胃癌是全球范围内严重威胁人类健康的重大疾病,其发病率和死亡率居高不下。根据世界卫生组织国际癌症研究机构(IARC)发布的2020年全球癌症统计数据显示,胃癌已位列全球第5大常见恶性肿瘤,年新增病例超过100万例,其中中国患者占比高达43.9%
[1]。尽管手术、化疗和放疗等传统治疗手段在胃癌治疗中发挥重要作用,但进展期患者预后仍不理想,5年生存率仅为20%~30%
[2, 3]。化疗作为晚期胃癌的主要治疗手段,尽管在一定程度上延长了患者的生存期,但其广泛存在显著的毒副作用,并且易导致耐药性的产生,成为临床治疗中的重要挑战
[4]。肿瘤免疫治疗是近年来癌症治疗领域的重大突破,为胃癌治疗带来了新的希望。临床研究如KEYNOTE-059、ATTRACTION-2等均已证实,程序性死亡受体 1 抑制剂(PD-1抑制剂)在晚期胃癌治疗中具有显著的疗效
[5, 6]。免疫治疗为胃癌提供了新的方向,但现有免疫检查点抑制剂的有效率不足20%,且存在耐药性问题
[7]。亟需探索更有效的免疫治疗策略。自然杀伤(NK)细胞因其独特的抗肿瘤机制而引起广泛关注。作为先天免疫系统的重要组成部分,NK细胞具备快速识别并杀伤肿瘤细胞的能力。与T细胞不同,NK细胞的激活不依赖于MHC分子,而是通过“缺失自我”识别机制以及多种活化性受体与抑制性受体之间的动态平衡来发挥其免疫功能
[8]。研究表明,NK细胞不仅能够通过释放穿孔素和颗粒酶直接杀伤肿瘤细胞,还可通过分泌IFN-γ等细胞因子调节免疫微环境,从而增强抗肿瘤免疫应答
[9]。此外,NK细胞介导的抗体依赖性细胞毒性(ADCC)作用也为其与单克隆抗体的联合应用提供了理论依据
[10]。然而肿瘤微环境中存在的多种免疫抑制因素常常导致NK细胞功能受限
[11]。因此,如何有效激活和增强NK细胞的抗肿瘤活性成为当前研究的热点问题。
近年来,环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激蛋白通路(cGAS-STING信号通路)的发现为肿瘤免疫治疗开辟了全新的思路。该通路作为细胞内重要的天然免疫识别机制,能够有效感知胞质DNA的存在,并启动相应的免疫应答
[12]。值得注意的是,除了在抗原提呈细胞中发挥作用外,研究发现NK细胞也表达完整的cGAS-STING信号通路相关分子
[13]。这提示cGAS-STING通路可能在调控NK细胞功能中扮演重要角色。近期多项研究为cGAS-STING通路调控NK细胞抗肿瘤功能提供了证据。Marcus等
[13]的研究发现,在STING基因敲除小鼠模型中,NK细胞的抗肿瘤活性显著降低,进一步证实了STING信号通路对NK细胞功能的重要作用。这些发现为基于cGAS-STING通路的NK细胞免疫治疗策略的开发提供了重要依据。然而,目前关于cGAS-STING通路如何调控NK细胞抗胃癌活性的研究仍然较为有限,其具体分子机制尚需进一步深入探讨。
基于此,本研究探讨cGAS-STING激动剂cGAMP增强NK细胞抗胃癌活性的机制。通过体外和体内实验,分析cGAMP对NK细胞活化、细胞因子分泌及杀伤功能的影响,为开发新型胃癌免疫联合治疗策略提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 实验动物
本实验采用SPF级BALB/c裸鼠(动物质量合格编号:No.44822700008125,生产许可证号:SCXK(粤)2020-0056,购自珠海百试通生物科技有限公司)。所有动物均在最佳饲养条件,包括每笼3~4只小鼠的饲养密度,使用国家标准啮齿类动物SPF级饲料及垫料,并给予高压灭菌水。饲养环境温度维持在23~25 ℃,湿度为55%~63%,光照周期为12 h光照/12 h黑暗,并定期更换垫料。所有小鼠均可自由饮食。
本实验的设计与实施均受到南方医科大学动物管理伦理委员会的监督(伦理批号:IACUC-LAC-20240306-002)。动物实验分为3组:PBS组、NK细胞组、 NK细胞+cGAMP组,4只/组。在饲养1周 后,小鼠接受了皮下注射1×106 MKN-45细胞,至肿瘤生长至约100 mm3(注射肿瘤7 d)后,进行下一步实验。
通过尾静脉回输方式,每只小鼠接受了1×10
7 NK 细胞,同时腹腔注射100 μL含有20 000 IU的IL-2,以维持NK细胞在体内的活性。2 d/次注射IL-2,2 d/次测量肿瘤,各实验分组(
表1)。在NK细胞+cGAMP组中,2 d/次腹腔注射1 μg/只。NK细胞治疗按照本课题组之前发表的研究
[14],cGAMP剂量参考Ablasser等的研究
[15]。
肿瘤大小使用游标卡尺进行测量,计算公式为:肿瘤体积=(ab2)/2,其中a为肿瘤长轴,b为肿瘤短轴。当裸鼠体内的MKN-45胃癌细胞肿瘤体积达到1000 mm3 时, 根据实验伦理要求,设定此为实验终点。随后对小鼠进 行麻醉处理,并使用颈椎脱臼法进行处死,取出肿瘤组织进行进一步分析。
1.2 实验材料
胃癌细胞系(MGC-803和MKN-45细胞)、RPMI 1640、PBS缓冲液、胎牛血清、青链霉素、胰酶-EDTA (Procell);X-VIVO15(LONZA);DMSO(Sigma-Aldrich);淋巴细胞Ficoll分离液(天津灏洋生物);RIPA裂解液和蛋白酶抑制剂(碧云天);流式抗体:NKp44-FITC、NKp46-PE,CD56-APCCY7、NKp36-APC,CD3-Percp、NKG2A-PECY7、活细胞染料 Cell Tracker™ CM-DiI、Live/Dead Fixable V500-Aqua死细胞染色试剂盒(Thermo Scientific Fisher);IFN‑γ、TNF‑α、GranzymeB、Perforin双抗体夹心法ELISA试剂盒(Elabscience);IL-2(R&D);cGAMP(Med Chem Express),溶于灭菌水中;H-151,溶于DMSO中;流式细胞仪(BD LSR Fortessa X-20)和 FlowJo 分析软件(BD Biosciences);Western blotting抗体、磷酸化STING、下游激酶TBK1、磷酸化TBK1(p-TBK1,Ser172位点)、下游转录因子IRF3、磷酸化IRF3(p-IRF3,Ser396位点)(CST);ECL发光液(Thermo Scientific Fisher)。
1.3 方法
1.3.1 细胞培养
胃癌细胞系用RPMI 1640完全培养基(10%胎牛血清FCS,100 U/mL青霉素,100 μg/mL链霉素)培养,细胞传代用胰酶消化传代。外周血NK细胞磁珠分离纯化后,用X-VIVO15完全培养基(10%胎牛血清FCS,100 U/mL青霉素,100 μg/mL链霉素,2 mmol/L L-谷氨酰胺,50 μmol/L 2-巯基乙醇),500 U/mL白介素2(IL-2)进行培养。所有细胞放置于37 ℃,5%CO2饱和湿度的恒温细胞培养室中培养。
1.3.2 STING激动剂/阻断剂与NK细胞共培养
STING激动剂cGAMP用无菌水溶解,STING激阻断剂H-151使用浓度DMSO溶解。1 µmol/L STING激动剂/阻断剂与NK细胞(细胞浓度为1×106/mL)共培养24 h后,用于NK细胞的杀伤能力、信号通路、细胞因子释放实验。
1.3.3 qPCR检测cGAMP处理后NK-92细胞中IFN-γ、TNF-α、GZMB、IL-2、Perforin、NKG2D、TIGIT等基因的表达
收集经不同浓度cGAMP(0、0.2、1、5 μmol/L)处理24 h的NK-92细胞,使用TRIzol试剂提取总RNA。通过紫外分光光度计测定RNA浓度及纯度(
A260 nm/
A280 nm比值需在1.8~2.0之间),确保RNA质量符合要求。取1 μg总RNA,使用逆转录试剂盒(如PrimeScript™ RT Master Mix)合成cDNA,反应体系为20 μL,反应条件为37 ℃ 15min,85 ℃ 5s。采用SYBR Green法进行qPCR检测。反应体系为20 μL,包含10 μL SYBR Premix Ex Taq™ II、0.8 μL正向引物(10 μmol/L)、0.8 μL反向引物(10 μmol/L)、2 μL cDNA模板和6.4 μL无核酸酶水。反应程序:95 ℃预变性30 s;95 ℃ 5 s、60 ℃ 30 s,共40个循环。每个样本设3个复孔,以GAPDH为内参基因。采用2
-ΔΔCt法计算目标基因的相对表达量,以未处理组(0 μmol/L cGAMP)为对照,结果以均数±标准差表示。使用GraphPad Prism 9软件进行统计学分析,组间差异采用
t检验或单因素方差分析,以
P<0.05为差异具有统计学意义。所用引物由华大基因合成,序列见
表2。
1.3.4 ELISA法检测IFN‑γ 、TNF‑α、GranzymeB、Perforin的表达
1×104 NK细胞(效靶比为1∶1)与胃癌肿瘤细胞在U型的96孔板中共培养48 h后,双抗体夹心法ELISA试剂盒检测共培养后上清液中含有的IFN-γ、TNF-α、GranzymeB、Perforin浓度,A490 nm值用酶标仪读取,通过标准品绘制曲线后,计算出样品中的IFN-γ 、TNF-α、GranzymeB、Perforin浓度。
1.3.5 cGAMP处理后NK细胞表面活化型分子的流式细胞术检测
1×105 NK细胞与胃癌肿瘤细胞共培养4 h,同时加入0.5 µL NKp44-FITC,NKp46-PE,CD56-APCCY7,NKp36-APC,CD3-Percp,NKG2A-PECY7,培养基中加有10 µg/mL BFA。然后收获细胞,用PBS缓冲液洗涤, 用荧光染料偶联的抗CD3和抗CD56表面单克隆抗体在4 ℃下染色30 min。使用流式细胞仪采集数据和FlowJo软件V 10.6分析流式结果数据。
1.3.6 STING通路Western blotting 蛋白检测
按常规Western blotting流程进行蛋白电泳、转膜、5%脱脂牛奶封闭(室温1 h),一抗4 ℃孵育过夜。Western blotting一抗稀释比例如下:磷酸化STING(1∶1000)、下游激酶TBK1(1∶800)、磷酸化TBK1(p-TBK1,Ser172位点)(1∶1000)、下游转录因子IRF3(1∶2000)、磷酸化IRF3(p-IRF3,Ser396位点)(1∶8000),HRP标记二抗室温孵育1 h,ECL化学发光法显影,Image J软件定量分析目的蛋白灰度值,计算p-STING/STING、p-TBK1/TBK1、p-IRF3/IRF3的比值。
1.3.7 NK细胞杀伤实验流式细胞术检测
NK细胞对胃癌肿瘤细胞的杀伤实验采用4 h流式细胞术检测。使用Cell TrackerTM CM-DiI染料对胃癌肿瘤细胞进行标记,并孵育过夜。NK细胞与标记的肿瘤细胞以不同的效靶比共培养(1∶1,2∶1和4∶1)。共孵育4 h后, 使用Live/Dead Fixable V500-Aqua死细胞染色试剂盒测定肿瘤细胞活力,并使用流式细胞仪收集数据,FlowJo软件进行分析测定。特异性细胞杀伤测定采用以下公式:
特异性杀伤率=
1.3.8 动物实验
SPF级BALB/c Nude裸鼠,1周适应性喂养后,根据治疗方式的不同,随机分为3组,4只/组:PBS组、NK细胞组和NK细胞+cGAMP组。小鼠皮下注射1×106个MKN-45胃癌细胞,皮下成瘤的注射的体积为0.2 mL。皮下注射7 d后,皮下成瘤体积约为100 mm3。人的原代扩增的NK细胞(1×107)尾静脉回输,同时20 000 IU IL-2 2 d/次腹腔注射;2 d/次按照1 μg/只的剂量腹腔注射cGAMP。
1.3.9 统计学分析
所有统计学处理采用GraphPad Prism9软件进行分析,数据用均数±标准差表示,两组间显著性检验采用t检验。单因素方差分析用于多组间比较。以P<0.05为差异具有统计学意义。所有实验均独立重复3次。
2 结果
2.1 cGAS-STING激动剂促进NK-92细胞促炎细胞因子表达
将NK-92 细胞与 不同浓度的 cGAMP 共培养 24 h后提取mRNA,通过 qPCR(2
-ΔΔCt 法)检测相关基因表达。qPCR结果显示,cGAS-STING 激动剂 cGAMP 可显著上调 IFN-γ、TNF-α、IL-2 的 mRNA 表达水平(
P<0.05),且该上调效应呈剂量依赖性(
图1);同时,细胞毒性分子颗粒酶 B、穿孔素及激活受体NKG2D的mRNA表达增加,抑制性受体 TIGIT的mRNA表达下降。
2.2 cGAS-STING激动剂增强NK-92细胞活性,呈现cGAMP剂量依赖性
ELISA结果表明,cGAS-STING激动剂增加了NK-92细胞IFN-γ和TNF-α的释放,并呈现剂量依赖性。随着cGAMP浓度的增加,IFN-γ和TNF-α的分泌量逐渐上升(
图2),其中5 μmol/L组的分泌量较对照组增加了约3倍(
P<0.01)。
2.3 cGAS-STING激动剂促进NK-92细胞的活化
cGAS-STING激动剂增强了NK-92细胞表面活化受体NKp36、NKp44、NKp46的表达,MFI增加了2~3倍(
P<0.05,
图3A),NKp36、NKp44、NKp46表达明显增加,NKG2A表达减少(
图3B)。同时,1 μmol/L cGAMP 处理 NK-92 4 h后,将细胞裂解后进行蛋白印迹检测,结果显示,与培养基对照组相比,cGAMP处理后的NK细胞表达磷酸化的 STING、TBK1、IRF3等分子,这些分子能够活化下游的分子(
图3C、D),进而增强NK细胞的功能。
Fig.3 cGAS-STING agonist promotes activation of NK-92 cells.
A: After cGAMP treatment, surface expression of activating receptors (NKp36, NKp44, and NKp46) on NK-92 cells increased significantly.
B: cGAMP treatment increases the frequency of NK-92 cells expressing NKp36, NKp44 and NKp46, but reduces NKG2A-expressing cells (
n=6).
C: Representative Western blotting bands of phosphorylated (p)-STING, p-TBK1, p-IRF3 and their total proteins in cGAMP-treated NK-92 cells.
D: Relative expression ratios of p-TBK1/TBK1, p-IRF3/IRF3 and p-STING/STING (
n=3). Data are presented as
Mean±
SD. Statistical analysis was done
via one-way ANOVA with Tukey post-tests. *
P<0.05, **
P<0.01, ***
P<0.001.
2.4 cGAS-STING激动剂增强NK-92细胞对胃癌细胞的体外杀伤能力
流式细胞术结果表明,随着cGAMP浓度的增加,NK-92细胞在不同效靶比下的细胞杀伤能力逐渐增强(
图4A、B)。与未处理的NK细胞相比,cGAMP处理后的低效靶比(1∶1)下杀伤能力提高,提示cGAMP能够降低NK细胞治疗所需的剂量。同时,在NK-92与胃癌细胞共培养的体系中,H-151 阻断剂能够完全中和cGAMP 激动剂的增强NK细胞杀伤的能力(
图4C)。
2.5 cGAS-STING激动剂增强NK-92细胞对胃癌细胞的体内杀伤能力
待裸鼠MKN-45胃癌移植瘤长至约100 mm³后,将其分为PBS对照组、NK细胞治疗组及NK细胞+cGAMP联合治疗组,分别通过腹腔注射或尾静脉回输给予相应干预。2 d/次测量肿瘤长径 a与短径 b,按公式 V=ab²/2 计算肿瘤体积并绘制生长曲线(
图5A、D);实验终点剥离肿瘤称重(
图5B、C)。结果显示,NK+cGAMP 组肿瘤质量最轻,与NK细胞组相比,肿瘤质量下降约40%(
P<0.05);肿瘤生长曲线显示,NK+cGAMP 组肿瘤生长速度较PBS组及NK细胞组慢(
P<0.05)。
3 讨论
cGAS-STING通路是先天免疫系统中关键的DNA感知信号通路,在抗肿瘤免疫应答中发挥核心作用。该通路的激活始于cGAS(环鸟苷酸-腺苷酸合成酶)对胞质DNA(包括肿瘤来源的DNA或病原体DNA)的识别,随后催化合成第二信使2'3'-cGAMP
[12]。cGAMP与STING(干扰素基因刺激蛋白)结合后,通过招募并激活TBK1激酶,进而磷酸化转录因子IRF3和NF-κB,最终诱导I型干扰素(IFN-α/β)和多种促炎细胞因子的产生
[16]。这些细胞因子不仅能激活CD8+ T细胞等适应性免疫细胞,还能增强NK细胞等先天免疫细胞的抗肿瘤功能
[13]。作为内源性cGAS-STING通路激动剂,cGAMP能够有效激活肿瘤微环境中的免疫应答,促进免疫抑制性"冷肿瘤"向免疫浸润性"热肿瘤"的转化,为肿瘤免疫治疗提供新的策略
[17]。 本研究通过体外和体内实验证实,cGAS-STING激动剂cGAMP能够显著增强NK细胞对胃癌细胞的杀伤作用,其机制涉及促炎细胞因子分泌、活化受体表达上调及细胞毒性功能增强。
NK细胞的杀伤作用受到多层次的分子机制和信号通路的精密调控。研究表明,这一过程主要涉及以下几个关键方面。活化性受体与抑制性受体的平衡:NK细胞通过表面表达的活化性受体(如NKG2D、DNAM-1)和抑制性受体(如KIRs、NKG2A)的动态平衡来识别靶细胞。当活化信号占主导时,NK细胞被激活并发挥杀伤功能
[18]。细胞毒性颗粒的释放:活化后的NK细胞会释放穿孔素和颗粒酶等细胞毒性颗粒,直接诱导靶细胞凋亡。这一过程受到细胞内钙离子信号和细胞骨架重排的严格调控
[19]。死亡受体途径:NK细胞还可通过表达FasL和TRAIL等死亡配体,与靶细胞表面的死亡受体结合,激活caspase级联反应,诱导靶细胞程序性死亡
[20]。代谢调控:近年研究发现,NK细胞的杀伤功能与其代谢状态密切相关。Gong等
[21]研究表明,CD39小分子抑制剂ARL67156能够通过阻断胞外ATP的降解,维持肿瘤微环境中ATP的浓度,从而显著增强NK细胞对胃癌细胞的杀伤活性。这一发现为通过调控嘌呤能信号通路来增强NK细胞功能提供了新的治疗思路。细胞因子分泌:活化的NK细胞会分泌IFN-γ、TNF-α等细胞因子,进一步激活和招募其他免疫细胞,形成协同抗肿瘤免疫应答
[9]。
本研究发现,cGAMP处理显著上调NK细胞中IFN-γ、TNF-α等细胞因子的表达(图
1、
2),这与STING-TBK1-IRF3通路的经典激活机制一致。近期有研究表明,肿瘤细胞的cGAS和mtDNA激活NK细胞内的STING可诱导IFN-γ分泌,促进TCF-1 NK细胞的扩增从而增强抗肿瘤免疫应答
[22]。此外,Da等
[23]报道cGAMP通过促进NK细胞中IRF3磷酸化,上调颗粒酶B的表达,与本研究的结果相互印证。这些发现共同支持cGAS-STING通路作为NK细胞功能调控的关键靶点。
流式结果显示,cGAMP处理后NK细胞表面活化受体(NKp44、NKG2D等)表达增加。这一现象可能与STING通路下游的NF-κB激活相关。最新研究表明,STING激动剂可通过NF-κB依赖的转录调控,促进NK细胞中NKG2D配体(如MICA/B)的识别效率
[24]。此外,肿瘤微环境中的DNA损伤信号(如放疗后释放的胞质DNA)也可通过cGAS-STING通路间接增强NK细胞活化受体的表达
[25],为联合治疗策略提供了理论依据。
本研究的体内实验证实,cGAMP联合NK细胞治疗可抑制胃癌移植瘤的生长,其效果优于单用NK细胞。这一结果与近期多项研究一致。例如,Berger等
[26]在胶质瘤模型中证明,STING激动剂可通过招募和激活NK细胞,重塑免疫抑制性微环境。此外,Wang等
[27]发现,cGAMP能促进NK细胞向肿瘤部位的浸润,并通过ADCC效应增强抗体类药物的疗效。这些研究提示,cGAMP可能通过多机制协同增效NK细胞功能。
尽管本研究证实了cGAMP的协同治疗潜力,但cGAMP的应用仍需解决一些问题。肿瘤细胞可能通过下调STING表达或干扰素信号逃逸NK细胞杀伤
[28];纳米载体递送的cGAMP可靶向肿瘤微环境
[29],减少全身毒性,值得进一步研究。总而言之,本研究阐明了cGAS-STING激动剂通过多维度机制增强NK细胞抗胃癌活性的作用,为开发基于NK细胞的联合免疫治疗提供了实验依据。未来需结合临床前模型和转化研究,优化cGAMP的给药方案及联合策略,推动其临床应用。
国家自然科学基金(82202978)
广州市基础与应用基础研究基金(2023A04J2359)
赣州市“科技+医疗”联合计划项目(2025YLCE0012)