癌症严重威胁人类的健康，很多家庭因为患上癌症而遭遇不幸。而目前癌症的临床主要治疗方案还是手术放疗为主。但是这个方法往往会带来很多副作用，因此，更好地理解定义癌细胞和免疫细胞之间相互作用的特征对于开发新的癌症疗法非常重要。然而，重点往往是在原发肿瘤及其微环境中发生的相互作用，而免疫细胞在肿瘤进展期间的作用仍然很大程度上没有表征。循环肿瘤细胞（CTC）是几种类型的肿瘤转移的前提，并且偶尔在血流中发现与非恶性细胞如白细胞（WBC）相关。CTC-WBC簇在转移发展中的作用以及在血液传播期间控制CTC和WBC之间相互作用的原理在很大程度上没有被描述。这些CTC相关WBC的特性和功能，以及定义WBC和CTC之间相互作用的分子机制尚不清楚。
在这项实验研究中，研究者分离和表征了个体CTC相关的WBC，以及来自乳腺癌患者和小鼠模型的每个CTC-WBC簇内的相应癌细胞。研究者使用单细胞RNA测序来显示其中的大多数病例中，CTC与中性粒细胞有关。
研究者首先试图确定乳腺癌和小鼠模型患者中CTC-WBC簇的数量和组成。从70名患有侵袭性乳腺癌的患者以及来自五种不同的乳腺癌小鼠模型中获得了血液样本，并且使用Parsortix微流体装置（图1a-e）富集了CTC。研究者将CTC染色为癌症相关细胞表面标志物EpCAM，HER2和EGFR，或直接成像以表达GFP，并标记为CD45以识别WBC（图1f）。在70名患者中，34名（48.6％）具有可检测的CTC，平均每7.5 ml血液中有22个CTC。尽管大多数CTC是单一的（88.0％），研究者还检测到CTC簇（8.6％）和CTC-WBC簇（3.4％）（图1g，h）。同样，研究者观察到CTC-WBC簇存在于研究者测试的所有小鼠模型中，包括具有免疫缺陷或免疫活性背景的小鼠模型，占CTC总数的0.05％至61％（图1i，j）。值得注意的是，当从毛细血管床上游抽取血液而不是下游位置时，CTC丰度和比率显着改变，这表明聚集的CTC早期脱落但可能在到达外围之前被捕获在毛细血管中（图1k-n）。因此，在外周循环中罕见的CTC-WBC簇在乳腺癌患者和小鼠模型中始终存在。
图1
随后，研究者探索了哪些细胞因子由CTC相关的嗜中性粒细胞表达，并且通过在相应的癌细胞中同时表达匹配的细胞因子受体。研究者发现编码四种细胞因子（TNF-α，OSM，IL-1β和IL-6）的基因最常由患者或患者来源的小鼠模型的CTC相关中性粒细胞表达，并通过其相应的受体表达匹配癌细胞（图2a）。通过反向方法，研究者还发现来自CTC-中性粒细胞簇的CTC最常表达编码细胞因子的基因，如CSF1，CSF3（也称为粒细胞集落刺激因子（G-CSF）），TGF-β3和IL-15，可能参与嗜中性粒细胞刺激，而相应的嗜中性粒细胞表达其受体（图2b）。研究者观察到24小时体外处理（与中性粒细胞寿命一致）与IL-6，IL-1β或两者都足以在传播时赋予4T1细胞增殖优势，导致更快的转移发展和更短的小鼠总体存活（图2c-e）。此外，CRISPR介导的癌细胞中IL-6或IL-1β受体的敲除（即IL6ST和IL1R1）并未改变自发产生的CTC中性粒细胞簇的频率，但确实抑制了它们的增殖优势（图2f -h）。
图2
研究者接下来试图找出CTC-中性粒细胞群的脆弱之处，而不是针对整个中性粒细胞群。为此，研究者研究了由CTC-中性粒细胞簇表达的细胞-细胞连接对，以及可能介导它们的异型细胞结合（图3a，b）。研究者在体内设计了一个基于CRISPR-Cas9的损失功能筛选，其中携带F11r，Icam1，Itgb2和Vcam1个体敲除的细胞被注射到受体小鼠的乳腺中，然后是CTC靶向条形码测序揭示选择性单指导RNA（sgRNA）缺失，突出显示基因敲除不允许CTC-中性粒细胞簇的形成（图4a-b）。值得注意的是，研究者观察到原发肿瘤细胞中原代肿瘤生长和选择性sgRNA缺失没有差异（图3c，d），表明F11r，Icam1，Itgb2或Vcam1的敲除不影响原发肿瘤的增殖。但是，研究者发现Vcam1中有四个sgRNA选择性地从CTC中性粒细胞簇中的CTC中脱落，但仍然存在于CTC中（图4c），突出了VCAM1对CTC-中性粒细胞簇形成的必要性。研究者使用单独的sgRNA进一步验证了这一发现（图3e，图4d）。因此，Vcam1在功能上介导CTC和嗜中性粒细胞之间的相互作用，其抑制作用可阻止CTC-中性粒细胞簇的形成。
图3
图4
总而言之，研究者的数据提供了在血液传播过程中定义癌细胞和免疫细胞之间相互作用的过程的见解。研究者提出了一种模型，其中嗜中性粒细胞直接与CTC相互作用，以支持循环中的细胞周期进展并加速转移接种。这种转移性扩散机制和CTC中性粒细胞簇可能在治疗上被靶向的可能性提供了减少乳腺癌扩散的机会。
参考文献:
Szczerba BM, Castro-Giner F, Vetter M, Krol I, GkountelaS, Landin J, Scheidmann MC, Donato C, Scherrer R, Singer J, Beisel C, KurzederC, Heinzelmann-Schwarz V, Rochlitz C, Weber WP, Beerenwinkel N, Aceto N.Neutrophils escort circulating tumor cells to enable cell cycle progression. Nature. 2019;566:553-557.
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