重新认识中性粒细胞

作者 | 周运来

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稳健，潇洒，大方，靠谱。

一段生信缘，一棵技能树。

生信技能树核心成员，单细胞天地特约撰稿人，简书创作者，单细胞数据科学家。

最近发现的许多“新”中性粒细胞( Neutrophils)功能令人兴奋不已。人们逐渐认识到中性粒细胞具有比抗菌反应更多的功能，并且在不同的组织和病理条件下具有不同表型，这表明中性粒细胞确实有未被刻画的异质性。然而，在大多数已发表的文章中，证据往往是间接的，我们需要可靠的实验证明所描述的细胞实际上是新的中性粒细胞亚群。

2022年当然不是中性粒细胞元年，粒细胞( Granulocytes)的故事起源于血细胞计数，早在1879年-1880年间保罗·埃利希(Paul Ehrlich)使用染料染色血片，在这一体系中，酸性和碱性染料使他能够识别嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞，并启发他发现组织肥大细胞。在他的博士论文中， 埃利希继续发展了鉴定中性粒细胞中颗粒的中性染料（“具有多形性细胞核的细胞”）。拂去历史的风尘，约莫在这个时候，粒细胞作为一种细胞类型，正式登上历史的舞台。这段故事也告诉我们粒细胞的名称由来：

中性粒细胞是因为其在染色时的特性来命名的，早期对血细胞进行染色以供显微镜下观察，所用的瑞氏染液由酸性染料伊红和碱性染料美蓝组成的复合染料。嗜酸粒细胞因为其胞浆中的颗粒含碱性物质，可以和伊红反应呈桔黄色；嗜碱粒细胞因其颗粒中含酸性物质可以和美蓝反应呈蓝黑色；而中性粒细胞中的颗粒不会与伊红和美蓝发生反应，所以称中性粒细胞，是血液中最主要的白细胞。

Kay AB. Paul Ehrlich and the Early History of Granulocytes. Microbiol Spectr (2016) 4(4):1–2. doi: 10.1128/microbiolspec.MCHD-0032-2016

然而，像很多细胞类型的名称一样，中性粒细胞命名的故事远没有结束，不过在此之前，我们转一下笔锋，看看中性粒细胞如何发育而来的。我相信，你一定不陌生。

中性粒细胞在骨髓中产生。来自自我更新造血干细胞（HSC）的多能祖细胞（MPP）。MPP 产生淋巴引发的多能祖细胞 （LPMP），其分化为粒细胞-单核细胞祖细胞 （GMP）。这些 GMP，根据控制粒细胞集落刺激因子（G-CSF）通过变成成髓细胞来促进中性粒细胞的产生，然后遵循成熟过程包括早幼粒细胞、骨髓细胞、转移幼粒细胞、带状细胞的阶段，最后是成熟的中性粒细胞。

在经典的免疫学教课书《詹伟免疫生物学》中，我们可以在血液细胞谱系中看到中性粒所处的位置。

除了可以在一个完整的细胞谱系中看中性粒之外，另一个值得注意的现象是：中性粒细胞的核形状，这也许是后面我们将要提到中性粒重要功能前提，正所谓：结构决定功能。为了更直观地感受集中粒细胞的形状和特点，我们把粒细胞的主要特征列出来。

在看完中性粒外形之后，我们紧接着到中性粒的细胞内看看中性粒细胞的基因表达情况，要知道，在基因表达这方面，每个细胞都是第一无二的。在经典的基因表达理论框架下，成熟的mRNA在离开细胞核之后，已经完成了可变剪切，细胞核的出口关卡会检查mRNA的完整性。然而，例外是生物的魅力来源。在众多细胞类型中存在内含子保留( Intron retention ，IR)的现象。所谓的内含子保留一个直观的感受是，在转录本中有一定比例的内含子。这也是为什么在做单细胞转录组定量的时候，为什么同时比对外显子和内含子可以增加定量出来中性粒的原因。

Dynamic changes in intron retention are tightly associated with regulation of splicing factors and proliferative activity during B-cell development

中性粒细胞不规则的核形，只是它众多特征之一，其他几个被广泛讨论的还有：

• 比较小
• 含量高，分布广
• 比较脆弱
• 细胞中小颗粒富含消化或蛋白水解相关的酶
• 半衰期较短
• 对炎症等反应比较快，有着超强的趋化作用
• 中性粒细胞表达基因较少

基于以上被写进教科书的特点，中性粒在一些科普文章中，常被比喻成随机应变的“士兵”。

让我们回到“中性粒之名”的话题中。

就在不久前(2021年)，一篇文章直言不讳：Neutrophils: Need for Standardized Nomenclature(中性粒细胞命名需要标准化)。文章指出，随着我们对中性粒细胞的深入研究，现有的或者说十九世纪确定的中性粒命名体系已经不能满足对中性粒的实际描述需要。并在文章中提到基于单细胞测序技术，不仅可以发现更多中性粒细胞亚型，还可以基于单细胞数据构建新的中性粒模型，如alternative model。

作者还比较了中性粒系的经典marker，也就是我们熟悉的加加减减：

最后作者给出了中性粒细胞亚群命名的建议，作者建议使用描述成熟和未成熟中性粒细胞，分为带型形式，骨髓细胞，早幼粒细胞和异幼粒细胞同时辅之每个流式细胞仪的表面标记。系统化的中性粒细胞名称，使所有疾病状态下的细胞类型标准化而不是过多的核冗余的名称，如MDSC、LDN和TAN通常描述类似的细胞。同时标准化的名称允许研究者在不同的研究场景下可用于从癌症到其他领域的细胞类型炎症性疾病的描述，进而建立广泛的科学话语体系。

关于中性粒细胞的亚群名称与异质性，这篇文章不是第一个，也不是最后一个。鉴于中性粒细胞在生物体内广泛分布的特征，在不同的环境下，与不同的细胞类型相互作用，同样是名称为”中性粒“的细胞，可能有不同的功能。一如文章Revealing the diversity of neutrophil functions and subsets所说。

中性粒细胞的寿命比其他免疫细胞(如巨噬细胞)要短，并且存在于骨髓和脾脏中。长久以来，它们的唯一功能被认为是在免疫反应的早期引发炎症。然而，最近的研究表明，骨髓来源的白细胞，特别是巨噬细胞，在响应环境刺激时表现出显著的转录和功能可塑性，并且它们适应来自组织和病理条件的刺激，以建立一个多样化的亚群。这启发着研究者，中性粒在不同的组织中，可能也具有异质性，这一推断也正被新发现验证着。然而，引起中性粒细胞亚型变化的刺激和转录变化以及有助于组织修复和神经保护的许许多多细胞亚型仍不清楚。这也为海量单细胞技术应用于中性粒测序提供了机会和窗口。

橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。那么不同条件下的中性粒是同一种细胞类型有不同功能呢？还是有好几种细胞类型呢？这个问题如此的朴素，以至于会让人觉得这可能是十九世纪末，中性粒刚被人类通过染色观察的时候提出来的，其实不然。一篇发表于2018年的文章，题目中这样写道：Neutrophil: A Cell with Many Roles in Inflammation or Several Cell Types?。

作者首先肯定了前人的研究，几乎重复性地写道：中性粒细胞是血液循环中最丰富的白细胞，被认为是免疫系统先天手臂的第一道防线。它们通过吞噬作用和细胞内降解、释放颗粒以及在检测到病原体后形成中性粒细胞细胞外陷阱来捕获和摧毁入侵的微生物。中性粒细胞也作为炎症的介质参与。对于这些白细胞的经典观点是，中性粒细胞构成了具有独特功能的终末分化细胞的同质群体。

然而，近年来积累的中性粒发现表明，中性粒细胞具有很大的表型异质性和多功能性，这表明中性粒细胞不仅是炎症和免疫反应的重要调节剂。事实上，中性粒细胞在稳态条件下以及病理性炎症和免疫过程中所起的作用是中性粒细胞生物学中一个新的兴趣焦点。

文章中也提到中性粒细胞的另一个特征：neutrophil extracellular traps （NETs）。当中性粒细胞识别微生物病原体时，它们会发挥不同的功能来摧毁它们。吞噬作用包括将微生物摄入到吞噬液泡中，成熟后成为吞噬溶酶体。在这种新的细胞器中，微生物在低pH值和降解酶的作用下被破坏。中性粒细胞也会脱颗粒并将颗粒中的内容物释放到环境中。当微生物太大而不能被摄取时，中性粒细胞还会产生由DNA纤维和形成的细胞外陷阱(NETs)

作者也坦陈，关于中性粒的许多问题仍然悬而未决。其中一个需要解决的重要问题是，循环中的成熟中性粒细胞是否可以通过外部刺激重新编程，或者确定的表型是否在骨髓中被编程，中性粒细胞是否具有特定的表型特征。证据表明，中性粒细胞是极具可塑性的细胞，因此，所描述的各种亚型特征似乎在组织中获得。

虽然在细胞表型层面，还有许多问题值得探讨，但是新发现的NETs已经开创了一个新的研究领域。在2022年的一篇综述Neutrophil extracellular traps in systemic autoimmune and autoinflammatory disease文章中，作者系统探讨了中心粒细胞胞外陷阱对自身免疫疾病的重要作用。在未来，我们会在更多场合看到中性粒的身影。

通过系列新进文章的综述，作者提到中性粒细胞特别是中性粒细胞胞外陷阱，在系统性自身免疫性疾病的发生和持续过程中发挥着核心作用，并协调导致器官损伤的复杂炎症反应。中性粒细胞死亡的失调可导致自身抗原修饰，并将其呈递给适应性免疫系统。此外，中性粒细胞亚群似乎在全身性自身免疫性疾病患者中更为普遍，可促进血管损伤和氧化应激增加。

随着新技术的出现，允许改进中性粒细胞的评估，中性粒细胞生物学的复杂性及其失调现在开始被理解，作者也并阐述了可能基于这一新知识探索的潜在治疗靶点开发。

在正常情况下，NET结构最终被DNses和巨噬细胞降解和清除，从而解决炎症。NET过程可以通过药理学水平干预来靶向:抑制表面受体的激活，靶向中性粒细胞中的细胞内过程，促进NET产物如髓过氧化物酶(MPO)和中性粒细胞弹性酶的去除或中和。

重新认识中性粒，其实是一个比较开放的问题，虽然已经有近半年的研究历史，在这一细胞类型面前我们依然是贪玩的孩子。中性粒领域不断增长的研究结果强调了中性粒细胞在许多炎症疾病中的作用，包括无菌损伤、癌症、动脉粥样硬化和自身免疫。同时，用于评估这些细胞在体内环境中的工具和技术的改进进一步扩大了我们对其功能的看法，并挑战了该领域内现有的教条。

一篇回顾性综述文章Recent advances in understanding neutrophils中，作者重点描述了中性粒细胞的异质性和可塑性，而细胞类型的可塑性有进一步加大了它的异质性。

同时作者也提到，高通量测序平台以提供有关细胞特异性转录组和基因调控谱的信息。这些平台的组合，包括单细胞测序方法，最近已被用于描述髓系祖细胞和包括中性粒细胞在内的髓系种群，定义不同亚群的特征。留给我们的问题是：已经捕获到这么多中性粒细胞，如何系统研究他们，在有名或无名的条件下。

我们越来越发现，中性粒细胞在许多疾病中起着重要作用，包括癌症、心血管疾病和自体免疫。这一知识，结合中性粒细胞的新型免疫调节功能和表型的出现，将有助于重新激发人们对该领域的兴趣。针对调节这些功能的机制已被证明是一种有前途的治疗方法。

单细胞技术在中性粒细胞研究中的潜在价值，正在以文章的形式不断发表出来。几篇经常被讨论的文章放在这里，大家有时间可以参考：

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参考文献略长，弱阳慵懒的作者就不一一附上了，仅截图以记之。20221221，运来