损伤与炎症通过IL-17A-中性粒细胞轴促进肛门直肠交界处癌症进展的机制研究

《Cell Reports》：Injury and inflammation promote cancer progression at the anorectal junction

本研究针对肛门直肠交界处(Transition Zone, TZ)肿瘤高发但机制不明的临床问题，通过构建KRASG12D突变小鼠慢性损伤模型，结合单细胞转录组测序(scRNA-seq)和空间多组学技术，揭示了损伤诱导的IL-17A-中性粒细胞信号轴是推动上皮细胞恶性转化的关键机制。研究发现γδ T细胞分泌的IL-17A通过招募中性粒细胞促进肿瘤进展，阻断该通路可显著抑制癌变过程，为肛门癌早期干预提供了新靶点。

　　

在人体解剖的特殊区域——过渡区（Transition Zones, TZs），癌症的发生率异常偏高。肛门直肠交界处作为典型的过渡区，连接着肛管的复层鳞状上皮和直肠的单层腺上皮，这个区域不仅承受着持续的机械应力，还暴露于复杂的微生物环境中，是炎症和损伤的频发地带。尽管临床观察发现肛门直肠交界处肿瘤的发病率是肛缘癌的三倍，且预后较差，但其背后的分子和细胞机制一直是个未解之谜。

以往的研究多局限于对已形成肿瘤的病例分析，缺乏对肿瘤发生早期过程的动态观察。值得注意的是，过渡区天然表达多种与损伤修复相关的蛋白，如腱生蛋白C（Tenascin C）、β6整合素（β6 integrin）、JunB和角蛋白17（Keratin 17），这使得该区域微环境类似于一种"预损伤"状态。这种独特的微环境是否以及如何促进肿瘤的发生发展，是本研究关注的核心科学问题。

为了解开这个谜团，Chloe Petitpas等研究人员在《Cell Reports》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地利用基因工程小鼠模型，模拟了人类肛门直肠交界处肿瘤发生的连续过程，从正常组织、增生、低度不典型增生，直至原位癌。通过结合体内功能实验、单细胞转录组分析和空间蛋白组学技术，团队首次系统描绘了肛门直肠交界处肿瘤发生的免疫微环境演变图谱，并揭示了一条连接组织损伤与恶性转化的关键信号轴。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：利用K17CreER^T2;R26R^GFP;KRAS^LSL-G12D基因工程小鼠构建慢性机械损伤模型；通过流式细胞术分选肛门直肠交界处不同细胞群体进行单细胞RNA测序；运用RNAscope原位杂交和MACSiM成像循环染色技术进行空间转录组和蛋白组验证；建立肛门直肠交界处来源的3D类器官模型进行体外功能验证；以及使用抗IL-17A和抗Ly6G抗体进行体内中和实验。

慢性损伤和TZ区KRAS表达足以启动细胞转化

研究人员开发了一种能够在肛门直肠过渡区特异性表达KRAS^G12D致癌基因的小鼠模型。他们发现，仅仅表达KRAS^G12D只能引起上皮增生，而结合慢性机械损伤（4次或8次创伤）则能100%诱导小鼠产生低度不典型增生或原位癌。通过组织学分析和增殖标志物检测，研究团队确认了肿瘤进展的四个连续阶段：野生型、增生、低度不典型增生和原位癌。

特别值得注意的是，原位癌阶段出现了角蛋白表达模式的异常：角蛋白10的表达缺失或出现在基底层细胞中（正常情况下应表达于基底层以上细胞），同时出现了角蛋白8和角蛋白17的共表达现象（角蛋白8正常情况下仅表达于腺体直肠细胞，而角蛋白17仅表达于鳞状细胞）。这些发现表明慢性损伤与致癌基因的共同作用是驱动肛门直肠交界处细胞恶性转化的关键因素。

肿瘤进展过程中的转录组变化特征

通过单细胞RNA测序分析，研究人员构建了肛门直肠细胞在肿瘤进展不同阶段的转录组图谱。他们发现了一个随着肿瘤进展而逐渐增加的"结肠细胞样"细胞群体，这些细胞同时具有腺体特征和中性粒细胞特征。

对复层上皮细胞的深入分析揭示了10个不同的细胞亚群，包括过渡区细胞、肛管基底细胞、反应性细胞、损伤相关细胞和上皮-间质转化样细胞等。特别重要的是，研究人员鉴定出了一个"癌细胞"群体，这些细胞表现出明显的Jun/Fos转录特征和炎症信号特征。

基因本体分析显示，癌细胞中IL-17、TNFα和IL-6信号通路显著激活。进一步的分析表明，IL-17信号通路活性在不典型增生向癌转变过程中持续增强，而其他炎症通路的变化则不显著。这提示IL-17通路在肛门直肠交界处肿瘤转化过程中可能发挥着特别重要的作用。

肿瘤进展过程中的免疫图谱揭示分泌IL-17的γδ T淋巴细胞富集

研究人员对免疫细胞进行了深入分析，发现随着肿瘤进展，中性粒细胞显著增加，而髓系细胞和初始B细胞则相对减少。空间蛋白组学分析显示，在癌变阶段，表达Vγ6 T细胞受体的γδ T细胞在肿瘤近端间质中特异性富集。

单细胞转录组数据显示，IL-17A主要由17型γδ T细胞产生，其次是Th17淋巴细胞。在肿瘤进展过程中，17型γδ T细胞的比例显著增加。这些发现表明，非常规T细胞可能在肛门直肠交界处的上皮-免疫细胞交流中扮演重要角色。

IL-17A参与肛门直肠区组织修复并与肿瘤发展相关

研究人员首先验证了IL-17A在肛门直肠区组织修复中的作用。他们发现，在机械损伤的野生型小鼠中注射IL-17A中和抗体会导致上皮修复障碍和结构破坏。更重要的是，在表达KRAS^G12D的小鼠中注射抗IL-17A抗体，能够有效阻断肿瘤进展，使病变停滞在增生到低度不典型增生阶段。

IL-17A的抑制还伴随着中性粒细胞招募的减少以及STAT3磷酸化水平的下降。这些结果表明，IL-17通路可能是阻断肿瘤进展的潜在靶点。

单细胞RNA测序分析揭示TZ相邻上皮细胞招募中性粒细胞

研究发现，中性粒细胞在增生阶段主要聚集在过渡区/肛管近端上皮内，而在不典型增生到癌变阶段则主要招募至间质中。人类肛门过渡区鳞状细胞癌组织中也观察到了中性粒细胞的浸润。

研究人员将中性粒细胞分为五个亚群：成熟中性粒细胞、过渡中性粒细胞、早期炎症反应中性粒细胞、晚期炎症反应中性粒细胞和肿瘤相关中性粒细胞。值得注意的是，肿瘤相关中性粒细胞群体在不典型增生阶段开始出现。

空间蛋白组学分析显示，从增生到癌变阶段，上皮和间质中均存在表达CD81（与肿瘤促进功能相关标志物）的Ly6G阳性细胞。有趣的是，γδ T细胞仅在不典型增生和癌变条件的间质中发现，与Ly6G阳性细胞紧密相邻，而上皮内的中性粒细胞可能是通过其他细胞类型招募的。

IL-17A-中性粒细胞轴：阻断肿瘤进展的潜在靶点

为了研究中性粒细胞与肛管近端细胞之间的通讯是否依赖于IL-17通路，研究人员检测了IL-17A抑制对Cxcr2和Cxcl5表达的影响。他们发现，IL-17A中和抗体处理会导致Cxcr2阳性细胞数量减少和Cxcl5表达下降。

通过使用KRAS^G12D表达小鼠来源的类器官模型，研究人员进一步验证了IL-17对上皮细胞自主性转化的影响。IL-17A处理的不典型增生来源类器官表现出不典型特征，如成熟障碍、完全异型性和存在细长细胞，这些特征与原位癌的早期转化阶段相似。IL-17处理还诱导了炎症标志物Cebpd和Cxcl5的表达，这可能促进中性粒细胞的招募。

人类过渡区肛门癌显示IL-17A表达增加

研究人员发现，与癌旁正常直肠黏膜和高度不典型增生相比，人类肛门鳞状细胞癌中IL-17A表达显著增加。有趣的是，起源于直肠的腺癌仅伴有低/中度炎症和低IL-17表达，这表明IL-17激活通路可能特异性参与过渡区鳞状细胞癌的发生，而与腺源性肿瘤有所不同。

这项研究系统揭示了肛门直肠交界处肿瘤发生的细胞和分子机制，提出了一个从组织损伤到恶性转化的完整信号通路模型。研究发现，过渡区干细胞在KRAS^G12D突变和慢性损伤的共同作用下，通过激活Jun/Fos信号通路和炎症反应，启动恶性转化过程。其中，γδ T细胞来源的IL-17A和中性粒细胞组成的炎症轴是推动不典型增生向癌转变的关键环节。

该研究的创新之处在于首次提供了肛门直肠交界处肿瘤发生的动态演变图谱，明确了IL-17A-中性粒细胞轴在这一过程中的核心作用。这不仅深化了我们对过渡区肿瘤发生机制的理解，也为临床干预提供了新的靶点。特别是考虑到肛门癌患者在接受放化疗后常面临严重的生活质量问题，针对IL-17通路的早期干预策略可能为患者提供更为安全有效的治疗选择。

此外，研究还揭示了过渡区相邻上皮细胞在肿瘤微环境塑造中的主动作用。这些细胞通过分泌趋化因子Cxcl5和Cxcl7，在肿瘤早期阶段就参与创建炎症环境，并在不典型增生-癌转变过程中与IL-17-中性粒细胞形成激活环路。这种上皮细胞与免疫细胞之间的复杂互动网络，为我们理解肿瘤发生提供了新的视角。

总的来说，这项研究不仅解决了肛门直肠交界处肿瘤高发机制这一长期存在的科学问题，而且为开发针对过渡区肿瘤的早期预防和治疗策略奠定了理论基础。未来研究可以进一步探索IL-17通路抑制剂在肛门癌预防和治疗中的应用潜力，以及如何将这一发现推广到其他过渡区肿瘤的研究中。