宫颈癌是导致女性癌症死亡的第4大原因
[1],近年来我国宫颈癌的发病率和死亡率呈持续上升态势,列妇科肿瘤首位
[2],现有研究预测其发病率将从2022年的14.04/10万上升至2036年的16.03/10万
[3],凸显其机制研究滞后于临床需求的严峻挑战。人乳头瘤病毒(human papillomavirus,HPV)感染诱发的微环境重塑是促进宫颈癌恶性进展的重要因素
[4],但其机制尚不明确。作为固有免疫系统的重要效应细胞,中性粒细胞在该领域展现出复杂而动态的双重调控特性
[5],而由其释放的中性粒细胞胞外诱捕网(neutrophil extracellular traps,NETs)作为一种独特的免疫应答形式,在肿瘤发生、转移及免疫逃逸中的作用逐渐受到关注。
NETs是一种细胞外网状结构,主要由解聚的染色质DNA、组蛋白和颗粒蛋白,如髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)、中性粒细胞弹性蛋白酶等组成。感染触发机体局部免疫应答,中性粒细胞作为固有免疫系统的重要成员持续活化并生成活性氧
[6],导致NETs的异常释放
[7]。在HPV相关宫颈癌中,持续的病毒抗原刺激和慢性炎症反应可能驱动中性粒细胞异常活化及NETs的持续释放,进而参与肿瘤免疫逃逸和恶性进展。多项研究表明,肿瘤患者外周血及肿瘤组织中NETs相关标志物,如瓜氨酸组蛋白H3(citrulline histone‑H3,Cit‑H3)及MPO‑DNA复合物水平明显升高,且与临床分期、淋巴结转移及不良预后相关
[8‑10]。目前,宫颈癌相关研究发现,NETs能通过TLR2/P38‑MAPK/ERK/NF‑κB信号通路增强宫颈癌转移
[11],而HPV相关宫颈癌介导中性粒细胞固有免疫反应参与NETs事件这一领域缺乏研究报道,其分子机制尚未完全阐明。
本研究利用GEO数据库挖掘HPV相关宫颈癌与NETs的关系,采用免疫组化、Western blot及ELISA在临床样本中检测NETs相关指标,通过转录组测序数据筛选HPV相关宫颈癌中促进NETs形成的关键分子,探索HPV相关宫颈癌中NETs产生的作用机制,为宫颈癌的靶向治疗提供潜在干预靶点。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 临床数据
本研究使用的新鲜组织样本来自新疆医科大学附属肿瘤医院生物样本库(2017年4月~2022年1月),年龄35~74岁,共67例,包含5例正常宫颈组织、62例宫颈癌组织(5例HPV阴性宫颈癌组织、57例HPV阳性宫颈癌组织)。宫颈癌组织样本中Ⅰ期32例,Ⅱ~Ⅲ期30例;无淋巴结转移45例,淋巴结转移17例;浅肌层浸润27例,深肌层浸润35例;中分化34例,低分化28例;宫颈鳞癌53例,腺癌7例,腺鳞癌2例。石蜡组织标本50例,包含10例正常宫颈组织、10例HPV阴性宫颈癌组织和30例HPV阳性宫颈癌组织。血清样本20例,包含6例正常人、4例HPV阴性宫颈癌患者和10例HPV阳性宫颈癌患者,石蜡标本及血清样本来自新疆医科大学附属肿瘤医院,经新疆医科大学附属肿瘤医院伦理委员会批准(2023BC030)。
1.1.2 细胞及培养
本研究所涉及的细胞为人原髓细胞白血病细胞HL‑60(#CL‑0110,武汉普诺赛生命科技有限公司),培养条件:IMDM+20% FBS+1% P/S,置于37 ℃、5% CO2培养箱中。
1.1.3 试剂
RIPA裂解液(#G2002‑100ML,武汉赛维尔生物技术有限公司);BCA蛋白浓度测定试剂盒(#G2026‑100T,武汉赛维尔生物技术有限公司);PBS缓冲液(#G4202,武汉赛维尔生物技术有限公司);柠檬酸盐修复液(#G1201,武汉赛维尔生物技术有限公司);小鼠/兔聚合物法检测系统通用试剂盒(#PV‑9000,中杉金桥生物技术有限公司);DAB显色试剂盒(#ZLI‑9018,中杉金桥生物技术有限公司);IMDM(#PM150510,武汉普诺赛生命科技有限公司);胎牛血清(#10091148,Gibco Life Technologies);CXCL8蛋白(#HY‑P7224,MedChemExpress);Reparixin(#HY‑15251,MedChemExpress);抗体:CD66b(#ab197678,abcam公司)、Cit‑H3(#ab281584,abcam公司)、MMP‑9(#10375‑ 2‑AP,武汉三鹰生物技术有限公司)、MPO(#66177‑ 1‑Ig,武汉三鹰生物技术有限公司)、β‑Actin(#66009‑ 1‑IG,武汉三鹰生物技术有限公司);ELISA试剂盒:CXCL8(#EK108,杭州联科生物技术股份有限公司)、CXCL10(#EK168杭州联科生物技术股份有限公司)、CXCL11(#EK1207,杭州联科生物技术股份有限公司)、MPO‑DNA(#ED‑102148,厦门仑昌硕生物科技有限公司)。
1.2 方法
1.2.1 宫颈癌数据集的数据下载和处理
(1)数据获取:从NCBI平台的GEO数据库(
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)下载编号为GSE151666的宫颈癌基因表达谱矩阵文件以及注释文件。将宫颈癌高通量测序数据集导入R Studio(R studio版本4.4.1)软件,使用R语言将基因表达谱矩阵文件中的ENSEMBL ID转换为GENE SYMBOL。(2)差异分析:使用R语言对数据集进行标准化处理,剔除表达量小于1的基因,根据数据集样本信息将样本分为HPV阴性组织及HPV阳性组织,对GSE151666数据集的基因表达数据进行Log
2转化,以adj.
P<0.05且|FC|>1.2作为筛选标准,使用“limma”软件包筛选数据集中的差异表达基因。(3)富集分析:使用R语言中的Cluster Profiler包将获得的表达矩阵进行基于京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes,KEGG)信号通路的基因集富集分析。以
P<0.05为差异具有统计学意义。通过
P<0.05和归一化富集分数来确定2个队列间Immune system相关通路中的显著富集通路。
1.2.2 H&E及免疫组化染色
组织离体后立即进行固定、石蜡包埋、切片,后进行H&E及免疫组化染色。将切片放入染色架中,在60 ℃真空干燥箱中烘烤60 min。切片经烘烤后,按常规方法进行脱蜡、复水处理。用蒸馏水洗涤1 min,然后将其浸入PBS缓冲液中备用,将切片放入柠檬酸盐缓冲液(pH 6.0)中进行抗原修复,待自然冷却后阻断内源性过氧化物酶,滴加CD66b(1∶100)、MPO(1∶100)抗体,置于湿盒中4 ℃孵育过夜,滴加二抗,37 ℃恒温孵育20 min,DAB显色。苏木素复染、返蓝,梯度乙醇溶液脱水、二甲苯透明,中性树胶进行封片,在高倍镜视野下观察,棕黄色区域为阳性表达区域,采用专业图像分析系统ImageJ软件对阳性染色的细胞进行定量分析,阳性信号强度用光密度表示。
1.2.3 Western blot分析
临床组织以每0.01 g加入100 μL裂解液(RIPA裂解液∶PMSF=100∶1)在研磨仪中研磨至无明显组织块,在冰上继续裂解30 min后12 000 r/min离心15 min,提取出蛋白上清液后采用BCA法进行蛋白定量。随后进行SDS‑PAGE凝胶电泳及电转,待蛋白转移至PVDF膜上后进行洗膜、封闭,待加入一抗后置于4 ℃摇床孵育过夜。在室温下加入对应二抗孵育1 h,β‑Actin作为内参,ECL发光成像。
1.2.4 酶联免疫吸附试验(ELISA)
收集正常人、HPV阴性宫颈癌患者和HPV阳性宫颈癌患者血清,准备好 ELISA试剂盒、酶标板等试剂与器材,并将试剂复温;将样本和标准品、检测抗体与酶标二抗依次加样,每次加样后需37 ℃孵育及3~5次洗涤;再混合底物加样,避光室温孵育后加终止液;用酶标仪检测OD值。
1.2.5 转录组测序
将3例HPV阳性及3例HPV阴性宫颈癌新鲜组织取样后液氮速冻,-80 ℃条件下保存,转录组测序及文库构建由武汉迈维代谢生物科技股份有限公司完成。
1.2.6 HL‑60分化
由于从人外周血分离的中性粒细胞得率有限且体外存活时间短,限制了实验的开展,经文献查阅
[12,13],采用HL‑60细胞经1 μmol/L全反式维甲酸(all‑trans retinoic acid,ATRA)诱导5 d分化为中性粒细胞样细胞,经吉姆萨染色评估HL‑60细胞分化情况后作为NETs研究的功能性细胞。使用CXCL8纯化蛋白(50 ng/mL)或其受体CXCR1/2抑制剂Reparixin(100 nmol/L)处理12 h后收集沉淀检测NETs生成。
1.2.7 免疫浸润分析
从TCGA数据库获取宫颈癌数据集TCGA‑CESC,应用CIBERSORT算法计算
CXCL8基因高、低表达组中浸润在宫颈癌微环境中22种免疫细胞的相对丰度
[14]。基于上述免疫浸润结果,采用相关性分析进一步计算并显示
CXCL8基因与差异免疫细胞之间的相关性。
1.2.8 药物敏感性分析
药物敏感性分析数据来自Genomics of Drug Sensitivity in Cancer数据库(
https://www.cancerrxgene.org/)。采用“oncoPredict”R包检测
CXCL8基因高、低表达组与药物敏感性的关系。
1.3 统计学处理
采用GraphPad Prism 10和SPSS 27.0软件进行统计学分析。计量资料以表示,2组间比较采用独立样本t检验,多组间比较采用单因素方差分析。计数资料以%表示,组间率比较采用χ2检验,不满足χ2检验条件的采用Fisher确切概率法检验。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 NETs形成与HPV相关宫颈癌密切相关,且在HPV阳性宫颈癌中高表达
对GEO数据库宫颈癌数据集GSE151666(包含10例HPV阴性宫颈癌样本和58例HPV阳性宫颈癌样本)进行差异表达分析,得到3 428个差异基因,其中上调基因2 575个,下调基因853个(
图1A、B)。进一步通过基于KEGG通路数据库的基因集富集分析发现,NETs形成信号通路位于Immune system相关通路显著富集之列(
图1C、D)。免疫组化检测肿瘤相关中性粒细胞标志物CD66b、NETs标志物MPO的表达结果显示,MPO与CD66b蛋白表达于间质中性粒细胞,CD66b与NETs存在空间共定位,且CD66b、NETs在HPV阳性宫颈癌中的表达明显上调(
P<0.05),见
图1E。
2.2 NETs及转移标志物MMP9在HPV阳性宫颈癌中表达上调
通过Western blot检测NETs标志物MPO、Cit‑H3在正常宫颈和宫颈癌组织中的表达,结果显示:Cit‑H3、MPO和转移标志物MMP9在HPV阳性宫颈癌中表达上调(
P<0.05),见
图2A。ELISA检测正常人和宫颈癌患者血清中NETs循环标志物MPO‑DNA的表达,结果显示MPO‑DNA在HPV阳性宫颈癌患者血清中表达上调(
P<0.05),见
图2B。进一步通过免疫印迹检测Cit‑H3、MMP9在52例HPV阳性宫颈癌组织中的表达(
图2C),根据均值分为高表达组和低表达组,结合临床病理参数进行分析,结果显示:Cit‑H3高表达与肿瘤直径大(
χ2=4.952,
P=0.026)、深肌层浸润(
χ2=9.055,
P=0.003)和分化差(
χ2=6.682,
P=0.010)有关,MMP9与深肌层浸润(
χ2=3.914,
P=0.048)有关,提示患者预后不良,见
表1。
2.3 CXCL8在HPV阳性宫颈癌患者血清中表达上调,与宫颈癌中性粒细胞浸润及耐药相关
为探究HPV相关宫颈癌促进NETs生成的分子机制,本研究对3例HPV阳性宫颈癌及3例HPV阴性宫颈癌新鲜组织进行转录组测序,差异表达分析得到1 602个差异基因,其中上调基因798个,下调基因804个,报警分子
CXCL8、
CXCL10、
CXCL11在显著差异基因之列(
图3A、B)。经ELISA检测,趋化因子CXCL8在HPV阳性宫颈癌患者血清中明显上调(
P<0.05),对照组、HPV阴性及HPV阳性宫颈癌患者血清中表达均值分别为99.39、131.71、257.57 pg/mL(
图3C)。为了探究CXCL8能否激活中性粒细胞诱导NETs形成,采用1 μmol/L ATRA诱导HL‑60分化为中性粒细胞,随后使用CXCL8纯化蛋白或其受体CXCR1/2抑制剂Reparixin处理细胞12 h后,经Western blot检测发现,CXCL8处理后Cit‑H3表达升高,而在Reparixin处理后,Cit‑H3表达水平明显下降,提示CXCL8能通过作用于中性粒细胞表面受体CXCR1/2激活中性粒细胞,诱导NETs产生(
图3D、E)。应用TCGA‑CESC数据集分析
CXCL8在宫颈癌中的生物学功能,免疫浸润分析结果显示,
CXCL8与宫颈癌中性粒细胞及肥大细胞、树突状细胞等存在相关性,其中
CXCL8与中性粒细胞在宫颈癌免疫浸润中呈强正相关(
P<0.01),见
图3F。进一步分析
CXCL8高表达和低表达的宫颈癌患者在化疗和药物敏感性方面的差异后结果显示,
CXCL8低表达的患者对多种化疗药物和免疫抑制剂更敏感,提示CXCL8可能通过招募中性粒细胞形成免疫抑制微环境,增强宫颈癌患者的耐药性(
图3G)。
3 讨论
本研究通过免疫组化检测了宫颈癌组织的中性粒细胞浸润标志物CD66b及NETs标志物MPO,发现CD66b及MPO在宫颈癌组织中呈高表达,且在HPV阳性宫颈癌组织表达高于HPV阴性宫颈癌组织,提示NETs参与HPV相关宫颈癌的发生、发展,同时通过HPV相关宫颈癌数据集GSE151666富集分析进一步证实了NETs与HPV相关宫颈癌存在紧密关联。与本研究初步结果类似的是,Zhan等
[8]在肝癌组织及患者血清中发现NETs水平升高,且HBV阳性肝癌呈现出更高的NETs丰度,这提示NETs可能是病毒相关肿瘤发生、发展的关键因子。进一步通过Western blot检测NETs标志物MPO、Cit‑H3及转移标志物MMP9在正常人、HPV阳性与HPV阴性宫颈癌组织中的表达发现,NETs及MMP9在宫颈癌组织中呈高表达,且在HPV阳性宫颈癌中具有更高水平。在此基础上检测Cit‑H3、MMP9在52例HPV阳性宫颈癌组织中的表达,结果表明Cit‑H3高表达与肿瘤直径大、深肌层浸润和分化差密切相关,而MMP9的高表达与深肌层浸润有关,提示NETs促进HPV相关宫颈癌的增殖及浸润,驱动宫颈癌恶性进展。这种促癌作用不仅发生在宫颈癌中,Zhang等
[15]通过免疫组化染色评估了126例食管癌患者组织中NETs的浸润情况,发现较高水平的NETs浸润与较差的总生存期和无病生存期相关。Okamoto等
[16]也同样发现,NETs高表达的结直肠癌患者无复发生存期更短,阻断NETs形成可抑制癌细胞迁移。此外,还有研究发现缺氧微环境能够诱导胃癌中性粒细胞浸润及NETs生成
[17],提示在肿瘤发生、发展中NETs事件的发生可能并非仅通过外源性途径来启动,内源性的肿瘤微环境因素同样扮演着关键角色。以上结果提示HPV感染可能通过特异性分子机制激活NETs的形成与释放。
持续的慢性感染刺激机体各类细胞分泌内源性报警分子即损伤相关分子模式,招募中性粒细胞至感染部位,被其表面的模式识别受体识别后触发级联反应
[18]。本研究通过对HPV阳性和HPV阴性宫颈癌组织(各3例)进行转录组测序发现,趋化因子
CXCL8、
CXCL10、
CXCL11为差异基因,3者在HPV阳性样本中呈下调趋势,由于样本例数较少,基因的表达变化可能会产生较大的抽样误差,故通过ELISA进一步验证发现CXCL8在HPV阳性宫颈癌患者血清中高表达(
P<0.05)。经查阅文献,CXCL8为中性粒细胞的强趋化因子
[19],故选择CXCL8作为特定的报警分子进一步研究。为此,通过体外实验证实CXCL8能通过其受体CXCR1/2直接诱导中性粒细胞形成NETs,从而在宫颈癌的炎症微环境与肿瘤进展之间建立了一种潜在的功能性关联。TCGA‑CESC数据集免疫浸润和药物敏感性分析验证了
CXCL8与宫颈癌中性粒细胞浸润相关,且
CXCL8高表达与多种化疗药物的耐药相关,提示CXCL8可能介导HPV相关宫颈癌免疫微环境中性粒细胞募集,诱导NETs事件的发生,从而驱动宫颈癌的临床耐药。CXCL8也被称为白细胞介素‑8,是一种炎性趋化因子,能够募集和活化中性粒细胞。Gao等
[20]研究发现CXCL8表达上调能促进中性粒细胞招募和NETs形成进而促进结肠癌的恶性进展。郑行等
[21]的研究发现CXCL8能诱导NETs生成,且具有时间和剂量依赖性。
基于本研究发现的CXCL8在HPV阳性宫颈癌中的高表达特征,及其与中性粒细胞浸润、NETs 形成的关联,提示HPV感染可通过重塑肿瘤微环境中的炎性趋化因子网络激活中性粒细胞,进而引发一系列病理反应。HPV感染诱导宫颈癌细胞大量分泌CXCL8,其作为核心趋化因子识别中性粒细胞表面的特异性受体CXCR1/2,招募并激活中性粒细胞,通过激活NADPH氧化酶等信号通路,生成活性氧,最终促进NETs生成与释放。持续产生的NETs通过释放细胞毒性成分、促进血管生成及免疫逃逸等机制
[22,23],加剧肿瘤微环境的促炎与促癌状态,推动宫颈癌的恶性进展。因此,靶向CXCL8抑制NETs生成,有望打破HPV感染驱动的“炎症‑微环境重塑‑肿瘤进展”正反馈循环,为改善宫颈癌患者预后提供新的治疗靶点,具有重要的临床转化价值与研究前景。
综上所述,本研究通过临床样本研究结合生物信息学分析得出结论:HPV相关宫颈癌中CXCL8表达上调,招募并激活中性粒细胞,促进NETs的生成与释放。NETs介导的肿瘤微环境重塑在宫颈癌侵袭转移中发挥关键作用,靶向CXCL8,抑制NETs生成可能成为改善宫颈癌患者预后的新治疗靶点,为后续开展相关靶向治疗研究与临床转化提供理论依据。
作者贡献度说明:
王鑫:实验实施、论文撰写;阿丽米热·居来提、艾克里木·艾斯卡尔、接润达:实验实施、数据整理;韦洪建,刘芯言:结果分析;史永华:设计实验、论文审校。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
新疆地区高发疾病研究教育部重点实验室(2023A02)