中性粒细胞命运在骨感染中的机制、微环境与治疗机遇

《Journal of Orthopaedic Translation》：Neutrophil fate in bone infection: Mechanisms, microenvironment, and therapeutic opportunities

　　

根除骨感染的临床挑战源于微生物在一个灌注不良、缺氧、矿化且极易发生附带损伤的特殊骨骼生态位中的持续存在。中性粒细胞是该过程的核心仲裁者，扮演着双刃剑的角色：它们对于初始病原体遏制不可或缺，但当其效应程序转向适应不良时，却可能成为慢性骨溶解、生物膜持续存在和炎症的主要驱动因素。近期高分辨率单细胞和空间分析推翻了将中性粒细胞视为短寿命、均一细胞的传统观点，转而揭示了一个由感染骨微环境塑造的复杂功能状态谱系。在本综述中，研究人员采用一种中性粒细胞命运框架，区分了三个相关但不等效的层次：不可逆的终末命运、非终末的组织处置状态与结局，以及上游的命运偏向状态或过程。终末命运包括凋亡及其后的胞葬清除、自杀性NETosis、焦亡、坏死性凋亡、铁死亡、线粒体通透性转换驱动的坏死以及继发性坏死。相比之下，非裂解性（活细胞）NET释放被视为一种效应过程而非终末命运。反向迁移被视为一种非终末的组织退出结局，而炎性滞留则被视为一种非终末的持续状态。上游命运偏向因素包括表型或活化状态，如细胞老化、NET倾向性激活和凋亡延迟，以及调控过程包括自噬和代谢或氧化应激；这些均不被归类为独立的终末命运。研究人员进一步探讨了这些终末命运、非终末组织处置状态与结局以及上游命运偏向状态与过程如何在骨髓炎病灶和生物膜相关界面上进行空间组织，以及它们如何调控与成骨细胞、破骨细胞和巨噬细胞的相互作用，从而决定抗菌控制与进行性骨骼破坏之间的平衡。研究人员还讨论了新兴的治疗范式，其目标并非广泛抑制中性粒细胞募集，而是精确地重定向中性粒细胞命运，从而为骨科感染中的分期特异性免疫调节提供概念基础。 本文的转化潜力 本综述提供了一个基于命运的框架，用以理解中性粒细胞如何在骨科感染中塑造病原体控制、生物膜持续存在、骨溶解和组织修复之间的平衡。通过将中性粒细胞命运程序与不同的病灶微环境（包括骨髓炎病灶、植入物相关生物膜、连续性软组织感染和骨折相关感染）联系起来，本文突出了分期和区室特异性免疫调节的潜在转化机会。这些机会包括改进患者分层、指导手术源控制和植入物保留或移除的时机、优化死腔管理和局部抗菌药物递送、支持血管化软组织重建，以及开发能够区分保护性抗菌中性粒细胞反应与破坏性炎性持续存在的生物标志物。该框架可能有助于将未来的骨科感染管理从非特异性地抑制炎症，转向精准地重定向适应不良的中性粒细胞命运，同时保留早期的宿主防御和组织修复能力。

研究背景与问题

骨感染，包括骨髓炎、骨折相关感染和假体周围关节感染，仍是骨科手术中的重大挑战。这些疾病不仅由细菌负荷定义，更受到低灌注、缺氧、矿化基质、植入物表面以及反复炎症与修复循环的组织背景影响。金黄色葡萄球菌（S. aureus）是大多数情况下的主导病原体，尽管在某些临床背景下也可能出现多种微生物感染、革兰阴性病原体和真菌合并感染。在这些疾病实体中，持续性由胞内生存、脓肿形成、生物膜成熟和抗菌药物渗透不良所促进。

核心问题并非简单的病原体杀伤失败，而是由微生物与宿主组织之间的相互放大所维持。生物膜和受损组织释放病原体相关和损伤相关信号，招募中性粒细胞和其他髓系细胞。反过来，中性粒细胞的蛋白酶、活性氧（ROS）、组蛋白、细胞因子和胞外诱捕网（NETs）可损伤成骨细胞、支持破骨细胞生成并破坏骨整合。这种骨免疫循环是细菌持续存在和骨骼破坏常常同步进展的原因之一。

研究内容与结论

本研究采用一个三层次的中性粒细胞命运框架。终末命运被定义为不可逆的死亡或终末清除结局，包括凋亡及后续胞葬清除、自杀性NETosis、焦亡、坏死性凋亡、铁死亡、线粒体通透性转换（MPT）驱动的坏死以及继发性坏死。非裂解性（活细胞）NET释放区别于自杀性NETosis，被视为效应过程而非终末命运。非终末组织处置状态与结局分别包括炎性滞留和反向迁移。上游命运偏向因素包括表型或活化状态，如细胞老化、N1/N2样极化、NET倾向性激活和凋亡延迟，以及调控过程和微环境压力，包括自噬、缺氧、酸中毒、氧化应激、铁失调和代谢耗竭。

骨骼生态位最好被理解为一个宿主-微生物-材料生态系统。矿化基质限制扩散。坏死骨创造低灌注或无血管生态位，有利于微生物持续存在。植入物提供非生理性表面，有利于早期细菌附着和基质成熟。反复手术、不稳定性和局部缺血进一步放大损伤相关分子模式（DAMPs）释放并改变趋化因子梯度。中性粒细胞处于该生态位的中心，因为它们是到达多数感染病灶的首批细胞，并且其产物立即重塑局部环境。它们可以遏制播散、指导其他白细胞并促进脓肿组织化。它们也能损伤成骨细胞、增强破骨细胞生成、稳定富含基质的生物膜群落，并在清除失败时将炎症系统性传播。

技术方法

本研究为综述性质，综合分析了来自临床和转化研究、动物模型以及相关炎症、感染或伤口愈合模型的证据。临床和转化研究直接支持了多项核心观察，包括骨髓炎中的中性粒细胞富集炎症、感染骨或植入物界面处的NET相关介质、生物膜相关感染中的免疫清除受损，以及持续性中性粒细胞活化与溶骨性组织损伤之间的关联。动物模型提供了对病灶拓扑结构、细菌负荷、缺氧和宿主细胞损伤的更直接证据。部分区域特异性分配则是对相关炎症、感染或伤口愈合模型的机制性推断。

研究结果

3.1 表型极化作为命运偏向状态

中性粒细胞表型极化为骨感染中环境感知与命运选择之间提供了重要桥梁。这些依赖背景的中性粒细胞状态应被视为动态的功能偏向，由细菌产物、缺氧、细胞因子、基质信号、生物膜基质和生物材料相关信号所塑造。在早期或控制良好的感染中，中性粒细胞可能呈现以趋化、吞噬、氧化爆发、脱颗粒和有限NET释放为主的抗菌表型。在持续性或清除不良的病灶中，同一细胞可能转向NET倾向性、凋亡延迟、老化CXCR4^hi、炎症小体连接或组织损伤表型，维持蛋白酶释放、细胞因子扩增、破骨细胞生成性炎症和生物膜持续存在。相反，在更具血管化和允许消退的条件下，中性粒细胞可能获得免疫调节或修复相关特征，支持巨噬细胞胞葬作用、血管生成和组织重塑。N1/N2样术语虽在某些炎症和肿瘤背景下被使用，但这种二元分类可能过度简化骨骼感染中的中性粒细胞行为。因此，中性粒细胞极化被讨论为一种可逆且依赖背景的状态，它偏向后续的状态或结局，包括凋亡、自杀性NETosis、炎性滞留、反向迁移、继发性坏死或消退，而非作为一个独立的命运类别。

3.2 骨感染与紧急中性粒细胞发育

骨感染还可能在中性粒细胞进入感染病灶之前就重塑其起源和发育。由于骨髓既是粒细胞生成的主要部位，又在骨髓炎中成为受影响的组织环境的一部分，局部和全身炎症信号可以改变中性粒细胞的产生、成熟和释放。细菌产物、DAMPs、IL-1家族细胞因子、IL-6、G-CSF、GM-CSF、TNF-α和IL-17相关通路可能促进紧急粒细胞生成，加速未成熟或应激相关中性粒细胞释放入循环。这些新生成或过早释放的细胞可能在趋化性、氧化代谢、脱颗粒、NET形成能力、凋亡敏感性和免疫调节潜力方面不同于稳态中性粒细胞。因此，骨感染不仅仅是招募已有的中性粒细胞；它还可能反馈作用于骨髓室，生成已在发育上偏向于持续存在、炎症放大或消退受损的中性粒细胞群体。

3.3 病原体特异性调节中性粒细胞命运

不同病原体可通过独特的毒力因子、生物膜结构和免疫逃逸策略偏向中性粒细胞命运。金黄色葡萄球菌（S. aureus）可通过孔道形成毒素和杀白细胞素直接操纵中性粒细胞存活和裂解性死亡，促进膜损伤、炎症小体激活、NET释放或继发性坏死。葡萄球菌核酸酶和生物膜基质成分可能降解或重塑NETs，使其成为支持细菌持续存在而非清除的结构。革兰阴性生物膜相关病原体，如铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）和肠杆菌科，可能通过脂多糖（LPS）、鞭毛蛋白、III型分泌系统、氧化还原活性代谢物、蛋白酶、胞外聚合物和细菌外膜囊泡（OMVs）维持中性粒细胞活化、氧化应激、清除延迟、炎症小体连接信号和持续性NET形成。凝固酶阴性葡萄球菌产生的急性溶细胞损伤较少，但其植入物相关生物膜仍可促进受挫吞噬、延迟中性粒细胞更新和慢性低度NET相关炎症。厌氧菌丰富和多种微生物感染，尤其是在糖尿病或连续性软组织伤口中，可能通过缺氧、蛋白酶积累、营养限制、短链脂肪酸代谢物和混合PAMP-DAMP刺激进一步放大中性粒细胞功能障碍。真菌合并感染可能通过β-葡聚糖和甘露糖蛋白驱动的模式识别信号传导、受损的吞噬清除、持续性氧化激活和NET相关的真菌遏制来改变中性粒细胞命运。

结论与讨论

中性粒细胞在骨感染中的作用是双刃剑。早期招募对于遏制侵袭性细菌和构建限制播散的有组织脓肿至关重要。高效的病原体清除后随之而来的凋亡和胞葬作用可促进巨噬细胞重编程、降低炎症基调，并为组织修复创造条件。然而，同一细胞也能驱动骨丢失。中性粒细胞衍生的IL-1β、S100A8/A9、蛋白酶、氧化剂、组蛋白和NET相关蛋白可放大局部炎症，并直接或间接促进破骨细胞分化和活性。骨免疫耦合不仅仅被细菌破坏，也受到浸润中性粒细胞命运选择的重新塑造。一个以高效早期清除和及时胞葬作用为主的病灶，在生物学上不同于一个以延迟凋亡、NET积累和继发性坏死为主的病灶。

因此，治疗目标不是从感染骨中去除中性粒细胞，而是在保留早期抗菌能力的同时，加速向允许骨愈合和骨整合的消退胜任生态位过渡。未来的研究应将中性粒细胞表型分析与病灶拓扑结构、微生物结构和临床阶段配对，以确定在骨科感染中真正可干预的状态。