《Aging Cell》：Host Aging Induces a Senescent-Like Phenotype in Neutrophils and Altered Transcriptional Responses to Streptococcus pneumoniae
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本文研究揭示了宿主衰老如何通过改变中性粒细胞（PMN）的表型，使其获得类衰老细胞的代谢缺陷与促炎特征，从而削弱对肺炎链球菌（S. pneumoniae）的抗菌防御。研究指出，靶向衰老相关分泌表型（SASP）因子TNFα可逆转此缺陷，为改善老年人感染干预策略提供了新靶点。
宿主衰老导致肺中性粒细胞获得类衰老表型及功能障碍
引言：老年宿主对肺炎链球菌感染的易感性增加
肺炎链球菌（S. pneumoniae, Sp）是定植于鼻咽部的革兰氏阳性细菌，可引发严重疾病，尤其在65岁以上人群中发病率与死亡率更高。随着全球人口老龄化加剧，理解老年人感染易感性增加的机制至关重要。中性粒细胞（又称多形核白细胞，PMN）是对抗肺部感染的先锋免疫细胞，其迅速募集至肺部对细菌清除至关重要。然而，随着年龄增长，PMN的抗菌功能下降，但其根本原因尚不完全清楚。衰老伴随着细胞衰老等过程，其特征是细胞周期停滞、凋亡抵抗以及衰老相关分泌表型（SASP）的出现，涉及促炎介质的产生。尽管细胞衰老在增殖细胞中研究较多，但像PMN这样的终末分化短寿命细胞是否也会在宿主衰老背景下获得类衰老表型，此前尚未被探索。本研究旨在评估宿主衰老是否导致PMN在肺部感染模型中呈现类衰老表型及其功能后果。
结果1：不同宿主年龄的肺PMN呈现显著差异的转录组
为探究年龄相关的PMN转录组变化，研究对年轻和年老小鼠肺部感染肺炎链球菌后12小时和24小时分离的肺PMN进行了RNA测序。主成分分析（PCA）显示，感染12小时后，年轻与年老小鼠的PMN转录组谱相似，但在24小时后显著分化。这种分化与PMN在感染过程中从保护性向有害性表型转变的时间点一致。差异表达基因（DEG）分析表明，年轻和年老小鼠对感染进展的转录反应高度不同，近70%的差异表达基因是各自年龄组独有的。在年轻小鼠中，感染进程中大量基因表达上调和下调，包括涉及NF-κB、IFNγ和TNFα的炎症反应通路上调，这些通路对PMN清除肺炎链球菌很重要。而在年老小鼠中，除了免疫反应通路外，还富集了“细胞周期”和“细胞分裂”等术语，提示年老宿主肺中募集的PMN可能更不成熟，保留了祖细胞基因特征。
结果2：衰老与PMN活化降低相关
在感染12小时，年轻与年老小鼠肺PMN之间的差异表达基因较少。然而，到感染24小时，两组之间出现了大量差异表达基因。研究人员设计了一个基于基因本体（GO）术语“中性粒细胞活化”相关基因的“活化评分”。结果显示，年轻小鼠的PMN活化评分从感染12小时到24小时显著增加，而年老小鼠的PMN则未观察到这种增加，表明其在感染进展中反应性更低。通路分析进一步证实，与年轻小鼠相比，年老小鼠在感染24小时时，参与免疫反应的多个通路下调。对PMN效应功能相关基因的分析发现，年老小鼠的PMN在感染24小时时，初级颗粒成分（如弹性蛋白酶Elane和髓过氧化物酶Mpo）的表达升高，这可能与组织损伤增加有关。相反，年轻小鼠的PMN在感染过程中，参与吞噬作用、吞噬体成熟以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶（Nox）的基因表达普遍上调，而年老小鼠的PMN在这些基因的表达上几乎无变化。这与之前报道的年老PMN效应功能异常相符。
结果3：年老小鼠PMN中改变的转录因子网络
为探究基因表达变化背后的机制，研究分析了差异表达基因中富集的转录因子（TF）。通过ChEA3和STRING工具分析，鉴定出多个重要的转录因子簇，包括Ets家族成员。交叉分析指出Ets1可能是一个重要因子。Ets1在淋巴细胞发育和功能中起关键作用，但在PMN中的作用尚未被研究。利用Hoxb8系统在体外生成Ets1基因敲除的PMN，并评估其功能，结果显示Ets1的缺失并不影响PMN的成熟或对肺炎链球菌的杀伤能力。此外，人源PMN在体外感染时Ets1的转录水平也未发生变化，表明Ets1在PMN功能中可能不起主要作用。
结果4：衰老与肺PMN代谢特征改变相关
代谢转变是免疫细胞衰老的常见特征。活化的PMN严重依赖有氧糖酵解，这对于活性氧（ROS）产生、吞噬作用和中性粒细胞胞外诱捕网（NETosis）形成很重要。通路分析显示，与年轻小鼠相比，年老小鼠的肺PMN在感染24小时时，柠檬酸循环（TCA）相关基因表达显著上调。相反，年轻小鼠的PMN在感染过程中，几乎所有糖酵解成分基因表达上调，而大多数TCA成分基因下调。年老小鼠的PMN则显示糖酵解成分基因变化很小，而TCA成分基因表达随时间上调。功能实验证实，使用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-DoG）或lonidamine处理，能以剂量依赖的方式削弱年轻小鼠和小鼠PMN对肺炎链球菌的杀伤能力，证明了糖酵解对PMN杀菌是必需的。通过Seahorse细胞能量代谢分析仪测量，发现年轻和年老小鼠骨髓来源PMN的基础糖酵解能力和最大糖酵解能力相似。然而，在体流式细胞术分析显示，在未感染状态下，年轻小鼠肺中糖酵解型PMN的比例显著高于年老小鼠。感染后，年轻小鼠肺中糖酵解型PMN比例下降，呼吸型PMN比例增加，而年老小鼠肺中PMN的能量状态在感染前后无显著变化。这些数据表明，PMN的代谢途径在组织环境中发生了显著的年龄依赖性改变。
结果5：年老宿主中的PMN呈现类衰老表型
细胞衰老的标志包括SASP、衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性升高、凋亡抵抗、代谢改变和DNA损伤反应。对转录组数据的分析发现，在感染12小时，与年轻小鼠相比，年老小鼠肺PMN的SASP评分更高，表现为IL-10和TNFα等因子表达显著升高。通路分析也显示，在感染早期，年老小鼠PMN中富集了与“细胞因子产生的正调控”、“氧化应激反应”、“细胞增殖的负调控”、“凋亡过程的负调控”以及“DNA损伤反应信号通路”相关的术语，这些都是类衰老表型的特征。体内功能验证证实，在未感染状态下，年老小鼠肺和脾脏中的PMN表达更高水平的TNFα和IL-10，SA-β-gal阳性细胞比例更高，凋亡发生率更低，并且基础活性氧（ROS）水平更高。感染后，年轻小鼠肺PMN的总ROS和线粒体ROS（mitoROS）产量显著增加，而年老小鼠的PMN则无法上调这两种ROS的产生，尤其是对清除肺炎链球菌至关重要的mitoROS。值得注意的是，这种类衰老表型主要出现在外周组织（肺、脾）的PMN中，而在骨髓和循环中的PMN，其细胞因子产生、SA-β-gal、凋亡和ROS水平在年轻和年老小鼠间大多相似。不过，骨髓PMN在年老小鼠中表现出p16（细胞周期阻滞蛋白）和FasL（程序性死亡受体配体）表达升高，以及Ki67（增殖标志物）表达降低，提示DNA损伤和增殖减少在PMN的生成部位（骨髓）即已开始出现，但完整的SASP等表型是在细胞迁移至外周后才获得的。
结果6：阻断TNFα可恢复PMN抗菌功能并增强宿主抵抗力
已知衰老的肺组织微环境存在炎症老化，并表达高水平的SASP因子如TNFα。为测试TNFα是否参与PMN的类衰老表型，研究用抗TNFα抗体处理年老小鼠。结果显示，在未感染状态下，阻断TNFα可轻微降低肺PMN的细胞因子产生，显著降低SA-β-gal阳性细胞比例，并增加凋亡PMN的比例。更重要的是，阻断TNFα能将年老小鼠PMN的细菌杀伤能力缺陷修复到与年轻对照组相当的水平。在感染模型中，在感染前用抗TNFα抗体预处理年老小鼠，可导致其肺部细菌负荷相比同型对照处理组显著降低10倍。这些发现表明，年老小鼠的炎症环境（部分由TNFα驱动）促进了PMN的类衰老表型及其功能障碍，而靶向TNFα可以改善PMN功能并增强宿主对肺炎球菌性肺炎的抵抗力。
讨论
本研究揭示了宿主衰老如何深刻影响PMN在肺炎链球菌肺部感染中的转录反应和功能状态。年老宿主的PMN表现出效应功能激活不足、代谢重编程（向氧化磷酸化倾斜）以及获得类衰老细胞特征。这种表型转变主要发生在外周组织，提示组织微环境在指导PMN衰老相关功能障碍中起关键作用。特别是，年老肺组织中持续的炎性信号（如TNFα）可能驱动了PMN的类衰老状态，导致其能量产生不足（糖酵解能力低下）和关键抗菌机制（如mitoROS爆发）失效。本研究首次将PMN功能障碍与细胞衰老框架联系起来，并证明通过阻断单一SASP因子TNFα即可部分逆转PMN的衰老表型并恢复其抗菌效能，从而提升宿主整体抵抗力。这为开发针对老年人群感染的新型治疗策略（如使用Senolytic或Senomorphic药物清除衰老细胞或抑制SASP）提供了重要的理论依据和潜在靶点。
