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Could Perturbation of Gut Microbiota Possibly Exacerbate the Severity of COVID-19 via Cytokine Storm?
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7868418/
Ramachandran Vignesh, 1 , 2 Chinnambedu Ravichandran Swathirajan, 2 Zaw Htet Tun, 1 Marimuthu Ragavan Rameshkumar, 3 Sunil Suhas Solomon, 2 , 4 and Pachamuthu Balakrishnan 2 , *.
序論
重症急性呼吸器症候群コロナウイルス-2（SARS-CoV-2）によるコロナウイルス病19（COVID-19）のパンデミックは、世界的な脅威であり続けている（1）。COVID-19患者も消化器症状を呈しており、重症患者の便検体からSARS-CoV-2 RNAが検出されていることが研究で明らかになっている(2-4)。未解決のままの科学的な差し迫った疑問の1つは、なぜ高齢者や基礎疾患を持つ患者が若年層よりも重症COVID-19の合併症を発症するリスクが高いのかということである。消化器症状は、SARS-CoV-2による腸内膜の乱れによる炎症性サイトカインの増悪に大きな役割を果たしている。ここでは、COVID-19の重症化とサイトカインストームの悪化につながる腸内細菌叢と腸内環境異常の役割の可能性について議論する。
腸の免疫学とマイクロバイオータ
人体には、約38兆個の細菌が生息しており、腸は最も高密度で多様なコロニーを持つ臓器であることに変わりはない(5)。腸内微生物叢は、免疫の恒常性維持に動脈的な役割を果たしている。腸関連リンパ球組織（GALT）や気管支関連リンパ球組織などの粘膜関連リンパ球組織を中心とした粘膜免疫系は、感染症に対する主要な防御ラインとして機能するため、非常に重要である(6)。GALTには、パイエルパッチ、盲腸、腸管粘膜の孤立性リンパ球小胞が含まれる。GALTの免疫細胞と腸内微生物叢との間のクロストークは、免疫系を調節するために不可欠である。調節性T細胞とエフェクターT細胞応答の間のバランスを維持するための腸内微生物産物の役割は、広範囲に検討されている(7)。さらに、短鎖脂肪酸（SCFA)繊維が豊富な食事のコメンタールの発酵産物は、CD103+樹状細胞（DC）を刺激することにより、腸管腔への活性化T細胞の効率的な移動を促進するためにも不可欠である（8）。興味深いことに、GALTからの免疫因子と細胞は、それによって呼吸器感染症に対する保護を提供することにより、様々なメカニズムを介して気管支関連リンパ組織に転送することができる（9,10）。
腸内細菌叢と比較すると、肺の微生物叢の理解は比較的少ない。いくつかの研究からの証拠は、”腸-肺軸 “として知られている腸内細菌叢と肺、間の重要なクロストークを示唆している。腸内マイクロバイオータと肺の免疫力との関連性は、多くのエビデンスで裏付けられている。腸内細菌叢の枯渇はまた、活性酸素を媒介とする細菌殺傷能力の低下を伴う肺胞マクロファージの機能障害と関連している(11)。さらに、抗生物質による腸内細菌叢の乱れと、播種性結核の可能性が高い肺のマイコバクテリウム結核菌の生存率向上との関連も報告されている(12)。腸と肺の軸は双方向性であり、腸からのエンドトキシンや代謝物などの微生物成分が血流を介して肺に影響を与え、肺に炎症が起きた場合には腸内細菌叢にも影響を与える可能性があると報告されている(13)。ある研究では、インフルエンザウイルスに曝露した後、肺由来のCCR9+CD4+ T細胞が腸に移動し、そこで腸内細菌叢の異常増殖を引き起こし、その結果、腸管損傷と胃腸炎を伴う異常なTh17応答が生じることが報告されている(14)。
免疫応答の変調における腸内微生物代謝物
腸内微生物叢の微生物代謝物、特に酪酸および酢酸などの短鎖脂肪酸（SCFAs）は、免疫および炎症反応の調節において極めて重要である（15,16）。これらのSCFAsは、腸内環境（17,18）で酸性pHとムチン産生を維持することにより、病原性微生物の増殖を抑制することができる。彼らは、漏れや転座を含むように腸の上皮の完全性を維持する上で重要である。SCFAsはまた、ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）の阻害剤として作用し、それによって効率的にTヘルパー細胞、調節性T細胞とTh17エフェクター細胞（19-22）の数と機能を高めることにより、過剰な炎症反応を妨げることができる。また、酪酸などのSCFAは、GPR43などのGタンパク質共役型受容体（GPCR）を活性化したり、NF-kB経路を阻害することで多様な抗炎症作用を発揮する（22-24）。GPR41の活性化を介して、SCFAsはCD8+ T細胞の機能を増強することが報告されており、酪酸はGPR109Aを活性化することにより、調節性T細胞およびIL-10/18産生T細胞の分化を促進することができる(25, 26)。
興味深いことに、これらのSCFAsは肺のコンパートメントでも微量で発見されており、それによって腸と呼吸器の間の可能性のあるリンクを示している(27)。研究は、SCFAsが骨髄におけるマクロファージと樹状細胞（DC）の前駆細胞の形成を支援し、また、T細胞の機能を増強することを介して、彼らは気道の炎症や呼吸器感染症に対する防御を提供することを示している（26,28）。慢性閉塞性肺疾患（COPD）の病態では、腸-肝臓-肺軸の仮説もSCFAの魅力的な役割をサポートしている。SCFA以外にも、レチノイン酸、ナイアシン、乳酸、トリプトファン、ピルビン酸、デサミノチロシンなどの腸内細菌叢の他の代謝物も、宿主免疫に役割を持つことが報告されている(25, 29-33)。
腸の不調と腸管伝染性の亢進
様々な要因により腸内細菌叢の組成に変化が生じると、正常な細菌叢が病原性の細菌叢に置き換わり、腸内細菌叢異常として知られるこの現象は多くの疾患と関連している(34, 35)。腸内細菌叢の構成の変化と呼吸器感染症との関連性が研究で示されている(36)。いくつかの研究では、敗血症やARDSの発症に腸内細菌叢が重要な役割を果たしていることが示されている(37)。
腸管バリアは、腸管内腔から全身循環への微生物やその有害物質の移動を防ぐが、腸内細菌叢の異常は腸管バリアの伝染性の増加（リーキーガット）につながる可能性がある。腸内環境異常は、それによって増加した腸の伝染性につながる酪酸などの腸内細菌由来のSCFAsの生産の減少と相関することが観察されている。これにより、特にグラム陰性菌や炎症性成分からの微生物由来のリポ多糖類（LPS）の一般循環への移動が促進され、免疫活性化と炎症反応が引き起こされる（38）。この免疫活性化は、主に、toll-like receptor 4 (TLR4)を介して起こり、免疫細胞におけるTLR4の活性化は、いくつかの臨床症状の増悪に関連する炎症過程を悪化させることが知られている。LPSによるTLR4の活性化は、インフルエンザ感染症の症例における死亡率を悪化させることが示されている(39)。
COVID-19 “サイトカインストーム “の病態生理における腸の不衛生の可能な役割
腸内マイクロバイオータの組成と多様性は、様々な要因、特に加齢によって影響を受ける。腸内細菌叢の加齢による不均衡はよく知られており、ビフィズス菌、乳酸菌、酪酸などのSCFAsを産生するバクテリアなどのプロバイオティクス株の割合が減少していることが報告されている(40-42)。同様に、加齢に関連した心血管系、腎系および代謝障害における腸内環境異常の役割を支持するいくつかの証拠がある（43,44）。
COVID-19感染の場合、65歳以上の高齢者、特に糖尿病、心血管疾患、代謝性疾患および腎疾患などの併存疾患を有する患者では、疾患の重症度および死亡率が非常に高い(4, 45-49)。免疫学的老化は、「炎症」として知られる不顕性炎症状態と関連していることが報告されており、ここではTh1免疫応答が重要な役割を果たしているが、小児ではTh2応答が多く、それによってプロ炎症性分子の産生が少なくなっている。さらに、腸内細菌叢の変化は、呼吸器感染症(36)、炎症性腸疾患(50)、うつ病(51)、2型糖尿病(52)、心血管疾患(53)、高血圧(54)と関連していることがよく知られている。
このように、高齢者やCOVID-19の基礎疾患を持つ人の死亡率が高いことから、腸内細菌叢の乱れがCOVID-19の重症度や臨床転帰に影響を与える可能性があるという仮説を示唆している(55, 56)。いくつかの研究では、COVID-19に関連した死亡率は、主に「サイトカインストーム」と呼ばれるウイルス性の過剰炎症に寄与するサイトカインおよびケモカイン産生の亢進によるものであることが示唆されている(57-59)。
前述の知見に基づき、COVID-19のような状態では、健康な腸内細菌叢は、有害となりうる過剰な炎症反応の配列を防ぐ最適な免疫反応のバランスをとるために必要なものである。このバランスは非常に重要であり、免疫反応が反応不足または過剰反応のいずれかである場合には、異なる臨床結果や結果をもたらす可能性があることを示している。
グラム陰性菌の微生物関連分子パターン（MAMP）である細菌性LPSは、炎症系の細胞を強力に活性化することができ、血漿中のLPSのレベルは、様々な条件で腸管伝染性の程度と相関することが示されている。いくつかの研究では、LPSとT細胞の活性化および「サイトカインストーム」につながる炎症性反応の上昇との関連が実証されている(60)。
ケモカインCXCL10は、炎症部位への炎症性細胞のリクルートに重要な役割を果たすことが観察されており、COVID-19誘導サイトカインストームにおけるその役割は、実験モデルと患者の両方で示されている。SARS-CoV-2に感染したK18 hACE2トランスジェニックマウスを用いたマウスモデル研究では、サイトカインストームを発症した患者の中でCXCL-10のレベルが有意に高いことが明らかになった（61）。研究では、COVID-19患者では、健康なコントロールよりもCXCL10のレベルが上昇していることが示されている。COVID-19患者では、重症度の低い患者よりも集中治療室への入院を必要とした患者の方がCXCL10レベルが高かった（57）。この知見は、COVID-19の重症度におけるLPSの役割の可能性を支持するものである。また、IL-1B、IFN-γ、CXCL-10およびCCL2のレベルの増加もTh1応答の結果として示されたことを報告した研究もある(62)。IL-6,IFN-α、IFN-γ、IL-1β、IL-12,IL-7,IL-8,IL-9,IL-10,FGF、G-脳脊髄液、GM-脳脊髄液、IP-10などのプロ炎症性サイトカインおよびケモカインのバッテリーの異常発現。また、感染者および重症者の感染例において、MCP-1,MIP-1A、MIP1-B、PDGF、IL-18,IL-33,TGF-β、VGEF、CXCL8,CXCL9,CCL2,CCL3,およびCCL5が報告されている（63,64）。
重症で致死的な肺損傷症例では高LPSレベルが観察された(65)ことから、COVID-19サイトカインストームやCOVID-19関連の微小血管合併症の発症にLPSが関与している可能性があることが示唆されており、今後調査が必要である。いくつかのCOVID-19症例における腸内細菌性腸炎は、門脈循環へのLPSの転流を促進し、それはさらに肝臓周辺部に存在するクッパー細胞を刺激し、その結果、NF-κB経路の活性化およびTNF-αおよびIFN-βの分泌をもたらすであろう（66）。この作用により、特にLPSが全身循環に到達した場合には、肝性炎症だけでなく全身性炎症を引き起こす可能性がある(67,68)。しかし、不顕性内毒素血症の場合には、その低用量のLPSは、肝炎を引き起こすのに十分ではないが、全身性の低悪性度の炎症を引き起こす可能性があり、これは、COVID-19の症例で同定されたサイトカインストームおよび微小血管合併症の効果を増強することができる。さらに、低用量LPSの内皮細胞に対するプロ炎症作用（IL-8,MCP-1)LPSの刺激作用に対する血管平滑筋細胞の高い感受性、内毒素血症とアテローム性動脈硬化症との関連性、およびLPS誘導インスリン抵抗性効果は、COVID-19症例におけるCOVID-19のサイトカインストームおよび微小血管障害を開始するための肥沃な土壌となり得るかなりの要因である（69-71）。サイトカインストームの引き金となる因子は、上述したようにLPSが誘導するCXCL10の発現によるものか、あるいは免疫系への直接的なウイルス効果によるものかもしれないが、他の概念としては、低用量のLPSが腸内毒素症を有するCOVID-19症例では血漿中を循環し、不顕性内毒素血症がCOVID-19サイトカインストームの重篤な影響を促進する補因子として作用しうるということが挙げられている。
最近の研究では、重度のCOVID-19を発症した場合に腸上皮タイトジャンクションの伝染性が有意に増加することが報告されており、それによりリーキーガットの状況が示唆されている。この研究では、消化管のタイトジャンクション伝染性の生理的メディエーターとして作用するタンパク質であるゾヌリンのレベルが急上昇していることも指摘されている。興味深いことに、ゾヌリンのレベルの上昇は、重度のCOVID-19症例では死亡率の増加のマーカーとなることが観察された。また、炎症のマーカーであるLPS結合蛋白の測定でも、重症COVID-19症例では軽症症例に比べて有意な上昇が認められた。これらの所見は、重症COVID-19と腸管伝染性および微生物転座との関連を支持するものである(72)。
SARS-CoV-2感染の腸内微生物叢への影響
腸-肺軸のクロストークは、SARS-CoV-2感染が腸内マイクロバイオータの質と組成にも影響を与えることを暗示している可能性があることは興味深い。研究では、健康な対照群と比較してCOVID-19患者の糞便細菌の豊富さと組成が変化していることが示されている。腸内細菌叢の組成のパターンは、炎症促進性サイトカインであるIL-18の発現増加と正の相関があることが明らかになった(73)。
COVID-19患者は有益な腸内細菌叢が少なく、より多くの日和見病原体を保有していることが報告されている。興味深いことに、COVID-19の重症度は日和見病原体の豊富な存在と正の相関があり、抗炎症性細菌Facealibacterium prausnitiziiの豊富な存在と負の相関があることが判明した(66)。
ある研究では、ストレプトコッカスやバクテロイデスのようないくつかの細菌の存在が炎症性サイトカインと負の相関を示し、腸内細菌叢の他のいくつかのグループと正の相関を示すことで、COVID-19患者の重症化の素因における腸内細菌叢の潜在的な役割を示唆していることが報告されている。同様に、COVID-19患者では、腸内RNAとDNAウイルス叢の摂動が報告されており、疾患の重症度は腸内細菌叢の変化と関連していることが明らかになっている(74)。
興味深いことに、最近の研究では、システムバイオロジーのアプローチを用いて50種類の腸関連血漿代謝物のレベルを解析したところ、これらの代謝物の大部分は、対照群や軽症群と比較して、重症のCOVID-19の間に調節障害が見られることが明らかになった。本研究では、腸や腸細胞機能のマーカーとして確立されているアミノ酸であるシトルリンのレベルが有意に低下したことが報告されている。また、腸内微生物異常症のマーカーとしてよく知られているコハク酸のレベルが、重度のCOVID-19では増加していることが観察された（72）。
COVID-19患者のある割合の重症化の素因について議論する一方で、腸内細菌叢とミトコンドリアのクロストークについても言及することは重要である(75)。研究では、SCFAや胆汁酸などの代謝物によって媒介される炎症性カスケードを含む様々なミトコンドリア機能に影響を与える腸内細菌叢の役割が明らかにされている。同様に、ミトコンドリアの機能は、ウイルス感染時の炎症反応につながる免疫調節により、腸内細菌叢の組成と活性を変化させる可能性がある(76, 77)。
様々な研究では、最適な免疫応答を維持し、過剰な炎症応答を防ぐためにプロバイオティクスと代謝物を投与することの役割が強調されている(31, 78, 79)。研究では、繊維質を多く含む食品によって達成されるバクテロイデテスとファーミキュートの割合が変化することによって血中のSCFAのレベルが向上したために、ウイルス感染によって引き起こされる肺の損傷が減少したことが実証されている(23, 26, 80)。
いくつかの無作為化臨床試験のメタアナリシスでは、プロバイオティクスを摂取している人は上気道感染症を発症するリスクが2倍低いことが明らかになった。また、この研究では、感染者の中で病気の重症度が有意に減少したことも報告されている(81)。成人479人を対象とした研究では、ビタミンやミネラルを含むプロバイオティクス細菌を投与することで、風邪のエピソードの期間を最小限に抑え、発熱日数を減少させることが実証された(82)。1,783人の学童を対象とした別の研究では、乳酸菌を摂取するとインフルエンザウイルスによる呼吸器感染症の発症率が減少することが示された(83)。プロバイオティクス細菌はまた、呼吸器ウイルス感染症に対するワクチンの反応を高めることが示されており、最近の研究では、腸内細菌叢のバランスを維持することがCOVID-19患者にとって有益であり、免疫状態の改善による回復を助ける可能性があることを示唆する、この方向性が指摘されている(10, 84, 85)。
興味深いことに、腸内細菌叢が変化したもう一つの論理的な理由は、COVID-19の管理において抗生物質が広範囲に使用されていることである可能性がある(86)。抗生物質は腸内細菌叢の異常を引き起こし、新たな感染症や炎症性疾患への感受性を高める。
したがって、腸内細菌叢が宿主の免疫応答および炎症応答を調節する潜在的なメカニズムを理解することは、COVID-19誘導サイトカインストームの病因の理解に関する洞察を提供し、これらの微生物叢を標的とした介入に光を当てることになるかもしれない。最近の中国の研究では、COVID-19がより重篤なステージに進行することを予測するための血中プロテオミクスリスクスコア（PRS）の構築が示された。本研究では、腸内細菌、PRSとCOVID-19の重症度との間に強い関連性があることが明らかになった。さらに、約301人の未感染者のサブグループを3年間にわたって分析したところ、腸内細菌叢の変化がPRSに反映される前に起こったことが観察され、腸内細菌叢の異常がタンパク質の変化につながるのであって、その逆ではないことが示された(56)。ある研究では、入院したCOVID-19患者の間で、プロバイオティクス細菌のレベルが低下し、有益な共生体の割合が低く、日和見病原体の割合が比較的高いという腸内細菌叢の異常が報告されている(66, 87)。興味深いことに、腸内マイクロバイオータの組成におけるこれらの変化は、疾患の重症度と相関していることが観察された。図1は、サイトカインストームによる重症化COVID-19につながる腸内細菌叢の摂動という提案された仮説を模式的に表したものである。
図1 サイトカインストームによる重度のCOVID-19につながる腸内細菌叢摂動の仮説の提案を模式的に示したもの
結論
前述したように、免疫-腸の相互作用はバランスがとれており、双方向性であるため、炎症の増加は、細菌の毒素および代謝物の全身循環への移動を可能にするリーキー腸につながる可能性がある。これはCOVID-19患者の敗血症状態をさらに悪化させる可能性がある。以前の研究では、敗血症と多臓器不全を伴う腸管伝染性の亢進との関連が実証されている(88,89)。腸管の完全性の低下による微生物の転座は二次感染を引き起こし、腸管から肺への細菌の転座は敗血症および急性呼吸窮迫症候群につながる可能性がある（37）。研究では、腸と呼吸器の間の関連性、および免疫応答の協調的な調節と呼吸器に影響を与える腸内微生物叢内の生物学的異常が実証されている(90)。同様に、腸-肺軸を介して、肺で呼吸器感染症を引き起こすウイルスは、全身循環を介して他の臓器に移動することが知られている。このことは、腸内細菌叢の乱れが免疫の恒常性を乱し、COVID-19患者のサイトカインストームを悪化させるという仮説を支持するものである。