热点研究：肿瘤中性粒细胞铁死亡导致癌症免疫抑制

研究背景

铁死亡是一种非凋亡的程序性细胞死亡过程，它由氧化还原调控机制的失调引起，会导致多种多不饱和磷脂的过氧化反应。铁死亡的诱导因素通常包括以下几种：（1）氧化还原保护机制受损；（2）多不饱和脂肪酸 (PUFA) 通过酰基辅酶 A 链家族成员 4(ACSL4) 合成酶促进多不饱和脂肪酸 (PUFA) 酯化为磷脂 (PL-PUFA)；（3）脂肪氧合酶 (ALOXs) 催化的铁死亡相关脂信号 (FALI) 的积累。

据报道，铁死亡诱导因子能在体外相当有效地杀死肿瘤细胞，但其在实验动物模型即体内水平的相关效果则没有得到可靠的证明，因此对铁死亡机制的深入研究可能对肿瘤免疫具有重要的意义。据报道，铁死亡诱导因子能在体外相当有效地杀死肿瘤细胞，但其在实验动物模型即体内水平的相关效果则没有得到可靠的证明，因此对铁死亡机制的深入研究可能对肿瘤免疫具有重要的意义。

2022 年 11 月 16 日，宾夕法尼亚大学的 Dmitry I. Gabrilovich 等在Journal of nature（IF = 50.5）杂志上发表了题为「Ferroptosis of tumour neutrophils causes immune suppression in cancer」的文章。在该研究中，作者发现肿瘤微环境中的 PMN-MDSCs 会因铁死亡而自发死亡，而铁死亡会诱导过氧化脂质的释放并限制人和小鼠 T 细胞的活性。在免疫功能正常的小鼠中，铁死亡的遗传和药理学抑制消除了 PMN-MDSC 的抑制活性，减少肿瘤进展并与免疫检查点阻断协同以抑制肿瘤生长。相比之下，诱导免疫功能正常的小鼠的铁死亡促进肿瘤生长。因此，铁死亡是肿瘤微环境中 PMN-MDSCs 的一种独特且可靶向的免疫抑制机制，可以进行药理学调节以限制肿瘤进展。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05443-0

研究成果

病理性中性粒细胞（PMNs）被称为髓系抑制细胞（PMN-MDSCs），具有独立的转录组、蛋白组和代谢特征，是抗肿瘤免疫的主要抑制性调节因子。在癌症患者中出现 PMN-MDSCs 通常意为着临床效果差和免疫治疗耐受。最近，有研究对来自人体结肠癌肝转移中的 PMN-MDSCs 进行了单细胞测序，发现存在大量的铁死亡相关通路基因的富集，暗示这些细胞可能对铁死亡有很高的敏感性。

铁死亡在肿瘤的发生过程中具有双重作用，然而之前的大多数研究都没有考虑到免疫系统在这一过程中的贡献。因此，在本篇研究中作者对 PMN-MDSCs 中铁死亡的免疫抑制作用进行了探究，对癌症的治疗提供了新的思路。

研究内容

1. 肿瘤 PMN-MDSCs 对铁死亡敏感

铁死亡通常表现出铁死亡相关脂信号（FALIS）的积累，包括含花生四稀酸（AA）的氧化磷脂酰乙醇胺（PEox）。作者检测了不同组织中分离出的 PMNs 的 AA-PEox 含量，发现相比于骨髓和脾脏 AA-PEox 在肿瘤 PMN-MDSCs 中表达量更高（图 1a）。用铁死亡诱导剂 RSL3 处理 PMN-MDSCs 后，肿瘤 PMN-MDSCs 相比于骨髓和脾脏中的 PMN-MDSCs 对 RSL3 更加敏感，而铁死亡抑制剂处理后 PMN-MDSCs 的存活率则显著提升（图 1b-c），暗示铁死亡参与 PMN-MDSCs 的死亡。整体氧化还原脂质组学分析也显示，肿瘤 PMN-MDSCs 中的铁死亡标志性脂质氧合磷脂酰乙醇胺（PE）相比于凋亡和坏死的标志脂质含量更高，并且相比于骨髓和脾脏中的 PMN-MDSCs 也显著增加（图 1d）。以上结果表明相比于其它组织中的 PMN-MDSCs 如骨髓和脾脏，铁死亡是肿瘤 PMN-MDSCs 经历的主要细胞死亡类型.

图 1.C3A 对 DHT 诱导的 DPCs 衰老的影响

2. 肿瘤 PMN-MDSCs 的免疫抑制作用

接下来，作者检测了铁死亡是否赋予其他非免疫抑制性 PMNs 以抑制功能。在功能性实验中，骨髓 PMNs 用 RSL3 处理 2 h 以进行初期的铁死亡。RSL3 而非凋亡诱导剂星形孢菌素处理能使 PMNs 获得有效的抑制作用，表现为 PMEL CD8+T 细胞增殖减弱（图 2a）。为了研究这种抑制作用是否是由细胞或细胞因子引起的，作者将小鼠 PMNs 中的花生四烯酸 12/15-脂氧合酶（ALOX12/15）—— 一种铁死亡的主要诱导因子特异性敲低，结果发现 RSL3 处理后的 PMNs 上清液能对 PMEL 脾细胞起抑制效果，而敲低后的 PMNs 则不具有这种作用（图 2b）。使用另一种铁死亡诱导剂 IKE 处理 PMNs 也能引起其抑制 T 细胞增殖，而铁死亡抑制剂 Liproxstatin-1 则能够消除这种作用（图 2c-d）。同时，肿瘤 PMN-MDSCs 对 T 细胞的增殖也具有显著的抑制作用，并且会被 Liproxstatin-1 而非凋亡或坏死抑制剂所消除（图 2e）。

为了在体内验证铁死亡对 PMN-MDSCs 抑制功能的作用，作者在小鼠皮下构建 EL-4 肿瘤，并提取肿瘤的上清液，结果发现肿瘤 PMN-MDSCs 具有显著的抑制作用（图 2f-g）。而从人体癌症组织中提取的 PMN-MDSCs，以及 IKE 处理过的健康人体中的 PMNs 也具有 T 细胞抑制作用，且会被 Liproxstatin-1 消除（图 2 h-i）。以上结果表明肿瘤 PMN-MDSCs 对 T 细胞的增殖具有抑制作用，而铁死亡能介导 PMNs 转变为具有抑制作用的 PMN-MDSCs。

图 2. 铁死亡赋予 PMNs 免疫抑制作用

3. 肿瘤 PMN-MDSCs 中的铁死亡发生

前列腺素（PGE2）直接参与 PMN-MDSCs 的抑制作用。在铁死亡相关相关基因被敲除后，由 PMN-MDSCs 释放的 PGE2 会大量减少（图 3a）。但是 PGE2 合成酶环氧合酶 COX 的抑制剂及 PGE2 受体的阻断剂都无法消除由铁死亡引起的 PMNs 数量减少及对 T 细胞的抑制作用（图 3b-d），这说明有多条途径参与了对铁死亡诱导的 PMN-MDSCs 抑制作用的调节。FATP2 是一种脂肪酸转运蛋白，将 PMN-MDSCs 中的 FATP2 特异性敲除后，其铁死亡相关基因的表达及氧化 AA-PEox 的水平都显著下调，并且 PGE2 的含量也降低了（图 3e-f）。同时，RSL3 处理能引起 PMNs 中 PEox 的积累，但 FATP2 敲除后这种效果则消失了（图 3 g），这暗示 FATP2 可能对 PMNs 中铁死亡的发生有着重要的意义。

随后，作者检测了铁死亡的主要产物 —— 氧化磷脂对 T 细胞增殖的影响。人工合成的氧化 PE 与 PC 及 RSL3 处理过的骨髓 PMNs 的脂质提取物都能对 T 细胞的增殖起到显著的抑制效果（图 3 h-i）。以上结果表明铁死亡诱导的 PMNs 对 T 细胞的抑制作用可能受到多种途径调节，氧化磷脂便在其中发挥着重要的作用。

图 3. 肿瘤 PMN-MDSCs 中铁死亡诱导的机制

4. 抑制铁死亡减缓肿瘤生长

用 Liproxstatin-1 处理移植有肿瘤的小鼠能显著抑制 PMN-MDSCs 的抑制作用及肿瘤生长，但在免疫缺陷小鼠中这种效果则消失了（图 4a-b）。同时，在这些模型中，Liproxstatin-1 增强了 PD-1 抗体免疫检查点阻断的抗肿瘤效果（图 4c）。接着，作者用 IKE 处理免疫活性小鼠，发现即使使用抗 PD-1 抗体共同处理，IKE 也能略微促进了肿瘤的生长（图 4d）。为了更好地了解铁死亡抑制在 PD-1 反应中的作用，作者使用铁死亡抑制剂与 PD-1 共同处理移植有 PD-1 耐药性肿瘤细胞的小鼠，其中只有十分之一发生了肿瘤的快速消退（图 4e）。

接下来，作者对铁死亡基因标记物与 PMN-MDSCs 标记物进行了比对，发现两者之间虽然没有重合但是却呈现正相关，且铁死亡基因表达更低的癌症患者会具有更高的存活率，在接受过免疫治疗的患者中这种联系更加明显（图 4f-j）。以上结果抑制铁死亡能靶向免疫系统抑制肿瘤的生长，提高癌症患者的生存率。

图 4. 铁死亡抑制的抗肿瘤作用

研究总结

在本研究中，作者研究了铁死亡诱导髓系抑制性中性粒细胞对 T 细胞的增殖产生抑制作用，而抑制铁死亡则能够起到抗肿瘤的效果。研究结果表明，在肿瘤组织中 PMN-MDSCs 会经历铁死亡，而诱导铁死亡也能引起非抑制性 PMNs 转变为 PMN-MDSCs。虽然铁死亡会减少 PMN-MDSCs 的数量，但会增加其免疫抑制分子的释放，从而发挥对 T 细胞的抑制作用。

此研究指出铁死亡可能是肿瘤微环境中 PMN-MDSCs 的一种独特且特异性的诱导免疫抑制机制，可以靶向这一机制进行药理学调控从而限制肿瘤的生长。

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