编译：小北，编辑：夏甘草、江舜尧。
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导读
通过慢性或急性应激源导致系统内稳态破坏，例如肥胖或者手术导致肿瘤的病理机制。肿瘤患者特别是乳腺癌患者由于治疗毒性和生活行为的改变导致心血管疾病的风险升高。虽然在乳腺癌中心血管的风险和发生率升高，其对肿瘤病理机制的影响尚不明确。本研究中研究者发现心肌梗死（MI）加速了小鼠和人类乳腺癌的生长以及肿瘤特异性的死亡。在乳腺癌的小鼠模型中，骨髓中MI表观重塑Ly6Chi单核细胞到一个免疫抑制的表型，维持循环和肿瘤中单核细胞的转录水平。同时MI提高了循环的Ly6Chi单核细胞的水平并且将其招募到肿瘤中，这些细胞的缺失将会削弱MI诱导的肿瘤生长。此外，经历肿瘤诊断后心血管的早期乳腺癌患者复发以及肿瘤特异性死亡的风险升高。这些临床前和临床的数据证实到MI能够诱导系统内稳态的改变，引发交互疾病的交流加速乳腺癌的发展。
原名：Myocardial infarction accelerates breast cancer via innate immune reprogramming
译名：心肌梗死通过先天免疫重编程加速乳腺癌发展
文章英文名：Myocardial infarction accelerates breast cancer via innate immune reprogramming
期刊：nature medicine
影响因子：36.13
发表时间：2020年7月13日
作者：Kathryn J. Moore
单位：纽约大学
DOI：10.1038/s41591-020-0964-7.
临床前和临床的证据提示肿瘤的进展不仅由肿瘤基因图谱决定，同样受肿瘤微环境以及系统背景内复合体相互作用的影响。MI导致缺血性心肌损伤以及无数由中枢神经系统驱动的交感神经外流升高导致的系统效应。例如，危险/报警信号沿着β3肾上腺素刺激，MI后活化骨髓中的白细胞前体，导致先天的免疫效应细胞短暂扩增，特别是循环和造血中的单核细胞。单核细胞是肿瘤微环境中的重要调节因子并且循环中单核细胞中的水平升高，这与一系列肿瘤中临床预后差相关。单核细胞和单核衍生的巨噬细胞具有许多促肿瘤的附属功能，包括肿瘤免疫逃逸和血管生成、肿瘤细胞增殖、转移、侵袭和转移。在乳腺癌背景下MI诱导的系统内稳态破坏是否开始交互疾病的交流以改变疾病的进程尚不知道。为了研究MI的发生是否影响乳腺癌的病理生理，研究者利用E0771乳腺癌小鼠模型。研究者通过结扎左前降（LAD）冠状动脉诱导MI或者在乳腺脂肪垫癌细胞原位种植术3天后进行假手术作为对照（图1a）。与假手术相比MI加速了肿瘤细胞生长（图1b），导致当肿瘤达到小鼠肿瘤特异的安乐死标准，在20天肿瘤体积和重量~2倍提高。回波心动描记器分析显示无论小鼠有无肿瘤在心肌重塑或者功能上无差异，提示心肌功能的改变并不是MI诱导肿瘤加速生长的基础。此外，肿瘤的存在并不影响临床对MI的响应。MI的小鼠没有明显心力衰竭的临床迹象，如水肿或梳理行为的改变。细胞增殖分析说明暴露在MI的小鼠肿瘤负荷在Ki67+细胞倍增（图1d），在CD45-和CD45+肿瘤细胞中均发生。通过流式对肿瘤内免疫细胞图谱的进一步分析说明在MI条件下肿瘤内CD45+白细胞的比例升高（图1e）。在所有的CD45+细胞中研究者观察到注射肿瘤细胞至MI中CD11b+Ly6G−Ly6Chi 单核细胞的比例升高，而CD11b+Gr1− 和CD11b+Gr1−F4/80+巨噬细胞，CD11b+Gr1− CD11c+树突细胞或者CD11b+Ly6G+Ly6Clo嗜中性粒细胞无差异（图1e）。在分析肿瘤内存活细胞的比例时也观察到暴露在MI的小鼠CD11b+Ly6G− Ly6Chi单核细胞的增多。由于CD11b+Ly6G−Ly6Chi单核细胞与单核髓系衍生的肿瘤抑制因子细胞(mMDSCs)具有相似的细胞表面标记物， 能够限制T细胞渗透以及抗肿瘤的免疫反应。研究者进一步检测了肿瘤内T细胞的水平。在这些CD45+细胞内，MI肿瘤小鼠具有较低的T淋巴细胞（CD3+细胞）和较高的免疫抑制调节因子CD4+FoxP3+ T细胞（图1f）。在MI之后肿瘤前T调节细胞的富集经肿瘤整体RNA基因的免疫图谱证实（图1g）。这些结果提示MI诱导肿瘤细胞的加速生长与肿瘤内免疫抑制的免疫细胞图谱相关。
图1 在乳腺癌的小鼠模型中MI加速肿瘤生长
研究者进一步探究了MI在造血上的系统效应是否与肿瘤内免疫细胞组成改变相关。正如之前报道的，非肿瘤负荷小鼠暴露在MI下使得循环的单核细胞增多，在手术后12天减轻（图2a）。相反在E0771肿瘤负荷的小鼠中，MI诱导循环中Ly6Chi单核细胞持续增多（图2a、b），而其他循环中的免疫细胞亚群中没有观察到差异（图2b）。对骨髓造血细胞和前提细胞进行流式分析发现共同的髓性祖细胞，Ly6Chi单核细胞的前体在MI后增加。为了探究MI是否能够增加Ly6Chi单核细胞招募到肿瘤，研究者利用促癌的CD45.1和CD45.2小鼠进行了适应性转移实验以追踪在肿瘤细胞生长时间点供体和宿主单核细胞。为了检测MI是否能够单独引起内源性单核细胞的改变，改变招募到肿瘤上，研究者从经9天MI后无肿瘤负荷小鼠的CD45.1分离了Ly6Chi单核细胞，并且将它们转移至CD45.2的小鼠伴随早于12天的E0771肿瘤移植。CD45.1单核细胞招募到肿瘤中并未观察到差异。接下里从自然CD45.1小鼠中得到的Ly6Chi单核细胞转移至暴露在MI的E0771肿瘤负荷的CD45.2小鼠中（图2c、d）发现，MI能够提高CD45.1 Ly6Chi 单核细胞招募至肿瘤中（图2c、d）。在这一时间点的肿瘤转录图谱发现暴露在MI肿瘤表达趋化因子增多，包括Cxcl13，这与乳腺癌的发生发展相关，并且手提Cxcr5在肿瘤负荷小鼠的单核细胞中也增多。此外研究者观察到在暴露MI肿瘤负荷小鼠的单核细胞中Cxcr1的表达升高，该因子是与肿瘤的发展和转移相关趋化因子受体。显著的是，肿瘤负荷小鼠在MI之后同时表达Cxcr1和Cxcr5的单核细胞特异性升高（图5g）。这些数据提示CXCL13–CXCR5轴线的MI肿瘤特异上调可能是Ly6Chi 单核细胞招募到肿瘤增多的基础。
图2 MI加速肿瘤的生长依赖于Ly6Chi单核细胞的供应以及到肿瘤的招募
为了验证Ly6Chi单核细胞可行性和招募的增多是MI加速肿瘤生长所必须的。研究者利用表达白喉毒素受体（DTR）的小鼠，控制CCR2位点敲除CCR2+Ly6Chi单核细胞（图2e）。一系列的DT注射使血液中和骨髓中Ly6Chi单核细胞降低（图2f）并且暴露在MI的肿瘤生长抑制到56%（图2g）。相反CCR2DTR 小鼠暴露在假手术中单核细胞的敲除并不显著减低肿瘤生长（图2g）。在C57BL/6小鼠中MI后处理CCR2抑制剂7天发现MI加速肿瘤生长受到抑制。对肿瘤内T细胞群体进行流式分析发现CCR2+缺失降低了T细胞CD4+FOXP3+ Treg细胞的比例，并且活化了(Granzyme B+) CD8+细胞毒性T细胞（图2i）。总之这些结果提示CCR2表达的Ly6Chi单核细胞是MI加速肿瘤生长以及招募限制抗肿瘤适应性免疫应答所必需的。尽管树突状细胞聚集在MI处理小鼠的肿瘤中并未改变，值得注意的是树突细胞同样表达CCR2，因此在这些实验中它们的招募应该受到抑制。为了理解髓系细胞加速MI后乳腺癌生长的功能机制，研究者从17天MI后的E0771肿瘤中分离单核细胞并且检测了它们对改变CD8+T细胞增殖和活性的能力。与单核细胞共培养并未观察到CD8+T细胞增殖能力的差异，暴露在MI的单核细胞在体外抑制CD8+T细胞更有效。这些数据提示(1)这些肿瘤髓系细胞达到了mMDSCs的功能标准(2) 在每个细胞basis上，MI处理小鼠的mMDSCs的免疫抑制能力更强。手术后17天肿瘤中分离得到的mMDSCs进行RNA sequencing (RNA-seq)发现暴露在MI中有235个基因差异表达(图3a)，并且这些基因信号通路主要限制在肿瘤进展中在mMDSCs中下调(图3a)。分子功能和REACTOME信号通路分析确定暴露在MI小鼠的mMDSCs中下调的信号通路包括免疫应答的调节、淋巴细胞活化、适应性免疫系统功能和IFN-γ信号通路（图3a）。MI后在mMDSCs中显著下调的基因是那些与MHCII呈递、T细胞活化相关的基因，这也支撑了免疫抑制的表型。通过对差异基因上游的基因进行分析发现炎症调节因子的抑制，如IFN-γ、STAT1和IL10RA (图3b)。总之，这些发现说明MI将mMDSCs转换到一个免疫抑制的状态。
图3骨髓中肿瘤的Ly6Chi mMDSCs细胞表现出MI诱导的免疫抑制的转录表型受表观调控
为了进一步探究CD8+T细胞抑制MI加速细胞生长中的作用，研究者利用CD8的抗体或者IgG处理E0771肿瘤负荷小鼠并且检测了对肿瘤生长的影响。在假手术处理的小鼠中CD8+T细胞的敲除加速了肿瘤的生长，相反经历MI后敲除CD8+T细胞对肿瘤的生长并无影响。这些结果提示MI加速肿瘤生长部分是由于CD8+T细胞应答的异常。为了探究肿瘤招募之前MI是否重塑Ly6Chi单核细胞，研究者在肿瘤早期生长阶段分离了血液中的CD11b+Ly6Chi单核细胞进行RNA-seq。利用基因集合一致性分析，研究者检测了是否有一组基因在肿瘤CD11b+Ly6Chi mMDSCs中差异表达，发现富集的基因是MI后循环中的CD11b+Ly6Chi 单核细胞。与对照组相比，在肿瘤CD11b+Ly6Chi mMDSCs中有1000个差异表达的基因（504个上调和496下调），与循环中的CD11b+Ly6Chi单核细胞重合（图3c）。同样这一基因组与骨髓中分离的CD11b+Ly6Chi单核细胞一致，提示MI诱导骨髓的一系列重塑。正如近期的研究所报道的，微生物和无菌引发的炎症能够通过基因组表观遗传学的改变影响先天性免疫记忆，研究者利用ATAC-seq进一步探究了MI是否会改变骨髓Ly6Chi 单核细胞的染色质图谱。结果显示暴露在MI小鼠骨髓中Ly6Chi单核细胞在染色质图谱显著改变，942个区域更加开放1101个区域开放性减少（图3d）。对区域进行富集区域基因注释(GREAT)分析显示在MI后开放性升高富集的信号通路与压力应激相关，如ER压力、对压力的转录应答以及对未折叠蛋白的应答。对区域分析发现MI后开放性降低的信号通路与免疫和炎症反应相关，与GO分析相关的细胞因子产生、淋巴细胞活化调节以及对伤害的应答（图3e）。对染色质区域转录因子结合基序分析发现MI后在先锋基因PU.1、 CEBP以及(IRF)-8结合位点的开放区域减少 (Fig. 3e)，这与PU.1在单核细胞增强子区域结合活化炎症反应相关。显著的是IRF-8的水平降低损害了随性细胞的分化导致单核细胞的表型。为了检测骨髓中单核细胞染色质图谱的改变是MI后肿瘤mMDSCs转录水平改变反映的，研究者将骨髓Ly6Chi单核细胞的ATAC数据与肿瘤Ly6Chi单核细胞的RNA-seq数据整合，确定了受PU.1, CEBP和IRF-8调控的大量基因同时在肿瘤转录水平受到抑制并且减少骨髓单核细胞染色质的开放水平（图3c）。这些基因包括在T细胞活化过程中的Cd40和Cd86，与免疫相关的Clec7a (Dectin-1)和Irf8（图3f）。总之这些数据提示MI表观重塑骨髓单核细胞转变到免疫抑制的表型。由于骨髓造血祖细胞表观改变对先天性免疫记忆的影响，研究者继续监测了在癌症背景下MI是否会引起长期的认知反应（图3g、h）。在移植后14天对外周血进行分析发现CD45.1小鼠重塑了骨髓细胞构成，循环中的单核细胞水平高于对照组（图3i且重塑骨髓细胞的小鼠中MI组肿瘤生长速度加速（图3j）。这些证据提示表观改变驱动了髓系造血细胞重塑和肿瘤生长加速。为了拓展研究发现，研究者检测了MMTV-PyMT转基因小鼠中MI的效应，结果发现加速的肿瘤生长与循环中单核细胞的水平升高相关。在该模型中渗透性的Ly6Chi 单核细胞分化成MHCIIhiCD11blo 肿瘤相关的巨噬细胞，于此一致的是研究者观察到单核细胞衍生的TAMs水平升高，但是在mMDSC群体中无差异（图4c）。同时研究者观察到肿瘤内免疫抑制Treg细胞(FoxP3+)的比例升高，提示MI与肿瘤免疫抑制相关（图4c）。接下来为了探究在MMTV-PyMT小鼠中MI是否能够改变原发肿瘤的体积，以及乳腺特异基因Pymt在整个肺组织中的表达，结果发现促进了Pymt在肺中表达促进转移（图4d）并且促进了Ly6Chi单核细胞在肺中积聚（图4e），这对转移灶的形成非常重要。
图4在早期乳腺癌患者中MI加速肿瘤的进展以及心血管疾病的发生率
为了探究临床前的发现是否可以拓展到病人中，研究者在早期乳腺癌患者中进行了回顾性分析来进行诊断后心血管事件与肿瘤预后之间的关系。已经存在心血管疾病或者高危因素的患者被排除在外，1724例患者多重协变量（图4f-h）。诊断后11.7年的追踪报道发现诊断后心血管疾病与复发风险提高到59%相关并且乳腺癌的死亡率达到60%。这些结果提示心血管疾病如心力衰竭与癌症发生率升高相关，同时也支撑了研究者之前的研究发现——心血管疾病加速乳腺癌的进展。研究者发现MI是一个急性的病理刺激，能够加速乳腺癌的进展。从机制上而言，MI能够诱导先天性免疫系统调节的系统宿主反应，这将驱动有害的交互式疾病之间的交流，促进肿瘤的生长。MI表观重塑造血细胞中髓性细胞到一个免疫抑制的状态并且导致单核细胞增多，这将共同促进肿瘤生长。在乳腺癌细胞中MI诱导单核细胞免疫抑制仍然需要进一步阐释，包括在局部贫血，交感神经和副交感神经调节、紧急造血和先天免疫训练中的作用。
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