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Induction of ketosis as a potential therapeutic option to limit hyperglycemia and prevent cytokine storm in COVID-19
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0899900720302501
ハイライト
- マクロファージの過剰活性化はサイトカインストーム症候群と関連している。
- 滲出期のマクロファージ表現型M1は好気性解糖に代謝的に依存する(Warburg様効果)。
- 好中球と血小板のM1リクルートは血栓性炎症に重要な役割を果たしている。
- ユーカロリックケトジェニックダイエット(EKD)は、マクロファージM1制限サイトカインストーム症候群を免疫調節することができた。
- EKDは表現型M2マクロファージの最適な燃料供給を保証する可能性がある。
- EKDは乳酸産生を制限することで I型インターフェロン合成を刺激する
- ウイルスの複製は EKD の抗解糖作用によって抑制される可能性がある.
要旨
コロナウイルス疾患19(COVID-19)の重症型は、サイトカインストーム症候群(CSS)および播種性血管内凝固(DIC)を特徴とする。糖尿病、肥満および高血圧は、マイナーな共通分母として、慢性的な低悪性度炎症および高血漿ミエロペルオキシダーゼレベルを有しており、これらは肺食細胞の過剰活性化およびCSSと関連している可能性がある。
好気性解糖と関連しているプロ炎症性表現型を有するM1マクロファージの過剰活性化は、循環血液からの単球、好中球、および血小板のリクルートを導き、好中球の細胞外トラップおよび単球-血小板凝集体の形成を介して(最近COVID-19で実証されたように)血栓性炎症において重要な役割を果たしており、これはDICの原因となる可能性がある。
ユーカロリックケトジェニックダイエット(EKD)を用いた活性化M1マクロファージのためのグルコースの利用可能性の調節は、滲出期の間にM1マクロファージの表現型における好気性解糖からのアデノシン三リン酸産生を減少させるための可能性のある代謝ツールである可能性がある。
このアプローチは、サイトカインの過剰産生を減少させ、その結果、血液中の好中球、単球、および血小板の蓄積を減少させる可能性がある。第二に、抗炎症性のM2マクロファージの代謝には、酸化的リン酸化酵素を発現し、ミトコンドリア内の脂肪酸の酸化によって最高の栄養を得ることができるため、KDは有利であると考えられる。
EKDは、これらの細胞にとって最適な燃料供給源である遊離脂肪酸の利用可能性を保証する可能性がある。第三に、解糖によるマクロファージによる高乳酸形成を減少させることができるEKDは、過剰な乳酸産生によって阻害されるインターフェロンタイプIの産生を有利にし得る。
この仮説は、臨床研究で証明されていることに加えて、実用的な観点からは、明らかに食事療法の副作用のリスクを回避するために、低血糖を引き起こす可能性のある薬剤で治療された1型または2型糖尿病を中心としたEDDの禁忌を考慮しなければならないとしている。
序論
コロナウイルス疾患19(COVID-19)は、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)によって引き起こされる呼吸器ウイルス感染症である。最近のエビデンスは、COVID-19の最も重篤な臨床症状を示し、集中治療室への入院を必要とする患者のサブグループがサイトカインストーム症候群(CSS)を有している可能性を示唆している[1]。
CSSは急性呼吸窮迫症候群(ARDS)および敗血症性ショックを特徴とし、その後、多臓器不全および播種性血管内凝固(DIC)が起こり、これらが死亡の主な原因となる [1], [2], [3]。
CSSは、SARS-CoV-2による自然免疫系の亢進と、より重症化した患者での炎症性サイトカインやケモカインの過剰産生に起因すると考えられている [1], [2], [3], [4]。
特に、糖尿病、高血圧、心血管疾患、または肥満を有する患者では、CSSがより頻繁に観察される[4,5]。この最後の臨床状態は、全身性の慢性炎症、補体系の活性化およびインターロイキン(IL)-6分泌の増加によって特徴づけられる[5]。
この点から、CSSへの進行を避けるために、軽度の免疫抑制を達成すべきであることが示唆されている[1]。
COVID-19では、間質性肺炎は著しい低酸素血症を引き起こし、これは肺胞上皮細胞Ⅱ型(ATII)やマクロファージ細胞の細胞代謝によるエネルギー入力を著しく低下させ、エネルギーを得るための解糖を介したグルコースの取り込みと利用を増加させる[6], [7], [8]。ミトコンドリアの酸化的リン酸化(OXPHOS)とグルコース生成は減少するが、以前に重症急性呼吸器症候群(SARS)で観察されたように、活性酸素種(ROS)とサイトカイン放出は増加する[6], [7], [8]。
SARS患者の剖検所見では、ATIIおよびマクロファージ細胞でコロナウイルスRNAが検出された[8]。実際、SARSで観察されるように、コロナウイルスはSARSの受容体であるアンジオテンシン変換酵素2に結合してATII細胞に感染し、ATII細胞は自然肺胞免疫の第一ラインである[8,9]。
ATII細胞はサイトカインおよびケモカインを放出し、肺胞マクロファージを活性化し、好中球の遊走を誘導する [7], [8], [9], [10]。遺伝的およびエピジェネティックな要因[10]により、マクロファージによるサイトカイン産生の強さは可変的であり、過剰になると劇症化し、ARDSを引き起こす可能性がある[9,10]。
ARDSの過程では、肺における好中球の存在が記述されており、白血球ミエロペルオキシダーゼ(MPO;好中球に存在)に由来する活性酸素が肺組織傷害の発生に関与していることが提案されている[3,10]。
MPOはマクロファージを活性化することで免疫応答を調節することができる[7,11]。試験管内試験でマクロファージをMPOに曝露すると、腫瘍壊死因子(TNF)-αの放出、低レベルのインターフェロン(IFN)-γ、およびマクロファージ依存性の細胞毒性の増加が生じる [11]。
高血糖症はストレスや感染症によって引き起こされる可能性があり、COVID-19患者の51%で報告されている[12]が、糖尿病患者では補償が不十分であり、COVID-19死亡率の一因となる可能性がある。
糖尿病および肥満はしばしば炎症反応の変化と関連していることが知られており、これは感染症や発熱などの新たな炎症状況に対する宿主のより大きな脆弱性をもたらす。高血糖症では、単球浸潤およびin situマクロファージ増殖の増加により、マクロファージ数が組織内で増加する[13]。
糖尿病、肥満、および高血圧は、マイナーな共通分母として、慢性低悪性度炎症および高血漿MPOレベルを有しており、これらは肺食細胞過剰活性化およびCSSと関連している可能性がある。MPOは、高血糖の存在下で高血圧における酸化ストレスを増幅させる可能性がある [11,13,14]。
現在、肺胞に常駐するマクロファージと血液からリクルートされたマクロファージを含むマクロファージが、急性肺損傷/急性呼吸窮迫症候群(ALI/ARDS)の発症に重要であることを示唆する証拠が増加している[10]。
肺胞では、AMは空気と細胞組織の界面に均一で休眠状態の集団として存在している。ALI/ARDSの滲出期には、常駐するAMは活性化され、M1表現型に分化する。炎症性サイトカイン(IFN-γ、TNF-α、およびIL-1 β)がM1マクロファージによって炎症部位に分泌され、単球化学吸引性タンパク質によって血液中から単球をリクルートし、M1表現型へと誘導する [10]。このプロセスの最後には、M1表現型はM2表現型に移行し、アポトーシス細胞、破片、病原体を排除する。これらの常駐マクロファージは、ウイルスに対する最前線を代表し、IL-1,IL-6,およびIL-18などの強力な炎症性メディエーターを放出する[10]。
M1ケモカイン(すなわち、マクロファージ炎症性プロテイン-2およびIL-8)は、循環血液から好中球を肺胞腔に引き寄せる。以前に報告されたように、好中球の浸潤および炎症性サイトカインの過剰な蓄積は、ARDSにおけるプロ炎症性細胞傷害性メディエーターによる組織障害を引き起こす重要な因子である[10,15]。
さらに、ARDSの急性肺病変では、血小板および好中球が観察され、(最近COVID-19で示唆されたように)血栓性炎症において重要な役割を果たし、好中球の細胞外トラップおよび単球-血小板凝集体を形成し、DICの原因となる可能性がある[2,15]。
したがって、滲出性の段階では、活性化されたM1マクロファージを枯渇させることで、炎症性刺激を減少させることで好中球誘発性肺胞炎を減少させることが可能である;しかしながら、これは実験モデル以外では達成が困難である[10,15]。
炎症の初期段階でM1マクロファージの活性を低下させる臨床的解決策として考えられるのは、その代謝特異性を標的とすることである[9,10,15]。
代謝的観点から、M1表現型の活性化は、アデノシン三リン酸(ATP)産生の代謝シフトをOXPHOSから好気性解糖へと誘導する(Warburg様効果;図1)[9,10]。トリカルボン酸(TCA)サイクルの活性は低下するが、低酸素、グルコース過負荷、またはその両方の存在下では乳酸産生は増加する[6,16]。
図1. COVID-19感染中のAMからのM1の活性化の間に考えられる代謝経路
AM、肺胞静止マクロファージ、ATP、アデノシン三リン酸、IFN、インターフェロン、IL、インターロイキン、M1,活性化マクロファージ、MCP、単球化学吸引性タンパク質、OXPHOS、酸化的リン酸化、TACサイクル、トリカルボン酸サイクル、TNF、腫瘍壊死因子。この図は、Servier Medical Artバンク(http://smart.servier.com/)のベクター画像を使用して描かれている。Servier Medical Art by Servierは、Creative Commons Attribution 3.0 Unported License (creativecommons.org/licenses/by/3.0/)の下でライセンスされている。
低酸素誘導性因子の活性化後、ATII細胞は、エピゲノムおよびメタボロームシグナル伝達経路の変化を通して、もっぱら解糖を利用する[6,16]。
Zhangらは、グルコース過負荷と高乳酸産生の条件下では、ATII細胞におけるミトコンドリア抗ウイルスシグナル(MAVS)の乳酸への結合が、MAVS/ミトコンドリアの局在化を阻害し、その結果、自然免疫型I型インターフェロン(IFN I)産生を減少させることを実証した。この事実は、SARSでは従来のIFN誘導ウイルスよりも弱いIFN反応が発生した理由を説明することができる[18]。
仮説
我々は、グルコースの食事的経口供給を減少させたユーカロリックケトジェニックダイエット(EKD)が、免疫代謝の調節を通じて抗炎症プロセスを促進する可能性があるという仮説を立てた。
ケト原性食(KD)によって誘導される代謝調節は、次の4つの標的に影響を与えることができる:
- M1マクロファージの阻害
- M2マクロファージの活性化
- 乳酸の過剰生産によって誘導されるIFN-I産生の阻害
- および細胞内のウイルス合成の減少
M1マクロファージによるグルコース取り込みの減少は、活性化されたM1マクロファージでATPが産生され、M1マクロファージが炎症性サイトカイン産生などのエフェクター機能を遂行することを可能にする好気性解糖が主な方法であるため、CSSの代謝治療の主要なターゲットとなっている[19](図2)。
図2 EKDによる食餌細胞の活性化亢進の仮説的な減衰
EKDは、M1マクロファージにおける好気性解糖のためのグルコースの利用可能性を減少させる可能性がある(Warburg様効果)。このアプローチの主なターゲットは、炎症性サイトカイン(IFN-γ、TNF-α、およびIL-1 β)の過剰産生を誘発し、血液中から単球、好中球、および血小板の過剰な発生につながるM1貪食球の過活動化を抑制することである。AM、肺胞性静止マクロファージ、ATP、アデノシン三リン酸; EKD、ユーカロリックケトジェニックダイエット、IFN、インターフェロン、IL、インターロイキン、M1,活性化マクロファージ、OXPHOS、酸化的リン酸化、TACサイクル、トリカルボン酸サイクル、TNF、腫瘍壊死因子。この図は、Servier Medical Artバンク(http://smart.servier.com/)のベクターイメージを使用して描かれている。Servier Medical Art by Servierは、Creative Commons Attribution 3.0 Unported License (creativecommons.org/licenses/by/3.0/)の下でライセンスされている。
第二に、これらの細胞はミトコンドリア内の脂肪酸の酸化によって最もよく供給されるので、抗炎症性M2マクロファージの代謝にはEKDが有利である可能性がある[9,10]。M1細胞に由来するこれらの抗炎症性細胞は、ALI/ARDSのリハビリテーション期に現れ、抗炎症性サイトカイン(IL-10およびIL-1)の産生を介して肺胞腔内のプロ炎症性サイトカインを制限する[9,15]。
M2マクロファージはOXPHOS酵素を優勢に発現しており、この理由から、EKDはこれらの細胞にとって最適な燃料供給である遊離脂肪酸の利用可能性を保証する可能性がある。
第三に、グルコース負荷の調節は乳酸の産生を減少させることができるため、乳酸の過剰産生によって阻害されるIFN-Iの産生がより良好になるであろう[17]。
COVID-19の治療における最終的な代謝仮説は、潜在的な治療標的を検出することを目的とした、SARS-CoV-2に感染した宿主細胞のプロテオミクスの最近の試験管内試験研究から浮かび上がってくる。最近、Bojkovaらは、他の培養ウイルスに対して有効なエキソキナーゼ阻害剤であるデオキシ-d-グルコース解糖阻害剤を用いて解糖を標的とすると、Caco-2細胞におけるCOVID-19の複製が阻害されることを観察した[20]。解糖活性を低下させる薬剤は、COVID-19の治療薬となりうる[20]ので、KDを用いても同様の抗解糖効果が得られる可能性がある。仮説の要約を表1に示す。
表1. COVID-19におけるユーカロリック・ケトジェニック・ダイエットの仮説的効果
ウォーバーグ様効果の阻害
- グルコースの利用可能性を低下させることによるM1マクロファージ表現型の代謝低下によるCSSの変調
- 脂肪酸を燃料とした抗炎症性M2マクロファージ表現型の代謝促進
- IFN-I産生の阻害と関連した乳酸産生の減少
感染細胞における抗解糖作用によるウイルス複製の阻害
CSS、サイトカインストーム症候群、IFN、インターフェロン
COVID-19の影響を受ける肥満患者では、文献[21]に記載されている様々な食事療法モデルを考慮して、低カロリーKDを使用することも可能である。
ケトジェニックダイエットという用語は、脂肪が豊富で炭水化物が非常に少なく、脂肪とタンパク質(これは所望のカロリー摂取量に応じて変化する)および炭水化物<30g/d [21]の4:1の多量栄養素比で古典的に構成されている、さまざまな構成のさまざまなダイエットを説明する。
低カロリーKDおよび超低カロリーKD(VLCKD)は主に肥満の治療に使用されているが、EKDは難治性てんかんの治療に臨床的に使用されているが、グリオーマおよび他の疾患の治療にも治療効果を有する可能性がある[21]、[22]、[23]。これらの疾患の多くは、基礎となる代謝性疾患や慢性炎症を有しており、これらは高血糖状態と関連している[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。
仮説を支持する証拠
ケトーシスは、たとえ低酸素が高血糖を減少させても実質的な代謝シフトを引き起こさないかもしれないような高血糖と同様の代謝効果を有するとしても、同時に活性酸素産生を減少させ、内因性抗酸化能を増加させることにより、酸化ストレスから健康な組織を保護するというコンセンサスがある[27], [28], [29]。
KDは血糖値のスパイクを最小化し、マウスでは酸化ストレスを減少させ[29]、ヒトでは循環炎症性マーカーを減少させる[30]。ヒドロキシ酪酸のレベルを増加させるKDは、マクロファージ、樹状細胞nおよびミクログリアの核内因子κBを阻害し、神経炎症を減少させるGタンパク質共役型受容体であるヒドロキシカルボン酸受容体2を活性化させることができる[31]、[32]、[33]。
マウスを用いた前臨床試験では、KDは肺のγδ T細胞の増殖を促進し、バリア機能やインフルエンザAウイルスに対する抗ウイルス性を改善した[34]。
KDは肥満患者の呼吸機能の改善と関連している [35,36] VLCKDを10日間投与すると、機能的残存能力と呼気予備量に統計的に有意な改善が認められた [35]。さらに、20日間のVLCKDでは、潮汐末二酸化炭素張力が有意に低下することが示された [36]。
糖質制限は糖尿病管理において最も重要なツールであり[37]、KDはさらなる利点を提供する[23]。集中治療室(ICU)では、入院時の血糖値と死亡率との間には密接な関係があり、2型糖尿病患者だけでなく、糖尿病の既往歴のない患者(U字型になっている)でも同様の結果が得られている[38]。
文献によると、高脂質食は、ケトジェニックでなくても、人工呼吸を受けているICU患者では有益である可能性があり[39,40]、呼吸不全を改善する可能性さえある[41]。
仮説の限界
ケトーシスが起こる前に、グルコースは、最初の12時間の間にグリコーゲン貯蔵量から放出され、24時間から72時間の間にグルコジェネシス(グルコジェネティックアミノ酸から)によって放出されるかもしれない;したがって、食事療法の効果は、グリセロールがグルコジェネシスの主な基質となる72時間以降にのみ観察され得る。この考察によれば、症状の発症時に治療を開始することは、たとえ低グルコース摂取も有益であるとしても、治療の有効性の限界を示す可能性があり、より有益であるかもしれない。
第二の制限は、低酸素は、ケトジェニックダイエットによって増加する可能性のある酸化還元電位に影響を及ぼすことである。グルコースの欠如は、急性酸化的挑戦(グルタチオンおよび他の酸化チオールの急速な酵素的還元生合成、および/または免疫応答の間のスーパーオキシドの生成を打ち消すために必要な、または生理学的な酸化還元シグナルとしての不十分なNADPH/NADP+比をもたらす可能性がある[42]。
酸化的ペントースリン酸経路(PPP)は、しかしながら、限られたグルコース摂取量の条件下では、それが解糖よりも熱力学的に有利なプロセスであるため、活性なままである[42]。
TCAサイクルの反応は、脂肪およびアミノ酸の酸化により、限られたグルコース供給条件下で効果的に維持され、最小グルコース量はPPPにリダイレクトされ、細胞内の酸化還元バランスを維持することができる[42]。
さらに、KDはβ-ヒドロキシ酪酸ケトンを介して生理的な酸化還元シグナルを回復させ、ミトコンドリアの活性酸素種の産生を減少させることで酸化ストレスからの保護に貢献する[43]。
もう一つの限界は、特にKDが適応とならない糖尿病患者では、禁忌症のためにKDの使用が困難になる可能性があることである(表2)。EKDは糖尿病患者には細心の注意を払って実施することができ、多くの仮定の禁忌は信用されていない。この点、Bruciらは最近、軽度の腎不全ではKDが腎臓に悪影響を及ぼさないことを示しており[44]、肝臓の安全性についても良好なエビデンスが得られている[20]。
表2. ケトジェニックダイエットの主な禁忌
1型糖尿病
2型糖尿病を治療した。
インスリン
・スルホニルウレアの誘導体
・セクレタゴグ・ノンスルホニルウレア(すなわち、リパグリニド
・GLP-1の類似体(エクセナチド、リラグルチド、リキセナチドなど
・SGLT2阻害剤(高血糖型糖尿病性ケトアシドーシスのリスク;ダパグリフロジン、カナグリフロジン、エンパグリフロジンなど
1ヶ月以内の急性心血管系イベント
食事の成分による食物アレルギー
糖新生または低血糖食の期間に適応する能力に影響を及ぼす可能性のある代謝障害(すなわち、ピルビン酸キナーゼ欠乏症)。
妊娠と母乳育児
膵炎
肝不全
脂肪代謝の障害(原発性カルニチン欠乏症、カルニチンパルミトイル転移酵素、カルニチン欠乏症、トランスロカーゼ欠乏症など
ポルフィリアス
Liらによる最近の報告では、COVID-19感染がケトーシスおよびケトアシドーシスを引き起こす可能性が示唆されており、これらは入院期間中央値の長期化および死亡率の上昇と相関している[45]。
ケトーシスは、長時間の絶食後に観察される生理的プロセスであり、ケトン尿およびケトン血症は、1日以上の絶食後に検出可能である [46,47]。ケトン体は、絶食、飢餓、低炭水化物食(すなわちKD);激しい運動;および補償されていない糖尿病の条件下で増加する[48]。
この研究では、ケトーシス、COVID-19感染症、および臨床転帰との関係を検証するための基本となる、栄養状態、自発的な経口食物および水分摂取量、または人工的な栄養支持(非経口または経腸栄養)に関する情報は報告されていない。
ケトーシス患者の21.4%対ケトーシスなし患者の6.7%(P<0.002)が侵襲的機械換気を受けていたため、ケトーシス患者の21.4%対ケトーシスなし患者の12%(P<0.001)が消化器障害を有しており、ケトーシス患者の28.6%対ケトーシスなし患者の13.5%(P<0.007)がARDSを有していたため、ケトーシス患者はおそらく臨床状態が悪化しており、絶食していたと考えられた。
最後に、3人の糖尿病患者におけるケトアシドーシスの発症は、飢餓状態または高異化症状態の時によく見られる血糖状態のコントロール不良[49]、またはインスリン欠乏と脱水、特に低血糖薬で治療されている場合には[50]によって引き起こされた可能性がある。しかし、Liらの論文では、これらの患者における糖尿病の治療についての情報はない[45]。栄養学的および糖尿病学的データがない場合、ケトーシスとCOVID-19感染との間の因果関係を仮説化することはかなり困難である。入院時に患者がケトーシス状態であった唯一のもっともらしい理由は、COVID-19を有するARDS患者、特に集中治療または集中治療が必要な場合に頻繁に観察される、飢餓による生理的絶食状態の延長であった[51]。
我々の知る限りでは、この報告を除いて、KDによるARDSおよびCOVID-19患者の臨床状態の悪化の可能性を実際に示唆する研究は他になく、重症患者におけるKDの使用に関する試験は現在進行中である[52]。
この仮説の検証方法
この目的のために、イタリアのジェノバにあるIRCCSサンマルティーノで無作為化比較試験が開発され、地域倫理委員会に提出された(KETOCOV-1プロトコル10517)。この試験では、中等度の重症度COVID-19を有する患者を入院施設で治療する際に、自然な地中海料理を用いたEKDを用いて治療を行うことを目的としている。主なエンドポイントは、CSS、ARDS、死亡率/subintensive/ICUへの移行への進行を防ぐこと、または継続的な気道陽圧や挿管の必要性を防ぐことを試みること。