SARS-CoV2感染時のサイトカインストームにハイパーサーミア(温熱療法)媒介のヒートショックファクター(HSF)/ヒートショックプロテイン(HSP70)70経路は影響を与えるか?

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Can the hyperthermia-mediated Heat Shock Factor (HSF) /Heat Shock Protein (HSP) 70 pathway dampen the cytokine storm during SARS-CoV-2 infection?

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33314076/

初版: 2020年12月11日

ランニングタイトル:ヒートショックとHSP70がSARS-CoV2介在性サイトカインストームに与える影響

Cédric Rébé1,*, François Ghiringhelli1, Carmen Garrido2

1 癌生物学におけるトランスファーのプラットフォーム、センタージョルジュ・フランソワ・ルクレール、INSERM LNC UMR1231,ブルゴーニュ・フランシュ・コンテ大学、F-21000,フランス、ディジョン。

2 INSERM LNC UMR1231,ブルゴーニュ・フランシュ・コムテ大学、センター・ジョルジュ・フランソワ・ルクレール、F-21000,ディジョン、フランス

novapublishers.com/shop/hsp70s-discovery-structure-and-functions/

要旨

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は、世界的な公衆衛生上の大きな問題である。SARS-CoV-2ウイルスによる感染は,「サイトカインストーム」などの多くの病態生理的プロセスを伴い,患者の管理や治療に新たな視点を提供している.ここでは、ハイパーサーミアを媒介とするHSFs/HSP70が治療手段の一つとして考慮されるべき関連情報を提案する。

SARS-CoV-2の病因

2019年末、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)という名前の新しいコロナウイルスファミリーが出現し、コロナウイルス感染症(COVID-19)の原因となっている。当初、このウイルスは 2002年のSARS-CoVまたは2014年の中東呼吸器症候群-CoV(MERS-CoV)のようなコロナウイルスの以前の伝染病よりも危険性が低いように思われた(Coperchini, Chiovato, Croce, Magri & Rotondi, 2020)。これまでのコロナウイルスとは対照的に、SARS-CoV-2は感染力が強い。人口の85%にとっては無害であるが、COVID-19は、脆弱な(例えば、高齢者、免疫抑制、または併存疾患)患者においては、生命を脅かす可能性がある。COVID-19は、すでに世界中で多数のヒトの死亡をもたらしており、世界的な公衆衛生上の大きな懸念を示している。臨床家、研究者、疫学者による観察により、SARS-CoV-2感染のさまざまな段階、臨床症状の発現、そして時には致死性についての理解が広がっていた。感染段階は、アンジオテンシン変換酵素2(ACE-2)受容体に依存しているようであり、特に気道上皮細胞および内皮細胞に発現している(Li, Liu,Yu,Tang & Tang, 2020)。その後、無症状または低症状の段階が始まり(発熱)次いで軽度の症状の段階(発熱、息切れ、胸部画像異常)そして最後に重度の段階(急性呼吸窮迫症候群(ARDS)および高炎症)となり、これは患者にとって潜在的に致死的な可能性がある(Nile,Nile,Qiu,Li,Jia & Kai,2020)。このように、SARS-CoV-2は肺以外の組織にもダメージを与え、「サイトカインストーム」という形での高炎症を伴うという知見は、このウイルスに感染した患者の管理および治療のための新たな視点を提供している。

サイトカインストーム

サイトカインストームは、免疫系の過剰活性化の結果であり、様々な炎症性プロサイトカイン/ケモカインの放出の増加につながる。従って、大量のサイトカインが患者の血液中で測定されている。これらのサイトカインの中で、最も一般的に記載されているのは、インターロイキン(IL)-1β、IL-6,腫瘍壊死因子(TNF)α、インターフェロン(IFN)γまたはIL-10である(Ciavarella、Mottta、Vallente&Passkineli 2020年。Coperchini, Chiovato, Croce, Magri & Rotondi, 2020; Jose & Manuel, 2020; Kuppalli & Rasmussen, 2020; Nile, Nile, Qiu, Li, Jia & Kai, 2020; Pedersen & Ho, 2020; Rothan & Byrareddy, 2020; Sun er al)。 , 2020). サイトカインストームは、血液中の異常な炎症反応を持続させ、免疫系を駆り立てて肺などのいくつかの臓器で身体を攻撃する。これにより、肺胞-毛細血管膜の損傷、肺透過性、ARDS、多臓器不全を引き起こし、最も重篤なケースでは死に至る。

このサイトカインストームを理解し、臨床症状を軽減し、死を予防するためには、このサイトカインストームを緩和する新しい治療法を見つける必要があることは明らかである。この文脈では、いくつかの臨床試験が進行中であり、例えば、抗IL-6トシリズマブ、抗IL-1βアナキンラ、またはTNFブロッカーの使用を試験している(Ye, Wang & Mao, 2020)。しかしながら、上述したように、サイトカインストームには多数のサイトカインが関与しており、最も効率的な効果を得るためには、大多数のプロ炎症性のものを中和しなければならない。したがって、臨床家は、多くのサイトカインを同時に標的とする一般的な治療法を必要とする。

HSFs/HSPs

サイトカインストームを標的とする可能性のある戦略の一つとして、ハイパーサーミアが考えられる。ハイパーサーミアまたはヒートショックとは、体温を40-42℃(104-108°F)の範囲で1~2時間上昇させるこだ。細胞内では、それは熱ショック因子 (HSF)-1/2,異なる遺伝子の発現につながる転写因子の誘導を可能にする、特に熱ショックタンパク質 (HSPs) のこと。それらの中でも、HSP70ファミリー(HSP1A1,HSPA1B、HSPA1L、HSPA4,HSPA6,HSPA8,HSPA9)は、ヒト細胞における熱ショック後に最も顕著に増加することが再現性よく示されている(Kovacs et al 2019; Mahat、Salamanca、Duarte、Danko & Lis 2016; Richter、Haslbeck & Buchner 2010)。したがって、ここでは、サイトカインストームに関与するサイトカインに対するHSF-1/2およびHSP70の可能な影響に関心を集中する。

サイトカインストームに対するHSFおよびHSP70の潜在的な影響

サイトカインの産生は、転写経路だけでなく、プロテアーゼ活性化プログラムによってもオーケストレーションされる(図1)。

サイトカイン転写への影響

サイトカイン合成につながる転写経路は、ほとんどの場合、核内因子κB(NF-κB)に依存しており、この核内因子κBは、細胞膜に局在するそれらの受容体上のリガンド、例えば、トール様受容体(TLR)TNFRまたはIL-1Rのような受容体上のリガンドの関与によって活性化されることができる。HSFおよびHSP70は、異なるレベルで作用することにより、いくつかのサイトカインの産生を阻害する能力を有することが報告されている。

HSP70は、HSF-1がTNFAプロモーターに結合する能力を増加させ、これは、単球によるリポ多糖(LPS)媒介のTNF-αの産生を減少させる(Ferat-Osorio et al 2014)。逆に、LPSまたは細菌感染に曝露されたHsf1欠損マウスは、野生型マウスと比較して、TNF-α、IFNγ、IL-1β、IL-6およびIL-10の産生が増加している(Barber et al 2014;Murapa、Ward、Gandhapudi、Woodward & D’Orazio 2011)。潰瘍性大腸炎患者において、HSF-2の血中レベルは、疾患の重症度における2つの主役であるIL-1βおよびTNF-αレベルと相関している。さらに、結腸癌細胞においてHSF-2発現がダウンレギュレートされると、IL-1βおよびTNF-αのLPS誘発産生が増強される(Miao et al 2014)。

ヒートショックは、HSF-1依存的であるがHSP70非依存的な方法で、マウス骨髄系細胞におけるTNF-αおよびIL-6産生を減少させることができる(Mortaz et al 2006)。ヒトマクロファージにおけるヒートショックおよびHSP70の過剰発現は、IL-6に影響を与えることなく、LPSおよび細菌によるTNF-α、IL-1,IL-10およびIL-12の産生を損なう(Ding, Fernandez-Prada, Bhattacharjee & Hoover, 2001)。一貫した結果は、マウスマクロファージにおいて観察され、HSP70過剰発現は、LPS誘発性のTNF-α、IL-1βおよびIL-6の産生を減少させることが示された(Muralidharan, Ambade, Fulham, Deshpande, Catalano & Mandrekar, 2014)。これらの研究は、関与するメカニズムを探求していなかった。しかし、他の研究は、NF-κBに対するHSP70の効果の暗示を提案した。HSP70の過剰発現を許容するアデノウイルスに感染したラット、またはハイパーサーミアに曝露されたラット、またはHSP70を過剰発現させるためにヒートショックに供されたマウスマクロファージにおいて、NF-κBの阻害剤であるIκBは分解されず、NF-κBの核再局在化を防止し、ひいてはLPS誘発性TNF-α、IL-6またはIL-1β発現を阻害する(Chen, Kuo, Wang, Lu & Yang, 2005. Dokladny, Lobb, Wharton, Ma & Moseley, 2010; Shi er al)。 , 2006). 提案されている別のメカニズムは、TLRsおよびIL-1R伝達経路のメンバーであるTumor necrosis factor receptor-associated factor 6 (TRAF6)と直接相互作用することにより、LPS誘導NF-κB活性化を阻害するHSP70の能力を含む(Chen et al 2006)。ウイルス感染の文脈において、ヒートショックは、H5N1感染マウスにおいてIL-6,TNF-α、IFNβおよびIFNγ産生を減衰させることができることが示された(Xue et al 2016)。

HSF-1はまた、CCAATエンハンサー結合タンパク質(C/EBPβ)と相互作用して、LPSで処理されたヒト単球におけるIL-1Bの転写を抑制することができる(Xie, Chen, Stevenson, Auron & Calderwood, 2002)。同様に、HSP70はまた、マウス樹状細胞におけるC/EBPβおよびC/EBPδレベルを減少させることができ、TNF-α、IFNγおよびMCP-1の産生の減少につながる(Borges、Lopes、Pinho、Machado、Souza & Bonorino 2013)。

しかしながら、CD4+およびCD8+ T細胞では、HSP70は曖昧な効果を有し得る。CD8+ T細胞において、HSP70は、TLR4(NF-κB活性化に関与する受容体の1つ)の発現を減少させることができ、IL-10の増加およびIFNγ産生の減少をもたらす(Ghosh, Sinha, Mukherjee, Biswas & Biswas, 2015)。CD4+ Treg細胞のHSP70への曝露は、IFNγおよびTNF-αの産生を減少させるが、IL-10およびTGFβの産生を増加させる(Wachstein et al 2012)。

プロテアーゼ媒介サイトカイン産生に対する効果

上記のサイトカインは、IL-1β以外はすべて活性型で合成されている。実は、IL1B遺伝子はプロIL-1βという不活性型に翻訳されている。プロIL-1βが活性型になるためには、プロIL-1βを切断する必要がある。この成熟を担う主な構成要素は、インフラマソームと呼ばれる多タンパク質複合体である。いくつかのタイプの刺激に応答して、それらはカスパーゼ-1の活性化を可能にし、それによってプロ-IL-1βがIL-1βに切断される(Chevriaux er al)。 インフラマソームはまた、ウイルスによって活性化され得る(Hayward, Mathur, Ngo & Man, 2018)。したがって、インフラマソームを阻害することは、IL-1βの産生を阻害することになる。インフラマソームに対するHSPの効果は、最近レビューされた(Martine & Rebe, 2019)。我々は、マウスにおけるHSP70の非存在が、生体内試験および試験管内試験でのIL-1β産生の増加をもたらし、一方、ヒートショックまたはHSP70の過剰発現がIL-1β産生を阻害することを示した。HSP70のこの効果は、インフラマソームの構成要素であるNODロイシンリッチリピートおよびピリン含有タンパク質3(NLRP3)との相互作用によるものである(Martine et al 2019)。ミエロイド細胞において、HSF-1はまた、NLRP3転写の抑制因子であるβ-カテニンを活性化することができ、それによってカスパーゼ-1活性化およびIL-1β成熟の阻害につながる(Yue et al 2016)。

別の可能性としては、プロIL-1βが好中球エラスターゼなどのプロテアーゼによって細胞外で切断されることが考えられる(Afonina, Muller, Martin & Beyaert, 2015)。HSP70が気管支上皮細胞における好中球エラスターゼ媒介細胞傷害を減少させることが示されたので、このようなレベルでのHSP70の可能性のある効果は考えられる(Ito er al)。

最後に、ヒートショックとHSP70がNLRP3インフラマソームに及ぼす影響は、他のサイトカインの産生に及ぼす影響を説明することができるかもしれない。実際、バクテリアによるインフラマソームの活性化は、カスパーゼ-1の活性化(時にはカスパーゼ-11/4/5の活性化も)とピロプトーシスによる細胞死を誘発する。このような細胞死は、炎症性カスパーゼがガスデルミンD(GSDMD)を切断することで可能になる。切断されたGSDMDは、リング状構造にオリゴマー化して膜孔を形成する(Evavold, Ruan, Tan, Xia, Wu & Kagan, 2018)。これらの細孔は、IL-1β(ただし、大きすぎるプロIL-1βではない)のような低分子の出口を可能にする。他の分子、例えば、IL-6,単量体TNF-α、IFNγまたはIL-10など、すべてが20kDaよりも小さい分子もまた、出てくる可能性がある。これは、ストレプトコッカス・スイスに感染したNlrp3欠損マウスがより少ないIL-1β、TNF-αおよびIFNγを産生することを示す最近の研究によって示唆された(Lin et al 2019)。

治療的観点

したがって、HSPおよびHSFの発現レベルは、SARS-CoV-2関連サイトカインストームに苦しむ患者にとって重要であるかもしれない。ヒトにおいて、HSF-1(Bridges et al 2015)およびHSP70(Boiocchi et al 2014;Klausz et al 2005;Pablos、Carreira、Martin-Villa、Montalvo、Arnaiz-Villena & Gomez-Reino、1995)のためのいくつかの一塩基多型(SNP)が存在し、それらの発現および/または機能に影響を及ぼす可能性がある。これらのSNPのいくつかは、多発性硬化症、クローン病または全身性エリテマトーデスのような炎症性疾患と関連することが示された(Boiocchi et al 2014;Klausz et al 2005;Pablos、Carreira、Martin-Villa、Montalvo、Arnaiz-Villena & Gomez-Reino、1995)。これらのSNPとSARS-CoV-2患者のサイトカインストームの強さとの関連は、今後の研究のための興味深い道筋となるであろう。

SARS-CoV-2に関連して、HSFs/HSPsを誘導する手段としてのハイパーサーミアを検証しなければならない。我々は、マウス上で全身ハイパーサーミアを使用してIL-1β効果を阻害できることを示した(Pilot et al 2020)。ヒトでは、治療用ハイパーサーミアが以前に記述されており、局所的に、局所的に、または全身に適用することができる(Habash, Krewski, Bansal & Alhafid, 2011)。全身の温熱療法を検討するのは難しいように思われる。しかしながら、癌治療において、いくつかのプロトコルが局所的に試験され、例えば、温熱腹腔内化学療法(HIPEC)(Gelli et al 2018;Lavoue et al 2019)または深部局所装置(Franckena et al 2009;Overgaard et al 1996;Pennacchioli, Fiore & Gronchi 2009)を使用した最近の臨床研究では、股関節変位の外科的治療後の患者において、温熱ブランケット(38℃)を使用して炎症性サイトカインを減少させることができることが示された(He, Liu, Wen & Wu, 2020; Petta et al 2016)。炎症性または感染性の病態において、高熱療法は、ラットの敗血症誘発性急性肺損傷において有望な効果を有することが示された(Villar, Ribeiro, Mullen, Kuliszewski, Post & Slutsky, 1994)。HSP70発現を誘導するために使用されるグルタミンまたはHSP90阻害剤17-デメトキシゲルダナマイシンまたはゲラニルゲラニルアセトンは、ラットの敗血症後の肺損傷および横隔膜障害を減少させた(Masuda, Sumita, Fujimura & Namiki, 2003; Singleton, Serkova, Beckey & Wischmeyer, 2005; Wang et al 2016)。これは、HSP70を欠損した老齢マウスの雄は、WT動物よりも敗血症に敏感であることを記載した研究(McConnell et al 2011)と一致している。敗血症性ショックモデルでは、発熱反応により羊の呼吸機能が改善され、血中乳酸濃度が低下し、生存時間が延長された(Su, Nguyen, Wang, Cai, Rogiers & Vincent, 2005)。ヒトでは、解熱剤がウイルス感染や敗血症後の患者の転帰に有害な影響を与える一方で、発熱には有益な効果があることがいくつかの研究で示されている。しかし、高熱は、有益な効果が病気の重症度を損なうために失われる可能性があるので、厳密に制御する必要がある(Hasday, Shah, Mackowiak, Tulapurkar, Nagarsekar & Singh, 2011)。ヒトでのこのような治療法を検討する前に、マウスのサイトカインストームおよび回復に対するハイパーサーミアの影響を評価するためには、さらなる実験が必要である。これを行うために、ポリ(I:C)およびSARS-CoV-2スパイクタンパク質マウス感染、またはオープンリーディングフレーム(ORF)SARS-CoV2アクセサリータンパク質を有する細胞のトランスフェクションなど、いくつかのモデルを使用することができる(Shi、Nabar、Huanu&Keahrl 2019;Siu et al 2019)。HSP70は細胞によって(遊離またはエキソソーム内で)放出されるので、HSP70の循環レベルを測定することは、患者のための適切なハイパーサーミア条件を定義するのに役立つかもしれない(Chalmin et al 2010; Gobbo et al 2016)。

提案されている薬物の中で、コルチコステロイドは、患者にとって真の利益を提示する(Group et al 2020)。HSP70は、グルココルチコイド(GC)の固定を可能にするためのグルココルチコイド受容体(GR)の折り畳みに関与している(Petta et al 2016)。一つは、HSP70の増加した発現がGC-GRシグナル伝達を改善することを推測することができる。GRは、HSP70/HSF1と同様に、NF-κBを阻害することによりサイトカイン産生をブロックするので、GCと高熱の関連は、補助的な効果を持たないかもしれない(Petta et al 2016)。しかしながら、GCは、NLRP3フラナソームに対して両義的な効果を有することが示された(Busillo, Azzam & Cidlowski, 2011; Yang et al 2020)。したがって、特にSARS-CoV2感染において、ハイパーサーミア/HSP70とGC-GRの間のクロストークを理解するためには、さらなる研究が必要である。

結論

ウイルス感染では、HSPは様々なレベルで役割を果たすことが知られているシャペロンである。ウイルスと相互作用することにより、それらは、細胞の侵入および核の輸入、ウイルスの複製および遺伝子発現、ウイルスタンパク質の折り畳み/集合、アポトーシスの調節、および宿主免疫を含むウイルス感染を調節することができる。また、それらは、抗原提示細胞による交差提示のための有効なキャリア分子でもある(Bolhassani & Agi, 2019)。したがって、HSP、特にHSP70は、感染因子に対する自然免疫応答および適応免疫応答の発現を増強することができる(Oglesbee, Pratt & Carsillo, 2002)。最近の出版物(Heck, Ludwig, Frizzo, Rasia-Filho & Homem de Bittencourt, 2020)と一致して、我々はここで、炎症性サイトカインの産生におけるHSFs/HSP70の追加的な役割の可能性を提案する。しかし、SARS-CoV-2感染および宿主応答におけるそれらの役割はまだ明らかにされていない。

ターゲットとリガンドの命名法

本論文の主要なタンパク質標的およびリガンドは、IUPHAR/BPS Guide to PHARMACOLOGY (Harding et al 2018)のデータの共通ポータルである www.guidetopharmacology.org の対応するエントリにハイパーリンクされており、Concise Guide to PHARMACOLOGY2019/20 (Alexander et al 2019)に永続的にアーカイブされている。

謝辞

原稿を丁寧に読んでくださったFiona Ecarnot, PhD (EA3920, University of Franche-Comté, Besancon, France)に感謝する。

利益相反

著者は利益相反を宣言しない。

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