖酵解到脂肪酸氧化和OXPHOS的代谢重编程，这与其增强的脂质摄取有关。脂质积累不仅导致免疫抑制性PGE₂产生，还可能诱发铁死亡。此外，PMN-MDSCs还能将其积累的氧化脂质转移给树突状细胞，破坏其抗原交叉提呈能力。

结论

髓系细胞（巨噬细胞和中性粒细胞）的功能极化是免疫学的核心概念。在慢性炎症和癌症中，这些细胞被病理性地重编程为免疫抑制和促病变状态，这涉及复杂的细胞因子网络、转录与表观遗传调控、代谢重编程以及独特的TME压力（如ER应激、铁死亡）。尽管已识别出许多关键机制和因子，但驱动病理极化的精确路径、以及如何特异性逆转这种极化而不影响经典免疫功能，仍是亟待解答的关键科学问题。对这些机制的深入理解，将为开发靶向病理极化髓系细胞、重塑免疫微环境以治疗癌症、慢性炎症性疾病等提供重要的理论基础和新的治疗策略。