COVID-19 ACE2/ADAM17プロテアーゼ

強調オフ

ACE2・他COVIDメカニズムSARS-CoV-2

サイトのご利用には利用規約への同意が必要です

ACE2/TMPRSS2経路を介したSARS-CoV-2の侵入阻害:COVID-19薬物療法の早期発見に向けた有望なアプローチ

Inhibition of SARS-CoV-2 entry through the ACE2/TMPRSS2 pathway: a promising approach for uncovering early COVID-19 drug therapies

link.springer.com/article/10.1007%2Fs00228-020-02963-4

ADAM-17エンハンサー

ADAMs (A Disintegrin And Metalloproteinase) は、膜貫通型および分泌型のタンパク質のファミリーである。ADAMsは、タンパク質の処理、インテグリン受容体との相互作用、およびシグナル分子との相互作用を含む様々な細胞プロセスに関与している。特に、このファミリーの1つであるADAM-17は、TNF-α変換酵素としても知られており、増殖から遊走に至るまで、ほぼすべての細胞イベントの不可欠な調節因子であると考えられている[39, 40]。ADAM-17は、気管支上皮細胞、血管平滑筋細胞、肺のマクロファージを含む様々な組織で広く発現している。ADAM-17の機能は、ACE2を含む様々な膜貫通タンパク質のエクトドメインを切断することである。このことから、ADAM-17は薬理学的操作のための魅力的な標的となる。なぜなら、ADAM-17を刺激するとACE2の脱落が増加し、その結果、可溶性ACE2エクトドメインのレベルが高くなり[5]、SARS-Cov-2の感染性が低下する可能性があるからである。

ADAM-17の薬理学的アップレギュレーションに関するいくつかの証拠が出現している。エストラジオールは、ヒト非小細胞肺癌においてADAM-17の発現およびタンパク質レベルを増強することが示された[41]。COVID-19患者で確認された場合、この所見は女性のACE2排出量が多いことを示唆しており、SARS-CoV-2感染率とCOVID-19重症度の経過に明らかに存在する女性に有利な性差の部分的な説明を提供するものである。これは、COVID-19に対する良好な予防および治療戦略として、共役エストロゲンによるエストロゲン受容体活性化の潜在的な役割について既に述べた仮説と一致している[29]。

また、抗代謝物として広く使用されている抗悪性腫瘍剤である5-フルオロウラシル(5-FU)は、大腸がんモデルにおいて、試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)でADAM-17を急性に活性化することが報告されている[42]。

link.springer.com/article/10.1007%2Fs00228-020-02963-4

ACE2:COVID-19の重症・重症の病態生理を理解する鍵となる分子 悪魔か天使か?

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7290508/

要旨

近年、SARS-CoV-2誘発性疾患COVID-19が世界中に蔓延している。患者の20%近くが重症化または重症化している。SARS-CoV-2はACE2を利用して宿主細胞に侵入する。

ACE2は、血圧と体液バランスを調節するレニン-アンジオテンシン-アルドステロン系(RAAS)において重要な役割を果たしている。また、ACE2は炎症性の傷害から臓器を保護し、腸の機能を調節する。ACE2は、ADAM17とTMPRSS2という2つのプロテアーゼによって排出される。

TMPRSS2が溶出したACE2はSARS-CoV-2細胞の侵入を可能にし、ADAM17が溶出したACE2は臓器を保護する。SARS-CoV-2感染に起因するACE2の機能不全は、COVID-19を悪化させ、多臓器不全を引き起こす可能性がある。

ここでは、COVID-19の重症化・重症化におけるACE2の役割を説明し、その制御法について考察する。

1. はじめに

2019年12月以降、新型コロナウイルス(重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2、SARS-CoV-2)を誘発する病気「COVID-19」が地球上で急速に広がっている。

ジョンズ・ホプキンス大学(JHU)のCenter for Systems Science and Engineering(CSSE)によるCOVID-19 Dashboardに示されているように、これまでに全世界で270万3,615人が感染し、190,490人の死亡が確認されている[1]。

72,314例を基にした報告書によると(検査確定例。中国疾病管理予防センターの報告によると、COVID-19患者の81%が風邪様症状と軽度の肺炎、14%が重度の呼吸器炎症、5%が呼吸不全、敗血症性ショック、および/または多臓器機能障害・不全を含む重篤な状態となっている。死亡率は2.3%(重症例では49.0%)である[2]。

重症化率や重症化率は季節性インフルエンザよりもはるかに高いため、病態生理を理解した上で対策を練ることが重要である。

SARS-CoV-2は、エンベロープから突出したスパイクタンパク(Sタンパク質)が冠状に見えるポジティブセンス一本鎖RNAウイルスである。

SARS(重症急性呼吸器症候群、2002~2003)コロナウイルス(SARS-CoV)[3]と同様に、SARS-CoV-2は、主にSタンパク質を用いて、レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系(RAAS)で重要であることが知られている酵素ACE2を介して宿主細胞に侵入する[4,5]。

2. ACE2のプロフィール

ヒトアンジオテンシン変換酵素関連カルボキシペプチダーゼACE2は、染色体Xp22にマップするACE2遺伝子によってコードされている[6]。ACE2はI型の膜貫通型タンパク質であり、カルボキシペプチダーゼ部位を含む細胞外重度N-グリコシル化N末端ドメインと細胞内C末端の短い細胞質テールで構成されている[7]。N末端ペプチダーゼドメインは、SARS-CoV結合部位でもある[8]。

ACE2タンパク質には、細胞型(膜結合型)と循環型(可溶性)の2つの形態がある。

細胞型ACE2タンパク質は、小腸の肺細胞や腸球に豊富に発現している完全長タンパク質である[9]。ACE2は心臓、腎臓、脳などの他の臓器の血管内皮細胞にも発現している。しかし、脾臓、胸腺、リンパ節、骨髄、免疫系の細胞(BおよびTリンパ球、マクロファージを含む)にはACE2は存在しない[10,11]。

循環中のACE2(N末端ペプチダーゼドメインを持つ)は、メタロプロテアーゼADAM17によって細胞膜上の全長ACE2から切断され、細胞外環境に放出される [7]。

タイプII膜貫通型セリンプロテアーゼであるTMPRSS2は、ACE2の脱離のためにADAM17と競合するが、ACE2は異なる形で切断されることが判明した。ADAM17とTMPRSS2の両方がACE2から短いC末端フラグメントを除去する。

アミノ酸652から659に含まれるアルギニンとリジン残基はADAM17の脱離に重要であるのに対し、アミノ酸697から716に含まれるアルギニンとリジン残基はTMPRSS2の脱離に不可欠である。TMPRSS2による切断のみが、SARS-CoV細胞の侵入を増大させる結果となる [12,13,14,15]。

SARS-CoVが標的細胞に侵入するには、エンドサイトーシスと、ウイルス膜と標的細胞の膜との融合という2つの方法がある。

TMPRSS2の助けを借りて、ACE2のADAM17制御されたエクトドメインの脱落は、エンドサイトーシスを介してSARS-CoV細胞の侵入を誘導することができる[7,12]が、融合を介したSARS-CoV細胞の侵入にはADAM17活性は必要ではない[12]。

N末端ドメインがコロナウイルス結合部位であるため、循環するACE2もウイルスに結合している。

岩田吉川らは、野生型(WT)マウスとTMPRSS2ノックアウトマウス(KO)の両方をSARS-CoVに感染させた。その結果、SARS-CoVに感染したTMPRSS2ノックアウトマウスでは、WTマウスと比較して、肺胞損傷が非常に軽く、サイトカインの放出が少ないことが明らかになった[17]。

最近、2つの研究グループは、SARS-CoV-2の細胞内侵入もTMPRSS2-shhed ACE2に依存していることを示した[4,5]。TMPRSS2は、大集団の上皮細胞(前立腺>結腸>小腸>膵臓>腎臓>肺>肝臓)で高発現し、アンドロゲンによってアップレギュレートされる[18,19]。ヒトの呼吸器および腸の細胞では、10%未満の細胞(肺Ⅱ型肺細胞、回腸吸収性腸球、鼻杯分泌細胞を含む)がACE2およびTMPRSS2を共発現している[20]。

この証拠は、SARS-CoV-2感染の成功には細胞性ACE2およびTMPRSS2が必要であり(図1)、男性性ホルモンが宿主の感染性に寄与する可能性があることを示している(最近の臨床研究では、COVID-19入院患者191人のうち62%が男性であり、非生存者では70%が男性であったことが報告されている[21])。

対照的に、主要な脱落酵素であるADAM17-脱落ACE2(循環ACE2)は、ウイルス感染から肺を保護すると考えられている[12]。

証拠は、TMPRSS2の発現がACE2のADAM17脱落を阻害することを示している[12]。しかし、TMPRSS2がSARS-CoVまたはSARS-CoV-2感染時に、どのようにしてADAM17を超越してACE2を切断するのかは不明である。

An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is viruses-12-00491-g001.jpg

図1 ACE2の脱落とSARS-CoV-2侵入の仮説。

細胞内のACE2、ADAM17、TMPRSS2はすべて細胞膜上に発現している。ADAM17によって流された後、可溶性ACE2はその全長形態から放出され、Ang IIシグナル伝達の効果を打ち消す。

あるいは、細胞性ACE2はまた、TMPRSS2によって放出され、これはSARS-CoV-2-細胞膜融合をもたらす。その後、SARS-CoV-2RNAが細胞質に放出され、ウイルス複製が効率的に処理される。

可溶性ACE2にはウイルス結合部位が含まれているため、ウイルスと結合することも可能である。しかし、細胞内環境がなければウイルスの複製はできない。

3. ACE2の機能

ACE2はヒトACEの近縁の相同体である[22,23]。よく知られているように、ACEはアンジオテンシンI(Ang I)を切断してAng IIに変換する。Ang II は Ang II 受容体 1 (AT1) に結合し、心血管系における多くの全身的および局所的な作用(血管収縮、線維化、塩分保持の促進など)を媒介する(図 2)。

RAASでは、ACE2はACEとは逆の役割を果たす。ACE2はAng IからAng-(1-9)へ、Ang IIからAng-(1-7)への変換を触媒する。基質であるAng II上でのACE2の変換効率はAng I上での変換効率の400倍である[24]。

Ang-(1-7)はGタンパク質共役型受容体Masに結合し、血管弛緩作用、心保護作用、抗酸化作用[25]、抗炎症作用[26]、Ang II誘導シグナル伝達の阻害[27,28]などの様々な作用を媒介している。

ACE2-Ang-(1-7)軸は、心血管障害における重要な治療標的と考えられている[29]。大規模コホート研究では、循環ACE2は534人の被験者のうち40人の血清中にしか検出されず、その濃度は循環ACEの約100倍であったことが示された[30]。

さらに、1型または2型糖尿病、高血圧、心不全、慢性腎臓病の患者では、循環ACE2が増加することが示された[31,32,33]。これらの患者でACE2のレベルが高い理由は、ACE2の増加がAng IIの有害作用に対抗するための防御反応であるからである。

Ang II-AT1受容体シグナリングも自己免疫応答を促進することから、ACE2はAng-(1-7)-Mas軸を介して免疫機能を制御している可能性がある[34,35]。

An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is viruses-12-00491-g002.jpg

図2 レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系(RAAS)におけるACE2の役割。

アンジオテンシノーゲンは肝臓で産生され、血液中に放出される。腎上糸球体装置から分泌されるレニンは、アンジオテンシノーゲンを切断してアンギオテンシノーゲンをアンギオテンシノーゲンからアンギオテンシノーゲンに変換する。

Ang IIはAT1とAT2の両方の受容体に結合し、血圧と炎症を調節する。Ang IIの作用のほとんどはAT1受容体を介して起こる。

一方、細胞性ACE2はADAM17によって切断される。ACE2の活性型が細胞外環境に放出された後、ACE2は、Ang IをAng-(1-9)に、Ang IIをAng-(1-7)に変換する。

ACEはまた、Ang-(1-9)をAng-(1-7)に変換する。Ang-(1-7)はMas受容体に結合し、Ang IIの逆の作用を媒介する。

遺伝的ACE2欠損は、炎症性メディエーターのアップレギュレーション、前炎症性刺激に対する炎症反応性の亢進、およびAng II誘発の心臓および大動脈リモデリングの亢進と関連している[36,37]。

ACE2の抗炎症作用は、主にACE2-Ang-AT1活性に対してACE2-Ang-(1-7)軸を介して発揮される[38]。

 

ACE2はRAASに依存しない機能も持っている。腸内では、細胞性ACE2(循環性ACE2ではない)がアミノ酸の吸収と腸内細菌バランスを調節して腸内炎症を軽減する[39]。

細胞性ACE2は、腸管上皮細胞における中性アミノ酸トランスポーターB0AT1の発現に必要である[40]。

ACE2-B0AT1複合体がない場合、中性アミノ酸のバリン(Val)、スレオニン(Thr)、チロシン(Tyr)、必須アミノ酸のトリプトファン(Trp)の血清レベルが著しく低下し、ACE2ノックアウトマウスでは重度の腸内炎症と微生物の不均衡が生じた。

また、Trpやニコチンアミド(Trpの代謝産物)を投与することで、抗菌ペプチドα-デフェンシンの発現が増加し、上記の腸内微生物アンバランスや炎症を逆転させる可能性があることが示唆された。

構造モデリングにより、ACE2-B0AT1複合体がSARS-CoV-2のSタンパク質に同時に結合する可能性が示唆された[41]。腸内の細胞性ACE2は、肺でTMPRSS2をシェアしたACE2と同様に、SARS-CoV-2のもう一つのウイルス侵入口である可能性がある。

4. 重症および重症COVID-19の解剖学的および病理学的所見 ACE2の役割とは?

COVID-19は下気道疾患である。COVID-19死亡例の最初の解剖病理学的報告では、最も重篤な損傷を受けた臓器は肺であることが示された。

肺では滲出性病変と線維化が観察された。痰と滲出物が下気道と肺胞を満たしていた。滲出性病変はSARSに比べてはるかに悪化していたが、線維化ははるかに軽かった。特に,小腸の細分化と狭窄が観察され,小腸もSARS-CoV-2感染により重篤な損傷を受けたことが示唆された.他の臓器の病変は明らかではなかった[42]。

別のCOVID-19感染者の病理学的所見では、肺に細胞性線維筋腫性滲出物を伴う両側性びまん性肺胞損傷、肺細胞の脱落、ヒアリン膜形成が認められた[43]。

このことから、SARS-CoV-2は主に呼吸器系を介して人体に侵入し、腸や他の組織を介して侵入する可能性があることが示唆されている。

 

2004年、Dingらは免疫組織化学およびin situハイブリダイゼーションによりSARS-CoVの臓器分布を検出した。SARS-CoV は主に呼吸器系、胃、小腸、腎臓、汗腺で検出された [44]。SARS-CoV-2の臓器分布はおそらくSARS-CoVと類似していると思われる。上述の証拠に基づき、我々は、SARS-CoV-2がTMPRSS2を消去したACE2を介して肺および腸に侵入しているという仮説を立てた。

免疫系が感染に勝てない場合、SARS-CoV-2は大量に複製され、細胞内のACE2を占有し、宿主の細胞を破壊する。その結果、Ang II-AT1シグナリングが不活性化することができなくなる。一緒に、腸の機能が破壊され、炎症が悪化する。その結果、サイトカインストームが起こり、最終的には呼吸器系、循環器系、その他の臓器の機能が失われる(図3)。

臨床データによると、COVID-19入院患者のうち、約30%が基礎疾患を持っていることがわかった。これらの患者は死亡リスクが高い。高血圧が最も多く、次いで糖尿病、冠動脈性心疾患が続いた[21,45]。これらの疾患ではすでにAng II-AT1軸が亢進しているため[46,47]、SARS-CoV-2は機能性ACE2の産生をさらに低下させる。

したがって、これらの基礎疾患を有する患者では、重篤で重篤な状態を発症しやすくなる。

An external file that holds a picture, illustration, etc. Object name is viruses-12-00491-g003.jpg

図3  ACE2の仮説と重症・重症COVID-19の病態。

細胞性ACE2は、ADAM17とTMPRSS2の両方によって流されることができる。ADAM17による切断は、循環ACE2の産生をもたらす正常な経路である。循環ACE2は、SARS-CoV-2感染時に重篤な病態を予防し、臓器を保護することができる。

対照的に、TMPRSS2-shed ACE2は、SARS-CoV-2が肺および腸の細胞に侵入することを可能にする。

TMPRSS2-cleavage pathはADAM17-cleavage pathを阻害する可能性がある。免疫系がウイルスを倒すことができなければ、SARS-CoV-2は大量に複製され、細胞ACE2を占有し、肺や腸の宿主の細胞を破壊することになる。SARS-CoV-2がACE2の発現を低下させるため、Ang IIシグナル伝達による炎症性傷害に対するADAM17-shed循環ACE2が十分に存在せず、免疫系が圧倒されるまで炎症が加速する。

一方、腸内の細胞性ACE2/B0AT1はウイルスによって破壊される。必須アミノ酸が吸収できなくなり、抗菌ペプチドが減少し、腸内マイクロバイオームの生態が破壊される。

これらの腸の変化は炎症を沈殿させる。その結果、サイトカインストームが起こり、最終的には多臓器の機能不全または不全を誘発する。

5. COVID-19の重症・重症状態を予防および逆転させるための戦略

上で述べたように、重症化・重症化したCOVID-19を予防・逆転させるための戦略には、以下のものが含まれるべきである。

5.1. TMPRSS2を阻害してSARS-CoV-2細胞の侵入を阻止すること

TMPRSS2は、SARS-CoV-2細胞の侵入およびACE2の機能不全において非常に重要な役割を果たしているため、TMPRSS2の活性をブロックすることは、COVID-19の重篤で重大な状態を予防するための第一の戦略であるべきである。

Hoffmannらは、セリンプロテアーゼ阻害剤であるカモスタットメシル酸塩が、TMPRSS2-ACE2媒介のSARS-CoV-2侵入を部分的にブロックすることを発見した[3]。

同様に、ナファモスタットメシル酸塩は、TMPRSS2-ACE2が媒介するSARS-CoV-2のエンベロープ-プラズマ膜融合を阻害し、SARS-CoV-2細胞の侵入を阻止するのに、カモスタットメシル酸塩の10倍の効率を示した[48]。カモスタットメシル酸塩、ナガモスタットメシル酸塩はいずれも安全性が確認されている臨床承認薬であり、COVID-19治療薬として直ちに臨床現場での適用が可能である。

また、ナファモスタットメシル酸塩は、フィブリノーゲンのフィブリンへのタンパク質分解を抑制する作用があることから、短時間作用型抗凝固剤としても使用されていた。

 

COVID-19の臨床報告では、重症および重症患者においてDダイマー(フィブリン分解産物)レベルの上昇がしばしば観察されることが示された[21,49,50]。Dダイマーの高レベル(>1μg/mL)は、死亡リスクの上昇と関連している[19]。

このように、ナファモスタットメシル酸塩は、ウイルスの侵入をブロックするだけでなく、COVID-19患者における血栓症や播種性血管内凝固(DIC)を予防することができる。日本では2020年3月にナファモスタットメシル酸塩療法を用いたCOVID-19の臨床試験が開始されている。

5.2. ACE2またはAng-(1-7)を増加させる

SARS-CoV-2は侵入にACE2を利用するため、ACE2の発現がウイルス侵入に有利な経路を提供するのではないかと懸念する研究者もいる。彼らは、高血圧、糖尿病、心血管疾患のある患者は、ACE阻害薬やAng II-AT1遮断薬の使用を控えるべきであることを示唆している[51]。

イブプロフェンやチアゾリジン系薬剤も同様の理由でCOVID-19のリスクを高めることが疑われていた[52]。しかし、これらの薬剤がSARS-CoVやSARS-CoV-2の感染を促進するという証拠はない。

逆に、SARS-CoV感染はACE2発現を低下させ、急性肺不全を悪化させる可能性があり、これはRAAS経路を遮断することで減衰する可能性がある[53]。

ACE2 発現はマウスモデルにおいても重度の急性肺不全を予防することが示されている [54]。さらに、SARS-CoV12およびSARS-CoV-2の細胞トロピズムはACE2発現と強固に関連していなかった。

ACE2はI型とII型の両方の肺細胞で発現しているのに対し、SARS-CoVおよびSARS-CoV-2はII型肺細胞のみを利用しているのは、以前に述べたように、感染はACE2とTMPRSS2の共発現を必要とするからである[20,55,56]。したがって、ACE2(特に循環ACE2)またはAng-(1-7)を増加させることは、SARS-CoV-2誘発の重篤な損傷を減少させ、臓器を保護するための可能性のあるアプローチである。

最近、国際的な研究チームは、臨床グレードのヒト可溶性ACE2がSARS-CoV-2と結合し、人工ヒト血管オルガノイドおよびヒト腎臓オルガノイドにおいて、その感染率を10005000倍にまで低下させることを示した[57]。

5.3. 必須アミノ酸の補給

トリプトファンまたはニコチンアミドの投与により、ACE2 ノックアウトマウスの重度の腸内炎症が逆転するという証拠が示された [39]。

栄養増強剤として、トリプトファンとその代謝物は、腸内細菌叢の維持、微生物代謝、宿主の免疫システム、宿主-マイクロバイオームインターフェース、宿主免疫システムと腸内細菌叢の相互作用において重要な役割を果たしている[58]。

[58]. したがって、トリプトファンまたはニコチンアミドの補給は、腸内マイクロバイオームを調節し、抗菌ペプチドを増加させて腸内のSARS-CoV-2誘発病変を変換し、全身状態をさらに改善する可能性がある。

まとめると、ACE2はSARS-CoV-2細胞の侵入に必須の役割を果たしており、COVID-19の重症・重症状態の進行や予後に影響を与えている。ACE2関連酵素およびアミノ酸摂取量を調節することは、疾患制御のために望ましいと考えられる。

しかし、より多くの実験的・臨床的研究が必要である。さらに、COVID-19の重症・重症の病態は非常に複雑である。IL-6のような他の分子もまた、この疾患において重要な役割を果たしている。したがって、患者の臨床検査結果に応じて治療戦略を柔軟に変更する必要がある。

この記事が役に立ったら「いいね」をお願いします。
いいね記事一覧はこちら

備考:機械翻訳に伴う誤訳・文章省略があります。
下線、太字強調、改行、注釈や画像の挿入、代替リンク共有などの編集を行っています。
使用翻訳ソフト:DeepL,ChatGPT /文字起こしソフト:Otter 
alzhacker.com をフォロー