一种生物材料植入模型表明，在急性损伤后，未成熟的中性粒细胞会引发免疫病理反应

《Biomaterials》：A biomaterial implant model demonstrates that immature neutrophils drive immunopathology following acute injury

本研究开发了一种小鼠生物材料植入模型，显示植入壳聚糖微球可显著增加循环未成熟中性粒细胞数量，其功能失调导致肺部炎症加重。通过阻断中性粒细胞迁移或功能，可有效减轻炎症损伤。该模型为慢性炎症相关疾病的研究和治疗提供了新策略。

　　

Vinod Kumar Dorai | Alakesh Alakesh | Ranjitha Guttapadu | Shruthi Ksheera Sagar | Meghna Ravishankar Valakatte | Jayashree Vijaya Raghavan | Monisha Mohandas | Kalpana S R | Nagasuma Chandra | Siddharth Jhunjhunwala

印度科学研究所生物工程系，班加罗尔，560012

摘要

个体如果本身就患有慢性炎症性疾病，在面临额外的炎症刺激（如损伤或感染）时，更容易出现更高的发病率。免疫系统的许多成分（包括未成熟的中性粒细胞）被认为会加剧这种发病率，但由于缺乏临床前模型来测试这些成分的具体作用，确定其因果关系仍然具有挑战性。在这项研究中，我们通过开发并使用一种生物材料（壳聚糖微球）植入的小鼠模型来应对这一挑战。该模型会导致循环中的未成熟中性粒细胞显著增加，这些中性粒细胞的功能出现紊乱，这一点通过单细胞RNA测序和体外功能实验得到了证实。接下来，在这种壳聚糖植入模型中，我们引入了急性肺损伤这一炎症刺激，结果发现未成熟中性粒细胞会加重肺部的免疫病理反应。通过使用治疗性抗体阻断这些未成熟中性粒细胞的迁移，或利用特定的小分子抑制剂抑制其功能，可以显著减轻由炎症刺激引起的免疫病理反应。这些研究共同证明了生物材料植入模型在建立未成熟中性粒细胞与免疫病理反应增强之间的因果关系方面的实用性，并为治疗慢性炎症性疾病患者提供了新的治疗策略。

引言

患有慢性炎症相关疾病的人在遇到第二次炎症事件（如感染[1,2]或损伤[3,4]时，发病率和死亡率都会增加。虽然这些不良后果通常与异常的全身性免疫反应有关[5]（例如炎症细胞因子的增加[6,7]以及慢性炎症期间未成熟和成熟髓系细胞的扩增[8],[9],[10],[11],[12]），但其具体机制尚不明确。最新研究表明，在慢性炎症过程中，免疫系统的许多变化中，中性粒细胞的表型和功能发生了显著改变[13],[14],[15]。特别是在癌症[17]、肥胖[18]或糖尿病[19]等情况下，未成熟中性粒细胞的数量会增加[16,17]，而且更多的未成熟中性粒细胞与不良后果相关[17],[20],[21],[22]。然而，未成熟中性粒细胞是否会在第二次炎症刺激（如感染或损伤）后引发不良后果仍不清楚。

解决这一问题的一个关键挑战是建立一种临床前模型，在该模型中仅改变未成熟中性粒细胞而不影响其他免疫细胞。为此，我们一直在开发一种能够系统性改变中性粒细胞反应的生物材料植入小鼠模型[23],[24],[25]。然而，这种生物材料植入对其他免疫细胞及其后续炎症反应的影响尚未得到研究。
在这里，我们首先利用单细胞RNA测序技术发现，将壳聚糖微球植入小鼠腹腔后，循环中的未成熟中性粒细胞数量会增加，这种变化与疾病引起的慢性炎症中的情况相似。接着，我们在接受生物材料植入的小鼠模型中引入急性肺损伤，发现未成熟中性粒细胞的增加会引发肺部免疫病理反应，从而导致组织生物力学性质的显著变化。最后，利用相同的生物材料植入模型，我们提出了两种潜在的治疗策略来减轻急性肺损伤，包括使用抗体阻断G-CSF或IL-1β的活性，或者使用能够改变中性粒细胞功能的小分子药物。

结果

生物材料植入模型导致循环中的未成熟中性粒细胞数量增加，并伴有功能变化： 此前我们已经证明，在身体局部植入无菌生物材料（如海藻酸盐或壳聚糖微球）会引发中性粒细胞动力学的系统性变化[23]。但由于之前没有对中性粒细胞和其他免疫细胞进行详细分析，因此在这项研究中，我们选择了壳聚糖微球植入模型来首次研究这些变化。

讨论

COVID-19大流行凸显了一个众所周知的事实：患有慢性炎症相关疾病（如糖尿病等共病）的个体在再次受到炎症刺激时，出现过度免疫反应的风险显著增加[44],[45],[46],[47],[48]。事实上，预防/治疗SARS-CoV2感染后急性呼吸窘迫综合征的一种方法就是使用全身性免疫抑制剂，以降低相关风险。

结论

在这项研究中，我们证明了将生物材料（壳聚糖）植入小鼠体内可以模拟慢性炎症相关疾病中循环中未成熟中性粒细胞数量增加的现象。通过结合流式细胞术分析、循环免疫细胞的单细胞RNA测序以及体外功能实验，我们发现壳聚糖植入诱导的未成熟中性粒细胞处于激活状态，并表现出特定的功能变化。

方法

动物实验伦理声明：所有动物实验均遵循印度环境与森林部1998年《控制和监督规则》以及印度科学研究所（IISc）的机构动物伦理委员会的规定进行。实验获得了IISc动物实验目的与控制和监督委员会的批准（许可编号：CAF/ethics/718/2019和CAF/ethics/890/2021）。
小鼠品系： C57BL6雌性小鼠

作者贡献声明

Vinod Kumar Dorai： 草稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构思。 Alakesh Alakesh： 文稿审阅与编辑、方法论设计、数据整理、概念构思。 Ranjitha Guttapadu： 文稿审阅与编辑、方法论设计、数据整理。 Shruthi Ksheera Sagar： 文稿审阅与编辑、方法论设计、数据整理。 Meghna Ravishankar Valakatte： 文稿审阅与...

数据和代码获取

本研究生成的原始和处理后的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集可在ArrayExpress数据库中查询，访问号为E-MTAB-16194。所有原始代码可在GitHub上获取（https://github.com/Immunoengineeringlab/ScRNA-Seq_Neutrophils_2025_VKD_AS.git）

资助

DBT/Wellcome Trust India Alliance Intermediate Fellowship IA/I/19/1/504265（SJ）、R. I. Mazumdar青年研究员奖学金（SJ）、Ravi Khetan纪念基金（SJ，纪念已故的Pushpa Khetan）、印度政府生物技术部（AA）以及印度政府总理研究奖学金（VKD, RG）

利益冲突声明

NC是印度科学研究所Healseq Precision Medicine的联合创始人，但与本手稿内容无关联。其他作者均无需要声明的利益冲突。

致谢

作者感谢印度科学研究所（IISc）的动物实验设施提供的支持。同时感谢Sreenath Balakrishnan提供用于分析原子力显微镜数据的初始代码，也感谢Ravi Khetan在单细胞RNA测序数据分析方面的帮助。此外，还感谢Ravi Khetan为纪念已故的Pushpa Khetan而提供的慷慨资助。