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COVID-19による内皮損傷:補体、HIF-1、ABL2は損傷の潜在的な経路であり治療標的である
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7312112/
要旨
COVID-19パンデミックは、世界中で何百人もの死者を出している主要な健康上の緊急事態である。報告されている罹患率の高さは、低酸素と炎症が内皮機能障害や小血管・大血管の異常な凝固につながることと関連している。
本レビューでは、補体、HIF-1α、ABLチロシンキナーゼなどの内皮機能異常につながる経路のいくつかを取り上げている。また、COVID-19に関連した臓器障害の予防と治療のための標的となり得るものにも注目し、臨床試験に適した候補として、エクリズマブやイマチニブなどの市販薬の役割についても論じている。
序論
新型コロナウイルス(SARS-COV-2)のパンデミックは急速に多くの国に広がり[1]、数千人の死者を出した。COVID-10患者の肺、腎臓、心筋などの臓器障害の初期の特徴として、内皮の異常と透過性の亢進が報告されている。さらに、血栓性合併症は、COVID-19患者における関連する死因である。
最後に、SARS-CoV-2とACE2との相互作用は、アンジオテンシンII血漿レベルの変化を示唆している可能性がある。したがって、血管系はCOVID-19を克服するための主要な治療標的としてますます注目されている[2, 3]。
本論文では、特にCOVID-19感染の過程で内皮障害を引き起こす経路のいくつか、すなわち補体活性化、低酸素、血小板、およびチロキシンキナーゼをレビューしている。さらに、本論文では、潜在的な治療戦略、特にイマチニブのような市販薬の可能性を探っている。
補体を介在させた病原体
補体系と炎症
補体系は、自然免疫系と養子免疫系の両方に属する30のタンパク質ネットワークである:補体系は、オポソナイゼーションの特性を持つが、病原体や損傷を受けた細胞を排除する抗体やマクロファージの活性を高める働きもある。
中心的な補体タンパク質であるC5aアナフィラトキシンは、CC-ケモカイン受容体5によって媒介される敗血症や急性肺損傷に関与している[4、5]。
C5aは、(PI3K/AktおよびMAPKシグナル伝達経路の活性化による)好中球およびマクロファージの初期の過剰な炎症性反応および活性化を引き起こし、それに続くヒストンおよび活性酸素種の放出を伴い、最終的に内皮の損傷、炎症、および血栓症につながる;自然免疫系の機能低下および多臓器機能障害がそれに続く [6, 7]。
さらに、C5aは、病原体に感染した免疫細胞を排除することを目的とした、カスパーゼによって触媒される解毒様式によるプログラムされた細胞死の一形態であるピロプトーシスに関与している。
細胞膜の破壊により、ピロプトーシスは炎症性の損傷とカスパーゼの放出を誘導し、インターロイキン-1を活性化する。また、C5a自体も心筋細胞の実質的な機能障害を引き起こすが、これは補体遮断によって逆転する[8]。
補体と肺障害
また、C3a補体画分は感染症に関連した肺損傷の病態に関連した役割を果たしている:高血清C3aはARDSへの進化を予測するが[9, 10]、C3aとC5aの両方が内皮透過性を増加させ、内皮細胞を活性化させ、それによって接着分子やサイトカインの発現を増加させる[11, 12]、遠位補体活性化産物C5 b-9は上皮細胞と内皮細胞におけるカルシウムの細胞内フラックスを誘発する。
この悪循環は、HIF-1α、IL-2、およびTNF-αによって補体調節因子であるCD55の発現を低下させる低酸素によって維持される可能性がある。
この発現低下は、C3aの放出と内皮細胞へのカスパーゼ3の沈着を促進する [13]。補体損傷はまた、ブドウ球菌のような特定の感染因子によっても誘発され、内皮細胞から抗補体表面タンパク質CD55およびCD59の脱落を誘発して細胞溶解を促進することがある。
補体と血管障害
また、心不全や敗血症に関連した心筋症患者では、補完が生存に関連していることも証明されている[15, 16]。さらに、トシリズマブは心筋梗塞患者においてC5A受容体を減少させることが証明されており、COVID-19に対する抗サイトカイン効果は、補体の過剰活性化を抑制することによって一部が解明されている可能性がある[17]。
実際、SARS-CoVはレクチンを介して直接補体系を活性化することができ、特に高血圧患者のT-リンパ球に作用することが報告されている。補体活性化による組織損傷は、H1N1インフルエンザ、SARS、CoV-2、MERS-CoVを含む多くの病原体ウイルスに共通の方法であるように思われる[19,20,21,22,23,24]。
予備的なデータは、C5aが感染したマクロファージ、樹状細胞、およびCD4+リンパ球において、MERS-CoVおよびSARS-CoV-2誘導性膿栓症を媒介することを示している[24, 25]。
C3ノックアウトマウスはSARS-CoVによって誘発される臓器障害に対して耐性があることが証明されたが、MERS-CoVおよびSARS-CoVに感染したマウスで報告されている高血清および肺のC5aおよびC5b-9濃度は、C5a受容体阻害剤を投与しても肺障害を引き起こすことはなかった[23, 25]。
C5aまたはC3a受容体の阻害は、H1N1インフルエンザウイルスに感染したマウスにおいても肺障害を軽減し、生存期間を延長させた[26]。さらに、C5a受容体を阻害すると、MERS-CoVウイルスの複製が減少することが観察された[23]。
抗補体薬
C5aの生物学的活性を特異的に阻害することにより、防御免疫応答に影響を与えることなく治療上の利益を得ることができる。ここ数年、C5aのペプチドおよび非ペプチドアンタゴニストがいくつか発見され、関連する薬理学的モデルで試験されてきた。
ファーストインクラスの末端補体阻害薬であるエクリズマブによる治療では、一時的に薬剤で治療された患者、すなわち非定型溶血性尿毒症症候群の患者では髄膜炎球菌感染率は0.25/100患者年で死亡はなかったが、慢性的に治療された患者では髄膜炎球菌関連死のリスクは3/10,000患者年であったことが報告されている[27]。
エクリズマブは、ウイルス関連溶血性尿毒症症候群(サイトメガロウイルス、ヒト免疫不全ウイルス、帯状疱疹ウイルス、インフルエンザBウイルス)の治療に使用され、免疫抑制効果は報告されていない[28,29,30]。
SOLID-C19(NCT04288713)拡大アクセス試験では、現在、COVID-19 ARDS患者を対象にエキュリズマブ900mgを週1回投与する試験が行われており、オランダのPANAMO第II相試験(NCT04333420)では、現在、抗補体(C5a)モノクローナル抗体であるIFX-1が試験されている。
内皮障害
内皮細胞は肺細胞全体の3分の1を占めている。ベースラインの内皮細胞の損傷は、糖尿病および肥満患者におけるアディポネクチンの増加によって慢性的に引き起こされる可能性がある:この効果は、炎症性染色体NLRP3の活性化およびIL-1βの自己分泌産生に関連している[31]。
肺内皮機能不全細胞に対する追加的な損傷は、感染症によって急性に誘発され、その結果、過剰なトロンビン生成と線溶の減少を引き起こす[32,33,34]。実際、デング2のような最も危険な感染剤は、内皮障害のアディポネクチン様メカニズムを採用している[35]。
トロンビンはさらなる内皮損傷を引き起こすが、これはユビキチンなどのCXCR4アゴニストによって試験管内試験(in vitro)で防ぐことができる[36]。さらに、低酸素は、低酸素誘導性因子-1α(HIF-1α)発現の増加および高凝固性をもたらす可能性がある[37]。
したがって、COVID-19肺炎患者では血栓症エピソードの発生率が高くなることが報告されており、一方で、血管透過性の増加は血栓症の増加に強く関連しているようである。特に、リンパ球減少性肺炎と臓器不全を有する患者では、血管透過性の増加は重度のリンパ球減少症と強く相関していた[30]。
SARS-CoV-2に感染した患者の肺コンピュータ断層撮影では、間質性浮腫の早期発生とその後の肺胞性浮腫が示されており、COVID-19の肺障害とARDSの類似性が疑問視されている。
COVID-19患者の病理学的サンプルでは、ARDSには典型的ではないびまん性の微小循環器および大血管血栓症が肺組織に検出されており、数個の内皮細胞がSARSに直接感染した場合には、代わりに数個のマクロファージが検出された[38]。
しかし、血管炎の証拠は病理学者によって報告されておらず、ほとんどの患者でびまん性血管内凝固症の臨床症状は認められなかった。なぜなら、アンチトロンビン-III、フィブリノーゲン、血小板数は疾患の初期段階ではほとんど低下しないが、D-ダイマーは通常、入院中に進行性の増加を示し、より高い死亡率を予測するからである[39]。
アンジオポエチン2、トロンボモジュリン、ICAM 1、エンドセリン、E-セレクチンは通常、内皮障害の症例で増加する;しかしながら、COVID-19の患者からの定量的なデータはまだ待たれている。
むしろ、COVID-19患者の大多数では、初期の重度の低アルブミン血症とその後のCPK、ミオグロビン、クレアチニン、尿酸の増加が観察され、これは全身性毛細血管漏出症候群に類似しており、腎不全のいくつかの例を説明するものである。
低アルブミン血症は、敗血症における肺損傷予測スコアの関連する予後因子でもある[40]。
ヒト肺微小血管内皮細胞のアポトーシスは、COPDのような炎症によって慢性的に誘発される場合と、ARDSによって急性的に誘発される場合がある;後者のアポトーシスは、ブルトンキナーゼ(BTK)、IL-17、およびマクロファージ刺激因子1によって媒介されるが、IL-35は保護的であるようである[41,42,43,44]。
LDHは典型的にはアポトーシス内皮細胞によって血清中に放出される[42]。
肺微小血管内皮細胞に対する別の種類の損傷、すなわちオートファジーは、ウイルス感染の間、NADPHオキシダーゼ2によって誘導されるかもしれないが、酸化ストレスに対する保護手段としてのNADPHオキシダーゼ4によって阻止される[45, 46]。
さらに、肺のリンパ管の内皮細胞は特に酸化ストレスに敏感であり、SARS-CoV-2感染で最もダメージを受ける細胞集団である可能性がある[47]。
薬物と内皮
いくつかの薬剤は内皮に損傷を与える可能性がある。ポナチニブによる二次的な内皮損傷はNOTCH1の過剰活性化によって媒介されるが、プロプラノロールとシロリムスも内皮増殖を阻害し、カルテオロールはカスパーゼおよびミトコンドリア依存性の経路によって角膜内皮細胞のアポトーシスを誘導する[48,49,50]。
また、SARS-Cov-2の標的であるACE2は内皮細胞の増殖を抑制するが、内皮の炎症も抑制する[51]。最後に、ステロイドは骨内皮細胞でアポトーシスを誘導して骨壊死を引き起こすが、肺毛細血管細胞ではそのような効果は証明されていない。
内皮のアポトーシスを防ぐ薬剤としては、SCID ADA欠損患者用に登録されている組換えアデノシンデアミナーゼ、カシン、およびプレリキサフォーなどがあり、これらの薬剤は試験管内試験(in vitro)で内皮増殖を著しく拡大させ、管状化や発芽も誘導する[51, 52]。しかし、プレリキサフォーはサイクリン依存性キナーゼの発現を亢進させ、内皮の透過性を低下させる[36]。
アドレチズマブは、血管保護活性を示す内皮細胞から分泌される重要なホルモンである血漿中生理活性アドレノメデュリン(bio-ADM ®)を標的としたファーストインクラスのモノクローナル抗体であり、内皮バリア機能(すなわち、タイトジャンクションを維持すること)を維持し、血管漏出を防止する(ref shock 2018)[53]。
逆に、間質ではADMは高濃度で危険な血管拡張作用を持つ。現在進行中のAdrenOSS-2試験(NTC03085758)では、早期敗血症性ショックで血清中のバイオADM濃度が高い患者301例が登録されている:患者は標準治療に加えてアドレチズマブまたはプラセボの投与を受けるように無作為に割り付けられた。
予備的データでは、治療の安全性が確認され(BJCP第I相試験)、プラセボ群の28%と比較して28日死亡率が減少する傾向が示された(www.adrenomed.com)。
血小板
COVID-19患者における内皮障害の誘発または増幅における血小板の役割は不明である。
血小板数が低い場合、おそらく消費、骨髄感染、または自己免疫現象によるものと思われるが、COVID-19患者の死亡率を5倍に増加させると報告されている[54,55,56]。
さらに、COVID-19患者ではその逆がより一般的であり、敗血症やARDS患者に比べて血小板数が非常に多いか高い;肺の炎症によるトロンボポエチンの血清レベルの上昇がこの現象を説明していると考えられている[57]。
抗血栓薬
皮膚、中枢神経系、心臓、腎臓の臓器損傷は、一過性の血栓性または虚血性の段階(低灌流、低酸素血症)と関連しているようである。
ヘパリンは、肺胞内皮細胞のタイトジャンクションをIL-6による過疎化から保護することが証明されており、COVID-19患者の転帰を改善する可能性がある[39, 58]。また、ヘパリンは、ヒストンメチル化およびMAPKおよびNF-kB経路との相互作用により、損傷を受けた細胞から放出されるヒストンに拮抗する [59, 60]。
さらに、ヘパリンは、炎症性サイトカインへの結合、好中球の走化性と遊走性の阻害、正に荷電したC5aの中和、急性期タンパク質の隔離などの抗炎症特性を有していることがよく知られている[61]。ヘパリンのポリアニオン性はまた、SARS-CoV-2スパイクS1タンパク質受容体結合ドメインと相互作用しているようである(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.29.971093v1.full)。
COVID-19のいくつかの症例では、非定型血栓症(腎静脈、子宮静脈、腸間膜血管)と心筋微小血栓性血管が報告されているが、血栓塞栓イベントの大部分は予防的にヘパリンを投与されている患者で発生した。さらに、いくつかの施設では、これらの患者で目標のaPTT比を達成するためには高用量のヘパリン投与が必要であると報告されており、抗凝固療法の標準レベルはまだ確立されていない。
特に高齢者、抗血小板療法を受けている患者、腎不全のある患者など、特定の患者において、早期、すなわち家庭内での抗血栓予防、およびARDSの重症度に応じたその後の用量漸増を検証する必要がある。また、重篤な血栓性イベントを有する患者さんを救済するために、デフィブロタイドとrTPAが提案されている。
フル(UFH 15,000 U/日またはエノキサパリン60mg/日)または中間(UFH 10,000/日またはエノキサパリン40mg/日)のヘパリン投与は、血小板数が多く、Dダイマーレベルが高いCOVID-19患者に有効であると報告されている[57]。
英国の試験では現在、COVID-19 8の心臓合併症を予防するために、患者をアスピリン75mg、クロピドグレル75mg、リバロキサバン2.5mg、またはオメプラゾールの標準治療と比較して、アスピリン75mg、クロピドグレル75mg、リバロキサバン2.5mg、またはオメプラゾールのいずれかに割り付けている(NCT04333407)。
P2Y12阻害薬であるプラスグレルなどの他の抗血小板薬は、前立腺心筋梗塞の炎症を抑制することが証明されており、COVID-19誘発性内皮炎症との関連で試験される可能性のある薬剤である可能性がある[62]。
低酸素媒介性内皮損傷
細胞は低酸素誘導性因子HIF-1とHIF-2を活性化することで低酸素に適応し、その結果、エネルギー代謝と細胞生存、特に内皮細胞の適応(遊走、成長、分化)を促進する多くの遺伝子の発現を誘導する(Whyte-hypoxia)。
HIF-1からHIF-2への移行は、ほとんどの遺伝子が両方によって制御されているにもかかわらず、急性低酸素から長期低酸素への適応を支配している[63]。
活性化されたHIF-2αは、血管内皮タンパク質チロシンホスファターゼの発現を増加させ、その結果、VE-カデリンリンのリン酸化を減少させ、癒着接合体の完全性を支持し、内皮バリア機能の喪失を防止する [64]。
反対に、肺胞上皮細胞におけるHIF-1αの発現は、NF-kB媒介的な方法で肺の炎症を増強し[65]、細胞媒介性の炎症(CD4+ CD8+)とプロ炎症性サイトカイン(IL-2およびTNF-α)を促進し、これは比例的にCD55をダウンレギュレートし、補体媒介性の内皮損傷を増強する[8]。
さらに、ミエロイド細胞のHIF-1αは、細胞のエネルギーを調節し、低酸素下でのATP生成を可能にする解糖酵素やグルコーストランスポーターをアップレギュレートし、自然免疫細胞のアポトーシスを防ぐことで、低酸素や炎症性の微小環境下でのミエロイド細胞応答の主要なドライバーとなっている。
一方、慢性感染症では、HIF-1αは肺間質へのリンパ球の過剰なリクルートを防ぎ、宿主への免疫病理学的な影響を回避することが報告されている[66]。
HIF-1αの選択的制御を達成する現在市販されている薬剤はないが、イマチニブはHIF-1αのレベルを低下させ、慢性低酸素症に起因する肺高血圧を減少させることが証明された[67、68]。
肺内皮の活性化と損傷は ARDS の特徴であり、ACE+ 循環内皮微小粒子は敗血症患者における ARDS の発症を予測する肺内皮損傷のマーカーである [69]。
内皮損傷は循環内皮細胞のリクルートを誘導することが示されている:循環成熟内皮細胞は、中等度または重度のARDS患者では、軽度のARDSまたは非ARDS敗血症患者と比較して増加した [70]。
循環内皮前駆細胞(EPC)の増加は生存率と正の相関があることが証明された [71]。しかし、全体的なCD34+ CD45+循環細胞数も敗血症関連ARDSにおける生存率の改善と関連している。
吸入された一酸化窒素は骨髄からの内皮細胞前駆細胞の循環への動員を誘導し、生体内試験(in vivo)での肺血管障害の修復に寄与することが報告されており、自家移植された内皮前駆細胞はマウスをLPS誘発性肺障害から保護した[72, 73]。
COVID-19感染中の成熟内皮細胞または前駆細胞の位相に関連した動員に関するデータはまだ得られていない。
β遮断薬は、循環単核細胞および骨髄幹細胞へのβ2アドレナリン受容体の阻害により、SDF-1を介した内皮前駆細胞の移動を促進する [74]。
最後に、ヒアルロン酸の合成の増加は、SARS-CoV-2関連の内皮損傷および呼吸不全を有する患者の間質への液体の巨大なシフトを説明するように思われる。しかし、この現象は、市販のヒメクロモンまたは経鼻ヒアルロニダーゼによって打ち消されるかもしれない [75,76,76,77]。
イマチニブ
ARDS に代表される肺毛細血管内皮に対する VEGF の透過性作用は、ABL2(Arg)を阻害することで対抗することができる。
イマチニブはABL1およびABL2チロシンキナーゼ阻害剤であり、内皮細胞におけるVCAM-1の発現を減衰させ、VEジャンクション-カデリンを回復させ、敗血症、機械的換気、および虚血による二次的なARDSを減少させ、VEGF、トロンビン、およびヒスタミンを媒介とすることが試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)で実証されていることから、ARDSの治療薬としてEMAのオーファンドラッグに指定されている(2015年1月12日)。
また、イマチニブの抗サイトカイン作用は、骨髄由来細胞における NF-kB 経路の阻害を媒介として、喘息、関節リウマチ、全身性硬化症、肺高血圧症に有効であることが広く実証されている [82、83]。毒薬(ブレオマイシン、ゲムシタビン)や敗血症によって誘発された急性肺炎のいくつかの症例は、イマチンブを低用量で投与した後、急速に臨床的に改善した [84、85]。
さらに、 イマチニブの免疫調節作用は証明されている:骨髄幹細胞の c-Kit に作用する阻害は、 低用量ですでに骨髄細胞の動員を促進している [86]。
HIV 感染と結核菌を併発している霊長類では、 イマチニブが宿主に直接効果的な作用を示すことが実証されている [87]。
第 II 相臨床試験(IMPACT-TB、NCT03891901)では、マイコバクテリウム結核(±HIV)患者にイマチニブ療法を併用するための登録が行われている。
最後に、イマチニブの直接的な抗ウイルス作用についても文書化されている:マイクロモル用量(EC 50 9.8 μM/L)で、SARS-CoV2 と後期エンドソーム膜との融合を阻害するようである。
以上の合理性に基づき、現在、アムステルダムでCOUNTER-COVID無作為化プラセボ対照臨床試験が登録されている(EudraCT番号、2020-001236-10)。
考察
いくつかの経路がSARS-CoV-2の発症の可能性のあるドライバーとして同定されている:補体のようないくつかの経路は、利用可能な薬剤によって標的とされる可能性があり、他のいくつかの経路は、HIF-1αやHIF-2αのような特定の治療法の孤児である可能性がある。
イマチニブ、ルキソリチニブ、ヘパリン、トシリズマブ、エキュリズマブなど、血液疾患のために現在市販されているいくつかの薬剤は、COVID-19の症状を持つ患者を対象に現在試験が行われている。
そのため、これらの薬剤の専門家である血液内科医が集学的チームに呼ばれ、患者選択や治療モニタリングの管理を行っている。ワクチンや有効な抗ウイルス療法の開発が待たれる中、COVID-19の病態に関する最新のエビデンスと専門知識を組み合わせることで、患者の予後改善に貢献できる可能性がある。
COVID-19患者の層別化や複数薬剤の試験など、いくつかの基本的な問題に対処するためには、適切な試験デザインを開発する必要がある。
さらに、COVID-19の支持療法が異質であることや、異なる臨床施設に所属する患者の部分的な非比較性が試験の課題となっている。
それにもかかわらず、上記に挙げた候補薬剤のほとんどは、特に短期的には良好な安全性プロファイルを有しており、COVID-19を打ち破るための有望なツールである。