COVID-19 NAD+欠乏はSIRT1活性への影響により、高齢者、肥満者、2型糖尿病患者の死亡を引き起こす可能性がある

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COVID-19: NAD+ deficiency may predispose the aged, obese and type2 diabetics to mortality through its effect on SIRT1 activity

要旨

SARS-CoV-2の高炎症反応は高い死亡率と関連している。この仮説は、ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド(NAD+)の欠乏がSARS-CoV-2の疾患スペクトルと死亡リスクに関連する主要な因子である可能性を示唆している。

NAD+レベルは年齢とともに低下し、高血圧、糖尿病および肥満で起こるように酸化ストレスに関連する条件でも低下する。これらのグループはまた、COVID-19への感染後に高い死亡率を有することが観察されている。既存の枯渇状態にあるNAD+のさらなる消費は、SIRT1の産生に対するその制限的な効果を介して、疾患の高炎症性段階への進行を引き起こす可能性が高い。

このことは、なぜこれらのグループが死亡率が高いのかについての統一的な仮説を提供し、NAD+とSIRT1活性化因子による栄養サポートは、予防的または治療的に投与すれば、病気の重症度を最小限に抑えることができることを示唆している。この意義は、もし証明されれば、資源と財政が限られている第三世界の国々を中心に、COVID-19の管理に広範囲な影響を及ぼすことになる。

背景

COVID-19は無症状または3つの臨床段階で発現し、最初の上気道感染症であり、その後少数の患者は肺炎期に進行し、さらに少数の患者は致死的な高炎症期に進行する [1]。治療の目的は、予防的または治療的に早期に介入して、機械的換気(MV)が必要とされるまでの病勢の進行や、重大な臓器機能障害が起こるのを防ぐことである [2]。

転帰不良の危険因子には、高齢、併存疾患(特に糖尿病、高血圧、心臓病)、非喘息性呼吸器疾患、肥満、免疫抑制、および男性性が含まれる [2], [3]。高齢化、男性性、慢性呼吸器疾患(喘息は十分にコントロールされていないが)、慢性心疾患および慢性神経疾患と院内死亡率との独立した関連性は、他の国際的な報告と一致している[4]。しかし、なぜこれらの疾患が特に死亡率と関連しているのかを特定することは困難である。

Dochertyらの報告によると、重度のSARS-CoV-2感染は18歳未満ではまれで、入院患者のわずか1.4%である。この研究では5歳未満の患者はわずか0.8%であり、この 「」J 「」字型の年齢分布は季節性インフルエンザで見られる 「」U 「」字型の分布とは明らかに異なってた[5]。しかし、SARS-CoV-2ではなぜ子供の感染がほとんどなかったのかは観察研究では明らかにされていないが、肺の発育途上にあるACE2受容体の発現の違いによるものではないかと推測されている[6]。同様に、インフルエンザとは対照的に、妊娠が死亡率と関連することは報告されていない[4], [7]。

炎症性サイトカインの過剰または制御不能な放出という一般的な概念はよく知られているが、炎症性亢進反応または「サイトカインストーム」とは何かという実際の定義は不足している。さらに、この反応を促進する分子イベントや、それが病因にどのように寄与しているのかについての理解も不十分である。また、この壊滅的な疾患の進行を予防したり、一度発症した疾患の重症度を軽減したりするために、どのような治療戦略を用いればよいのかも不明である[8]。

この段階では、特に、腫瘍壊死因子(TNF-α)、インターロイキン1β(IL-1β)、インターロイキン6(IL-6)が、インターロイキン10(IL-10)およびインターフェロンβとともに抗炎症性メディエーターとして放出され、バランスを崩して炎症反応を増悪させている。SARS-CoV-2におけるTNF-α、インターロイキン、ケモカイン、インターフェロンの間の複雑な相互作用は、現在のところ十分に理解されていないが、これらは著しいウイルス血症と関連している[9], [10]。

ほとんどの国際的な研究で、特定の危険因子が共通していることが示されていることから、高リスク者にも同様の全身的な異常が存在し、重症化や死亡率が高いことが示唆されている。

この文脈では、ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド(NAD+)および亜鉛依存性分子であるサイレント・インフォメーション・レギュレーター1(SIRT1)は、高炎症反応および死亡率の増加の病因における潜在的な共通項を表している。

SARS-CoV-2結合

SARS-CoV-2 は、血管内皮、腎臓、心血管系組織、小腸、精巣、呼吸器上皮でも発現している膜貫通アミノペプチダーゼであるアンジオテンシン変換酵素2受容体(ACE2R)を標的とし、これに結合する [11]。ACE2Rは、ウイルスキャプシド上のスパイクタンパク質を介して結合するウイルスの宿主細胞受容体として作用する[12]。これは、感染性に不可欠なイベントであるACE2Rとウイルスの両方のクラスリン依存性エンドサイトーシスを刺激する。このプロセスは、細胞表面でのACE2の発現を減少させるADAM 17活性を誘導する [13]。

ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド(NAD+)

NAD+は、体のあらゆる細胞に存在する補酵素であり、複数の代謝経路に関与している。NAD+は、代謝性還元酸化反応において電子移動を触媒し、アデノシン三リン酸(ATP)の生産における電子シャトルとして機能する基本的なハウスキーピング分子である。

年齢の上昇は、併存疾患を調整した後のSARS-CoV-2関連の院内死亡率の強力な予測因子である [6]。高齢の患者は NAD+ のレベルが最も低いことも確認されている [14] が、逆にリスクが最も低い患者、乳児および小児は最も高いレベルである。

加齢に伴うNAD+レベルの低下は、主に第4染色体上にコードされた45kDaの膜貫通分子であるCD38に依存している。白血球では、CD38は接着およびシグナル伝達経路の受容体として作用する[15]。CD38の発現はインスリン抵抗性とともに増加し、NAD+の加齢に依存した低下を悪化させる可能性がある[9]。NAD+とNADPは、酸化ストレスやミトコンドリア活性などの加齢に影響を与える因子に深く影響し、NAD+依存性サーチュインもまた加齢過程を媒介している[10]。ヒトの加齢に伴い、グルタチオン産生などの抗酸化防御機構も枯渇し、それに伴う反応性酸化種(ROS)の増加により、すべての細胞はNAD+/NADPの比率が低下する偽hypoxia状態に陥る[16] [17], [18], [19]。

酸化ストレスはまた、NAD+依存性酵素であるポリADPリボースポリメラーゼ1(PARP1)を活性化させる [20]。PARP1の高活性化は、細胞内のNAD+プールの枯渇につながり、ATP欠乏、エネルギー損失、およびそれに続く細胞死につながる。これらのプロセスは、プロ炎症性カスケードを増強する可能性がある。

NAD+欠乏は、SIRT1の機能[21]とその正常な活性化を損なう。ナイアシンの極端な欠乏はペラグラの発症と関連しているが、糖尿病、加齢、高血圧症では、炎症性刺激に対する反応性が減衰するため、より微妙な減少が見られる[22]。

サイレント情報調節因子1 (SIRT1)

サーチュインは、代謝調節や細胞の恒常性に本質的に関与している7つのNAD+依存性脱アセチル化酵素およびモノ-ADP-リボシルトランスフェラーゼシグナル伝達タンパク質からなる古代からのファミリーである。特に興味深いのはSIRT1で、組織メタロプロテイナーゼ阻害剤3をコードする遺伝子であるTIMP3の発現を増加させることにより、ADAM 17(A Disintegrin and Metalloproteinase Domain 17)(TNF-α変換酵素(TACE)とも呼ばれる)をダウンレギュレーションする。そうすることで、TNF-α、IL-1b、およびIL-6のレベルが低下する。TNF-αの増加は、SIRT1がADAM 17をダウンレギュレートさせ、それにより負のフィードバックループでTNF-αの形成を制御し、二次的にTNF-αに依存しているIL-1bとIL-6の産生に影響を与える[23]。

SIRT1は、肥満に関連する代謝性疾患、癌、老化、細胞老化、心臓の老化とストレス、プリオン媒介の神経変性、環境ストレスに応答する炎症性シグナル伝達、心臓、脳、脊髄、後根神経節の胚発生、胎盤細胞の生存に重要な役割を果たすことが知られている[24]。不活性または開放状態では、Zn++モジュールとNAD+結合部位を含む [25]。

潰瘍性大腸炎、クローン病、短腸症候群、腎不全、アルコール依存症、肉類の摂取不足などの特定の疾患が亜鉛欠乏と特異的に関連しているのに対し、高齢者の亜鉛摂取量はわずかである可能性があるという証拠がある。第3回国民健康・栄養調査(NHANES III)、1988-1994年のデータを分析したところ、60歳以上の成人の35-45%が亜鉛の摂取量が推定平均必要量を下回っていたことがわかった[26]。

NAD+がZn++-結合モジュールの存在下でSIRT1分子に結合すると、NAD+は構造変化を起こし、NAD+分子を包み込み、「閉鎖」または活性化させる [25]。Zn++とNAD+分子の両方の存在は、その機能に不可欠である。

SIRT1はADAM17とサイトカイン産生をダウンレギュレートする

ADAM17はプロテイナーゼをコードする遺伝子である。全身で活性化するためには、TNF-αとIL-6のサイトカイン受容体がタンパク質分解的に切断されなければならず、ADAM17はこの機能を提供する。ADAM17の発現がSIRT1によってダウンレギュレートされない場合、TNF-αおよびIL-6が放出され、COVID-19 [23], [27], [28], [29], [30]で起こりうるような制御不能な炎症性亢進反応をもたらす。SIRT 1は、ADAM17、それによりTNF-αおよびIL-6を阻害することにより、抗炎症機能を果たす [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38]。

酸化ストレスが深刻な場合、増加したADAM17は、活性鉄(Fe2+)をその不活性形態(Fe3+)に変換することにより、組織損傷を改善しようとするが、これはフェントン反応(Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO + OH-)、(Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2 + H+)により、肝細胞およびマクロファージに貯蔵され、フェリチンとして保存される。これはまた、潜在的にヘモグロビンをメタヘモグロビンに変換し、酸素と結合する能力を低下させる[39]。

COVID-19複製とSIRT1

SIRT1 は、炎症反応を制御して調節するだけでなく、Sirtuin ファミリー(SIRT1-7)とともに、DNA および RNA ウイルス性病原体に対する主要な防御でもある [40]。いくつかの呼吸器感染症や心血管疾患では、SIRT1はオートファジー(細胞内の空孔で発生する損傷した細胞成分や冗長な細胞成分の破壊)を促進し、そうすることでアポトーシスを抑制し、低酸素ストレスからの保護を提供する [37], [38], [39], [40]。

SIRT1 のアップレギュレーションは、ウイルスの複製を直接減少させ、ADAM17 の活性化を阻害し、それによって TNF-α、IL-1b、IL-6 を減少させる。逆にSIRT1を枯渇させると、ADAM17活性をほとんど、あるいは全く阻害せずにウイルス複製を増加させ、TNF-α、IL-6、およびIL-1bの制御不能な増加を引き起こする。TNF-αの増加は通常、ADAM17をダウンレギュレートするためにSIRT1活性を増加させるが、NAD+またはZn++の欠乏の存在下では、これはSIRT1の活性化が不十分であるためには起こらず、TNF-αの抑制されない増加を引き起こす。

肥満および2型糖尿病では、脂肪組織、骨格筋、肝臓、視床下部を含む複数の組織で細胞内NAD+レベルが低下している[41]。41] さらに、両疾患は、IL-6およびTNF-αの両方の活性化に関連した低悪性度の炎症を特徴とする[42]、[43]。肥満または2型糖尿病は、SIRT1を活性化できないため、サイトカインストームのリスクを高める。

SIRT1は血管内皮機能を維持し、肥満におけるメタボリックシンドローム、虚血再灌流傷害、炎症の可能性を予防または低減する。しかし、年齢の増加に伴い、NAD+レベルとサーチュイン活性が低下し、肥満や座りっぱなしのライフスタイルによって悪化する[22]。SIRT1は、様々なシグナル伝達経路を介して、血管内皮細胞(EC)[44]における酸化ストレスの効果的な阻害剤である[45]。

内皮グリコカリックス(EG)は、血管内皮を覆う様々なグリコサミノグリカンと関連した内皮細胞の内腔側にある膜結合型糖タンパク質の網である[46]。EGは細胞血液成分を内皮から分離し、血管内コンパートメントの浸透圧を維持する [44], [45]。

EGに損傷を与え、EGが脱落または断片化するような状態(高炎症反応によって誘導される重度の酸化ストレス下にあるSARSCoV-2に見られるように)では、内皮が露出し、血管活性物質の脱顆粒および放出を伴う血小板の接着、塊化および活性化を可能にする。EGは、ヘパリン補因子II、アンチトロンビン、トロンボモジュリン、組織因子経路阻害剤(TFPI)などのメディエーターの結合部位であるため、抗凝固作用を有する。ヘパリン補酵素IIおよびダーマタン硫酸はトロンビンを阻害し、ヘパラン硫酸に結合すると抗トロンビン活性が増強される。逆に、トロンビンの補因子であるコンドロイチン硫酸を含む内皮細胞表面タンパク質であるトロンボモジュリンを曝露すると、SAR-CoV-2に見られるように、組織因子の活性化を介して凝固が促進される[46]。

EGは、糖尿病、高血糖、手術、外傷、敗血症などの全身性の炎症状態ではすでに障害されている[46]。高炎症反応のように、より深刻な酸化ストレスの条件下では、広範囲にわたる損傷は、毛細血管漏出および水腫形成の発生、炎症の加速、血小板凝集、高凝固性、および血管応答性の喪失を伴う、その破壊につながる可能性がある[47]。このプロセスに関与する炎症性メディエーターは、TNF-α、ブラジキニン、C反応性タンパク質、および肥満細胞トリプターゼである。

以上のことから、SIRT1の活性化は炎症反応の亢進を防ぐための重要な因子であり、ウイルス攻撃に対する防御を成功させるために必要である可能性がある。脆弱な患者群では、NAD+レベルの低下やZn++などの栄養不足により、SIRT1の活性化が十分に行われない可能性があり、ウイルスの複製を制御できず、プロ炎症性サイトカインの無制御な発現を抑えることができない可能性がある。

結論

SARS-CoV-2の高炎症性反応は高い死亡率と関連している。NAD+の欠乏は、CD38の上昇と関連して、SARS-CoV-2の疾患スペクトルと死亡率のリスクに関連する主要な因子であるかもしれない。

NAD+レベルは年齢とともに低下し、高血圧、糖尿病および肥満で起こるように酸化ストレスに関連する条件でも低下する。これらの同じグループはまた、COVID-19への感染後に高い死亡率を有することが観察されている。存在する枯渇状態にあるNAD+のさらなる消費は、SIRT1の産生を制限する効果を介して、疾患の高炎症性段階への進行を引き起こす可能性が高い。

SIRT1の活性化はNAD+と亜鉛の利用可能性に依存しており、高レベルの酸化ストレスはNAD+を枯渇させ、それによってSIRT1活性を低下させることを考えると、NAD+前駆体とSIRT1活性化因子を用いた栄養サポートは、予防的または治療的に投与すれば、疾患の重症度を最小限に抑えることができるだろう。この仮説の重要性が証明されれば、資源と財政が限られている第三世界の国々を中心に、COVID-19の管理に広範囲な影響を及ぼすことになる。

仮説

我々は、ニコチンアミド・アデニン・ジヌクレオチド(NAD+)レベルの低下と、サイトカイン産生を調節するNAD+依存性分子SIRT1の活性低下が、高齢者、肥満者、2型糖尿病患者、その他の脆弱層の死亡率を増加させる要因ではないかと仮説を立てた。

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