COVID-19 インターフェロン

強調オフ

COVIDメカニズムSARS-CoV-2免疫

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インターフェロンの種類

en.wikipedia.org/wiki/Interferon

IFN typeⅠ

IFN-α:13種類(1,2,4,5,6,7,8,10,13,14,16,17,21)
IFN-β:1種類 – IFN-β1(※IFN-β2=IL-6)
IFN-ω:1種類 – IFN-ω1
IFN-ε:1種類 – IFN-ε1
IFN-κ:1種類 – IFN-κ

IFN typeⅡ

IFN-γのみからなる。成熟したIFNγは反対向きに結合したホモ二量体でIFNγ受容体複合体(IFNGR:サブユニットIFNGR1とIFNGR2の1個ずつからなる)に結合する。

IFN typeⅢ

IFN-λで3つのアイソフォーム(IFN-λ1、IFN-λ2、IFN-λ3)からなる。これらは発見当初インターロイキンIL28A、IL28B、IL29としても命名された[13][14]。

I型およびIII型インターフェロン– COVID-19との闘いへの誘導、シグナル伝達、回避、および応用

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7255347/

www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1931312820302900

要旨

コロナウイルス病2019(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世界的なパンデミックである。この進行中の世界的な脅威に対する抗ウイルス治療薬またはワクチンが承認されていないため、現在、I型およびIII型インターフェロン(IFN)の有効性が評価されている。

関連する2つの高病原性コロナウイルス、SARS-CoVおよびMERS-CoVにおけるIFNの役割および組換えIFNの使用は、宿主における保護効果の点で議論の的となっている。このレビューでは、ヒトコロナウイルスに対するI型およびIII型IFN媒介の自然抗ウイルス応答の両方についての最近の理解の進展を記述し、COVID-19の治療戦略としてのIFNの使用の可能性について議論する。

本文

コロナウイルス病2019(COVID-19)は、2019年12月に中国の武漢で初めて発生し、その後急速に世界に広がっている。3月11日、世界保健機関(WHO)はCOVID-19のアウトブレイクをパンデミックと宣言した。4月10日現在、世界の死者数は10万人を超えている。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。

ヒトコロナウイルス(HCoV)には、過去20年間のパンデミック、重症急性呼吸器症候群(SARS)および中東呼吸器症候群(MERS)の原因となった他の2つの高病原性ウイルス、SARS-CoVおよびMERS-CoVが含まれている。COVID-19については、現在までに承認された抗ウイルス薬またはワクチンは存在しない。

 

インターフェロン(IFN)応答は、ウイルスに対する主要な最初の防御ラインを構成する。自然免疫センサーによるウイルス感染の認識は、I型およびIIII型IFN応答を活性化する。タイプIFN(ヒトではIFN-α、IFN-β、IFN-ε、IFN-κ、IFN-ω)は、ユビキタスに発現するタイプIFN受容体(IFNAR)に自己分泌的およびパラクリン的に結合する。

これは、ウイルス複製のあらゆるステップを妨害する能力を有する数百のインターフェロン刺激遺伝子。III型IFN(IFN-λ)は、上皮細胞および特定の骨髄細胞上で優先的に発現するIII型IFN受容体。

I型およびIII型IFNが同様のISGシグネチャを誘導するのに対し、I型IFNシグナリングは、ISG発現のより急速な誘導および減少を導く。

 

タイプIおよびタイプIIIIIのIFNは、ウイルス抵抗性の細胞状態を確立するとともに、ウイルスに対する適応免疫応答を活性化する。したがって、成功したウイルス病原体は、免疫認識を逃れ、IFNおよびISGの機能を抑制する両方のメカニズムを進化させた。

多くのウイルスタンパク質は、宿主のIFN応答を調節することに専念している。これらのメカニズムは、SARS-CoVおよびMERS-CoVについて広範囲に調査されている(Lim et al 2016、NelemansおよびKikkert、2019、ToturaおよびBaric、2012)。ウイルス因子と宿主因子の両方が、IFNシグナリングの結果を決定する。

特にI型IFNシグナリングは、その全身的な、親炎症性の効果を介して劇症的であり得る。IFN応答がSARSおよびMERSにおいて保護的または病原性効果を有するかどうかは、IFNシグナル伝達が誘導される文脈に依存しているようである。

 

組換えおよびペギル化IFN-αおよびIFN-βは、多発性硬化症およびウイルス性肝炎を含む様々な疾患の治療に使用されてきた。組換えIFN-λは、いかなる適応症に対してもまだ承認されていないが、ウイルス性肝炎のための臨床試験が行われている。

既存の抗ウイルス剤をCOVID-19のために再利用することに世界的な関心がある。この点で、合理的な治療戦略を実施し、COVID-19におけるIFNの臨床効果を安全に評価するためには、コロナウイルス感染症におけるIFNの生物学を徹底的に検討する必要がある。本レビューでは,まず,コロナウイルス感染症におけるIFNを介した抗ウイルス反応について,SARS-CoVおよびMERS-CoVによる自然認識と免疫回避に焦点を当てて解説する。

さらに、SARSおよびMERSにおけるI型およびIII型IFN応答の役割を検討し、COVID-19における治療薬としてのIFNの使用の有望性と課題について推測する。

コロナウイルス感染の自然認識

自然免疫系は、病原体関連分子パターン(PAMP)を様々なパターン認識受容体(PRR)で感知することにより、侵入してきた病原体を認識する。ウイルスPAMPは、ウイルスゲノムのユニークな核酸構造やウイルス複製中間体など、宿主細胞には見られない特徴的な分子シグネチャーであることが多い。

RNA ウイルスの認識は、主にエンドソームまたは細胞質コンパートメントにおいて、Toll様受容体(TLR)と RIG-I様受容体(RLR)という2つの異なるクラスのPRRによって行われる(図1)。ほとんどの宿主細胞は細胞質性のRLRを備えているのに対し、エンドソームのTLRはほとんどが自然免疫細胞で発現している。

さらに、OASやIFITファミリータンパク質のような特定のISGは、ウイルスRNAを直接認識し、その機能を実行することができる。

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図1 コロナウイルスによる自然認識、インターフェロンシグナル伝達、免疫回避

様々な病原体認識受容体、TLR(TLR3、TLR4、TLR7、TLR8;青)およびRLR(RIG-I、MDA5;紫)によってコロナウイルスが感知されると、転写因子核因子κΒ(NF-κB)およびインターフェロン調節因子3および7(IRF3、IRF7)は、それぞれ、プロ炎症性サイトカインおよびI型およびIII型インターフェロン(IFNs)の産生を刺激する。

IFNは、JAK-STATシグナル伝達経路を介してインターフェロン刺激遺伝子(ISG)の発現を誘導するために、自己分泌およびパラクリン的な方法で分泌される。I型およびIII型IFNはISGの類似のセットを誘導するが、I型IFNシグナリングは、プロ炎症性サイトカインおよびケモカインの発現に加えて、より強力かつ迅速なISG応答を活性化する。

コロナウイルスによってコードされる多くのウイルスタンパク質(赤:SARS-CoV、緑:MERS-CoV、黒:複数のヒトコロナウイルス)は、この抗ウイルス応答の様々なステップに拮抗する。


コロナウイルス感染における様々なPRRの役割は、特定のPRRとそのシグナル伝達経路が存在しない場合の感染感受性の増加を明らかにした遺伝学的研究によって大部分が解明されていた。コロナウイルスは細胞質で複製するので、その複製中間体と複製されたウイルスゲノムは、細胞質RNAセンサーであるRIG-IとMDA5によって認識される。RIG-IとMDA5の両方が、マウスコロナウイルスマウス肝炎ウイルス(MHV)感染の感知に関与しており、それらが存在しない場合、MHVによるIFN誘導は阻害される(Li et al.

SARS-CoV-2もこれらのRLRによって感知されている可能性がある。RNAを感知するTLR、TLR3、TLR7、TLR8は、エンドソーム膜に存在し、二本鎖RNA(dsRNA;TLR3)と一本鎖RNA(ssRNA;TLR7、TLR8)を感知する。特にTLR7は、SARS-CoV、MERS-CoV、およびMHVを含むコロナウイルスの感知において重要な役割を果たし、これらの感染症における形質細胞性樹状細胞によるIFN-α産生に必要とされる。

さらに、自然免疫細胞の表面に発現するTLR4は、呼吸器合胞性ウイルス融合タンパク質などのウイルス糖タンパク質を認識することができる。TLR4欠損マウスは、SARS-CoVおよびMHVの両方の感染に対してより感受性が高い。

 

TLRの下流アダプタータンパク質分子であるMyD88(TLR4、TLR7、TLR8用)およびTRIF(TLR3、TLR4用)は、コロナウイルス感染症に対する防御に必要であり、宿主免疫における自然感知の本質的な役割を示している。

マウスに適応したSARS-CoVに挑戦したMyD88欠損マウスは、ウイルスの複製を制御することができず、感染に屈する。TRIFを欠損したマウスもまた、SARS-CoVに非常に感受性が高く、MyD88欠損マウスに匹敵する罹患率を有する。MERS-CoV感染では、MyD88シグナル伝達の欠如は、ウイルスクリアランスの遅延と肺病理の増加をもたらす。

対照的に、本研究では、RLRセンシングの下流にあるMAVSシグナル伝達の要件は見出されなかった。一貫して、別の研究では、TLR7 -/-マウスは、Mavs -/-マウスではなく、野生型マウスと比較してIFN発現が減少していることが示された。このことは、TLR7-MyD88がMERS-CoV感染における自然免疫センシングの主要な経路であることを示唆している。

 

自然免疫ウイルス認識は、プロ炎症性サイトカイン(例えば、IL-1、IL-6、TNF-α)のNF-κΒ媒介誘導およびI型およびIII型IFN(IFN-IおよびIFN-III)のIRF3およびIRF7媒介誘導の両方につながるシグナル伝達カスケードを引き金とする(図1)。

様々な細胞型のトランスクリプトームプロファイリングにより、SARS-CoV-2感染は、ケモカインおよびプロ炎症性サイトカイン遺伝子を誘導しながら、非常に低いIFN-IまたはIFN-IIIおよび限定的なISG応答を誘発することが明らかになった。IFN応答のウイルス内在性抑制に加えて、宿主の年齢がサイトカインプロファイルを決定する。

SARS-CoV感染のマカクモデルにおいて、高齢のマカクは、若いマカクと比較して、より多くの肺病理を有し、プロ炎症性サイトカインの発現は高いが、IFN-Isの発現は低かった。これらの結果は、インフルエンザAウイルス(IAV)感染に応答してプロ炎症性サイトカインを無傷で維持しながら、高齢のヒト単球がIFN-IおよびIFN-IIII産生の欠損を有することと一致する。

高齢の単球におけるIFN誘導の欠陥は、IFN転写に必要な多くのPRRの下流の重要なシグナル伝達分子であるTRAF3のタンパク質分解によるものであった。これらのことから、加齢に伴うプロ炎症性とIFN応答の間の不均衡は、COVID-19の発症に重要な疾患的意味合いを持つ可能性があることが示唆された。

コロナウイルスによる自然抗ウイルス応答の変調

I型およびIII型のIFNは、何百もの抗ウイルスエフェクター(ISG)を誘導し、ウイルス抵抗性の細胞内状態を達成する。この強力な宿主抗ウイルス戦略にもかかわらず、コロナウイルスは、少なくとも一部では、IFN応答を回避し、抑制するための様々なウイルスのメカニズムに起因して、非常に病原性が高いままである。

実際、軽度のHCoV-229E感染では、SARS-CoVおよびMERS-CoV感染と比較して、より強固なIFN-I応答が誘導される。コロナウイルスは、自然抗ウイルス免疫における以下のプロセスのいずれかを妨害し得る。(1) 生得的感知、(2) IFN産生、(3) IFNシグナル伝達、および(4) ISGエフェクター機能(図1)。

 

まず、HCoVはPRRによる自然認識を回避することに特化したウイルスタンパク質をコードしている。SARS-CoVおよび他のコロナウイルスは、二重膜小胞の内部で複製し、dsRNA複製中間体によるRLRの活性化を防ぐ。RLRは、ウイルスRNAを宿主mRNAから区別するために5′キャップを使用する。SARS-CoV非構造タンパク質14(nsp14)は、ウイルスRNA上のこのキャップ構造を模倣することができるグアニン-N7-メチルトランスフェラーゼ活性を有する(Chen et al.

SARS-CoVのNsp16は、その2′-O-メチル転移酵素活性によってこのキャップをさらに修飾し、ウイルスがMDA5による認識を効率的に回避することを可能にする。nsp16を変異させることはまた、MERS-CoVにおけるウイルス性を減衰させ、感染マウスにおける疾患重症度を低下させる。

このように、nsp16は、SARSおよびMERSにおける自然抗ウイルス応答を変化させるために重要である。SARS-CoV-2およびSARS-CoVのNsp16は、92%のアミノ酸配列相同性を共有しており、この回避戦略が新規ウイルスに保持されている可能性が高いことを示唆している。

 

第二に、HCoVはIFN-IおよびIFN-III産生を阻害する。SARS-CoVの膜(M)タンパク質は、生得的センサーおよびシグナル分子と直接相互作用して、それらを膜関連細胞質コンパートメントに隔離する。MERS-CoVのMタンパク質は、IFN遺伝子の転写因子であるIRF3の核内転座を阻害する。

SARS-CoVヌクレオカプシド。SARS-CoVのnsp3タンパク質は、そのパパイン様プロテアーゼ。このステップは、SARS-CoVの付属タンパク質、ORF3bおよび6、ならびにMERS-CoVの付属タンパク質、ORF4a、4bおよび5によってさらに阻害される。これらのメカニズムは、SARS-CoV-2に感染した細胞における低いIFN-IおよびIFN-III誘導に集合的に寄与する可能性がある。

第三に、HCoVウイルスタンパク質は、IFNARおよびIFNLRシグナル伝達をブロックする。SARS-CoV nsp1は、ISGの転写因子であるSTAT1のリン酸化を阻害する。SARS-CoVのアクセサリータンパク質ORF3bおよび6は、ISGsの転写を阻害する。具体的には、ORF6は、STAT1の核への転座を阻害する。

 

最後に、HCoVは、ISGエフェクター機能を直接抑制することができる。IFN誘導2′,5′-オリゴアダデニル酸合成酵素(OAS)-リボヌクレアーゼL(RNase L)経路は、細胞質でウイルスRNAを分解する。MERS-CoVアクセサリータンパク質ORF4bは、2′-5′-ホスホジエステラーゼ活性を有し、この活性は、RNase Lの活性化を防ぐためにOASの生成物を分解する。

 

外因性IFNは、HCoVのIFN応答の抑制を克服するのに十分であるかもしれない。SARS-CoVおよびSARS-CoV-2のほとんどのタンパク質が90%以上のアミノ酸同一性を共有するのに対し、IFNに拮抗するnsp3、ORF3b、ORF6-すべてのタンパク質は比較的低い配列相同性を有する。

SARS-CoV-2のORF3bは、切り捨てられたタンパク質をもたらす早熟な停止コドンを含む。ORF6bは、SARS-CoVタンパク質との相同性が69%しかないことに加えて、タンパク質の機能に重要なC末端の2つのアミノ酸が欠落している。

これは、SARS-CoV-2のIFNに対する感受性の亢進を説明する可能性がある。逆に、SARS-CoV-2の切り捨てられたORF3bは、SARS-CoVのそれよりも効率的にIFN誘導を抑制し、これはCOVID-19患者で報告された貧しいIFN応答に寄与するかもしれない。

コロナウイルス感染時のIFNの役割

臨床研究では、SARS-CoV感染は有意なIFN-I産生を誘導しないという試験管内試験(in vitro)の観察と一致しており、サイトカインおよびケモカインの産生は旺盛であるにもかかわらず、SARS患者ではIFN反応がないことが報告されている。

COVID-19患者の血清分析は、同様の動態を示した;プロ炎症性サイトカインおよびケモカインは、I型およびIII型IFNの検出可能なレベルを伴わずに強く上昇した。他の研究では、その完全な不在よりもむしろ、IFN応答が遅延している可能性があることを示唆している。

複数の時点におけるSARS-CoV感染細胞のトランスクリプトームの比較から、IFNの発現がプロ炎症性サイトカインの発現よりも遅れていることが明らかになった。 SARS-CoVおよびMERS-CoV感染におけるIFN-βおよびISGの誘導は、IAV感染と比較して遅延した。SARS-CoV感染のマウスモデルにおいて、IFN-Iは、ウイルス負荷のピークの数時間後まで肺で検出されなかった。

 

逆説的に、IFNの上昇は疾患の悪化と相関する。臨床的によく知られたSARS患者のコホートにおいて、高レベルのIFN-αおよびISGsは、疾患の重症度と相関した。重度の低酸素血症を発症した患者では、IFN誘導性ケモカインおよびIFNAR1の高レベルは、急性疾患が消失した後も持続した。

同様に、IFN-αレベルは、重症MERS患者群では軽症群よりも高頻度に上昇し、ウイルスRNAコピーと相関していた。小規模なCOVID-19患者コホートでは、IFN-αおよびISGのレベルは、疾患の重症度と同様にウイルス負荷と関連していた。これらの研究は、重症化した感染症は高いIFNシグネチャーをもたらすが、ウイルス負荷を下げることには失敗することを示している。

 

SARSマウスモデルにおけるIFNシグナリングの役割は、遺伝的背景に依存する。軽度のSARSを発症するC57BL/6または129マウスでは、IFNシグナル伝達はウイルスクリアランスを増強することにより防御に寄与する。

Stat1 -/- 129マウスは、ウイルス制御の障害および重篤な病理学的障害のために、SARS-CoV感染に屈する。Ifnar1 -/- 129マウスは野生型に匹敵する重症度を示したが、ウイルス制御が損なわれていた。同様の結果がC57BL/6バックグラウンドで得られた;Stat1 -/-マウスはSARS-CoV感染に非常に感受性が高く、Ifnar1 -/-マウスはより高いウイルス力価を有する。

逆に、致死的なSARS-CoV病を発症するBALB/cマウスでは、IFN-Iシグナル伝達は、主に肺組織への炎症性単球およびマクロファージの浸潤を促進することによって、有害である。Ifnar1 -/- BALB/cマウスは、軽度の症状を示し、100%の生存率を示す。

この重症SARSモデル(BALB/c)では、IFN-I誘導はウイルス複製に相対的に遅延する。これらのマウスにおけるピークウイルス負荷の前にIFN-Iを投与すると、ウイルス制御が増強され、疾患からの完全な保護が付与された。対照的に、ウイルスピーク後の投与は、同じ効果を達成することができなかった。このことは、ウイルス複製の抑制における初期のIFNの重要性を実証している。

 

MERSでは、IFN-Iシグナリングはマウスを疾患および死から保護する。IFNAR1 -/-マウスは、MERS-CoVチャレンジ後の野生型マウスと比較して、臨床的および病理組織学的転帰が悪化している。IFNAR1をブロックすることはまた、ウイルス負荷および死亡率を増加させる。注目すべきことに、MERS-CoV感染時には、ウイルス複製に対するIFN-I応答の誘導に遅延はなく、これは、SARSおよびMERSにおけるIFNの異なる影響を説明する可能性がある。

外因性のIFN-I投与から得られた知見は、MERSにおける初期のIFN-Iの保護的役割をさらに支持するものである。マウスにおけるIFN-βの予防的投与は、体重減少または炎症を引き起こすことなくウイルスクリアランスを加速させた。ウイルスのピーク前の早期のIFN-β処置もまた保護的であったが、遅い処置は炎症の増加および致死的な肺炎をもたらした。これらの研究はすべて合わせて、応答結果の重要な決定因子として、ウイルス複製に対するIFN-I導入のタイミングの重要性を強調しており、早期のIFN-I導入または投与は保護をもたらしている(図2)。

対照的に、遅延したIFN-I応答は、ウイルスの制御に失敗するだけでなく、炎症や組織の損傷を引き起こす可能性がある。したがって、宿主は、特にIFN-I発現が遅延またはIFN-I応答のウイルス抑制または宿主の高齢化のために減少している場合には、疾患経過の早期にIFN-Iの補充から利益を得ることができる。

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図2 コロナウイルス感染におけるI型IFNの保護と病原性の役割

ウイルス因子と宿主因子の両方がIFN応答のタイミングに影響を与える。初期のウイルス負荷が低い場合(左)、IFNは早期に誘導され、効果的に感染をクリアすることができる。

高ウイルス負荷(右)では、ウイルスの回避機構によりIFN応答が強く抑制され、その誘導の遅延を引き起こす可能性がある。あるいは、古い宿主ではIFN誘導が損なわれることもある。IFN応答が初期のウイルス複製を制御するのに不十分な場合、遅発性のIFNは炎症および肺損傷を引き起こす可能性がある。


コロナウイルスの発症における宿主種の違いを考慮することが重要である。動物モデルは、SARS-CoVおよびMERS-CoVによって引き起こされるヒトの疾患の全スペクトルを再現していない。

これは、宿主制限因子およびウイルス侵入受容体(SARS-CoVの場合はACE2、MERS-CoVの場合はDPP4)の発現を含む宿主の複数の違いによるものである。ヒトACE2の発現は、マウスをSARS-CoV感染に対してより寛容にするが、ヒトSARS疾患は、いずれのマウスモデルによっても正確に再現されない。

非ヒト霊長類は、程度の差こそあれ、SARS-CoVおよびMERS-CoV感染に感受性を有するが、患者に見られる疾患の重症度および死亡率を一貫して再現していない。さらに、IFN応答のいくつかの違いが、実験動物とヒトとの間で記述されている。マウスおよび非ヒト霊長類では、SARS-CoV感染の間、IFN応答は一般的に調節異常または遅延しているようであるが、臨床研究では、IFN応答の欠如が報告されることがより多くなっている。

ISGのレパートリーも脊椎動物の種間で異なる;ISGのサブセットが共有されるのに対し、多くのISGは種特異的である。特に関連性が高いのは、ACE2がヒトではIFNsによって誘導されるが、マウスではより少ない程度に誘導されるという知見である。

これらの相違は、IFN応答および疾患転帰を決定する上での宿主特異的因子の重要性を強調している。疾患の進行を通してCOVID-19患者におけるIFNの役割および動態を調査することに、強い研究の焦点が置かれるべきである。

COVID-19の治療戦略としてのI型IFNs

SARS、MERS、および現在のCOVID-19における治療としての組換えIFN-αまたはIFN-βの使用は、議論の対象となっている。IFN-Iは、多数の試験管内試験(in vitro)および生体内試験(in vivo)試験に基づいて、SARSおよびMERSにおける有望な治療候補として同定された。

マーモセットにおいて、MERS-CoV感染動物をIFN-β1bで処置すると、ウイルス負荷および肺病理が減少した。MERS-CoV感染のマウスモデルでは、ロピナビル・リトナビルとの併用でIFN-βを投与しても肺病理は有意に減少しなかったが、肺機能は改善された。MERS-CoV感染サルへのリバビリンとのIFN-α2bの投与は、より良好なウイルスコントロールと臨床転帰をもたらした。

SARS-CoV感染の動物実験では、同様の有効性が示された。SARS-CoV感染に先立ってマカクにIFN-αを予防的に投与すると、ウイルスの複製および肺障害が大幅に減少した。

 

対照的に、SARSおよびMERS患者を対象とした臨床研究では、決定的な結果は得られていない。少数のSARS患者を対象とした研究では、コルチコステロイドにIFN-αを添加することで、酸素飽和度が改善され、肺のX線写真異常がより早く解消された。

MERS患者では、IFN-αとリバビリンの併用療法は、診断後14日目の生存率の改善と関連していたが、診断後28日目の生存率の改善とは関連していなかった。しかし、併用療法は、疾患経過の遅い時期。別のレトロスペクティブコホート研究では、IFN-リバビリン併用療法は28日時点での死亡率の転帰改善と有意に関連していなかった。

ヒト研究での一貫性のない結果は、レトロスペクティブ研究での患者数の制限、組み合わせで使用された薬剤、そして重要なことは、これまでに議論してきたように投与のタイミングによってある程度説明されているかもしれない。

さらに、糖尿病などの併存疾患がIFNに対する反応に影響を与えることが示唆されている。現在、MERS患者におけるロピナビル・リトナビルとの併用によるIFN-βの有効性を試験する無作為化臨床試験が進行中である。

 

SARS-CoVおよびMERS-CoVに関する研究から得られた知識は、COVID-19における治療戦略としてのIFN-Iの適合性を決定する上で貴重なものとなるであろう。2つの試験管内試験(in vitro)試験では、SARS-CoV-2がSARS-CoVと比較してIFN-Iに対してより高い感受性を有することが既に実証されている。

これらの研究では、IFN-αまたはIFN-βによる前処理は、ウイルス力価を劇的に低下させた。これらの知見は、IFN-IがSARS-CoV-2の予防薬または早期治療の選択肢として有効である可能性を示唆している。これを検証するためのいくつかの取り組みが進行中である。

中国におけるCOVID-19の治療に関するガイドラインには、リバビリンと併用したIFN-αの蒸気吸入が含まれている。この送達経路は、IFN-αを特異的に気道に標的化するという利点を有する。

COVID-19におけるIFN-Iを単独または併用療法として評価するためのいくつかの臨床試験が、世界中で登録されている。これらには、ロピナビル-リトナビル、ロピナビル-リトナビル単独、ヒドロキシクロロキン、またはレムデシビルとの併用によるIFN-β1aの皮下注射を比較するDisCoVeRy試験(NCT04315948、WHO Solidarityコンソーシアムによる最初の臨床試験)、および英国におけるIFN-β1aの単剤としての吸入IFN-β1aに関する第II相試験が含まれる。

中国・武漢のCOVID-19患者77人を対象としたレトロスペクティブ研究では、ネブライザーによるIFN-α2b、アルビドール、またはそれらの組み合わせで治療したところ、IFN-α2b療法は、検出可能なウイルスおよび炎症性マーカーであるIL-6およびC反応性タンパク質。別の研究では、組換えIFN-α点鼻薬が副作用なしにCOVID-19の発症を予防する可能性があることが示された。

湖北省で行われたこの症例シリーズでは、28日間毎日IFN-αを投与された2944人の医療従事者の発症率はゼロであった。初期の臨床データは心強いものであるが、最新の研究では、ACE2はISGであり、ヒト初代上気道細胞におけるIFN-αによって誘導されることが示されている。現在進行中の臨床試験、および動物モデルの開発からの追加の結果は、COVID-19の治療としてのIFN-Iの安全性と有効性について、より有益な答えを提供するであろう。

呼吸器感染症におけるIII型IFNの役割と治療の可能性

III型IFNは、I型と同様に、PAMPのPRR認識時に誘導され、共有のJAK-STAT経路を介してシグナル伝達され、同様の抗ウイルス転写プログラムを誘導する。I型およびIII型IFN応答は、いくつかの特徴を介してコンテキスト特異的な非冗長機能を達成する。

第一に、IFN-λは、呼吸器、消化管、および生殖管の上皮細胞および特定の骨髄細胞型で優先的に発現するIFNLR。ユビキタスに発現するIFNARとは異なるこの発現パターンは、侵入部位での局所的なウイルス制御を可能にする。第二に、タイプIおよびIIIのISGレパートリーは一般に重複しているが、IFN-IIIシグナル伝達はISGのより持続的な発現を導く。

最後に、IFN-Iシグナリングのみが、転写因子IRF1の選択的誘導により、プロ炎症性サイトカイン遺伝子の転写を活性化する(図1)。抗ウイルス防御におけるIII型IFN応答のユニークな役割を支持して、IFN-λは、上皮細胞によってIAV感染中に早期に産生される優勢なIFNであり、上皮細胞および好中球上のIFNLRに作用して、炎症を引き起こすことなくウイルス複製を制御する。

 

いくつかの動物研究では、SARSおよびMERSにおけるIII型IFNの役割が調査されている。MERS-CoV感染の間、IFN-λsはTLR7依存的な方法で産生され、ウイルス複製動態と相関する。SARS-CoV感染マウスのトランスクリプトーム解析は、STAT1依存性であるがIFNAR非依存性のISG誘導を明らかにし、ISGがIFNLRを介したシグナル伝達によって誘導される可能性を提起した。

SARS-CoVおよびIAVを含む多くの呼吸器感染症において、IFN-λシグナル伝達は保護的であるようである。Ifnlr1 -/-マウスは、SARS-CoVの複製を制御することができない。I型およびIII型IFNシグナルの効果は相加的である。

Ifnar1 -/- Ifnlr1 -/-ダブルノックアウトマウスは、シングルノックアウトマウスよりも高いウイルス負荷を有する。IFN-IおよびIFN-IIIシグナル伝達の欠如はウイルスクリアランスを強く損なうにもかかわらず、これらのマウスはSARS-CoV感染Stat1 -/-マウスで観察されるような重篤な疾患を発症しないことから、抗ウイルス防御におけるII型IFNの寄与を示唆している。

 

上気道と下気道では、IFN-λに対する要件が異なる可能性がある。IFN-αおよび-λの活性が重なる肺(下気道)とは対照的に、マウスの上気道ではIFN-λのみが重要な防御を提供する。自然の呼吸器ウイルス感染を密接に模倣するために低用量で上気道に特異的にウイルスが送達された場合、肺へのIAVの拡散を防止するためにIFN-λが必要であった。

さらに、Ifnlr1 -/-マウスは、野生型またはIfnar1 -/-マウスと比較して、より多くの感染性ウイルス粒子を排出し、ナイーブな接触者へのウイルス感染をより頻繁に引き起こした。IFN-αまたはIFN-λのいずれかの予防的経鼻投与が肺でのIAV複製をブロックしたのに対し、IFN-λのみが上気道での長期にわたる抗ウイルス保護を付与し、接触ウイルス感染を限定した。

 

臨床で既に広く使用されているタイプIFNとは異なり、タイプIIIのIFNは、まだどのような適応症にも承認されていない。それにもかかわらず、III型IFNの応答に焦点を当てた、長続きする、および非炎症性のユニークな資質は、IFN-λをCOVID-19における魅力的な介入戦略とする。

重要なことに、IFN-λ投与は、IAVで挑戦されたマウスにおいて、評価できる免疫病理学を伴わずに有効な治療効果を提供することが示されている。IFN-λは、予防的に投与された場合にはIFN-αと同様に保護され、IAVと同時に投与された場合にはIFN-βよりも保護された。

症状発症後に投与した場合、IFN-λ2は防御的であったのに対し、IFN-α4はプロ炎症性サイトカインの分泌と免疫細胞の浸潤を促進することで疾患を悪化させた。SARS-CoV-2に関する最近の研究は、ヒト腸管上皮細胞におけるIFNLR1をノックアウトすると、IFNAR1よりもさらにウイルス複製を制御する能力が損なわれること、およびSARS-CoV-2がIFN-βまたはIFN-λのいずれかによる前処理に敏感であることを示している。

新たに開発されたSARS-CoV-2感染のマウスモデルにおいて、ペギル化IFN-λ1の予防的および治療的適用の両方が、ウイルス複製を減少させた。したがって、COVID-19におけるIFN-λの臨床使用は有望であり、臨床試験が進行中である。最大の有効性と最小の毒性の両方のために、我々はI型およびIII型IFN応答の両方の長所を利用した介入戦略を想定している(図3)。

III型IFNは、肺だけでなく上気道でのウイルスの広がりを制限する持続的な抗ウイルス状態を達成するのに役立つかもしれない。I型IFNは、より強力であるが、より炎症性でもあるため、ウイルスのクリアランスを促進し、全身の炎症を防ぐために、初期の段階に制限されるべきである。

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図3 COVID-19の進行中のI型およびIII型IFNの治療目標

Α)組換えIFN、特にIII型IFN(IFN-λ)の予防的経鼻投与または吸入は、上気道でのウイルス複製を制限するように作用し、肺へのウイルスの拡散および感染を減少させることができる。

Β)初期制御が失敗し、ウイルスが肺に到達すると、宿主は、より強力なI型IFN(IFN-α、IFN-β)を含む追加のIFNから利益を得ることができる。我々の自然なIFN応答がこの初期段階で欠落している可能性があることを考えると、外因性IFNは感染を制御し、ウイルスの拡散を防ぐのに役立つかもしれない。

C)疾患の後期では、炎症および組織損傷を悪化させないように、IFNは注意して使用しなければならない。IFN-λは、全身反応を誘発することなく、局所的な抗ウイルス防御を活性化し続ける可能性がある。

おわりに

COVID-19の抗ウイルス療法としてIFN媒介の自然免疫応答を利用するために、治療設計と実施に意味を持ついくつかの研究上の疑問点を強調する。現在のIFN-I療法を副作用なしでより効果的にするにはどうすればよいか?

SARS-CoV-2感染時のIFN-Iシグナル伝達の自然経過を定義する必要がある。症状の軽いCOVID-19患者と重症COVID-19患者におけるIFN-I分泌の異なる動態をウイルス複製の動態と相対的に理解できれば、治療の機会の窓を特定できるかもしれない。

利用可能な既存の研究の大規模なボディに基づいて、我々はそのいくつかをここでレビューしているが、ウイルスのピークまたは予防的治療の前に早期に投与することで、有意な病理学的変化なしに最大の保護を提供することができるかもしれない。

我々は、IFN-I療法の汎用性を高めるだけでなく、その実現可能性を確立するのに役立ついくつかの取り組みを提案する。

第一に、報告されているIFNの予防効果は、無作為化臨床試験によって検証されるべきである。介入は、医療従事者およびSARS-CoV-2感染のリスクがあるその他の個人を対象に試験されるべきである。

第二に、感染の初期段階でIFNを投与するためには、症状の発症前に曝露した人を迅速に特定するために、検査や接触者追跡を含む強固な公衆衛生対策を確立する必要がある。さらに、IFN-Iに関連した炎症を制限または逆転させることができる細胞標的を調査することは、IFN-Iを用いた潜在的な治療応用のために貴重なものとなるだろう。

考えられるメカニズムとしては、IFN-Iシグナル伝達の下流の炎症性遺伝子を阻害し、IFN-I応答の負のフィードバックを促進することが挙げられる。

最後に、IFN-I誘導の遅延または減少につながる宿主因子を同定することは、IFN-I治療が特に有益であるか、またはIFN-I治療を控えるべきである患者群について我々に指示することができるかもしれない。宿主の年齢に加えて、遺伝的多型がIFNの転帰に影響を与える可能性がある。例えば、IL-28B遺伝子(IFN-λ3をコードする)の近くの一塩基多型。

 

自然の抗ウイルス応答を増強することによって機能する治療戦略をどのようにして拡大することができるだろうか?

一つの可能性は、IFN応答の誘導を増強するための合成PRRアゴニストの使用である。注目すべきことに、RLRおよびTLR3を活性化することができる二本鎖RNAであるpoly(I:C)は、SARS-CoV感染の2つの異なるマウスモデルにおいて保護を提供する。

本レビューでは、COVID-19の予防および治療手段の両方として、別の有望な標的であるIII型IFNsについて論じた。

SARS-CoV-2感染におけるI型およびIII型IFN応答の時空間的に異なる役割を定義することは、どちらか一方の応答を優先的に使用するか、または2つの応答を相乗的に使用するタイミングを教えてくれるであろう。

IFN応答は複雑な宿主防御戦略であり、その生物学を正確に理解することで、安全で効果的な抗ウイルス療法に変換することができる。

COVID-19におけるI型インターフェロン応答の調節不全

www.nature.com/articles/s41577-020-0346-x

即時抗ウイルス反応の重要な構成要素として、I型インターフェロン(以下、IFN)は、自己分泌および副クレインI型IFN受容体(IFNAR)シグナリングを介して、ウイルスの複製および拡散を抑制するために重要である。しかしながら、重度のCOVID-19患者の末梢血または肺では、ごく微量のIFNが検出されており(refs1,2)、これは高病原性インフルエンザウイルスに感染した患者で見られるものとは対照的だ。

興味深いことに、全身性のIFN産生の低レベルは重度のCOVID-19(ref.2)と相関しているように見えるが、IFNおよびIFN刺激遺伝子(ISG)の局所的な誘導は、いくつかの重篤な患者の気管支肺胞洗浄液(BAL)で顕著であった3。これは、肺在性樹状細胞(DC)などの特殊な免疫細胞の活性化に起因した。特に、形質細胞様DCはSARS-CoVに反応してIFNαを産生することが示された。

コルチコステロイドを投与されていないSARS患者では、IFNαは「危機前」の段階で血漿中に検出されたが、「危機」の段階では減少した4。

SARS-CoV感染のマウスモデルでは、肺の局所IFN応答は、ウイルスクリアランスを阻害し、CRS5の開発に関連付けられていたウイルス複製のピークに相対的に遅れいた。COVID-19の間に発生する全身性および局所IFN応答の動態は、COVID-19の病因と疾患の重症度へのそれぞれの貢献と同様に、完全に解明されていないままである。

IFN反応の異常は、βコロナウイルスの効果的な免疫調節戦略を示している。潜伏期の間、SARS-CoV-2はIFNを誘発することなく宿主細胞内で密かに複製し、高いウイルス負荷をもたらす1。

コロナウイルスは、ウイルスRNA合成専用の膜状コンパートメントの形成を誘導し、それによってウイルス病原体関連分子パターン(PAMP;例えば、ウイルスRNA)を、RIG-IやMDA5などの宿主パターン認識受容体(PRR)による検出から隠すことが知られている。

さらに、いくつかの保存されたベータコロナウイルス属タンパク質(主に非構造タンパク質(nsps))は、直接的なIFN拮抗活性を発揮することが知られている。

いくつかのものは、特定のPRRによる認識を回避するために(グアニシン-N7およびリボース-2-Oメチル化を触媒することによって)ウイルスRNAの特定の機能を変更する(例えば、NSP14およびNSP16)一方で、NSP3およびNSP1のような他のものは、PRRによって媒介されるシグナル伝達およびIFNARによって、それぞれ阻害する5。

対照的に、SARS-CoVのヌクレオカプシドタンパク質は、NF-κBを直接活性化することが示されている。SARS-CoV-2感染時に、限られたIFNsの産生を伴うプロ炎症性サイトカインおよびケモカインの頑健な産生は、NF-κBの効果的な活性化を示唆しているが、IFN調節因子3(IRF3)およびIRF7の活性化は示唆していない(ref.1)。SARS-CoV-2がどのようにIFN誘導およびIFNARシグナリングに拮抗するかを正確に決定することが重要であろう。

自然免疫系と適応免疫系の間の中心的なリエゾンとして、IFNは様々な免疫細胞集団の活性化と機能を調節するために不可欠である。

重要なことは、マウスのSARS-CoVまたはMERS-CoV感染時に、IFNは単球由来のマクロファージの肺浸潤を直接制御することである。

 

IFNARシグナルを遮断するとマクロファージの浸潤が著しく減少するのに対し、SARS-CoVによる遅延IFN誘導は、免疫病理学を誘導する肺の高度に活性化されたマクロファージの蓄積につながった5。対照的に、IFNARの阻害は、プロ炎症性サイトカイン6の上昇生産につながる、MERS-CoV感染マウスの肺への好中球の募集を強化した。

重度のCOVID-19の間に障害されたIFN産生はまた、気道マクロファージのプロ炎症性対プロ修復機能の不均衡につながる可能性がある。

 

SARS-CoVで死亡した患者では、プロ炎症性マクロファージの蓄積が見られたが、肺の創傷治癒マクロファージの欠乏が見られた;これはSARS-CoV7のスパイク蛋白に対する中和抗体の血清レベルが高いことと関連していた。ナチュラルキラー(NK)細胞などの他の自然免疫細胞もまた、コロナウイルス感染中にIFNによって制御される。

IFNARシグナル伝達の阻害は、MERS-CoV感染マウスの肺におけるNK細胞の蓄積を抑制した6、これはウイルス感染細胞の早期クリアランスを減衰させる可能性がある。

 

重度のCOVID-19患者では、NK細胞の深遠な枯渇と機能的枯渇が認められたが8、このNK細胞の機能不全がIFN応答の調節障害によるものかどうかは不明である。重度のCOVID-19は、リンパ球減少とCD4+およびCD8+ T細胞の機能消耗として現れるT細胞応答の障害と関連している8。IFNはT細胞の生存とエフェクター機能を促進するため、T細胞応答の障害は、IFN産生の欠乏に起因する可能性がある。

MERS-CoV感染中にIFNARシグナルをブロックすると、マウスにおけるウイルス特異的CD4+およびCD8+ T細胞の発達が減衰した6。

インターフェロンの早期産生と遅延応答の異なり

IFNの早期産生は効率的なT細胞応答のために重要であるが、遅延IFN応答は、リンパ系臓器からのT細胞の増殖やT細胞の退出を阻害することができるか、またはそれはT細胞の機能枯渇と細胞死を引き起こす可能性がある。

重症COVID-19患者におけるCRSに関連する肺損傷は、免疫抑制機構を適時に活性化することができない可能性を示唆している。実際、COVID-19患者における調節性T(Treg)細胞数は、逆に疾患の重症度9と相関することが示されている。IFNはTreg細胞の発生の重要な調節因子であることが知られている。

 

したがって、SARS-CoV-2感染によって誘発されたIFN応答の欠損または調節不全が、COVID-19の回復期におけるTreg細胞の生成に影響を与えているのではないかと推測したくなる。

今後の研究では、COVID-19期のIFN調節異常がどのようにT細胞応答を形成するのか、また、CD4+ T細胞の活性化がB細胞免疫の発達に極めて重要であることを考えると、これが抗体応答にどのように影響するのかを探るべきである。

IFNの制御異常がCOVID-19の発症の重要な決定因子であることは、治療的介入の可能性を強調している。

標的細胞における既存の抗ウイルス状態を誘発するIFNの予防的投与は、ごく初期の段階でウイルス感染をブロックする可能性がある。

標準的な個人用保護具(PPE)と一緒に毎日IFNα点鼻薬を投与することで、リスクのある医療従事者をCOVID-19から28日間にわたって目立った副作用なしに保護できることが示された(NCT04320238)。

投与タイミング

COVID-19の治療薬としてのIFNの使用は、特に投与のタイミングに関しては依然として議論の的となっている。ウイルスの複製がピークに達する前の早期のIFN治療は、致死的なSARS-CoVまたはMERS-CoVの挑戦からマウスを保護したが、遅いIFN投与はウイルスクリアランスを阻害し、免疫病理学を悪化させた5,6。

SARS-CoVおよびMERS-CoVを対象とした臨床研究では、抗ウイルス薬との併用によるIFNの病変転帰に対する効果についても結論が出ていないが、これは投与時期のばらつきや併存疾患によるものと考えられる。

 

インターフェロン vs ウイルス

インターフェロンとウイルスの戦い

I型IFNは感染部位にIL-10産生リンパ球を動員することにより、急性呼吸器インフルエンザ感染時に過度の炎症を一時的に制御することができる。ただし、I型IFNシグナル伝達は、慢性または持続性のウイルス感染の状況で犯人として働くこともある。

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3410706/

抗ウイルス免疫応答に対するその全体的な影響は複雑で、ウイルス、感染部位、抗ウイルス免疫応答のタイミングなどに依存する可能性がある。例えば、高いIL-10血漿レベルはHIVへの初期の反応では保護的であるかもしれないが、それらはウイルスの持続を促進するので急性感染の間は有害になる。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19534595/

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5337865/

インターフェロン-ガンマ(IFN-γ):感染症におけるその意味の探求

www.degruyter.com/view/journals/bmc/9/1/article-p64.xml#j_bmc-2018-0007_ref_025_w2aab2b8c64b1b7b1ab2b2c25Aa

SARS-CoV

SARS-CoV感染では、不十分なタイプIインターフェロン(IFN)応答(小さすぎる、遅すぎる)、肺胞マクロファージによる異常な炎症性サイトカイン分泌を誘発したウイルス血症のピークのレベルではなく、免疫調節不全によって、疾患の重症度と致命的な肺炎が引き起こされた。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26867177/

ナチュラルキラー細胞は、ウイルス感染細胞を殺し、インターフェロンγを作ることによって保護する。ウイルスもまたナチュラルキラー細胞を調節し免疫を回避しようとする。

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6476651/

免疫記憶に関わるIFNγ

Ly6C +単球、CD11c +DCと組織マクロファージのサブセットは、IFN-γ依存的に免疫記憶を増強し、感染時のワクチン接種を受けた宿主の効果的な保護に貢献。 免疫記憶と免疫応答におけるインターフェロンγと、協調的な働きの重要性。

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4836952/

SARS-CoV/サイトカインストーム

インターフェロンγは、SARS-CoV(新型ではない)初期ステージですでに高度に誘導されており、後期ステージでもさらに高かった。

SARS-CoV感染後にIFNガンマ関連サイトカインストームが誘発されている可能性がある。

インターフェロン、特にインターフェロンガンマは両刃の剣であり、IFNガンマとそれに関連するケモカイン生成は、SARS患者の異常な炎症反応の原因である可能性がある。

リンパ球減少症はSARS患者で一般的である。

インターフェロンガンマ活性化はT細胞のアポトーシスを誘導すると報告されている。

onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jmv.20255

インターフェロンの増強

感染初期

インターフェロンはコロナウイルスに対して部分的に有効だが、有効性は正確にテストされていない。

europepmc.org/article/med/10614857

フィコシアノビリン

ビリベルジン代謝産物のフィコシアノビリン(PCB)は、RNAウイルス感染の状況で1型インターフェロン応答を高める可能性がある。

  • スピルリナ
  • 藍藻類
  • 海苔[R]

www.nature.com/articles/srep24253

ビタミンE

ビタミンE補給に対するインターフェロンなどのサイトカインの反応は、補給開始時の個人の免疫反応に依存する可能性がある。

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2769508/

持続的な無症状のウイルス感染により、免疫細胞がIFN-γを産生できなくなることが示されている。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16456027/

グルタミン

ランダム化比較試験  38人の外傷患者へのグルタミン投与は、インターフェロンガンマ産生を有意に増加させた。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15158303/

グリシン

In vitroで、グリシンは腫瘍壊死因子(TNF)アルファ分泌を減少させ、リポ多糖で刺激されたヒト単球のインターロイキン10分泌を増加させる。

グリシン治療は、2型糖尿病患者の炎症性サイトカインを減少させ、インターフェロンγを増加させる。 5g/日×3ヶ月間

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18852529/

プロバイオティクス

ラクトバチルスラムノサスGG(LGG)と4種類の細菌(MIX)の混合物は、牛乳アレルギーおよびIgE関連皮膚炎の乳児でインターフェロンガンマを増加させた。IFN-γ応答の欠乏は牛乳アレルギーに関連しているようである。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15241356/

有酸素運動

適度な運動はランニングする健康な男性のインターフェロンγを上昇させる。

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5484649/

激しい運動を行うプロレスラーにおいてインターフェロンγは健常者と有意に異ならなかった。対照群と比較しIL-6産生は上昇し、IL-13産生は低下した。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25691935/

一酸化窒素

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/8193360/

トリプトファン
インターフェロンγはトリプトファンを枯渇させる可能性がある。
日光浴 (UVA)

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022202X15405123

LLLT

アレルギー喘息ラットモデルへの21日間1日1回8 J / cm2のLLLT適用。LLLTはIL-4のレベルを低下させ、気管支肺胞洗浄液と血清のIFN-γレベルを上昇させる一方で、血清IgEレベルを低下させる可能性がある。

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24158722/

TNF-α、INF-γ、およびIL-10のレベルの有意な減少

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23337926/

酢酸

急性感染、運動などのストレスは、血清酢酸の一時的な急増と関連してている。 酢酸の増加は解糖フラックスを高め、インターフェロンγ産生を増強し、記憶CD8+T細胞の機能を向上させるために必要である。生体内試験(in vivo)

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27212436/

 

 

 

ヒト肺および腸管細胞におけるSARS-CoV-2およびSARS-CoV感染の免疫活性化プロファイルの違い。

IFN-βおよびIFNインデューサーによる治療への示唆

pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32707230/

ハイライト SARS-CoV-2の感染は、Calu3ではSARS-CoVよりも堅牢であった。対照的に、SARS-CoVは腸管上皮細胞により効率的に感染した。

SARS-CoV-2の感染は、ウイルスの感染と伝播が強固であるにもかかわらず、Calu3とCaco2の両細胞においてインターフェロンおよび炎症性サイトカイン/ケモカイン反応を低下させた。SARS-CoV-2は、SARSCoVよりもIFNβおよびpoly(I:C)前処理に感受性が高かった。

要旨

目的

SARS-CoV-2感染の主要標的臓器は呼吸器と腸管である。しかし、感染したヒト肺および腸管上皮細胞における宿主-ウイルス間の相互作用の詳細な解析は行われていない。

方法

我々は、免疫蛍光アッセイ、フローサイトメトリー、RT-qPCR を用いて、SARS-CoV-2 感染に対する宿主細胞のウイルス学的特徴と自然免疫応答を、SARS-CoV と比較したヒト肺上皮(Calu3)と腸上皮(Caco2)を代表とする 2 つのヒト試作細胞株で明らかにした。

結果

肺上皮細胞はSARS-CoV-2に対してSARS-CoVと比較して有意に感受性が高かった。

しかし、SARS-CoV-2感染は、プロ炎症性サイトカイン/ケモカイン誘導およびI型およびII型IFN応答の減衰を誘導した。10 U/mLのIFN-β(IFNβ)の単回投与による前処理は、SARS-CoV-2感染に対してCalu3とCaco2の両方を強力に保護した。

興味深いことに、SARS-CoV-2は、Calu3におけるSARS-CoVよりもIFNβおよびIFNインデューサーによる前処理の方が感受性が高かった。

結論

ヒト肺および腸管上皮細胞の両方で堅牢な感染効率にもかかわらず、SARS-CoV-2は、ウイルス誘発性のプロ炎症反応およびIFN応答を減衰させることができた。

また,SARS-CoV-2感染症では,I型IFNシグナル伝達経路の事前活性化により,抗ウイルス反応が促進され,COVID-19感染症の予防的治療法として有用であることが示唆された.キーワード SARS-CoV-2,COVID-19,自然免疫応答,IFN.以上のことから,SARS-CoV-2感染の主な標的臓器は呼吸器と腸管であることが示唆された.しかし、感染したヒト肺・腸管上皮細胞におけるウイルス-宿主相互作用の詳細な解析は行われていなかった。

そこで、我々は免疫蛍光アッセイ、フローサイトメトリー、RT-qPCRを用いて、SARS-CoV-2感染に対する宿主細胞のウイルス学的特徴と自然免疫応答を、SARS-CoVと比較したヒト肺上皮(Calu3)と腸上皮(Caco2)を代表する2つのヒトプロトタイプ細胞株で明らかにした。

重要なことは、Calu3はSARS-CoVと比較して100倍もSARS-CoV-2に感染しやすかったことである。対照的に、Caco2は両ウイルスの強固な感染を支持した。

SARS-CoVによるCalu3への感染は、13のプロ炎症性サイトカイン/ケモカインおよびIFN刺激遺伝子(ISG)のうち9つ(69.23%)のアップレギュレーションを誘導したが、SARS-CoV-2はIP-10の発現のみをアップレギュレーションし、SARS-CoV-2が自然免疫および炎症反応を効果的に抑制していることを示した。

興味深いことに,SARS-CoV-2の複製はSARS-CoVよりもIFNβまたはその誘導剤であるポリイノシンポリシジル酸の前処理による抑制に対して感受性が高く,I型IFN経路が重要な宿主抗ウイルス反応であることを示唆しており,COVID-19に対する治療や予防に考慮されるべきである。

議論

SARSとCOVID-19の間の組織特異的なウイルス学的および臨床的観察の違いにもかかわらず、違いの根本的なメカニズムは、主に未解明のままである。ヒト肺および腸管上皮のSARS-CoV-2感染を模倣するための2つのプロトタイプ細胞株としてCalu3とCaco2を使用して、我々は、感染効率、宿主の自然免疫応答だけでなく、IFNの前処理への感度でSARS-CoV-2とSARS-CoVの間にいくつかの重要な違いを実証した。

まず、我々は、SARS-CoV-2の感染性が、Calu3においてSARSCoVよりも頑健であることを示した。SARS-CoV-2の最も顕著な特徴の一つは、高い人から人への感染性と感染性である(2, 6, 8)ことから、SARS-CoV-2のヒト肺上皮細胞における感染性とSARS-CoVの感染性が異なるのかという重要な問題に取り組むことで、その可能性を説明することができた。

一方,SARS-CoVは腸管上皮細胞への感染効率が高く,特に低分子量での感染が顕著であった。我々の所見は、COVID-19とSARS患者の両方が消化管を介してウイルスRNAを排出したが(31、32)、COVID-19患者(3.8%)に比べてSARS患者(20%)では下痢が5倍以上の頻度で観察されたという臨床観察の結果と一致していた。

ウイルスは宿主の自然免疫系を抑制するために様々なメカニズムを利用することができ(33-35)、その結果、IFNシグナル伝達経路のような重要な抗ウイルス反応から逃れ、ウイルスの伝播と伝播を促進する。

ここで、我々の研究では、SARS-CoV-2の感染は、ウイルスの感染と伝播にもかかわらず、Calu3細胞とCaco2細胞の両方で炎症性サイトカイン/ケモカインおよびIFN応答を減衰させることを実証した。

重要なことは、一次感染部位での強固なウイルス複製の存在下でのこれらの減衰した宿主応答は、COVID-19患者における軽度の症候性または無症候性の感染の高い割合に寄与し、COVID-19の軽度で陰湿な経過を説明することができるかもしれない。

I型IFN応答は、十分な適応免疫が発現する前にウイルス複製を制限するために重要であることが知られている(36)。効率的なウイルス伝播を促進するために、コロナウイルスは、感染時にIFNシグナル伝達経路に拮抗するために、複数の構造的および非構造的なウイルスタンパク質をコードする(37-39)。

我々のデータは、SARS-CoV-2が効率的なウイルス複製にもかかわらず、自然免疫応答を減衰させたことを示しており、ウイルスはまた、IFNシグナル伝達を効果的に調節できることを示唆している。I型FNの早期投与は、SARS-CoV感染マウスおよびSARS患者において、効率的なウイルスクリアランスと関連し、疾患の重症度を緩和した(40-42)。

したがって、我々は、IFNβ前処理および上流刺激因子としてのポリ(I:C)を宿主にプライミングすることにより、タイプI型IFNの治療可能性を調査した。その結果、SARS-CoVと比較して、SARS-CoV-2はIFNβおよびpoly(I:C)前処理に対してより感受性が高く、COVID-19患者におけるIFNβによる治療はSARS患者における治療よりも効果的で有益であることが示された。重要なことは、いくつかの証拠から、COVID-19感染症の治療戦略としてのIFNβの使用の可能性が示唆されたことである。

第一に、モデル細胞株およびex vivoでのヒト肺組織摘出物の両方において、IFNβまたはその誘導剤による自然免疫応答がSARS-CoV-2によって著しく抑制されることから、IFNβまたはその誘導剤による治療は宿主免疫系をジャンプスタートさせる可能性がある(18)。

第二に、IFNβは、最近IFN刺激遺伝子であることが示唆されたSARS-CoV-2受容体ACE2の発現を、我々の肺および腸のモデル細胞株において増加させなかった(30)。

第三に、IFNβはマウスモデルにおいてウイルス誘発性肺線維化を減少させることが示されており、これは急性呼吸窮迫症候群を合併したCOVID-19患者の予後を改善する可能性がある(43)。また、白血球性IFNαとリバビリン、IFNβとリバビリンの相乗効果が報告されている(44)。

最後に、IFNβはSARS-CoVおよびMERS-CoVに対して試験管内試験(in vitro)および/または生体内試験(in vivo)で強力な抗ウイルス活性を示した(45、46)。

これらの知見は、最近行われた無作為化臨床試験の基礎となったもので、IFNβ-1b、ロピナビル・リトナビル、リバビリンの3つの抗ウイルス療法の組み合わせは、ウイルス脱落の期間を短縮し、サイトカイン反応を低下させ、症状を緩和し、軽度から中等度のCOVID-19患者の退院を容易にするのに、安全で非常に有効であることを示している(47)。

 

我々の研究にはいくつかの制限がある。

第一に、所見は、ヒト細胞株に基づいており、ex vivoヒト組織の摘出物には基づいていないことである。しかし、後者は維持することが非常に困難であり、組織の移植物は72時間以内に急速に劣化する。

第二に、この知見は適切な動物モデルではまだ検証されていない。

しかしながら、IFNβの重要性に関する我々の知見は、このパンデミックの急速な進行によって促進されたヒトにおけるIFNβ-1bを用いた最近の臨床試験によって一部検証された。この卑劣なSARS-CoV-2に対する宿主防御の最初のラインの役割についてのさらなる研究が必要である。

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