【论肿道麻】Nature Reviews Immunology:成纤维细胞在感染、炎症和癌症中的免疫调节作用

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  在慢性感染、炎症和癌症中,组织微环境调节着局部免疫细胞的行为,组织中的成纤维细胞是调节免疫反应激活或抑制的关键细胞类型。成纤维细胞是异质性细胞,包含功能不同的亚型,其表型根据其起源组织和诱发疾病类型而有所不同。它们的免疫学特性也多种多样,作用从在慢性炎症中维持有效的炎症环境,到在恶性肿瘤中促进免疫抑制,以及在组织内封装感染源。2021年4月,英国牛津大学肯尼迪风湿病研究所的Christopher D. Buckley在Nat Rev Immunol杂志上发表综述《Fibroblasts as immune regulators in infection, inflammation and cancer》,比较了成纤维细胞在不同组织和病理环境中调控局部免疫反应的机制,以及调节其炎症和抑制性因子。这种跨疾病观点强调了组织微环境中成纤维细胞-免疫细胞相互作用的重要性,以及利用这些发现为慢性感染、炎症和癌症患者提供潜在治疗途径。

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  成纤维细胞已成为关键的免疫前哨细胞,受到病理刺激后激活和调节免疫反应。与髓系细胞一样,成纤维细胞可以检测与损伤和病原体相关的分子模式,激活促炎信号通路以帮助招募白细胞并调节其活性。因此,这些细胞现在被公认为先天免疫系统的“非经典”分支。 尽管成纤维细胞在组织稳态和病理过程中发挥着不可或缺的作用,但我们对其功能的理解受到其内在的异质性和可靠的标记物缺乏的阻碍。虽然血小板源性生长因子受体-α (PDGFRα)、血小板源性生长因子受体-β(PDGFR-β)、podoplanin (PDPN)、THY1(也称为CD90)和α-平滑肌肌动蛋白(αSMA)等标志物常用来区分成纤维细胞,但这些标志物中有许多既不由这些细胞统一表达,也不唯一表达。微创手术的进步,包括超声介导的活检,以及单细胞RNA测序(scRNA-seq)等技术的出现,已经改变了我们的分类能力,以及可以将潜在的功能属性分配给人类疾病中不同的成纤维细胞亚群。来自人类细胞图谱、ImmGen 和the Accelerating Medicines Partnership联盟的国际合作显著增强了对多种组织和生物系统细胞组成的理解。这种方法已经开始解开疾病的细胞学基础,揭示了具有非重叠功能作用的各种成纤维细胞亚群。

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  图1健康和疾病状态组织间的成纤维细胞异质性

  成纤维细胞在肠道、滑膜和肺中维持内稳态和疾病的细胞异质性。a成纤维细胞的形状取决于它们在肠隐窝轴中的位置,表达SOX6和骨膜素 (POSTN) 的亚群位于上皮附近以促进上皮再生。在炎症的情况下,THY1+PDPN+FAP+ 成纤维细胞亚群出现在靠近粘膜屏障破坏的部位,通过释放细胞因子和趋化因子来协调白细胞的募集。b健康关节和类风湿性关节炎 (RA) 中的滑膜。衬层成纤维细胞产生润滑素以润滑健康的关节。然而,在RA中,该人群获得重塑表型,产生基质金属蛋白酶(MMP)以分解软骨并激活破骨细胞以侵蚀骨骼。在疾病状态下,下衬层扩张,THY1+PDPN+FAP+成纤维细胞群出现在血管周围。与肠道类似,该亚群产生促炎细胞因子。c健康的肺和纤维化肺中的成纤维细胞异质性。AXIN2+PDGFRα+成纤维细胞靠近肺泡壁龛,维持干细胞功能。一个独特的AXIN2+PDGFRα–亚群更靠近气道。该人群获得致病性重塑表型,促进肺纤维化。

  成纤维细胞作为免疫调节器

  成功的炎症反应依赖于免疫招募、激活和消除之间的平衡。事实上,这种平衡的扰动会导致异常的免疫反应,从而加剧疾病的病理进展。它们的免疫学特性从招募和激活免疫细胞到免疫抑制和清除炎症浸润。这反映了组织间的异质性,在决定局部免疫反应中起着重要作用。特定的表面分子和白细胞招募因子的表达使成纤维细胞能够将其在特定的解剖部位传递给循环免疫细胞。

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  图2成纤维细胞跨疾病调节促炎和重塑的共同机制

  在疾病中两种病原性成纤维细胞群常见:免疫相互作用群和组织重塑群。这些亚群受到相似的信号通路调节。a源自免疫细胞浸润的炎症因子通过NF-κB激活成纤维细胞中的炎症特征。b NF-κB诱导白血病抑制因子 (LIF) 的产生,从而激活Janus激酶 (JAK)信号转导和转录激活因子 (STAT) 信号传导,传递NF-κB信号传导并诱导正反馈回路。c成纤维细胞产生的炎症因子招募更多的免疫细胞,进一步加剧这一过程。d基质信号诱导炎症和重塑成纤维细胞亚群的扩张,包括内皮上NOTCH3配体的JAG1和Delta样蛋白4 (DLL4)的激活。E物理和可溶性信号刺激包括基质硬化以促进表型重塑。在癌症中,这些表型是可以互换的,这取决于它们所暴露于的信号。

  对感染因子协调免疫应答

  在二级淋巴组织(SLOs)中通过识别病原体以及精细激活天然免疫和适应性免疫应答来加强免疫监视。对于外周组织,成纤维网状细胞(FRC)在体内稳态中的特性 在炎症 状态 下得以保存 。 但是,病毒感染 后 会重新编程 FRC 的 特性 诱导天然免疫 和适应性免疫细胞的迁移和分化。这包括 FRC生成的趋化因子梯度,以将增殖的B细胞定位到T细胞-B细胞边界,从而引起B细胞相互作用的网状细胞网络 延伸 ,从而形成生发中心 的 暗区。此外,病毒感染部位的淋巴结中的 FRC 大大 改变了与抗原呈递, ECM重塑,趋化因子和细胞因子信号相关的基因的表达。 至关重要的是,在病原体清除后, FRC有助于恢复淋巴结 的 稳态。 这是 通过促进淋巴管生成 、 将血管内皮生长因子转运到淋巴管 来介导实现的 ,有助于清除淋巴细胞。此外,在免疫 应答 期间,淋巴结膨胀以适应 T细胞群体的扩张。这是通过FRCs实现的,FRCs可以减少网状 细胞 网络中的收缩张力。 实现免疫应答后, F RC会收缩该网 格 并 回到 静 态 ,从而使淋巴结收缩 复原 。 实际上,淋巴结 FRC的急性转录重编 程 是短暂的,因为去除病毒感染后的基因表达谱与 原始 幼稚 老鼠 中记录 是 相似 的 。 炎症诱导的转录重塑的程度,反映了 FRC-免疫细胞相互作用的动态性,该相互作用在时间上 是短暂的 ,并 反应了 特定免疫环境对不同病原体的适应 能力 。

  使免疫平衡向持续性炎症转变

  慢性炎症的特征是持续保留白细胞,缺乏消退或修复。从外周组织中去除免疫细胞群,通过减少存活信号,上调凋亡信号和增加淋巴引流。免疫应答过程的破坏,以及不规则的趋化因子梯度,导致炎症细胞的捕获和积累。局部成纤维细胞通过改变其基质位置,反映给淋巴组织中的FRC来驱动疾病,从而导致白细胞的募集和保留。这始于髓系细胞的募集,Martin等人在最近的一项研究中强调了这一点,他们发现了克罗恩病中一群表达CCR2配体CCL2和CCL7的活化成纤维细胞。配体-受体分析证实了这些成纤维细胞与表达S100A8,S100A9和S100A4的单核细胞群体之间的相互作用。此外,成对的外周血单核细胞的scRNA-seq表明该群体是从外周血迁移到组织中。活化的内皮细胞上非典型化学因子受体1的同时表达提示成纤维细胞和内皮细胞之间的相互作用,这使得炎性单核细胞的转胞作用成为可能。尽管髓系细胞浸润是炎症性疾病的常见特征,但从天然免疫到适应性免疫的转变界定了持续性炎症的发展,与较差的预后和不良反应相关。成纤维细胞通过募集和维持外周组织中的淋巴细胞种群来帮助实现这种转变。尽管在致病性因子感染后淋巴组织得以恢复稳态,但暴露于持续炎症的成纤维细胞仍维持淋巴细胞滞留。这可能反映了炎性成纤维细胞无法恢复稳态。实际上,这些细胞对凋亡具有抵抗力,并在没有疾病的情况下保留病理特征。例如,当培养的RA成纤维细胞而不是骨关节炎成纤维细胞植入到严重的联合免疫缺陷小鼠的健康组织中时,会呈现出疾病的各个方面,例如局部软骨浸润。

  成纤维细胞促进癌症的免疫耐受

  尽管对肿瘤中基质细胞在TLS(三级淋巴组织)形成中的作用知之甚少,但CAFs(肿瘤相关的成纤维细胞)密切参与恶性微环境中的免疫募集和调控。因此,它们的基质编码可能决定抗肿瘤免疫反应的效力,影响疾病的结局。

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  图3成纤维细胞功能在炎症中的转化

  a环境损伤激活单核吞噬细胞和粒细胞上的病原体和损伤相关分子模式,与急性炎症反应保持一致。b随后这些细胞释放细胞因子,如肿瘤坏死因子 (TNF) 或制瘤素M (OSM),会在成纤维细胞中诱导由局部组织形成的促炎表型。c在慢性炎症环境中,局部细胞因子会引发LTo样基质细胞。这会诱导趋化因子的表达,例如CCL19、CCL21、CXCL12和CXCL13。d随着时间的推移,LTo样基质细胞会募集幼稚的CD4+T细胞、LAMP3+树突状细胞 (DC) 和滤泡状B细胞,最终形成三级淋巴结构。

  疾病和部位的重要性

  组织特异性和病理性因子之间的关系是成纤维细胞表型和疾病的异质性许多争论的来源。一方面,组织特异性转录程序塑造了局部功能的特点,这可能解释了某些疾病的解剖位置的易感性;例如,病毒性(对于皮肤、肠道和大脑)、慢性炎症性疾病(影响肠道、关节和皮肤)和转移到某些组织(如骨髓、肺和淋巴结)。由于CAFs的多种可能来源,组织印迹功能特性在肿瘤微环境中尤其相关。来自不同组织的成纤维细胞即使暴露在一个新的局部环境中也保留了其功能程序。

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  图4成纤维细胞介导的癌症免疫调节

  在恶性肿瘤中,CAFs通过分泌CCL2, CCL5, CXCL1, CXCL12, IL-6, C3a和CHI3L1来吸引和维持肿瘤相关的巨噬细胞。同样,淋巴细胞的存在决定了预后。与炎症性疾病中的成纤维细胞相比,CAF排除淋巴细胞并模拟FRCs的抑制特性,促进肿瘤免疫逃避。尽管 CAFs 也采用 CXCL12-CXCR4 轴来抑制 T 细胞,而不是在组织中积聚淋巴细胞,PDAC外周组织中的CAFs 抑制T细胞浸润。肿瘤相关成纤维细胞还通过产生可溶性信号(如前列腺素E2)和免疫检查点配体程序性细胞死亡1配体 1(PDL1)和 PDL2来抑制 T 细胞活性。此外,虽然 CAF 能够呈递抗原,但这种相互作用可抑制CD8+T细胞。类似于淋巴结中的自我耐受机制,CAF 表面上的 FAS 配体(也称为 TNFLSF6)和 PDL2在抗原依赖性相互作用中抑制T细胞。CAF 通过 CXCL12和粘附分子 OX40L 和连接粘附分子2以及极化髓细胞募集和抑制调节性T细胞,进一步促进耐受性,这包括通过分泌 CXCL12 和 CHI3L1和降低 DC呈递抗原和激活T细胞反应的来诱导肿瘤相关巨噬细胞中的免疫抑制表型。与炎症性疾病类似,维持这种独特的免疫微环境可能是由肿瘤成纤维细胞的表观遗传印记驱动。事实上,CAF 显示出离散的 DNA 甲基化模式,保持了它们的病理特性。因此,虽然成纤维细胞表观遗传重塑能够在慢性炎症性疾病中实现持续的炎症反应,但在癌症中它可能会促进持续的肿瘤免疫逃逸特权。

  成纤维细胞作为治疗的靶标

  如果成纤维细胞生物学要从实验过渡到临床,就需要定义成纤维细胞异质性的标记物以及对周围组织环境进行深入了解。由于FAP在多种癌症的CAFs上高表达,人们已经通过免疫毒素、抗体、DNA疫苗和嵌合抗原受体T细胞来消耗FAP+CAFs。这些策略在抑制肿瘤生长方面是成功的,但由于FAP在正常组织中也表达,它们也可导致恶病质和贫血。此外,在没有事先了解其功能特性的情况下,使用单标记方法来靶向CAFs的危险可以通过其PDAC损耗来说明。FAP+CAFs的消耗促进T细胞浸润,并与免疫检查点疗法协同。然而,αSMA+CAFs的消除促进了未分化肿瘤的生长并降低生存率。另一种策略是针对特定成纤维细胞亚群的下游功能。例如,TGFβ抑制剂galunisertib的临床试验正在进行中,其目的是减少CAF基质的产生和增加抗肿瘤免疫。同样,希望CXCR4抑制剂AMD3100能够防止CXCL12介导的T细胞排斥,并使淋巴细胞浸润到肿瘤中。

  另一种方法是针对诱发成纤维细胞病理表型的诱导程序。在癌症中,FGFR抑制剂和维生素D受体的目的是广泛抑制CAF激活。由于成纤维细胞由功能不同的群体组成,了解调节每个群体以实现特定靶向的程序是至关重要的。此外,这一策略提出利用诱导一种疾病来治疗另一种疾病的可能性。例如,在RA中,抑制内皮细胞和FLSs之间的NOTCH3信号通路可以减少扩增并逆转THY1+成纤维细胞的促炎表型。因此,靶向NOTCH3受体可能是治疗其他慢性炎症疾病的途径。事实上,NOTCH3在肠道固有层的THY1+成纤维细胞上表达。其他的例子包括靶向NF-κB扩增环路和炎症巨噬细胞的相互作用。

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  图5利用成纤维细胞进行治疗

  为了治疗性地靶向疾病中的成纤维细胞,可以采用三种主要方法。a目前的治疗主要集中在使用嵌合抗原受体 (CAR) T 细胞、DNA 疫苗和抗 FAP 抗体靶向和去除成纤维细胞活化蛋白阳性 (FAP+) 成纤维细胞。b直接针对成纤维细胞效应功能,例如阻断炎症或免疫抑制因子的作用。c将成纤维细胞从促炎状态转变为免疫抑制状态,或者反之亦然,可以诱导或破坏诱导程序。

  结论和展望

  成纤维细胞是一种复杂的、多层面的组织哨点细胞,在胚胎发育过程中通过表观遗传印迹,由周围组织的需要而形成。在一系列不同组织损伤下,它们帮助启动、控制和调节随后的免疫反应。这包括与粒细胞和髓系细胞的相互作用,以及对淋巴细胞募集和保留的调节。特别是在感染的情况下,这将导致以TLSs形式建立免疫前哨。然而,在慢性炎症疾病和癌症等疾病中,不适当的成纤维细胞活化可通过诱导促炎和免疫抑制促进疾病发展。这些病理特性的知识可能被用来恢复疾病稳态。例如,利用致耐受性特征可能有助于解决自身免疫性疾病,而刺激炎症反应可能促进抗肿瘤免疫。因此,阐明成纤维细胞在稳态和疾病中的组成和功能将挖掘其在组织恢复方面的治疗潜力,同时最大限度地降低与直接靶向免疫细胞相关的副作用风险。

  成纤维细胞是构成机体骨架的元素之一,同时又具有免疫调节作用。现已发现,成纤维细胞及其趋化因子与多种疾病有关,如肺纤维化、变态反应,肺炎、类风湿性关节炎等。近年来CAF与肿瘤浸润性免疫细胞、免疫检查点分子和TME中相关ECM改变之间的相互作用,以及CAF诱导免疫抑制的可能机制都是研究热点。肿瘤相关的成纤维细胞帮助肿瘤细胞构建防御城墙,将免疫细胞阻挡在间质中,降低抗肿瘤药物疗效。CAFs是一个异质性群体,不同的CAFs亚群在肿瘤的免疫调控方面也有着不同的作用。这些发现为我们了解成纤维细胞在调控抗肿瘤研究中所起的作用提供了新的思路,以期发现影响肿瘤进展的新型分子靶点和通路。

  编译:李于鑫,翁梅琳 审核:张军,缪长虹

  参考文献: Davidson S, Coles M, Thomas T, Kollias G, Ludewig B, Turley S, Brenner M, Buckley CD. Fibroblasts as immune regulators in infection, inflammation and cancer. Nat Rev Immunol. 2021 Nov;21(11):704-717.

  doi: 10.1038/s41577-021-00540-z. Epub 2021 Apr 28. PMID: 33911232.

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