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尋常ではない風邪
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0262407920308629
COVID19ウイルスは、動物から人間に飛び移る最初のコロナウイルスではない。
過去の遭遇から何を学ぶことができるのか、アンソニー・キングは問いかける。
1889年、中央アジアで大パンデミックした病気が世界的にパンデミックし、翌年には大パンデミックに火がつきた。発熱と疲労を引き起こし、推定100万人が死亡した。
この病気は一般的にインフルエンザのせいにされ、「ロシア風邪」と呼ばれていた。しかし、インフルエンザウイルスを調べるための組織サンプルがないため、決定的な証拠はない。
過去のコロナウイルス
もう一つの可能性としては、この「インフルエンザ」が実はコロナウイルスのパンデミックだったということも考えられる。1960年代に最初に分離されたウイルスに指が向けられているが、今日では風邪ほど深刻な症状を引き起こすものではない。実際には、風邪の推定20〜30%の原因となる4つのコロナウイルスがある。
ウイルス学者がこれらの一見平凡な病原体について調べ始めたのは最近のことであり、ウイルスにはもっと致命的な過去があることを示唆している。
研究者たちは、これら4つのウイルスはすべて過去数世紀に人間に感染し始めたと考えており、その時にはおそらくパンデミックを引き起こしたと考えている。現在の危機との類似性は明らかである。そして、これらの他のコロナウイルスについての知識を深めることは、COVID19の課題に対処するために不可欠であることがわかってきた。
風邪用コロナウイルスの起源、軌道、特徴についての洞察は、今後数ヶ月、数年の間に何が起こるかについての重要な手がかりを提供することができる。また、これらの比較的良性のウイルスを理解することで、別のパンデミックを回避することができるかもしれない。
注目されていなかったコロナウイルス
コロナウイルスは、主に家畜の病気を引き起こすことで知られているウイルスの一大ファミリーである。最近まで、ウイルス学者の中にはあまり注目されていなかった。
「ヒトコロナウイルスが認識されたのは1960年代のことである 」と、オハイオ州クリーブランド・クリニックのフランク・エスパー氏は言う。しかし、当時発見された2つの株は、単に風邪の原因となっただけであった。
「私たちはそれらを脇に追いやってしまった」と彼は言う。
「我々にはもっと重要なウイルスがあった 」と彼は言う。
このようなあからさまな態度は、2002年にコロナウイルスの新しい仲間が人間に感染し始めた時には消えてしまった。
SARSの警鐘
翌年、重症急性呼吸器症候群（SARS）のパンデミックが収束するまでに、SARS-CoV-1ウイルスは26カ国で感染し、8000人以上の感染者のうち10人に1人が死亡した。コロナウイルスがこれほど致命的なものであるという事実は、警鐘を鳴らしたのである。
SARS-CoV1のルーツ
ウイルス学の世界では眠りについていた僻地が、突然スポットライトを浴びることになったのである。SARS-CoV-1はすぐにそのルーツをたどってきた。
コウモリは、コロナウイルスと共存しても病気になることなく生きていくことができる異常な生理学を持った動物である。SARSの発生は、これらのコウモリウイルスの1つが、コメット猫に感染し始め、この中間宿主からヒトに移動したことに端を発したと考えられている。
コロナウイルスは、その表面にタンパク質を持っており、これは、異なる宿主種の異なる細胞の鍵を開ける鍵のような働きをする。これらのタンパク質は、遺伝子変異の結果として、あるいはウイルスが互いに遺伝物質を交換することで、新たな宿主への扉を開くことで、形を変えることができる。
これらの宿主が人間である可能性があることは、SARSの発生によって、憂慮すべきことに明らかになった。
ウイルス学者たちは油断して、コロナウイルスのサファリに乗り出し、これらの変化がどのようにして起こるのか、そして将来のリスクを理解しようと、人や野生生物の中にいるコロナウイルスを追跡した。一般的な風邪の20～30%は、4種類のコロナウイルスによって引き起こされていると推定されている。
HCoV-NL63
あるウイルスハンターは、すでにゲームの先陣を切っていた。オランダのアムステルダム大学のリア・ファン・デル・フック氏は、未知のウイルスを発見するための遺伝子技術を完成させてったが、最近、気管支炎を患った生後7ヶ月の子供から別のコロナウイルス、HCoV-NL63を発見した。
「SARSが知られる前に、世界中がスクリーニングを始める前に、偶然にもNL63を発見したのです」と彼女は言う。
その後の10年間の研究により、NL63は世界中の呼吸器感染症患者の1～9%に認められ、広く蔓延していることが明らかになった。発熱、咳、咽頭痛、気管支炎、肺炎を引き起こす。子供は必ず生後1年目に感染する。
「子供が受ける、アザラシのように吠えるような大きな咳は、NL63の典型的なものである 」
「言い換えれば、NL63は風邪に関連したもう一つのコロナウイルスです」
とファン・デル・フック氏は言う。その後、NL63の近縁種が豚、猫、コウモリで発見されている。
2012年には、ヒトウイルスとコウモリから発見されたウイルスの遺伝子比較から、563年から822年前の間に共通の祖先を共有していたことが示された。このことは、ウイルスが人間に飛来したのは13世紀から15世紀の間であることを示唆している。
ノースカロライナ大学のウイルス学者ラルフ・バリックは言う。SARS-CoV-2（COVID-19の原因となるウイルス）と同様に、元のNL63は、免疫力のない人間の集団では致命的なものであっただろう。どちらのウイルスも肺や腸に豊富に存在するアンジオテンシン変換酵素2という同じ細胞の受容体にしがみついている。
「これはインフルエンザに似た病気のように見えるだろう 」とバリックは言う。
「若い人に比べて高齢者の方が重症化した」
風邪の原因は？
平均的な大人は年に2～3回の風邪をひくが、子供はもっと多い。風邪の原因は、4種類のコロナウイルス（メインストーリー参照）を含むウイルス群によって引き起こされ、これらの感染症の約4分の1を占めている。
しかし、ほとんどの場合、犯人はライノウイルス、文字通り「鼻のウイルス」である。その種類は約100種類もあり、すべての風邪の半分を占めている。通常の咳や鼻水だけでなく、ライノウイルスは耳や副鼻腔の感染症にも関係している。
他の2つの関連するウイルス、呼吸器同期ウイルスとヒトメタニューモウイルスは、呼吸器管に住み着いている。重症化すると、肺炎や気管支炎を引き起こす可能性がある。
夏風邪をひいた場合は、4種類の種類があるヒトパラインフルエンザが犯人と考えられている。これらも重症化することがある。とはいえ、ほとんどの風邪と同様に、1週間ほどで回復するのが普通である。
バリック氏は医学史家に中世の大パンデミックの証拠を探してもらいたいと思っているが、彼らが何かを見つけることができる保証はない。当時、人々はインフルエンザのようなウイルスや結核のような細菌性の病気を含む無数の感染症を経験した、とファン・デル・フックは言う。
「中世のSARSの大パンデミックが注目されるとは思えません」と彼女は言う。
しかし、そのような証拠は、別の、より最近の、人間のコロナウイルスのパンデミックのために存在する可能性がある。ここでロシア風邪が物語の中に入ってくるのである。
ロシア風邪の再考
SARS の発生後、1960 年代に発見された HCoV-229E と HCoV-OC43 という一見興味をそそられない 2 種類の風邪用コロナウイルスに新たな関心が寄せられている。
「これらのウイルスには派手な名前がなく、あまり研究されていない」とベルギーのルーヴェン大学のMarc Van Ranst氏は言う。
「OC43と229Eは長い間、孤児ウイルスであった。」
OC43
2003年、彼と彼のチームは、1967年にイギリスのサルスベリーにあるコモンコールドユニットで発見されたOC43のゲノムの配列を最初に決定した。その配列を他の動物で発見された株と比較することで、OC43は牛か豚に由来するに違いないと結論づけた。
予想される突然変異率を考慮し、逆算して、ヒトへのジャンプは1890年頃に発生したと計算した。聞き覚えがあるだろうか？OC43とロシア風邪との関連はこの日付だけではない。そのパンデミックの患者の多くは、中枢神経系に影響を及ぼす顕著な症状を持っていた。
今日では、主に軽い風邪と関連しているが、OC43は神経組織に感染することも知られている。慢性脱髄性疾患や多発性硬化症などの神経系疾患の疑いがある。
さらに、1994年に6歳の子供が牛コロナウイルスに感染したという報告は、牛株が人に潜入する可能性があることを示唆している。OC43が1889/90年のパンデミックの犯人だったとしたら、過去130年の間に明らかにその毒性を失っている。
「おそらく、悪いインフルエンザの季節のように、ゆっくりと病原性を失うまで、かなりの年数が続いたのであろう」とVan Ranst氏は言う。
229E
229Eについては？1960年代半ばに初めて分離された229Eは、その後の実験で、229Eに感染したボランティアの半数が2～5日後に風邪をひいたことが明らかにななった。2007年には、呼吸器疾患を持つアルパカの肺から近縁種が発見され、再び脚光を浴びるようになった。
一方、当時ドイツのボン大学に在籍していた Christian Drosten 氏が率いる研究者たちは、ガーナで葉鼻コウモリから採取した 229E 関連のコロナウイルスの配列を調査していた。彼らの研究によると、229Eは1686年から1800年の間にコウモリから人へと伝わったことがわかった。
2012年、謎の致命的な新型コロナウイルスがサウジアラビアで初めて発生し、中東呼吸器症候群（MERS）と呼ばれる症状を引き起こしたことから、パズルのピースがまとまり始めた。その原因となったウイルス、MERS-CoV はドロメダリーラクダにさかのぼり、この関連性を調べるうちに、Drosten 氏らはアラビアとアフリカのラクダの 5.6 パーセントが 229E に似たウイルスに感染していることを発見した。
229Eと動物の関連ウイルスの遺伝学的比較から、229Eはアフリカのコウモリに由来し、ラクダに移ってから18世紀後半頃に人に感染したことが示唆されている。MERSと同様に、ヒトに感染した際には免疫力がなかったため、パンデミックを引き起こしたと考えられる。
NL63と同様に、誰も歴史的記録で証拠を探していない。風邪のコロナウイルスが最初に人間に現れた時の方がはるかに致命的だったという考えは、動物実験によって裏付けられている。例えば、2016年には、科学者たちがブタに種を飛び込ませる行為でコロナウイルスを捕まえた。「遺伝子配列はコウモリのコロナウイルスと密接に関連していたので、ウイルスがコウモリから直接こぼれ落ちたように見えた 」と、オハイオ州立大学のリンダ・サイフ氏は言う。そのウイルスは、中国でわずか数ヶ月の間に25,000頭の子豚を殺した。
このような出来事は一般的であるとサイフは言う、動物における新しいコロナウイルスの発生を数十年間調査してきた。1990年代には、例えば、呼吸器系のコロナウイルスが「出荷熱」で牛の群れを荒廃させた。そして1977 年に、コロナウイルスによって引き起こされた下痢性疾患はヨーロッパのブタで、後で中国に広がり、そしてそれが推定8,000,000,000 のブタを殺した米国で現われた。
「これらのコロナウイルスが最初にヒトに飛来した時には、重篤な病気を引き起こしていた可能性がある」とサイフ氏は言う。
しかし、驚くべきことは、そのような飛躍が起こる頻度が低いことである。
「SARSが発生したとき、私のような人たちは、呼吸器感染症を引き起こす可能性のある他のコロナウイルスを探し始めた。しかし、新たに見つかったのは1つだけだった。」
HCoV-HKU1
2005年には、香港の病院で71歳の肺炎患者から4番目の風邪用コロナウイルスが発見された。HCoV-HKU1は呼吸器疾患を引き起こし、世界中で記録されている。その最も近い親戚は、げっ歯類のコロナウイルスのようである。
いつからヒトに感染し始めたのかは不明である。しかし、エスパー氏は、HKU1とNL63の方が229EとOC43よりも入院する可能性が低いことを指摘している。
HKU1はあまり注目されていないが、エスパーはオハイオ州の病院で数人の患者からHKU1が発見されたときに特別な関心を持った。彼は、高齢者が特にこのコロナウイルスの被害を受けやすいことを発見したのである。
確かに、一般的な風邪ウイルスはしばしば子供の病気として考えられているが、エスパー氏のチームは、大人がこれらのコロナウイルスによる感染の 70 % を占めることを発見したと述べている。これはほとんどのウイルスとは異なるが、私たちが発見しているCOVID-19ウイルスについての情報と一致している。
「これらのコロナウイルスはすべて、非常に似たような作用をしているようである」とエスパーは言う。
「なぜこれらのウイルスがこれほどまでに成人に感染するのかを理解することは、現在のコロナウイルスのパンデミックや将来のパンデミックを理解する上で重要な問題の一つかもしれない。
ウイルス間競争
4種類の一般的な風邪用コロナウイルスには、もう一つ興味深い特徴がある。
「NL63では、多い年と少ない年がある」とファン・デル・フック氏は言う。
「多かれ少なかれ2年ごとにピークを迎えることがわかった。さらに、2000年から 2010年の間に、NL63とOC43の感染は229EとHKU1の感染よりも子供に多く見られた。」
「これらのウイルスは競合している 」と彼女は言う。エスパー氏はまた、リレーでヒットするウイルスを観察してきた。「ここオハイオ州では、HKU1 のパンデミックが著しい年であった」と彼は言う。
OC43もよく見られたが、NL63や229Eの症例はほとんどなかった。「おそらく、私たちの免疫システムが活性化し、数年の間は保護され、その後は消えていくからであろう」と彼は言う。しかし、何か暗いことが起きている可能性もある。
1990年に行われたある実験では、229Eに感染したボランティアは1年後に再感染しやすいことがわかった。再感染しても症状は出ないが、ウイルスを受け継ぐ可能性があるということである。ヴァン・デア・フックは、これはCOVID19に対処するための心配な意味合いを持っていると考えている。
「無症状の人々が知らずにウイルスを排出していることをさらに多く持っているときに、これが脆弱な人々を保護するために何を意味するか想像できるか」と彼女は言う。
SARS-CoV-2に対する抗体を持つ人々を研究しなければならない、と彼女は言う。それにもかかわらず、私たちの一般的な風邪ウイルスの研究は、楽観的な根拠を提供している。
コロナウイルスの家系図は4つの亜科で構成されており、そのうちの2つをヒト風邪ウイルスが占めている。NL63と229Eは、ネコやイヌのコロナウイルスとともにアルファと呼ばれるグループに属している。
OC43とHKU1はベータ亜科に属しており、これにはMERS、SARS、COVID-19の原因となるウイルスも含まれる。1つのウイルスに対する抗体は、関連するウイルスに対して有効である可能性がある、とvan der Hoek氏は言う。
「OC43 や HKU1 の感染を経験したばかりの人が、すでに少しだけ [COVID-19] の保護を持っているかどうかを調査する必要がある」と彼女は言う。
しかし、逆もあり得るとVan Ranst氏は警告する。「年齢が高く、コロナウイルスに対する免疫力が残っている場合は、体が過剰に反応する可能性が高くなるのかもしれない。
長期的には、ウイルス学者はSARS-CoV-2がどのように進化するかを予測することはできない。それはまだ何年かの間、特に高齢者の間で重篤な病気を引き起こし続ける可能性がある。しかし、いつの日か、SARS-CoV-2は単なる風邪のコロナウイルスになってしまうのではないかと思われる。
エスパー氏によると、これらのウイルスはヒット・アンド・ラン・ウイルスである。「彼らはあなたに感染し、100万のウイルスの赤ちゃんを作り、それらすべてを広げる 」が、私たちの免疫システムは通常、5日以内にそれらを殺す。ウイルスがあまりにも致命的であれば、拡散する機会を得られないので、より良性になることが彼らの利益になる。
「SARS-CoV-2が持続すれば、それが予想されるが、時間が経てばマイルドになるかもしれない。」とエスパーは言う。
SARS-CoV-2発生の起源とその背景にある根本的な原因
背景
SARS-CoV-2は2019年12月に拡散を開始し、その後、人間社会の多くの側面に影響を与えるパンデミックとなっている。SARS-CoV-2の発生の起源、ヒトへの導入時期、進化のパターン、およびSARS-CoV-2のアウトブレイクを推進する根本的な力に関するいくつかの問題は、依然として明らかになっていない。
研究方法
2/23/2020の時点でのSARS-CoV-2ゲノム137個と関連コロナウイルスの遺伝的変異を解析した結果、コロナウイルスの遺伝子変異は1.5倍であった。
結果
変異バイアスを補正した結果、同義・非同義の両方の部位で低頻度の変異が過剰に発生していることが明らかになり、これは最近のウイルスのパンデミックと一致している。
2003年の短期間のパンデミック時に報告されたSARS-CoVの適応進化とは対照的に、我々のSARS-CoV-2ゲノムの解析では緩和の兆しが見られた。SARS-CoV-2とパンゴリン由来の配列との間のスパイク受容体結合ドメインの配列類似性は、おそらく約40年前に起こった古代のゲノム間導入によるものであると考えられる。
SARS-CoV-2の現在のアウトブレイクは、2019年12月11日に発生したと推定された（95%HPD 11/13/2019-12/23/2019）。ウイルスの有効集団規模は、発生から武漢のロックダウン（1/23/2020）までの間に約20倍の増加を示し、その後は増加が止まり、社会的距離がウイルスの拡散防止に有効であることを示した。
orf8タンパク質の84Sとorf3タンパク質の251Vという2つの突然変異が人為的介入と同時に発生した。前者は202020年1月5日に最初に出現し、2020年1月23日頃に一服した。後者は1/23/2020以降に頻度が急速に増加した。したがって、これらの突然変異が感染性に及ぼす役割を解明する必要がある。
中国から採取されたSARS-CoV-2の遺伝的多様性は、世界の他の地域から採取されたものに比べて2倍高い。ネットワーク解析の結果、武漢から採取されたハプロタイプは内陸部のハプロタイプであり、変異関連性が高いことが明らかになった。
結論
SARS-CoV-2は、発見されるまでの数年間、人の体内を流通していた可能性がある。
SARS-CoV-2の進化経路を追跡し、効果的な感染拡大に必要な重要なステップを決定するためには、発生初期のデータと病院のアーカイブからのデータが必要である。
考察
スパイクタンパク質のRBD領域のアミノ酸レベルでのSARS-CoV-2とpangolin_2019の間の密接な関係は、最近の組換え[25、26]、データの汚染、または収束進化によるものかもしれない。最近の組換えとDNA汚染は同義部位と非同義部位に等しく影響するはずなので、2つのゲノム間の類似したアミノ酸配列にもかかわらず、同義部位での大きな発散が観察されたことから、説得力を持って否定することができる。
薬剤耐性や免疫逃避のような特定の条件下で進化を繰り返すウイルスでは、遺伝子型収束が観察されることがあるが[36,37,38,39]、それ以外ではまれである。高度に特殊な条件を伴わない適応では、発散性のある分子経路が発達し、遺伝子型収束は期待できないであろう [40]。
例えば、SARS-CoVとSARS-CoV-2は共にヒトACE2と結合するためにスパイクタンパク質を使用しているが[2]、RBD内の6つの重要なアミノ酸のうち5つは、これら2つのウイルス間で異なっている[27]。SARS-CoV-2とpangolin_2019は同義部位の約47%で分岐しており、異なる宿主に感染しているため、収束進化によってRBD内の6つの重要アミノ酸のうち5つを共有しているという考えはあまりにも現実離れしているように思われる。
そこで我々は、収束進化の代わりに、SARS-CoV-2とpangolin_2019の間のRBDの類似性は、古代のゲノム間組換えによって引き起こされたのではないかという仮説を立てた。同義置換率を2.9×10-3/サイト/年と仮定すると、この組換えは約40年前に発生したと推定された（95%HPD：31～69年、発散時間（t）=発散（dS）/（置換率×2×3）、RBDのdSはゲノム平均の3倍であることを考慮すると）。
2つのゲノムのRBD領域のアミノ酸は、同義置換が蓄積される一方で、その後も自然淘汰によって維持されてきた。もしこれが本当ならば、SARS-CoV-2は、最近になって気づかれるまで、何年もの間、ヒトの間でひそかに流通していた可能性がある。
SARS-CoV-2の古代起源は、最近のパンデミックから得られたサンプルの周波数スペクトルとdN/dSによって示されるように、適応進化のサインがないことによって支持される。最近獲得されたウイルスでは、急速な進化と正の選択の強いシグネチャが期待される。
例えば、2002年から 2003年の短いパンデミック期間中、SARS-CoVのゲノムにはいくつかの適応的変化のラウンドが記録されている[33, 34]。宿主に適応した後、ウイルスは、SARS-CoV-2で見られるように、純粋化または緩和された選択の下で進化する可能性がある。
したがって、発生初期からのサンプルをシーケンスし、SARS-CoV-2の祖先の痕跡がないかどうか病院のアーカイブを調べることが重要である。これらの情報は、このウイルスの進化経路を理解するのに役立つだけでなく、このウイルスがヒトに効果的に伝播するための重要なステップを解明するのにも役立つ。
RBDに加えて、SARS-CoV-2スパイクタンパク質には、ベータコロナウイルス属のB系統に特有のものと考えられていた多塩基切断部位の小さな挿入が含まれている[27]。しかし、中国の雲南から採取したコウモリの最近の解析では、SARS-CoV-2と密接に関連する配列RmYN02に同様の挿入があることが確認され、このような一見魔術のように見える部位の挿入が自然界で起こりうることを示す強い証拠となった[11]。
RmYN02の多塩基切断部位とpangolin_2019のRBDの両方は、SARS-CoV[6]と同様に、SARS-CoV-2を形成するために必要なすべての遺伝的要素が環境中に存在していた可能性を示唆している。
さらに重要なことは、それらは頻繁な遺伝子間組換えによって一緒に持ち込まれる可能性があるということである（結果を参照）。自然は新しい病原体を作り出すための材料が尽きることはない。次のパンデミック病が発生するかではなく、いつどこで発生するかである。
orf8タンパク質のL84S変異の軌跡に影響を与える進化的な力については、激しい議論が行われている(http://virological.org/t/response-to-on-the-origin-and-continuing-evolution-of-sars-cov-2/418)。Tangらはセリンが先祖のアミノ酸であると考えていたが[13]、我々はそれがバック突然変異であるという証拠を提示している。武漢での配列の大部分は2020年1月上旬以前にサンプリングされ、84Sを運ぶほとんどのゲノムは2020年1月中旬から下旬以降に武漢以外で発見された。
時間と空間の不一致は、この議論を解決するための努力を妨げている。この問題を解決するためには、パンデミックの初期段階からのより多くの配列が必要であろう。先祖または由来の状態にかかわらず、84Sは何らかの選択的優位性を与えているのではないかという仮説を立てている。サンプリングスキームが意図的に偏っていない限り、84Sの周波数が2週間で0から30%まで劇的に上昇したことを説明するのは困難である。
奇妙なことに、武漢がロックダウンされた 1/23/2020 以降、その周波数は上昇しなくなった。この偶然の一致は、社会的距離がウイルス感染に及ぼす影響を考えさせる。もう一つの証拠は、ORF3タンパク質の215 Vの頻度の増加である。215 Vは1/22/2020に最初に出現し、2週間以内に急速に頻度が増加した。
いくつかの研究は、orf8タンパク質がウイルスの複製、小胞体ストレスの調節、アポトーシスの誘導、宿主細胞におけるインターフェロン応答の阻害に機能している可能性を示唆している（41-45[41,42,43,44,45]）。
SARSのパンデミックの間、いくつかのORF8変異の頻度はパンデミックの異なる段階に応じて変動しており、ORF8はSARSのパンデミックの間に適応を受けたことを示唆している[34]。84Sはタンパク質のC末端の構造障害を誘発し、哺乳類宿主のセリン/スレオニンキナーゼの新規リン酸化標的を生成する可能性が示唆されている[46]。
SARS-CoV の orf3 タンパク質は、NF-κB および NLRP3 イン フラマソームを活性化し、壊死性細胞死、リソソゾーム損傷、およびカスパーゼ 1 活性化を引き起こすことが示されている。さらに、ORF3はSARS-CoVの最大の複製と病原性に必要とされている。上記のすべてがSARS-CoV感染症の臨床症状に寄与している可能性が高い [47,48,49]。
したがって、これら2つの突然変異は機能的な影響を持つ可能性があり、さらに調査する価値があると考えられる。この原稿を作成した時点では、215 Vの頻度は増加しなくなっていた。しかし、別のゲノム背景で平行した突然変異が発生しており、この突然変異はさらなる研究が必要である可能性があるという考えをさらに支持するものである。
結論
SARS-CoV-2の短期間のパンデミック期に報告された適応進化とは対照的に、我々が行ったSARS-CoV-2のゲノム解析では、選択の緩和の兆候が見られ、これは、スパイクタンパク質のRBDにおける古代のゲノム間イントロダクションと組み合わせて、SARS-CoV-2は、最近になって注目される前に、何年も前から人の中で暗号的に流通していた可能性を示唆している。
その進化経路を追跡し、効果的な拡散に必要な重要なステップを明らかにするためには、初期のアウトブレイクと病院のアーカイブからのデータが必要である。
武漢のロックダウンは、ORF8の84SとORF3タンパク質の215Vの頻度変動とウイルスの集団サイズに強く関連していることを発見し、ウイルスの拡散防止には社会的距離などの人間の介入が有効であることを示唆した。
SARS-CoV-2が中枢神経系感染症を引き起こす可能性について 生物学的基礎と臨床経験
Potential of SARS-CoV-2 to Cause CNS Infection: Biologic Fundamental and Clinical Experience
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7314941/
コロナウイルスの神経侵襲性
従来、コロナウイルスは呼吸器ウイルスとされていたが、近年、コロナウイルスの神経侵襲性についての証明が蓄積されてきている。COVID-19がブレイクアウトする以前の6種類のコロナウイルスのうち，これまでに中枢神経系の感染が報告されたのは，HCoV-229E，HCoV-OC43，SARS-CoVの3種類である．コロナウイルスは健常者にも存在し，中枢神経系の感染は致死的な結果をもたらすことから，コロナウイルスの神経病理学的研究が盛んに行われている．本節では，コロナウイルス中枢神経系感染症に関するこれまでの研究を，臨床例，病理組織学，動物モデルなどからまとめ，主にSARS-CoVに焦点を当てて解説する．SARS-CoVはSARS-CoV-2と同じウイルス受容体を共有しており、パンデミック致死性肺炎を引き起こしたことから、SARS-CoV-2もSARSと同様のメカニズムで中枢神経系感染症を引き起こす可能性があると考えられる。
マウス肝炎型ウイルス（MHV）の神経侵襲性
実際、動物由来のコロナウイルスの中には、古くから神経侵襲性ウイルスとみなされ、ウイルス関連の神経疾患の研究に利用されてきたものもある。その一例として、マウス肝炎ウイルス（MHV）は、1949年に発見・単離され、世界中の多くのマウスコロニーに蔓延している感染力の強いコロナウイルスである（82）。これらの人獣共通感染性病原体は、主に呼吸器を介して感染し、肝炎や脳炎を引き起こする。ラットにMHVを脳内注射したところ、急性全脳炎と脱髄病巣を呈し、神経細胞と乏突起細胞の両方でウイルスRNAが検出された(83)。この動物モデルでの発見は、この呼吸器ウイルスが中枢神経系を誘導する可能性があることを再認識させたが、1988年に三叉神経経路ではなく嗅覚神経経路が呼吸器ウイルスによる中枢神経系の感染経路であることが確認されるまで、その経路は明らかにされていなかった(84, 85)。その後、MHVは自己免疫性神経原性炎症やその後の多発性硬化症と強い相関関係があることが明らかになり、コロナウイルスはウイルスの直接複製以外にも、歪んだ免疫攻撃を介して神経障害を引き起こす可能性があることが示唆された(86)。現在では、MHVは神経疾患の機能変化やメカニズムを研究するために、多発性硬化症や神経感染症の動物モデルの構築に広く用いられている(87-89)。
HCoV-229EおよびHCoV-OC43の神経侵襲性
HCoV-229EとHCoV-OC43は，最初に分離された2つのコロナウイルス株である．これら2つのコロナウイルスは、ほとんどの場合、上気道に限局した軽度の感染を引き起こす。MHVの神経侵襲性がマウスで発見されて以来、ヒトコロナウイルスはヒトの神経疾患、特に多発性硬化症にもつながるのではないかと考える研究者もった。1981年、多発性硬化症と診断された患者の新鮮な剖検脳組織から、HCoV-OC43およびマウスコロナウイルスA59と血清学的に関連する2つのコロナウイルス株が分離された(90)。これら2つのコロナウイルス株はOC43抗血清との交差反応性を共有していたが、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）技術がなかったため、これら2つのウイルスを明確に同定することはできなかった。1992年までにStewart JNらは、多発性硬化症患者の脳組織中にHCoV-OC43とHCoV-229Eが存在することをtotal RNA抽出と逆転写ポリメラーゼ連鎖反応により確認しており、その結果、全患者の検体からHCoV-OC43は検出されたが、HCoV-229Eは検出されなかった(91)。実際，HCoV-229EとHCoV-OC43は中枢神経系の細胞への感染性が異なる．2つのコロナウイルスの両方とも、神経芽腫、膠芽腫、膠芽腫、星細胞腫、オリゴデンドロサイトの細胞株への急性感染をもたらすが(92)、HCoV-OC43だけは持続感染をもたらす(92)。現在、HCoV-OC43は、髄膜萎縮、パーキンソン病、多神経症、老人性認知症、頭痛などの一連の慢性神経疾患に関連していると考えられている(93)。感受性マウスモデルの結果によると、このコロナウイルスは主に嗅覚経路と神経細胞間の伝達を利用して中枢神経系に侵入し、毛様皮質、脳幹、脊髄に集中している(94)。免疫不全の成人では、HCoV-OC43の病原性は、ウイルスの複製ではなく、何年にもわたって慢性的に潜伏する自己免疫に主に起因するが、乳幼児や免疫不全の人では、このウイルスは致死的な急性脳炎を引き起こす可能性がある(14, 95, 96)。
SARS-CoVの神経侵襲性
2003 年、中国広東省の調理人から、これまで不明だったコロナウイルス SARS-CoV が分離された。このタイプのコロナウイルスは、以前に発見されたHCoV-229EやHCoV-OC43とは異なり、上気道に限局せず、肺炎を進行させ、肺胞拡散機能の低下とその後の急性呼吸窮迫症候群（ARDS）を引き起こした。このコロナウイルスはすぐに世界的なパンデミックを引き起こし、8,096人の患者と774人の死亡者を出した（97、98）。一般的なウイルス性肺炎とは異なる症候群を示すことから、このパンデミックは最終的に重症急性呼吸器症候群（SARS）と命名され、病原体は SARS-CoV と命名された。SARS-CoVはコウモリ由来の人獣共通感染症ウイルスで、第2のキャリアとしてヤシクイムシに感染し、最終的には院内移行を経て種の壁を越えてヒトに感染し、致死性肺炎を引き起こした（99）。SARS-CoV の発生は、初めてコロナウイルスの致死病原性、およびコウモリにおけるコロナウイルスのリザーバーの有病率を実証した。
SARS感染時の重要な合併症は、通常、重症感染例で観察される多臓器不全である(100)。SARSのこのような全身障害は、これまでは全身性炎症反応症候群（SIRS）のような免疫異常の結果と単純に考えられていたが、消化管、腎臓、免疫細胞、さらには脳でもウイルスの複製が検出され、SARS-CoVが局所的なウイルス複製によって臓器に直接的な毒性も生じていることが実証された（101）。報告されている解剖結果によると、脳組織のSARSは主に視床下部と皮質に限局しており、神経細胞の浮腫と変性を引き起こしていた。実際、SARSの中枢神経感染は、すべての脳組織の剖検でSARSが検出されたことから、死亡リスクと強い相関関係を示した。別の研究では、重大な中枢神経感染の症状を呈するSARS患者から採取した脳組織標本で神経細胞の壊死とグリオサイトの過形成が認められ、免疫細胞の増加とサイトカインレベルの上昇により抗ウイルス免疫応答が確認された(102)。hACE2 トランスジェニックマウスを用いた実験データから、SARS の経鼻接種は二次感染の過程に沿った遅発性の中枢神経系感染を誘導することが明らかになった。臨床例の脳標本におけるSARS-CoVの局所的な分布とは異なり、一旦脳血液関門を通過したウイルスは、ニューロンの接続を介してトランスジェニックマウスの脳組織全体に高効率で伝播し、特に大脳皮質、大脳基底核、中脳の領域で高い効果が得られた。血液や嗅神経からもウイルスが検出されたことから、嗅神経逆行性および血行性の経路が呼吸器系から中枢神経系への感染の原因であると考えられた（103, 104）。脳感染は死因との相関性が高いことから、SARS患者の臨床的に最も一般的な死因である呼吸不全に神経障害が関与している可能性が考えられる。さらに、SARS-CoVの神経侵入と神経毒性は、肺炎から回復してから数年後にも慢性疾患や障害を引き起こす可能性がある。SARS生存者の間では、疲労、睡眠生理学的変化、睡眠時呼吸障害、筋骨格系の疼痛など、中枢神経系に関連した一連の身体的・心理的症状が優勢であった(105)。時には、典型的な末梢神経障害ではほとんど報告されておらず、永続的な無感覚症に至るSARS-CoV誘発嗅覚機能障害の例のように、病変が潜伏していることもある(106)。SARS-CoVはSARS-CoV-2と同じ受容体であるACE2を共有しており、SARS-CoV-2と遺伝的に同一であることから、この2つのウイルスは似たような病原性の進行をたどる可能性があることを指摘しておく必要がある。
SARS-CoV-2の神経侵襲性
SARS-CoV-2は、臨床症状、ウイルス配列、感染性、ウイルス受容体、神経侵襲性などの点でSARS-CoVと多くの類似点を有している。これまでのところ、SARS-CoV-2は腎臓、消化管、心臓などの肺外感染を引き起こすことが確認されている(107-109)。SARS-CoV-2の神経侵襲性については、COVID-19患者の嗅覚障害や眼球異常など、末梢神経系の機能障害に関連した神経障害の例があるが、RT-PCRによりこれらの組織でのウイルス複製が直接証明された例はない(110)。中枢神経系に関しては、Chenらの報告では、死亡した113例中23例に脳症が認められ、その中で食欲不振、筋痛、意識障害を呈していた(111)。しかし、脳組織や脳脊髄液中でのウイルスの複製を確認する剖検の証拠はまだなく、これらの神経症状がウイルス感染によるものなのか、単に肺脳症によるものなのかは不明である。中枢神経系におけるSARS-CoV-2の存在を確認するためには、剖検組織学的検査によるより説得力のある証明が必要であり、特に嗅球、鼻咽頭、傍室核、脳幹の病変が必要である。
おわりに
本研究では、SARS-CoV-2が中枢神経系に感染するメカニズムをまとめ、SARS-CoV-2が中枢神経系に感染する可能性について解析を行った。SARS-CoV-2の神経侵襲性は現在のところ明らかになっていないが、中枢神経系への感染性は従来のSARS-CoVほどではないようである。中枢神経系がSARS-CoV-2の理想的な標的であることは間違いなく，ウイルスのトロピズムのために必要な受容体を持ち，ウイルスの拡散経路が可能であることは間違いない．現在のところ、SARS-CoV-2が中枢神経系に急性・慢性障害を引き起こすかどうか、SARS-CoV-2が長期的に中枢神経系に潜伏感染したままでいられるかどうか、潜伏していたSARS-CoV-2がある状況下で復活するかどうかなどは、今後の経過観察の中で検討されなければならない。SARSやMERSの犠牲者よりもはるかに多くの患者が関与していることを考えると、臨床医はCOVID-19患者の神経症状に注意を払い、早期に対応すべきである。SARS-CoV-2中枢神経系感染症の臨床症状は、急性期には脳炎（112）、亜急性期には感染後症状（113）、慢性期には神経変性疾患に脆弱な患者への感染（114）と段階的に変化する可能性があることを指摘しておく必要がある。
SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2に対する免疫応答
link.springer.com/chapter/10.1007%2F5584_2020_549
SARS-CoV
CoVが特定の細胞表面分子に結合すると、ウイルスゲノムが宿主細胞に侵入して細胞に感染する。これらの分子、例えばアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）、カルチノエンブリオ抗原関連細胞接着分子-1（CEACAM1）、アミノペプチダーゼN（APN）、ジペプチジルペプチダーゼ-4（DPP-4）などが、どのようにしてウイルスのゲートとして選択されるのかは、まだ不明である（Li 2015）。
ACE2受容体を介して細胞内に侵入したSARS-CoVは、ウイルスゲノムの転写とウイルスタンパク質の産生を開始する。一方、宿主防御システムが刺激される。ウイルスはマクロファージやT細胞に直接感染する。
感染した患者の大部分におけるリンパ球減少、血小板減少、Tヘルパー（CD4+）および細胞傷害性Tリンパ球（CD8+）の枯渇は、ウイルス関連感染の重症度を反映している（Wong et al 2003）。
疾患の転帰を決定する上で重要な役割を果たすサイトカインのパターンを考えると、免疫応答の結果としてT細胞およびナチュラルキラー（NK）細胞によって産生されるサイトカインであるインターフェロンγ（IFN-γ）は、3～10日以内に有意に増加する。
一方、免疫を支えるもう一つのサイトカインであるインターロイキン-4（IL-4）は減少する。また、Th1細胞によるIFN-γの産生と活性化マクロファージでのサイトカイン産生を抑制し、免疫応答をTh2にシフトさせるIL-10も増加する（Wong et al.2003；北京集団SARS国家研究プロジェクト2003）。
SARS-CoV感染後に実施されたいくつかの研究では、IL-2濃度の増加が報告されている（Li et al 2003）が、他の研究では減少したと主張されている（Wong et al 2004）。
IL-1β、IL-6およびIL-12の濃度もまた、発症後最初の5〜12日で上昇する（Wong et al. IL-12はCD8+T細胞およびNK細胞の成熟因子であるので、IFN-γおよびTh1サイトカインの産生を誘導することができる。
IL-1βは、ウイルスによる感染に対して、急性期タンパク質の合成とIL-8の放出を行うことで、初期作用型サイトカインとして応答する（Mogensen and Paludan 2001）。
そして、当然のことながら、SARS-CoV感染者は、血漿中の好中球活性化に関与するケモカインIL-8レベルが、最初の14日以内に、単球化学吸引性タンパク質-1（MCP-1またはCCL2：C-Cモチーフケモカインリガンド2）およびヒトインターフェロン誘導性タンパク質10（IP-10またはCXCL10）レベルとともに増加している（Wong et al. IL-8は、ウイルス感染中にT細胞の増殖およびマクロファージの活性化を阻害する別のサイトカインである腫瘍成長因子β（TGF-β）とともに時々減少することが知られている（Zhang et al. 同様に、発熱形成のために視床下部に作用し、急性期タンパク質産生を促進する腫瘍壊死因子α（TNF-α）のレベルが上昇することが見出されているが、変化が見られないこともある（Zhang et al 2004）。
したがって、炎症性サイトカインであるIFN-γ、IL-1β、IL-6およびIL-12の早期上昇は、SAR1-CoV誘導性Th1細胞およびNK細胞の活性化およびIL-8などのケモカインの放出を引き起こし、その結果、肺の炎症を引き起こす可能性がある（Van Reeth et al. また、マクロファージ炎症性プロテイン-1α（MIP-lαまたはCCL3：C-Cモチーフケモカインリガンド3）、MCP-1やIP-10などのケモカイン、単球/マクロファージ、T細胞、NK細胞などの感染部位への強い化学走性も顕著である。
また、IL-8は好中球や他の顆粒球に対して強い化学走性を示す（Zhou et al. いくつかの研究では、SARS-CoV感染マクロファージおよび樹状細胞において抗ウイルス性IFNおよびサイトカインが刺激されないことが強調されているが（Ziegler et al 2005）、他の研究グループは、炎症性サイトカインおよびケモカインに加えて、軽度から中等度のSARSの個体よりも致死的なSARSの個体において、IFN-γおよびIFN刺激遺伝子（ISG）のより高いレベルを示している（Cameron et al 2007；Huang et al 2005）。
これらのデータは、SARSの免疫発生におけるIFNおよびISGの潜在的な役割のより良い調査を示唆する結果である。
ケモカインIL-8、IP-10およびMCP-1値は、コルチコステロイド治療後5〜10日以内に正常レベルに達することが知られているが、IL-1-β、IL-6、IL-10、IL-12、TNF-αおよびIFN-γ値は低下しない(Wong et al. 2004; Zhang et al. 2004)。
回復した患者の抗体レベルは、すべての患者においてIgGが13週間持続することを示したが、IgMが短時間で測定できることは、IgG抗体がウイルスから患者を保護するための一次体液性免疫応答を発現していることの証拠として示された。
このような高レベルの応答の理由は、ウイルス特異的なスパイク（S）タンパク質とヌクレオカプシド（N）タンパク質に対するものと考えられている（Zhu 2004）。
MERS-CoV
SARS-CoVおよびSARS-CoV-2が細胞侵入受容体としてACE2を用いるのに対し、MERS-CoVは特異的な受容体としてDPP-4を用いる（Li 2015）。DPP4はII型膜貫通型糖タンパク質であり、気管支上皮やマクロファージに広く発現している。したがって、ヒト呼吸器上皮細胞は、MERS-CoV感染に対して非常に感受性が高い。
ウイルスはマクロファージや樹状細胞（DC）で複製する一方で、プロ炎症性サイトカインの産生を誘導する。MERS-CoVによるヒトT細胞の感染は、内因性および外因性アポトーシス経路の両方を誘導し、免疫応答の抑制を引き起こす(Chan et al. 2014)。
これは、単球-マクロファージ、DCおよびT細胞に感染するSARS-CoVとは逆の絵である。白血球減少症やリンパ球減少症も、MERS患者ではSARS患者よりも少ない程度に観察される。
TNF-α、IL-6、IFN-γおよびIL-12産生がMERS-CoV感染マクロファージから誘導され、一連の抗ウイルス反応が始まる。
IFN-λおよびCXCL10、CCL2、CCL3およびIL-8などのケモカインの産生もまた、DCまたはマクロファージから増加する（Zhou et al. さらに、感染したDCからのIFN-αおよびIFN-β（I型インターフェロン）発現の刺激は、MCP-1、CXCL10などのケモカインおよびIL-10などのサイトカインの放出を引き起こす。
データは、MERS-CoV感染において、MCP-1、MIP-1αおよびIL-8ケモカインおよびサイトカインIL-12が、SARS-CoV感染と比較して高発現していることを強調している(Zhou et al. 2014; Chu et al. 2014; Cheung et al. 2005)。
免疫細胞受容体ケモカインおよび免疫刺激性サイトカインは、MERS-CoV感染において、SARS-CoV感染と比較して有意に高い範囲で、かつ長期間にわたって誘導されている（Zhou et al. したがって、MERSでは免疫原性が強まり、より重症化し、より高い死亡者数をもたらすと考えられる。
マイクロアレイを用いた解析でサイトカイン／ケモカインプロファイルを決定することで、MERS-CoV感染症とSARS-CoV感染症の間の免疫応答をより明確に示すことができるだろう。免疫応答の知見に加えて、抗ウイルス治療のためには、ウイルスの遺伝的構造や病原性の特徴も無視できない。
SARS-CoV-2
SARS-CoV-2に関する世界的なデータでは、潜伏期間は約3～7日であるとされている。
感染の約80%は軽症または無症状であり、15%は重症患者として酸素吸入が必要であり、5%は集中治療室（ICU）での人工呼吸が必要である（Huang et al. SARS-CoV-2はACE2を利用して、主にヒトのI型およびII型肺炎球および肺胞マクロファージに感染する（Chu et al. SARS-CoV-2は、48時間以内にSARS-CoVと比較して3.20倍の複製時間を持つ。
最近の研究では、COVID-19に対する防御における体液性および細胞性免疫応答の両方の重要性が示された。
自然免疫応答を克服し、IFNをダウンレギュレートし、プロ炎症性サイトカインストームを制御するSARS-CoV-2の成功は、まだ議論の余地がある(Li et al. 2020a)。
SARS-CoV-2は、呼吸器系の全領域に感染し、IL-1およびIL-6の産生を誘導する傾向にある（図1）。これらは主に肺の炎症、発熱、線維化を引き起こし、最終的には腎症を引き起こす。
IL-2、IL-7、TNF-α、顆粒球コロニー刺激因子（G-脳脊髄液）、IP-10、MCP-1、MCP-1Aなどの他の炎症性サイトカインもまた、サイトカインストームを引き起こし、重篤な状態ではサイトカイン放出症候群（CRS）を導く（Conti et al. COVID-19患者のデータは、IL-6、TNF-α、IL-1、IL-2R、およびIL-18などのケモカインとしての炎症性サイトカインの上昇を示し、ほとんどの重症COVID-19症例で見出された(Qin et al. 2020)。
さらに、好中球減少症およびリンパ球減少症を伴うC反応性タンパク質（CRP）レベルの上昇、プロカルシトニン、血清フェリチンなどの感染関連バイオマーカーの上昇は、疾患の重症度および死亡率と関連している(Qin et al. 2020; Jiang et al. 2020)。
自然免疫および適応免疫の両方の出力は、サナトリー免疫が介在する健康状態に責任を負う。COVID-19患者の早期の結果は、重度の炎症の指標としてのリンパ球数の障害を明らかにした。
実際、重症のCOVID-19患者では、ナイーブヘルパーT細胞とメモリーヘルパーT細胞の比率が増加していることが明らかになった。また、CD3+CD4+CD45RA+ナイーブT細胞およびCD3+CD8+CD28+細胞傷害性サプレッサーT細胞の減少も、SARS-CoV-2に対する免疫応答の弱さと関連している可能性がある(Qin et al. 2020)。
細胞性免疫系はT細胞応答で活性化される。ほとんどの場合、ウイルス感染に対しては抗原特異的T細胞が産生され、ウイルス感染細胞を標的とする。SARS-CoV-2感染では、CD8+T細胞応答がウイルス感染細胞を殺すために重要である(Li et al. 2020a)。
SARS-CoV-2に対する確立された免疫応答が長く継続して記憶されているかどうかについては、十分なデータがない。
新しいウィンドウで開く図1
図1
SARS-CoV-2に対する免疫応答 SARS-CoV-2に対する免疫応答
SARS-CoV2は気道を通って広がり、主に気道気管支に感染する。樹状細胞はCD4+T細胞にウイルス抗原を提示し、重症化するとさらにサイトカインストームが始まる。体液性免疫反応によりIgG,IgM,IgAの産生が促進され、他の細胞へのウイルスの侵入が阻止される。CD8+T細胞はペルフォリンとグランザイムを分泌し、ウイルスに感染した細胞を死滅させる。
ウイルス感染では、IgMが最初の反応を形成し、その後、高親和性IgG産生が長期的な免疫をもたらす(Racine and Winslow 2009)。ウイルスの中和は、体内組織全体へのウイルスの拡散を止めるために不可欠である。
SARS-CoV-2に対する体液性免疫応答は1週間以内に発現し、14日後にはNタンパク質に特異的なIgG抗体が中和される。それらの患者は、28日後にウイルスに対して血清陽性となり、SARS-CoV-2 PCRで陰性となった(Gorse et al. 2020)。
SARS-CoV-2 IgMおよびIgGの迅速なスクリーニングは、COVID-19病の診断および治療に向けて、症候性キャリアおよび無症候性キャリアの両方を早期にキャッチするために重要である（Li et al 2020b）。
結論
世界中の様々なセンターから、日々新しい臨床データや検査データが入ってきている。ウイルスやクレームの発生状況を理解するためには、より多くの前向きで長期的なデータが必要であるが、手元のデータではほぼイメージがつかめない。
SARS-CoV-2が他のコロナウイルスファミリーと比較して優れている点は、その増分増殖と人と人との間での高い拡散能力である。
免疫学的な結果は、ナイーブおよびメモリーCD4 + T細胞の比率の低下、炎症性サイトカインレベルの増加、サイトカインストームの結果を示し、患者への集中治療のサポートが必要である。
最近の治療アプローチは、まだウイルス自体とサイトカインストームと格闘している。ワクチンをベースとした研究は現在も進行中であるが、ワクチンによる免疫誘導にはまだまだ時間が必要であることは間違いない。
また、間葉系幹細胞を用いた細胞治療は、肺の永久的な損傷を防ぎ、サイトカインストームを鎮めるために重要である。ウイルスの行動やワクチン開発、治療法を理解するためには、もっと時間が必要であるが、私たちは決して後れを取っているわけではない。