肿瘤源性G-CSF通过NAMPT信号通路诱导中性粒细胞功能障碍并增强癌症患者细菌感染易感性

《Nature Communications》：G-CSF/NAMPT signaling drives neutrophil dysfunction and enhances bacterial infection susceptibility in cancer patients

　　本研究针对癌症患者易发生细菌感染的临床难题，揭示了肿瘤源性G-CSF通过NAMPT/NAD+信号轴诱导中性粒细胞前体细胞重编程的分子机制。研究人员发现长期暴露于G-CSF会导致中性粒细胞抗菌功能受损（吞噬作用和NET形成能力下降）并产生具有组织毒性的CD62Llow衰老亚群，进而破坏肺组织完整性、促进革兰氏阴性病原体持久定植。重要的是，靶向G-CSF/NAMPT通路可恢复中性粒细胞功能并改善感染控制。该研究为癌症患者感染防治提供了新的治疗策略。

　　

在癌症治疗不断取得突破的今天，细菌感染并发症仍然是困扰临床医生的重大挑战。这些感染不仅会延迟抗癌治疗进程，更会显著恶化患者预后。尤其令人困惑的是，即使用免疫抑制治疗和长期住院等传统风险因素来解释，仍无法完全阐明癌症患者为何对感染如此脆弱。近年来，科学家们逐渐意识到，肿瘤本身可能正在悄然"改写"免疫系统的功能密码，特别是那些负责冲锋陷阵的免疫细胞——中性粒细胞。

中性粒细胞作为抗菌免疫的先锋部队，以往被认为是一群短寿的先天免疫细胞，可塑性有限。然而，随着"训练免疫"概念的提出，人们发现先天免疫细胞也能通过表观遗传调控形成某种形式的"记忆"。但肿瘤微环境似乎诱导了另一种现象：免疫重编程。肿瘤释放的因子驱动这一过程，可能导致宿主清除细菌的能力受损。

在《Nature Communications》上发表的最新研究中，德国埃森大学医院的研究团队揭开了这一现象背后的分子谜团。他们发现，肿瘤细胞持续释放的粒细胞集落刺激因子(G-CSF)竟是导致中性粒细胞"叛变"的罪魁祸首。

为了深入探索这一现象，研究人员首先对头颈鳞状细胞癌(HNSCC)患者进行了临床观察。他们发现，无症状HNSCC患者口腔中革兰氏阴性病原体（如铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌等）的出现频率显著高于健康人群。更重要的是，口腔中存在这些病原体预示着患者两年预后较差，细菌感染风险显著增加。

进一步分析显示，肿瘤组织释放的G-CSF水平异常升高是导致这一问题的重要因素。研究人员通过ROC分析确定，口腔漱口液中G-CSF浓度超过392 pg/ml可预测革兰氏阴性病原体的存在，特异性达91%。这表明G-CSF水平与患者感染风险密切相关。

研究人员构建了过表达G-CSF的小鼠口咽癌模型(^GMOPC)，模拟肿瘤长期释放G-CSF的病理状态。令人惊讶的是，与短期G-CSF刺激增强中性粒细胞抗菌活性不同，长期暴露于G-CSF的小鼠表现出对细菌感染的敏感性增加，肺组织损伤加重，疾病严重程度升高。

机制探索发现，肿瘤源性G-CSF会刺激粒细胞生成和中性粒细胞从骨髓释放，导致不同组织部位中性粒细胞积聚。尤为重要的是，长期暴露于G-CSF的中性粒细胞（称为G中性粒细胞）表现出独特的蛋白质组特征，其中115种蛋白表达发生改变。这些细胞呈现出衰老表型，表现为CD62L^lowCD11b^dim亚群的积累。

深入研究G中性粒细胞的功能发现，它们的细胞骨架重组能力受损，导致吞噬作用和中性粒细胞胞外陷阱(NETs)形成能力下降。同时，这些细胞却产生过多的活性氧(ROS)，包括髓过氧化物酶(MPO)表达升高和线粒体活性增强，加之谷胱甘肽过氧化物酶1(Gpx1)等ROS解毒机制成分表达下调，共同导致组织毒性增加。此外，基质金属蛋白酶9(MMP9)的释放增加也加剧了组织损伤。

研究人员还发现，G-CSF对中性粒细胞的影响从祖细胞阶段就已开始。通过体外实验，他们证明长期暴露于含G-CSF的肿瘤条件培养基会导致中性粒细胞前体细胞分化为功能异常的中性粒细胞，即使之后移除G-CFS，这种异常表型仍会持续。这表明肿瘤诱导的髓系祖细胞重编程可能是其抗菌功能长期受抑制的原因。

在治疗策略方面，研究人员靶向了G-CSF信号下游的烟酰胺磷酸核糖基转移酶(NAMPT)。NAMPT是NAD⁺合成的限速酶，而NAD⁺是细胞能量代谢的关键分子。使用NAMPT抑制剂FK866或OT-82处理，可减少G中性粒细胞的自发ROS产生，改善细菌清除能力，提高感染小鼠的临床表现。这为临床干预提供了潜在靶点。

关键实验技术方面，本研究整合了多种先进方法：临床队列的口腔微生物学分析和G-CSF浓度检测；小鼠肿瘤模型构建和细菌感染实验；流式细胞术分析中性粒细胞表型和功能；蛋白质组学分析差异表达蛋白；体外中性粒细胞祖细胞分化模型；NAMPT抑制剂干预研究；以及人源样本验证实验。

研究结果部分，通过一系列精心设计的实验，研究人员得出以下重要结论：

肿瘤源性G-CSF促进细菌感染：过表达G-CSF的肿瘤模型(^GMOPC)小鼠对铜绿假单胞菌肺部感染更敏感，肺组织损伤更严重，TNF-α水平更高，疾病严重程度增加。

慢性暴露于肿瘤源性G-CSF损害中性粒细胞抗菌功能并促进其组织毒性：蛋白质组学分析显示G中性粒细胞有115种差异表达蛋白，细胞骨架重组相关蛋白下调，导致吞噬和NET形成能力受损。同时，ROS产生增加和MMP9释放升高导致组织毒性增强。

G中性粒细胞显示受损的杀菌活性：短期杀菌能力略有增强，但长期暴露后细菌生物膜形成增加，表明G中性粒细胞可能无法持续有效清除细菌。

中性粒细胞显示独特的衰老表型：G中性粒细胞凋亡减慢，Caspase 3表达下调，衰老Ly6G⁺CD62L^lowCD101^highCXCR4^high亚群在肺中积累，这些细胞细胞毒性强但抗菌功能低下。

在G-CSF存在下分化的中性粒细胞模拟G中性粒细胞：体外实验证实长期G-CSF暴露导致中性粒细胞前体细胞分化为表型和功能异常的细胞，类似于体内的G中性粒细胞。

长期暴露于G-CSF持续重编程中性粒细胞祖细胞：即使在移除G-CSF后，曾暴露于G-CSF的祖细胞分化的中性粒细胞仍保持功能异常，表明重编程效果的持久性。

G-CSF信号的治疗性靶向恢复中性粒细胞抗菌功能：NAMPT抑制剂FK866处理可减少G中性粒细胞的ROS产生，改善细菌清除，提高感染小鼠的生存率。

研究的最后部分对整体发现进行了整合，强调慢性暴露于肿瘤源性G-CSF不仅增强粒细胞生成和有害中性粒细胞从骨髓释放，还导致肺中衰老耗竭中性粒细胞的局部滞留，这些细胞抗菌功能减弱但组织毒性增强，最终导致显著的肺组织损伤和细菌定植增强。

这项研究的临床意义尤为突出。癌症患者非癌症死亡率（通常定义为诊断或治疗开始后90天内的死亡率）是HNSCC人群总死亡率的主要驱动因素。早期非癌症死亡在多个队列中的发生率约为5%，其中约30%由肺部感染或血流感染引起。考虑到这些患者中有相当一部分有望从肿瘤中治愈，非癌症死亡率是实现良好患者结局的不可接受的障碍。

研究提出的G-CSF/NAMPT信号轴作为治疗靶点，为预防癌症患者感染并发症提供了新思路。通过标准化G-CSF轴，既可以预防中性粒细胞的组织毒性，又可以支持其抗菌特性，从而降低患者对细菌感染的易感性。预测和早期诊断患者对细菌并发症的易感性，将减少可能的治疗延迟，从而提高患者生存率。

总的来说，这项研究揭示了癌症与感染易感性之间的分子桥梁，为改善癌症患者综合治疗策略提供了重要理论基础和实验依据。