KD論文ケトーシスコロナウイルス予防と治療

COVID-19 サイトカインストームを鈍らせる治療法としてのケトン代謝療法の提案

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目 次 

COVID-19: Proposing a Ketone-Based Metabolic Therapy as a Treatment to Blunt the Cytokine Storm

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7519203/

要旨

ヒトSARS-CoV-2感染症は、一部の患者がサイトカインストームと急性呼吸窮迫症候群(ARDS)に関連した大規模な自然免疫応答を発症するため、高い死亡率を特徴としている。これは、エネルギー代謝の低下、酸化還元状態の変化、酸化的損傷、および細胞死によって分子レベルで特徴づけられる。

ケト原性食事療法や外因性ケトン体の消費など、(R)-β-ヒドロキシ酪酸(R-BHB)のレベルを増加させる治療法は、変化したエネルギー代謝およびレドックス状態を回復させるべきである。R-BHBは抗炎症性GPR109Aシグナル伝達を活性化し、NLRP3インフラマソームおよびヒストン脱アセチル化酵素を阻害し、ケト原性食は、保護γδT細胞応答を介して、およびエネルギー代謝を回復するための電子輸送鎖遺伝子発現を増加させることによって、インフルエンザウイルス感染からマウスを保護することが示されている。

ウイルス誘発性サイトカインストームの間、活性酸素種(ROS)と活性窒素種(RNS)の増加により、代謝の柔軟性が損なわれ、ピルビン酸脱水素酵素複合体(PDC)を含む中枢代謝の多くの酵素を損傷、ダウンレギュレート、または不活性化させる。これは、B細胞およびT細胞の増殖を減少させ、サイトカイン産生および細胞死の増加をもたらすエネルギーおよび酸化還元の危機をもたらす。

呼吸困難の最初の兆候として、適度な高脂肪食と外因性ケトン体の補給を行うことで、PDCのブロックを回避してミトコンドリアの代謝を増加させるという仮説が立てられている。R-BHBを介したヌクレオチド補酵素比とレドックス状態の回復は、活性酸素とRNSを減少させ、自然免疫反応とそれに伴うサイトカインストームを鈍らせ、適応免疫を担う細胞の増殖を可能にするはずである。

提案された治療法の制限事項としては、ヒトの免疫細胞や肺細胞の機能がケトーシスによって増強されるかどうかが不明であること、治療を開始する前にケトアシドーシスのリスクを評価しなければならないこと、免疫機能を増強するための外因性ケトン体の許容可能な食事脂肪や炭水化物のレベルがまだ確立されていないことなどが挙げられる。

第三の制限は、インフルエンザに感染したマウスを用いた研究によって解決される可能性がある。COVID-19患者がケトンエステルと組み合わせた寛容な食事を摂取して血中ケトン濃度を1~2mMに上昇させ、症状の重症度、感染期間、症例致死率などのアウトカムを測定した臨床研究が必要とされている。

1. 序論

COVID-19の危機を、効果的でタイムリーなワクチンや治療法で解決することが、政府や民間企業に求められている。時が経つにつれ、SARS-CoV-2ウイルスの有害な結果から身を守るために、健康的なライフスタイルと栄養がどのように役割を果たすかに関する情報への需要が高まっている。このレビューでは、栄養、代謝、および厳密に制御された免疫システムの間の複雑で詳細な相互作用が強調されている。データは、外因性ケトン体が細胞効率と代謝の柔軟性を向上させ、重要な免疫調節を提供できることを示唆している。しかし、免疫系に最も良い影響を与える食事性多量栄養素の組み合わせを正確に特定することには課題が残っている。これらの治療法は、最小限の毒性を示しながら患者の免疫系をサポートすることができるため、研究者や臨床家がウイルス感染症の新規予防策を特定しようとする際には、代謝戦略を考慮することが重要である。外因性ケトンがエネルギーおよび酸化還元代謝を改善し、炎症を鈍化させるメカニズムは、COVID-19だけでなく、過剰なサイトカイン産生が多臓器不全および死亡につながる可能性のあるあらゆるウイルス感染または細菌感染にも当てはまると考えられる。代謝療法には多くの種類がある。しかしながら、ケトジェニックダイエットまたは異なる形態の外因性ケトンの消費を含む、R-BHBレベルを増加させる治療法は、本レビューの焦点となるであろう。また、最近の包括的なレビュー[3]を含め、全身のケトン体レベルの上昇は、炎症を減少させることによって、一部では呼吸器ウイルス感染に対する宿主の防御を助ける可能性があることが示唆されている[1, 2]。

1.1. SARS-CoV-2はII型肺胞上皮細胞に感染し、自然免疫応答および後天性免疫応答を誘導する

SARS-CoV-2は、肺のII型肺胞上皮細胞(AEC II)を含む多くの細胞型に感染し[4]、これが呼吸器感染につながる。AEC IIは、そのレベルを維持するために分裂するか、または肺のガス交換の大部分の表面積を提供するAEC I型に分化する[5]。AEC IIの他の重要な機能には、気道機能を保護するための界面活性剤、スーパーオキシドジスムターゼ3(SOD3)[6]、およびI型(α/β)およびIII型(λ)インターフェロン[7]の分泌が含まれる。これらの機能により、AEC IIは高いエネルギー要求量を有し、エネルギー産生のために脂肪酸酸化に大きく依存している[7]。感染時のこれらの機能の部分的な損失は、ウイルスの拡散を促進し、免疫応答および組織修復を混乱させる。AEC IIを含むほぼすべての核細胞は、ウイルスの存在を認識し、感染に貪食細胞をリクルートするための自然免疫応答を開始することができる。SARS-CoV-2などのRNAウイルスは、主に細胞質レチノイン酸誘導性遺伝子I様受容体(RLR)RIG-1,およびメラノーマ分化関連遺伝子5(MDA5)によって認識される。エンドソームトール様受容体(TLR)TLR7/8およびTLR3も役割を果たしている[9]。これらの内膜TLRを介した過剰なシグナル伝達は、炎症性病理を引き起こす可能性がある[10]。サイトカインストームでは、マクロファージや好中球を含む貪食細胞の数は、炎症性サイトカインのレベルとともに増加し、一方で、適応免疫応答の媒介者であるBおよびTリンパ球の数は減少する[11]。その結果、ウイルスを除去できず、サイトカインを分泌する自然免疫細胞の数が増加する正のフィードバックループの暴走が促進される。このサイトカインストームは、COVID-19の急性呼吸窮迫症候群(ARDS)多臓器不全、患者死亡の主な原因として浮上している[12,13]。図1は、サイトカインストームとARDSにつながるSARS-CoV-2感染時に起こる分子病理をまとめたものであり、図2は、ケトンエステルと適度な高脂肪食を用いた代謝療法が、病理を防御するために疾患過程に介入する可能性があることをまとめたものである。

図1 SARS-CoV-2感染後の急性呼吸窮迫症候群(ARDS)や死亡に至るメカニズムを示す

自然免疫反応の細胞は、サイトカインを大量に分泌する。通常、サイトカインストームから身を守る細胞は、この能力を失い、サイトカイン産生の正のフィードバックループの暴走につながる。略語。11β-HSD1および11β-HSD2:11β-ヒドロキシステロイド脱水素酵素タイプ1および2;ACE2:アンジオテンシン変換酵素2;AEC IおよびAEC II:肺胞上皮細胞タイプIおよびII;DCs:樹状細胞;FOXO1:フォークヘッドボックスO1転写因子;FOXO3. フォークヘッドボックスO3転写因子;HIF-1α:低酸素誘導因子1α;IFN:インターフェロン;IL-6:インターロイキン-6;IRF3:IFN調節因子3;NAD(H):ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド;NADP(H):ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸塩;ONOO-:ペルオキシナイトライト;PGC1-α.PPARGコアクチベーター1-α;PDK1およびPDK4:ピルビン酸脱水素酵素キナーゼ1および4;RLR:レチノイン酸誘導性遺伝子I様受容体;RNS:活性窒素種;ROS:活性酸素種;SOD:スーパーオキシドジスムターゼ;TGF-β:形質転換成長因子-β;TNF-α:腫瘍壊死因子-α。

図2 ケトン系代謝療法を用いた場合のSARS-CoV-2感染のメカニズムと時間経過の提案

略語。HBP:ヘキソサミン生合成経路。

1.2. 代謝療法

中枢代謝は、4つの主要なヌクレオチド補酵素のカップルによって制御される。ADP/ATP、NAD+/NADH、NADP+/NADPH、およびアセチル-CoA/CoA [14]。これらの補酵素カップルが中枢代謝で果たす顕著な役割は、図3に示されている。これらの比率を回復させることを目的とした代謝療法は、多くの場合、より標的を絞った治療の補助として使用される [15]。小児てんかんの治療法としてのケト原性食事療法は、代謝療法として(R)-β-ヒドロキシ酪酸(R-BHB)に注目が集まっている。最近では、BHB、アセト酢酸またはその前駆体の様々な製剤である外因性ケトンにより、ケト原性食事療法を実施することなく、血中のR-BHBレベルを上昇させ、制御する補酵素カップルの比率を変化させることが可能になってきた[16]。ケトンエステルの一種である(R)-3-ヒドロキシ酪酸は、全身のR-BHBレベルを上昇させる外因性ケトンのいくつかの形態の一つである。R-BHB由来の代謝物は、ウイルスによる酵素活性の変化によりグルコース[17]や脂肪酸[18,19]がこれらの経路の燃料とならない場合、クエン酸(クレブス)サイクルと酸化的リン酸化を介してフラックスを回復させる。R-BHBレベルを増加させると、疾患組織においてADP/ATP、NAD+/NADH、NADP+/NADPH、およびアセチル-CoA/CoA比が正常化することが示されている[16]。R-BHBは複数の抗炎症シグナル伝達の役割を持ち、エピジェネティック修飾因子として機能し、細胞の酸化還元機能を回復させるために代謝を変化させる遺伝子発現プログラムを刺激する。代謝療法の焦点は、中心的な代謝経路を介して代謝フラックスを大きく制御する補酵素比の回復にある。

図3 中心代謝の主な経路と補酵素カップルの比率を変化させる反応を示す

ミトコンドリアマトリックスと細胞質は、それぞれ独立した補酵素対の比率を持っている。ミトコンドリアマトリックスで合成されたATPは、ミトコンドリア内膜に存在するアデニンヌクレオチドトランスロカーゼによってADPと交換して細胞質に輸出される。ミトコンドリアマトリックスで合成されたアセチル-CoAもまた、脂肪酸合成とタンパク質のアセチル化のために2つの炭素単位を提供するために細胞質に輸出されなければならない。しかし、アセチル-CoAはミトコンドリア内膜を越えることができない。したがって、ミトコンドリア内膜を横切るアセチル単位の移動は、クエン酸ピルビン酸シャトルまたはクエン酸マレートシャトルを用いて達成される。これらのシャトルは、補酵素レベルを変化させ、クエン酸塩、ピルビン酸塩、およびリンゴ酸塩の輸送のために内膜キャリアタンパク質を使用する。補酵素レベルのクエン酸-ピルビン酸シャトルの正味の結果は、NADPHにNADP+を減らすためにATP加水分解とNADH酸化からのエネルギーの使用である。また、ミトコンドリアマトリックス中のNADHまたはNADPHを増加させるのではなく、細胞質中のNADPHを増加させるためにATP加水分解を使用するという正味の効果を有するクエン酸-α-ケトグルタル酸シャトル系も存在する。細胞質で脂肪酸を合成し、抗酸化物質を還元することは、NADPHを必要とする。マレ-ト-アスパラギン酸シャトルは、細胞質とミトコンドリアマトリックスの間でNADHからの還元等価物を転送する。グリセロール3リン酸シャトルは、細胞質のNADHからミトコンドリアETCへ還元性等価物を転送する。グルコースは、二リン酸ウリジン(UDP)N-アセチルグルコサミンを合成するヘキソサミン生合成経路、NAD+をNADHに還元してADPとPiからATPを合成する解糖経路、NADP+をNADPHに還元してヌクレオチド合成のためのリボース糖を合成するペントースリン酸経路(PPP)などの3つの経路で異化される。ピルビン酸脱水素酵素複合体(PDC)が阻害されると、ピルビン酸から乳酸が合成され、NADHからNAD+をリサイクルして解糖を継続できるようになる。しかし、この乳酸は細胞外に排出され、乳酸アシドーシスや多臓器不全の一因となる可能性がある[20]。R-BHBは、細胞の解糖依存度を低下させ、細胞からの乳酸の輸出を減少させる。略語。Glut1およびGlut3:グルコーストランスポーター1および3;MCT:モノカルボキシレートトランスポーター;NNT:ニコチンアミドヌクレオチドトランスハイドロゲナーゼ;PDC:ピルビン酸脱水素酵素複合体。


 

1.2.1. ケトンエステルの消費は、ヒトにおける免疫機能の低下を鈍らせる

多日レースに出場するよく訓練されたサイクリストの血中サイトカインレベルの研究では、TNF-α、IL-6,IL-2,およびIFN-γのレベルが激しい運動後に上昇し、炎症の増加を示したが、IL-1βのレベルは変化しなかった[21]。18日間の試験の最終日に、ケトンエステル(R)-3-ヒドロキシブチル(R)-3-ヒドロキシブチレートを毎日投与されたサイクリストは、コントロールよりも平均出力が15%高く、CD4+/CD8+(Tヘルパー細胞/細胞傷害性T細胞)比が25%増加したことを示した[22]。CD4+/CD8+比の増加は免疫機能の増加と関連しており[23]、この比は免疫系機能の低下に伴って加齢とともに低下する[24]。

1.2.2. ケトンエステル処理は、モデルシステムにおける電離放射線によって誘発される

サイトカインストームを抑制する。
サイクリング研究で使用されたのと同じケトンエステルは、放射線緩和研究でも使用されている。サイトカインはCOVID-19の病態生理の中心である;あるものは有益であるが、他のものは有害である(IL-1β、IL-6,およびTNF-α)が、少なくともサイトカインストームとの関連では [25-28]。急性量の放射線への曝露は、組織の損傷とサイトカインカスケードの活性化をもたらす [26]。放射線誘発性の組織損傷および有害なサイトカインのカスケードを予防または減少させるために、いくつかの薬学的アプローチが研究されている[29]。この放射線対策戦略を、ウイルス誘発性サイトカインストームのモデルとして使用することに関心が寄せられている。IRは、IL-4,IL-5,IL-10 [30]、TGF-β、IL-12,IL-18 [31]、I型インターフェロン、IL-1α、IL-1β、IL-6,GM-脳脊髄液、およびTNF-α [32,33]を含む以下のサイトカインおよび成長因子の発現を増加させることが示されている。最大のサイトカイン産生は、短期放射線被曝後4~24時間の間に起こる [34,35]。合成される炎症性サイトカインと抗炎症性サイトカインのバランスは、治療成績を決定する上で非常に重要である [36]。非常に低線量の非急性放射線への慢性被曝は、ホルミシスを誘発し、いくつかのサイトカインのレベルを変化させて組織の反応を改善することができる [30, 35]。これらの急性放射線と亜急性放射線のサイトカイン反応のメカニズムを決定するためには、さらなる研究が必要であろう。ヒトのサイトカイン遺伝子の多型は、放射線障害後に生じる病理学的な差異の原因となっていることが示されている [31]。急性放射線を用いた限定的なIR研究では、ケトンエステルがマウスの染色体損傷を減少させ、細胞の生存率を高めることが実証されている[37]。現在進行中の研究では、放射線後の動物の生存に及ぼすケトンエステルの効果、および放射線誘発性サイトカインストームへの影響を直接測定している。COVID-19の治療にも考慮されうる放射線誘発性サイトカインストームに対して試験されている他の治療法がいくつかある[38]。

1.3. サイトカインおよびサイトカイン受容体もまた、サイトカインストームを治療する有望な標的である

COVID-19のサイトカインストームを鈍らせる試みとして、サイトカインまたはその受容体を標的としたいくつかの計画されたまたは最近開始された研究がある。例えば、IL-6受容体モノクローナル抗体(mAb)拮抗薬トシリズマブは、治療の有力な候補として同定されている[39]。サイトカインシグナル伝達を制限する他の潜在的な治療法としては、サリルマブ(IL-6R mAbアンタゴニスト)アナキンラ(IL-1R組換えタンパク質アンタゴニスト)[40]、およびエマパルマブ(IFN-γ mAb)が挙げられる。I型インターフェロンなどのサイトカインの中には、サイトカインストームを軽減するために有益なものもある。SARS-CoV-2は、試験管内試験でI型インターフェロンによる治療に対してかなり感受性が高いことが示された[]。リンパ球機能を保護するIL-7は、サイトカインストームを助長するリンパ球減少症を治療する治療法として提案されている[42]。したがって、重症SARS-CoV-2感染症患者に対しては、これらのより標的となる治療法のいずれかと組み合わせて、外因性ケトンを用いた代謝療法の効果を決定するための臨床研究を検討すべきである。

2. R-BHBはサイトカインストームを鈍らせるメカニズムとしてROS/RNSレベルを低下させる

2.1. 活性酸素レベルの上昇はインフラマソーム活性とサイトカイン産生を刺激する

活性酸素種(ROS)および活性窒素種(RNS)レベルは、ウイルス誘発性サイトカインストームの間、少なくとも2つの異なるメカニズムによって肺で増加する。第一に、TLRへのウイルスRNAの結合は、ミトコンドリア電子輸送鎖(ETC)遺伝子の発現低下をもたらし、ミトコンドリアのスーパーオキシド産生を増加させる[43-45]。第二に、食細胞は肺にリクルートされ、肺に常駐する食細胞とともに、TLR7およびRIG-1を介して活性化され、NADPHオキシダーゼ2(NOX2)活性を増加させ[46,47]、病原体を殺すために細胞内および細胞外の両方のROSおよびRNSの産生を増加させる。しかしながら、宿主細胞は、この反応の副産物として、特にサイトカインストームの中で損傷を受けることがある。呼吸器系ウイルス感染症のレドックス生物学に関するレビューが最近発表された[48]。ウイルス誘発性TLRシグナル伝達[47]、RIG-1シグナル伝達[46]、およびミトコンドリア機能の改変[49]による活性酸素産生の増加は、AECおよびマクロファージからのTNF-α、IL-6,およびIL-8を含むサイトカインの産生を増加させるために、NF-κB、IFN-regulatory factor 3(IRF3)STAT1などのいくつかの転写調節因子の活性化を導く[50]。強化されたNF-B活性はまた、IL-1βおよびIL-18産生を増加させるNLRP3フラナソームの活性化を導く[51]。NF-κBの転写は、NLRP3活性化の2段階モデルにおいて必要なステップである[52]。

2.2. 分泌された SOD3 とカタラーゼ、外因性活性酸素スカベンジャーは細胞外活性酸素とサイトカインストームから保護する

肺では、カタラーゼと細胞外スーパーオキシドジスムターゼ3(SOD3)[6]がAEC II [53, 54]によって高レベルで合成される。通常のペルオキシソーム局在に加えて、カタラーゼは古典的な分泌経路とは異なるメカニズムを介して肺胞マクロファージ[55,56]から細胞外空間に分泌される[56,57]。疾患による死亡リスクが高い高齢のCOVID-19患者[58]は、若い患者よりもAEC IIからのSOD3の発現がはるかに少ないことが示された[]が、サイトカインストームから保護する上でのSOD3の重要な役割を示唆している。これらの抗酸化酵素は、細胞外液中の有毒なスーパーオキシドおよび過酸化水素の濃度を減少させ、細胞外構造物への酸化的損傷を防止する。これに関して、NOX2は、スーパーオキシドを合成し、主にAEC Iから腔内細胞外空間に放出することが示されている[9, 60, 61]。その重要な抗酸化機能と関連して、SOD3の多型は、肺機能の低下および慢性閉塞性肺疾患(COPD)と関連している[62]。

カタラーゼの外因性投与は呼吸器ウイルス感染症を緩和することが示されている。経鼻的カタラーゼは、サイトカインストームを誘発する可能性のあるウイルスである呼吸器性合胞体ウイルス(RSV)感染から保護された[63] [64]。カタラーゼ処理は、サイトカインIL-1α、TNF-α、およびIL-9,ならびにケモカインCSCL1,CCL2,およびCCL5のレベルの有意な低下をもたらした[64]。他のタイプの呼吸器感染症の初期段階では、増加した活性酸素は、核内因子赤血球2関連因子2(NFE2L2,一般にNrf2と呼ばれる)転写調節因子を活性化して、SOD3やカタラーゼなどの抗酸化遺伝子を誘導し、活性酸素誘導性の炎症性遺伝子発現およびそれに続くサイトカインストームから保護する。しかし、RSV感染はNrf2のタンパク質分解を引き起こし、サイトカインストームを促進するための保護抗酸化応答を妨げる[6]。さらに、カタラーゼは、肺の高レベルの活性酸素およびRNSによって不活性化され得る[65]。インフルエンザAウイルス(IAV)は、サイトカインストームを誘導する別のウイルスである[66]。IAVに感染したマウスでは、ミトコンドリア標的抗酸化剤MitoTEMPOを経鼻投与すると、肺のETC由来のROSを鎮静化し、プロ炎症性遺伝子発現、サイトカインストーム、およびその結果としての死亡率を減少させた[67]。同様の研究では、NOX2阻害剤の経鼻投与がマウスのIAV感染に対して同様の保護効果を有することが明らかになった[68, 69]。したがって、ミトコンドリアとNADPHオキシダーゼが媒介する活性酸素の増加の両方がIAVの死亡率に寄与していると考えられる。呼吸器ウイルス感染症におけるNADPHオキシダーゼの役割については、レビューされている[9]。

2.3. 活性酸素とRNSは食細胞の酸化バーストによって形成される

貪食細胞は、エンドサイト化された病原体の死滅を媒介するために、タンパク質分解酵素、活性酸素、およびRNSを貪食細胞内に放出する。ファゴソーム酸化バーストは、ファゴソームスーパーオキサイドを生成するために、膜結合型NADPHオキシダーゼの補酵素として細胞質NADPHを必要とする(図4)。鉄依存性メタロプロテイン・ミエロペルオキシダーゼ(MPO)は、ファゴソームと融合する一次顆粒の構成要素である[70]。MPOは過酸化水素と塩化物イオンから有毒な次亜塩素酸の合成を触媒する。一酸化窒素と二酸化炭素の2つのガスは、有毒炭酸ラジカルの合成に不可欠である。これが起こるためには、まず、スーパーオキサイドラジカルが一酸化窒素ラジカルに結合してペルオキシナイトライトを形成しなければならず、ペルオキシナイトライトは二酸化炭素と反応してニトロソペルオキシカーボネートを形成し、それが炭酸塩ラジカルに分解される。6.8のpKaを持つペルオキシナイトライトは、ペルオキシナイトライトがプロトンに結合すると生理的に生成され、ヒドロキシルラジカルの主要な供給源となる[71]。COレベルが上昇すると、ペルオキシナイトライトの半減期は約1秒から数ミリ秒にまで減少する[72]。ウイルス感染中に産生される活性酸素およびRNSは、センシンネル、メッセンジャー、および転写因子を含む多くのクラスのタンパク質の活性を決定する酸化剤として特定の役割を果たす [71]。ヒドロキシルラジカルは短命で、主に酸化剤として機能する。スーパーオキシドは負に帯電しており、脂質二重層を直接拡散しないが、ミトコンドリアから細胞質へのタンパク質チャネルによって輸送されることが示されている[73, ]。過酸化水素は、細胞膜を横切ってアクアポリンによって輸送される。細胞質中の過酸化水素濃度は一般的にミトコンドリアの健康状態を示しているが、一過性の増加はシグナル伝達イベントの結果である可能性がある。一酸化窒素は、膜を通過するフリーラジカルであり、比較的短い半減期で近くの細胞にシグナルを送る可能性がある。ペルオキシ亜硝酸もまた、細胞膜を横切ることができる。異なるタイプの活性酸素の半減期および拡散限界を図5に示す。細胞間での活性酸素とRNSのこの拡散の重要性は、ウイルスの受容体を欠いた細胞が感染に対する適切な応答をマウントしようとすることができるということである。

図4 貪食細胞の活性酸素とRNSの代謝

活性酸素やRNSの主要な形態のほとんどは、スーパーオキシドや一酸化窒素(NO)に由来している。

図5 活性酸素/RNSの半減期と拡散限界

2.4. 活性酸素/RNSがヌクレオチド補酵素カップルに与える影響

ウイルス誘発性の活性酸素産生とサイトカインストームは、中枢代謝を制御するADP/ATP、NAD+/NADH、およびNADP+/NADPH比を変化させることによって、肺の宿主細胞のエネルギー機能不全と酸化還元の不均衡を誘導する。

ミトコンドリアのETCによって生成された活性酸素は、細胞のADP/ATP(より少ないATP)を増加させる電子フラックスの減少をもたらす近位ETCタンパク質に損傷を与える。

ETCフラックスの減少はまた、ETC複合体IによるNADH加水分解速度が遅くなると、細胞内のNAD+/NADH(より多くのNADH)を減少させる。

ETCから増加したスーパーオキシドは、スーパーオキシドジスムターゼ1(SOD1)およびSOD2により過酸化水素に変換される。H2O2は、還元されたグルタチオン(GSH)からグルタチオン二硫化物(GSSG)への変換を介してグルタチオンペルオキシダーゼによって無害化される。NADPH依存性グルタチオン還元酵素の活性の増加は、細胞内のNADP+/NADPH比の増加(より少ないNADPH)につながるGSSGをGSHに再利用するために必要とされる。同じ結果をもたらす並列経路では、過酸化水素はペルオキシリドキシンによって無害化される。酸化されたペルオキシリドキシンは、次にチオレドキシンによって還元され、最後に、酸化されたチオレドキシンは、NADPHの還元力を利用してチオレドキシン還元酵素によって還元され、細胞内のNADP+/NADPH比を増加させる。

ADP/ATP、NAD+/NADH、およびNADP+/NADPHのカップルは、何百もの細胞反応を制御している。サイトカインストームの中でこれらのレベルが変化すると、細胞はその主要な機能を効果的に発揮できなくなり、細胞の機能不全や死につながり、ARDSのような病理学的疾患を引き起こす。

3. サイトカインストームの抑制におけるエネルギー代謝の重要性

免疫細胞では、不活性状態から炎症状態への移行、そして炎症後の状態への移行には、代謝リプログラミングが伴います。これにより、細胞は、増殖のための細胞周期への移行、酸化的バーストの実行、壊死ではなく制御されたアポトーシスの実行など、新しい役割を果たすために十分なエネルギーと酸化還元電位を持っていることが保証される。ミトコンドリアPDCは、ミトコンドリアへの炭水化物フラックスのゲートキーパーであると同時に、細胞内のNAD+/NADHの主要なレギュレータでもあるので、代謝を再プログラムするためによく配置されている。それが活性であるとき、それはミトコンドリアのNAD+を減少させ、それが阻害されると、それは乳酸デヒドロゲナーゼがNADHを酸化してピルビン酸を減少させる細胞質にピルビン酸代謝をリダイレクトする。PDC活性は、NAD+/NADH比を調節することにより、解糖やミトコンドリアのクエン酸サイクル、脂肪酸酸化、酸化的リン酸化を介したフラックスにも影響を与える。

3.1. ウイルス感染はミトコンドリアのETC機能低下とエネルギー代謝低下をもたらす

SARS-CoV-2に対する自然免疫応答は、形質細胞性樹状細胞、マクロファージ、およびAEC IIからのI型インターフェロンαおよびβの細胞産生から始まる。ウイルス性二本鎖RNA複製中間体は、ETC複合体I遺伝子発現の低下[75]、ETC複合体I活性の低下、およびタイプIインターフェロンシグナル伝達[76]を介して、おそらく炎症性サイトカイン産生を増加させるタイプIインターフェロンシグナル伝達[43-45]を介して、ETC媒介およびNOX2媒介の活性酸素産生の増加[43-45]につながるTLR3(toll-like receptor 3)を刺激する。これに関して、TNF-αを投与すると、ミトコンドリア遺伝子発現のマスターレギュレーターであるペルオキシソーム増殖因子活性化受容体-γ coactivator-1α(PGC-1α)の発現がダウンレギュレートされ[77]、マウス肺AECにおけるミトコンドリアETC機能および酸素消費量が減少することが示された[8]。PGC-1αはSOD2やカタラーゼなどの抗酸化酵素も誘導するため、PGC-1αのダウンレギュレーションは活性酸素の産生を増加させる可能性が高い[78]。予期せぬことに、SARS患者からの末梢血単核細胞(PBMCs)は、ETCのミトコンドリアでコードされたサブユニットの発現が増加していることが示された[79]。SARS-CoV-2 RNAはミトコンドリアに局在することが示されている[80, 81]。これは、SARS-CoV型コロナウイルスが、感染の初期段階でタイプIインターフェロンβ応答をブロックするのに非常に効果的であることが示されていることを部分的に説明することができる[82, 83]。

3.2. ウイルスによるPDC活性の低下を標的とする

IAVに感染したマウスでは,ATPレベルが大幅に低下し,PDCの負の調節因子であるピルビン酸脱水素酵素キナーゼ4(PDK4)のレベルが大幅に上昇した。PDK4の阻害剤であるジイソプロピルアミンジクロロアセテート(DADA)を投与すると、感染による死亡率は有意に遅延した [17]。しかし、感染は重度の食欲不振をもたらし、これはまた、FOXO1,PPAR-α、およびグルココルチコイド受容体(GR)[86]の転写活性の増加により、筋肉[84]および肝臓[85]などのいくつかの組織においてPDK4レベルを増加させる。飢餓時のPDCのこの不活性化は、脂肪酸を効率的に酸化しないニューロンのために、グルコースと乳酸(コリサイクルの一部として肝臓でグルコースに戻される)を保存するために進化した可能性が高い。ウイルスがPDK4レベルを直接アップレギュレートした完全な範囲は不明である。プロ炎症性サイトカインであるTNF-α、IL-6,およびIL-1βのレベルは、IAV感染後に増加することが示されている[17]。上述のように、ウイルスRNAに対するTLR3およびタイプIインターフェロン依存性応答は、ミトコンドリアETC複合体Iの4つのサブユニットの発現を減少させることが示されている[87]。これは、ATP産生の減少に寄与している可能性が高い。DADA投与により、骨格筋、心臓、肺、肝臓のピルビン酸脱水素酵素(PDH)活性とATPレベルが有意に上昇し、グルコース、乳酸、遊離脂肪酸、R-BHBの血漿レベルが正常化する傾向があった[17]。また、DADA投与は、IL-6,IL-2,IFN-α、TNF-α、およびIFN-γレベルのIAV誘発性上昇を抑制したが、IFN-βまたはIL-1βレベルの上昇は抑制しなかった[17]。PDK阻害剤はまた、保護的な抗炎症作用を有することが示されている。これは、プロ炎症性のTh17細胞はPDK1のレベルが高く、主に解糖代謝を示す一方で、抗炎症性のTh1およびTreg細胞はPDK1のレベルが低く、主に酸化代謝を示すため、Tリンパ球に対する効果に起因している可能性がある。PDK1のノックダウンは、実験的自己免疫性脳脊髄炎のマウスにおいて、Th17細胞を抑制し、Treg細胞数を増加させて免疫機能を回復させた[88]。

マウスにおけるIAV感染の別の研究では、IAV感染後の食欲不振期にグルコースを投与すると死亡率が低下することが明らかになった[88]。したがって、FOXO1の過剰活性化は、活性酸素レベルの増加の両方によって誘導されるため、マウスのIAV感染における病理学的イベントである可能性がある[92

図3は、解糖代謝とクエン酸サイクル代謝の間のゲートウェイにおけるPDCの中心的な役割を示す図である。図6は、PDCを構成する3つの酵素の発現を制御するとともに、PDC活性を調節するキナーゼおよびホスファターゼの発現を制御する複数の転写因子を示している。図6はまた、R-BHBがクエン酸サイクルに入り、PDCの阻害をバイパスする2つのアセチル-CoA分子に異化されることを示している。ETCの複合体Iを燃料とするNADHもまた、R-BHBがアセト酢酸に酸化される間に生成される。R-BHBはまた、ミトコンドリアのエネルギー生成を増加させることが知られているPGC-1αレベル[94]およびミトコンドリア融合[95,96]を増加させることが示されている。したがって、サイトカインストームが炭水化物異化物のミトコンドリア酸化のブロックにつながると、ケトン体の異化はATPの実質的な供給源となる。

図6

PDC活性を回復させるか、またはR-BHBと脂肪酸を代謝して、ウイルス感染後に起こる阻害されたPDC活性をバイパスすることは、有益なエネルギーリプログラミングの中心となる。ほとんどの転写因子名は、Encyclopedia of Signaling Molecules [97, 98]から引用している。略語。1,3-BPG:1,3-ビスホスホグリセリン酸;C/EBPβ.CCAAT-エンハンサー結合タンパク質β;G3P:グリセルアルデヒド3-リン酸;E2F1. E2F転写因子1;ERRαおよびERγ:エストロゲン関連受容体αおよびγ;GR:グルココルチコイド受容体;HNF4α:肝核因子4α;ICER/CREM:誘導性cAMP早期リプレッサー/cAMP応答性エレメントモジュレーター;MPC:ミトコンドリアピルビン酸キャリア;PDC:ピルビン酸脱水素酵素複合体;PGC1α。PPARGコアクチベーター1α;PPPARαおよびPPARγ:ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体αおよびγ;RAR:レチノイン酸受容体;RXR:レチノインX受容体;SIRT3:サーチュイン3;STAT5:転写5のシグナル伝達物質および活性化物質;TR:甲状腺ホルモン受容体。


 

3.3. ウイルス誘発性Ca2+調節障害は、ATP低下、浸透圧不均衡、浮腫、および制限された肺容積につながる可能性がある。

細胞内および細胞外に見られる9つの主要な無機イオン、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、H+、Cl-、HCO3-、H2PO42-、およびHPO4-があり、これらは血漿膜電位および浸透圧バランスを調節する[99]。ATPは、これらのイオンの分布を維持するために化学浸透電位を提供するイオンポンプを駆動し(図7)浮腫を防ぐ。主要なSARS-CoV-2スパイク(S)タンパク質は、細胞外Ca2+と結合して、AEC IIなどの宿主細胞とのウイルス融合を促進し[100]、プロテインキナーゼC-αシグナル伝達経路を介して、細胞質膜Ca2+チャネルの開通をシグナルし、これはERストレスによって誘発される可能性がある[101]。SARS-CoV-2エンベロープ(E)タンパク質は、脂質化されたビロポリンであり、小胞体においてCa2+を放出する陽イオン選択的チャネルを形成する[102]。細胞質Ca2+レベルのウイルス誘発性増加をキレート剤でブロックすると、感染力が60倍に低下した [100]。細胞質Ca2+の増加は、細胞質膜および小胞体Ca2+ポンプの活性化につながり、ATPレベルを枯渇させる。細胞質Ca2+の増加は、ミトコンドリア膜電位依存的な方法でミトコンドリアマトリックスへのCa2+の取り込みを刺激する。ウイルス感染によって引き起こされる高レベルの活性酸素の存在下では、ミトコンドリアマトリックスへのCa2+の急速な取り込みは、内膜の透過性遷移孔を刺激して開き[103]、ミトコンドリアの結合を解除し、さらなるエネルギー枯渇と細胞死につながる。しかし、哺乳類では、ウイルスによって誘発された細胞質Ca2+の増加を、宿主防御をアップレギュレートするためのシグナルとして利用するメカニズムが進化してきた。これらのメカニズムによる細胞質Ca2+濃度の上昇は、NLPR3フラナソームの活性化およびIL-1βおよびIL-18の上昇に寄与する[102]。AEC IIにおける細胞性Ca2+濃度の増加は、ミトコンドリアETC由来の活性酸素の増加、およびAECで最も豊富なNADPH酸化酵素DUOX1およびDUOX2のEF-ハンドモチーフへのCa2+結合を介して、AECで最も多くのアイソフォームであるNADPH酸化酵素DUOX1およびDUOX2からの活性酸素の増加につながる[9]。DUOX2は、呼吸器ウイルス感染に応答して産生されるインターフェロン-βおよびTNF-αの増加により、遺伝子発現レベルでもアップレギュレートされる[104, 105]。過酸化水素はAECから隣接する細胞に拡散し、酸化的損傷、エネルギー枯渇、浸透圧の不均衡を引き起こす。気道筋細胞における細胞質Ca2+レベルの上昇は気道の狭窄を誘発する。いくつかのプロテインキナーゼC(PKC)アイソフォームはCa2+によって活性化され、それらの活性化は気管支収縮の重要な原因となる [106, 107]。PKCは気道平滑筋の弛緩に重要なKv7 K+チャネルを直接標的とし、阻害する[108]。Kv7チャネルの阻害は気管支収縮を誘導し[109]、ARDSの一因となる可能性がある。R-BHBをエネルギー源として使用することで、細胞のエネルギー不足、細胞質Ca2+レベルの上昇、浸透圧の不均衡を鈍らせ、肺機能を改善することができるかもしれない。

図7

呼吸器ウイルス感染時にATPレベルを維持することは、浮腫を回避するために適切なイオン分布を維持するための鍵となる。能動的および受動的なコトランスポーターおよびチャネルは、AECと細胞外液との間のイオン勾配を維持する。アピカルリガンドゲートチャネルは、浮腫を起こさずに気道内に十分な体液を供給するために適切な浸透圧を維持するように機能する。AEC Iは、スーパーオキシド活性化ENaC Na+チャネルおよびそれを調節するNOX2を発現する。略語である。3Na+/2K+-ATPase。3ナトリウム2カリウムATPase;AE:アニオン交換型塩化物重炭酸塩交換体;BCFTR:基底側嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス調節因子様チャネル;BHBDH:β-ヒドロキシ酪酸デヒドロゲナーゼ;BIRC:基底側内向整流チャネル;BKCa.大導電性Ca2+・電圧ゲーテッドビッグK+チャネル;BORC:基底側外側外側整流チャネル;CACC/TMEM:カルシウム活性化塩化物チャネル/膜貫通タンパク質;CFTR:嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンスレギュレーター;CNG:環状ヌクレオチドゲーテッドイオンチャネル;ENaC:上皮ナトリウムチャネル;KCa3. 1:カルシウム活性化カリウムチャネル;Kv7. 1:電圧依存性カリウムチャネル;NCX:ナトリウムカルシウム交換体;NHE:ナトリウム-水素交換体;NKCC:塩化カリウムナトリウムコトランスポーター;NOX2:NADPH酸化酵素2;Pit1/2:ナトリウム依存性リン酸トランスポーター1,2;RYR:リャノジン受容体カルシウム誘導性Ca2+チャネル;SERCA:サルコプラズマ/小胞体Ca2+-ATPase;SK4:SK4カルシウム活性化カリウムチャネル。

4. 高脂肪食は呼吸不全またはARDS患者の平均人工呼吸時間を減少させる

II型呼吸不全(正常な速度でCO2を排出できない)の患者に高脂肪、低炭水化物の経腸栄養を与えたところ、高炭水化物、低脂肪の経腸栄養を与えた患者と比較して、人工呼吸器を使用している平均時間が158時間から96時間へと40%短縮された [110]。患者の呼吸窮迫の指標である動脈血中CO2濃度は、高脂肪群の患者では人工呼吸器離脱時に18%まで低下した。高炭水化物群では、離乳時のCO2分圧が換気開始時よりもさらに高かった。グループ間で観察された違いの原因と考えられるのは、異なる食事を代謝して合成されたCO2の量でした。消費された酸素の分子ごとに合成されるCO2の量は、呼吸交換比(RER)として定義される。脂肪、グルコース、R-BHBの代謝のためのRERはそれぞれ0.7,1.0,0.88である。高脂肪食は、ARDSのモデルである人工呼吸器誘発性肺障害のマウスモデル[111]でも保護された。また、魚油、γ-リノレン酸、抗酸化物質を含む高脂肪低炭水化物食は、敗血症/肺炎[112]、外傷、または誤嚥性肺損傷によるARDS患者の人工呼吸器装着時間を短縮することが示された。

5. ケト原性食またはグルコース投与のいずれかがマウスのIAV感染に対して保護する

ウイルス感染時のR-BHBレベルの上昇がヒト免疫系に及ぼす影響に関するデータが公表されていないため、IAV感染マウスを用いた代謝療法のいくつかの研究から得られた結果を以下に記載する。短期間のケト原性食はマウスをIAV感染から保護することが示されたが、外因性ケトン前駆体であるラセミR-およびS-1,3-ブタンジオール(BD)を通常の飼料に補充しても保護されなかった[113]。肥満原性である長期のケトン原性食事は、耐糖能および免疫系機能に悪影響を及ぼすことが示された[114]。上述のように、IAV誘発性食欲不振の間のグルコース投与はマウスの死亡率を減少させた[89]が、より最近の研究は、ヘキソサミン生合成経路を介したグルコース代謝がサイトカインストームを刺激したことを示した[89]。以下のセクションでは、これらの研究から得られた結果をより詳細に記述し、これらの知見を調整する試みとして分析する。また、ウイルス感染症の発症時には中程度の高脂肪、中程度の炭水化物、ケトンエステルを含む食事を摂取し、感染が重症化した場合にはサイトカインストームを鈍らせるために中程度の高脂肪、低炭水化物、ケトンエステルを含む食事に移行することの根拠についても議論する。

5.1. ケトンエステル含有食はγδT細胞反応を活性化してIAV死亡率を低下させる

最近の研究では、感染前に7日間ケト原性食を与えたマウスでは、IAVによる死亡率が減少したことが示されている[113]。ケト原性食は肺の保護IL-17を分泌するγδT細胞の数を増加させた。ケトン体前駆体BDの投与は、R-BHB血中濃度がケト原性食と同等であったにもかかわらず、IAVに感染したマウスの肺へのγδT細胞のリクルートには至らず、生存を保護しなかった。この研究では、対照マウスとKDマウスの間で食事中のタンパク質量(% w/w)が一様であるのに対し、微量栄養素と食物繊維のプロファイルは一様ではなかったという点が指摘されている[115]。これは本研究の結論に影響を与えるものではないと思われるが、今後の実験では強調すべき点である。

BDの投与は、おそらくケト原性食の間に発生した肺の細胞の酸化還元環境の改善の欠如のために保護を示していない可能性がある。脳内でR-BHBの酸化が多い時期には、細胞質NADP+/NADPHの還元が進み、細胞質NAD+]/[NADH]の酸化が進みます[16]。脂肪含量が非常に多いケトジェニックダイエットは、脂肪酸合成酵素活性阻害剤であるパルミトイル-CoAの濃度を高めることで、NADPHを消費する経路である脂肪酸合成を阻害することで、細胞質の酸化還元環境を改善した可能性がある。したがって、R-BHB代謝の増加と脂肪酸合成の減少の組み合わせは、通常のチョウ食を与えられたマウスでR-BHBが異化された場合には起こらない、肺のγδ T細胞のリクルートと機能の強化につながる細胞質のNADP+/NADPH比の減少をもたらす可能性がある。高脂肪だがケト原性ではない食事は、肺へのIL-17分泌T細胞のリクルートを増加させたにもかかわらず、IAV誘発体重減少および死亡率の減少には効果がないことが示された。IL-17は肺上皮細胞上の受容体に結合し、おそらく他の肺細胞型にも結合してIL-33の発現を増加させる。IL-33の分泌は、サイトカインIL-5,IL-9,IL-13,およびアンフィレグリンを分泌することによって炎症およびバリア機能を調節する役割を果たす肺への2型自然リンパ球細胞(ILC2s)のリクルートにつながる。肺組織では、ケト原性食はミトコンドリアETC遺伝子の発現と、ケト分解の律速酵素であるSCOT(サクシニルCoA:3-ケト酸CoAトランスフェラーゼ)をコードするOXCT1遺伝子の発現をアップレギュレートさせた。

ケトンエステルを適度な高脂肪食のマウスに補給することで、肺へのγδ T細胞のリクルートとIAV感染マウスの死亡率の低下の両方につながるという仮説が立てられている。IAV感染前の1週間のケト原性食は抗炎症作用があり、マウスの死亡率を減少させることが示されたが、IAV感染がない状態で3ヶ月間ケト原性食を続けると、白色脂肪組織(WAT)の炎症が増加し、WATへのγδT細胞のリクルートが減少し、肥満と耐糖能低下を引き起こした[114]。したがって、動物に肥満原性ケト原性食を与えたマウス研究から得られた現在の証拠は、短期間のケト原性食のみがγδ T細胞を活性化して免疫機能を高めることを示唆している[114]。しかし、別の研究グループは、マウスの体重減少を誘導することが示された別の組成のケト原性食事を同定した[117]。体重に対する異なる効果の原因となる食事成分は現在のところ不明であるが、レプト原性食事療法ではタンパク質が半分しか含まれておらず、脂肪源としてラード、バター、植物油を使用していたのに対し、肥満原性食事療法では脂肪源として水素添加大豆油を使用していた[114, 117]。体重減少を誘導するケト原性食事療法が、長期的な抗ウイルス免疫を提供するための保護γδ T細胞応答の長期保存を提供できるかどうかを決定するためには、今後の研究が必要である。

また、R-BHBレベルの増加は、細胞のエネルギー代謝および酸化還元状態を改善して脂肪酸β酸化を促進し、PDC阻害によって媒介される代謝不柔軟性を克服するという仮説も立てられている。R-BHBは脂肪組織の脂肪分解を阻害することが知られているため[118]、サイトカインストームを克服するために代謝の柔軟性を高めるために十分な脂肪酸β酸化を提供するためには、外因性ケトンとともに高脂肪食が必要とされるかもしれない。COVID-19のためのヒトにおけるこの食事療法の開始は、ケトジェニックな食事に適応して、ケトジェネシス、ケト分解、および脂肪酸酸化のための遺伝子の発現を完全にアップレギュレートするのに何日もかかる可能性があるため、課題を提起する。炎症性サイトカインもまた、ケトジェネシスを阻害する[119]。さらに、ケト誘導とも呼ばれるケト原性食の開始は、インフルエンザ様症状を伴うことがあり[120-122]、これはCOVID-19患者への適用を制限する可能性がある。しかしながら、COVID-19患者が外因性ケトン体を補充したケト原性食事療法に耐えられるかどうかを決定するための研究が行われ、グルコースレベルが最初に低下したときにエネルギー産生の低下に起因する可能性が高い食事療法の初期の有害作用を減少させることを試みることができる [122]。耐性が良好であれば、保護免疫応答を活性化するためにこの食事の能力を決定するさらなる研究が続く可能性がある。

ケトンエステルなどのR-BHB前駆体をIAVやSARS-CoV-2感染症の治療に使用する場合、その分子メカニズムを解明するためには、さらなる実験が必要である。IAV感染に対する外因性ケトン投与の有効性を試験するために、マウスをケトンエステルの有無にかかわらず補充し、中等度高脂肪中等度炭水化物食、または中等度高脂肪中等度低炭水化物食、または対照のチャウ食を与え、IAV感染後に体重減少および死亡率をモニターすることができた。以下でより詳細に説明するように、グルコース(炭水化物代謝からの)は感染初期に重要な抗炎症作用を刺激するが[123]、これらの抗炎症作用は感染後期のサイトカインストームをも増加させる[124]。したがって、R-BHBレベルが高い場合に、これらの作用のうちどちらが死亡率に影響を与えるかは不明である。中程度の高脂肪、中程度の炭水化物、ケトンエステルを含む食事が、宿主細胞の防御機構を刺激するための最も代謝的な柔軟性を提供するという仮説が立てられている。この柔軟性は、肺のIAV力価を低下させるために免疫機能を高めるために、エネルギー代謝および酸化還元状態を維持することができるはずである。しかし、ケトンエステルを含む中等度の高脂肪、低炭水化物の食事は、最近、グルコースおよびインスリンレベルの増加がR-BHBの重要な抗炎症作用をブロックすることが示されているので、サイトカインストームを鈍らせるためのより強力な能力を示す可能性が高いであろう[125]。

5.2. マウスにおけるIAV感染後の食欲不振は、グルコースの投与によって死亡率を増加させるが、脂肪やタンパク質の投与によっては大きく阻害されない

先に述べたように、IAV感染後にマウスが食欲不振になり、その食欲不振が死亡率を低下させた。その研究では、オリーブオイル(脂肪)やカゼイン(タンパク質)の投与は死亡率を低下させませんでした[89]。プロ炎症性サイトカインIL-1,IL-2,IL-6,IL-8,TNF-α、およびIFN-γは、IAV感染後に増加するいくつかのサイトカインが食欲を抑制することが示されている[126]。したがって、ケト原性食の投与は単にサイトカインレベルを低下させ、マウスの死亡率を低下させるために消費される食物の量を増加させることを可能にしたのであろう。この解釈と一致するように、ケト原性食を与えたマウスは、食事を与えたマウスよりも感染後の体重が減少した [113]。COVID-19患者の40%が食欲不振を症状として報告していることから、これらの結果はSARS-CoV-2感染症にも適用できるかもしれない[127]。これらの研究から生じる主要な疑問は、1日2回のブドウ糖の投与[89]の保護効果を模倣するために、感染当日からケトンエステルの1日2回の等心性投与を開始することで、チャウ食を与えたマウスをIAV感染から保護できるかどうかということである。この仮説は、保護のためのケト原性食が脂肪90%、タンパク質10%、炭水化物0.1%のみで構成されていたことを考えると妥当である[113]。したがって、食事の炭水化物含有量は、保護のための十分なグルコースを提供するには低すぎた可能性が高く、脂肪またはタンパク質の投与は保護を提供することができなかった[89]。ケトン体前駆体BDのIAV感染症に対する効果がないことは、ケトンエステル単独では効果がない可能性があることを示唆しており、脂肪とケトンエステルを一緒に投与してケトン原性食をよりよく模倣した治療法が保護に必要である可能性がある。グルコース、ケトンエステル、脂肪の間の付加的または相乗効果の可能性を検証する実験では、マウスのIAV感染中の生存率の増加にグルコース、ケトンエステル、および脂肪の間の可能性を検証することは、ヒトにおけるサイトカインストームに対する保護に関連する貴重な洞察を提供するであろう。

6. ヘキソサミン生合成経路を介したグルコース代謝はウイルス感染から保護するが、サイトカインストームを刺激する

では、ウイルス誘発性食欲不振時のマウスへのグルコース投与は、どのようにしてIAV感染による死亡率を減少させることができるのだろうか?ブドウ糖はヘキソサミン生合成経路を介したフラックスの増加を通じて抗炎症性の抗ウイルス反応を刺激することが示されている。増加したフラックスは、経路の最終産物であるUDP N-アセチルグルコサミン(UDP GlcNAc)のレベルを増加させ、抗ウイルスタンパク質MAVSのO-GlcNAシル化を増加させ、その機能を増加させる(図8(c))。[123]. SARSウイルスはNPS15タンパク質を合成し、これはMAVSの機能を部分的に阻害して宿主の抗ウイルスシグナル伝達を遮断する[128]。さらに、マクロファージにおけるウイルス核酸およびタイプIインターフェロンシグナル伝達は、ウイルス感染細胞の巻き込み増加に必要な解糖活性化因子6-ホスホフルクトース-2-キナーゼおよびフルクトース-2,6-ビスフォスファターゼ(PFKFB3)の発現増加につながる[129]。驚くべきことに、マウスのIAV感染による死亡率は、脳内でのERストレス誘発性アポトーシス経路のウイルス誘導と関連している[89]。グルコースとR-BHBの両方が神経細胞にとって重要な保護燃料であることから、グルコースまたはケト原性食がどのように神経細胞を保護するかという知見と矛盾する可能性がある。さらに、高グルコースレベルは、ATP合成のための解糖を介したフラックスを増加させ、NADPH合成のためのペントースリン酸経路(PPP)を介したフラックスを増加させることにより、ウイルス誘発性PDC阻害の結果として生じるエネルギーおよび酸化還元危機を補うことができる。ヘキソサミン生合成経路を介したグルコースフラックスは、転写調節因子IRF5のO-GlcNAシリル化を増加させることにより、マウスのIAV感染中のサイトカインストームを刺激することが示されており、これは、炎症性サイトカイン産生を刺激するためにその活性を増加させる(図8(c))。[124]. これは、SARS-CoV-2に感染した糖尿病患者がより高い死亡率を有する理由の一部を説明することができる[130]。したがって、IRF5の阻害剤またはOSMI-1などのO-GlcNAcylationの阻害剤は、SARS-CoV-2サイトカインストームに対する潜在的な治療法である。ケトンエステル処理は血中グルコースレベルを低下させることが示されており[131,132]、これはおそらく免疫細胞におけるヘキソサミン生合成経路を介したフラックスを減少させ、サイトカイン産生を減少させるであろう。

図8 ウイルス感染時に起こるプロ炎症性シグナル伝達と、このシグナル伝達を阻害するR-BHBのメカニズム

(a) ACE系。(b) R-BHBがNLRP3フラナソームを阻害するメカニズムは不明。考えられる4つのメカニズムが示されている。(c) ヘキソサミン生合成経路は、効果的な抗ウイルス自然免疫応答を開始するために必要であるが、その活性の増加はサイトカインストームを刺激することもできる。略語である。6PGDL:6-ホスホノグロノ-D-ラクトン;6PG:6-ホスホグルコン酸;ACE2:アンジオテンシン変換酵素2;ACE:アンジオテンシン変換酵素;ANG(1-9):アンジオテンシン(1-9);ANG(1-7):血管拡張剤であるアンジオテンシン(1-7);ANG II:血管収縮剤であるアンジオテンシンII;ANG III. ANG IIの代謝物であるアンジオテンシンIII;BRCC3:Lys-63特異的脱ユビキチナーゼBRCC36;CARD:カスパーゼリクルートドメイン;CLIC:クロライド細胞内チャネルタンパク質;F1,6BP:フルクトース1,6-ビスフォスフェート;F6P:フルクトース6-フォスフェート;FADD:死滅ドメインを有するファース関連タンパク質;GlcNAc. G,N-アセチルグルコサミン;G3P:グリセルアルデヒド3-リン酸塩;G6P:グルコース6-リン酸塩;GlcN-6P:グルコサミン-6-リン酸塩;GlcNac-6P:N-アセチルグルコサミン-6-リン酸塩;GlcNac-1p.N-アセチルグルコサミン-1-リン酸;HBP:ヘキソサミン生合成経路;IKKε.IκBキナーゼε;IL-1R:インターロイキン-1受容体;IRAK-1およびIRAK-4:インターロイキン-1受容体キナーゼ1および4;IRF3およびIRF5:IFN調節因子3および5;JNK1:c-Jun N末端プロテインキナーゼ1;K63-Ub.K63結合ポリユビキチン結合;MasR:Mas受容体;MAVS:ミトコンドリア抗ウイルスシグナル伝達タンパク質;MDA5:メラノーマ分化関連遺伝子5;MyD88:ミエロイド分化一次応答88;NF-κB:活性化B細胞の核内因子κ-光鎖エンハンサー;NLRP3.NOD-、LRR-、ピリンドメイン含有タンパク質3;NOD1,NOD2:ヌクレオチド結合オリゴマー化ドメイン含有タンパク質1,2;OGT:O-連結N-アセチルグルコサミン(GlcNac)トランスフェラーゼ;P2X7:P2Xピュリノセプター7;PDPK.ホスホイノシチド依存性キナーゼ-1;PPPP:ペントースリン酸経路;PTMs:翻訳後修飾;R5P:リボース5-リン酸;RIG-1:レチノイン酸誘導性遺伝子I;S7P:セドヘプツロース7-リン酸;SERCA:サルコプラズマ/小胞体Ca2+-ATPアーゼ;STAT3.STAT3:シグナル変換器および転写活性化因子3;TBK-1:TANK結合キナーゼ1;TLR:トール様受容体;TNFR:腫瘍壊死因子受容体;TRAF6:腫瘍壊死因子受容体(TNFR-)関連因子6;TRIF.TIRドメイン含有アダプター誘導インターフェロンβ;TRX:チオレドキシン;TXNIP:チオレドキシン相互作用タンパク質;UDP-GlcNac:ウリジン二リン酸N-アセチルグルコサミン。


 

7. R-BHBが炎症を抑制する分子機構

モノカルボン酸トランスポーターはAEC II [133]で発現しており、R-BHBの細胞質への導入を可能にしている。しかし、これらの細胞はケト分解酵素の発現が低いため、外因性ケトンの消費から生成されたR-BHBを実質的に異化することができない可能性がある[134]。しかし、ケト原性食は肺におけるケト分解遺伝子の発現を増加させることが示されている[113]ので、これらの酵素がAEC IIで誘導され、ケト原性食の保護効果の一部に責任がある可能性がある。R-BHBがAEC IIによって異化されない場合でも、AEC IIにおけるR-BHBの存在は、以下に詳述するように、シグナル伝達経路の活性化、酵素の阻害、および遺伝子発現パターンの変化を通じて、これらの細胞を大幅に保護する可能性がある。

7.1. NLRP3 インフラマソームの阻害は細胞の代謝状態に依存している可能性がある。

R-BHB は NLRP3 インフラマソームを阻害する[135]。R-BHBのエナンチオマーであるS-BHBも有効であったが、酪酸は有効ではなかった。R-BHB と S-BHB がどのような分子標的を介してインフラマソームを阻害するのかはまだ不明であるが、治療により細胞内の K+ の流出が減少し、インフラマソームアクチベーター ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD) のオリゴマー化が減少した(図 8(b))。R-BHBを介したインフラマソーム阻害は、ケトン体の異化を必要とせず、ケトン体分解酵素SCOTのsiRNAは阻害を阻害しなかった。また、インフラマソーム阻害は、GPR109A G-protein-coupled receptor (GPCR)シグナル伝達およびヒストンアセチル化に対するR-BHBの効果とは無関係であることが示された。免疫細胞だけでなく、いくつかの種類の上皮細胞は、機能的な NLRP3 インフラマソームの遺伝子を発現しており、R-BHB はこのメカニズムを介して AEC II をサイトカインストームから部分的に保護している可能性がある [136]。最近では、マクロファージの NLRP3 イ ンフラソームの R-BHB 介在性阻害作用を、高インスリンまたは高グルコースレベルで減少させることが示されており、解糖阻害剤である 2-デオキシグルコースは、R-BHB による NLRP3 イ ンフラソーム阻害作用を増強させることが示されている[125]。したがって、細胞の代謝状態は、NLRP3インフラマソームに対するR-BHBの効果に影響を与えているように思われる。

少し驚くべきことに、外因性ケトンの単回投与により、LPS刺激血球における炎症ソーム活性化が増加し、10時間の一晩絶食後の健康な若年者の血漿IL-1βおよびIL-6レベルが増加することが示された[137]。メカニズムは不明のままであるが、これらの炎症性マーカーのレベルの増加は、R-BHBを介したNADPHレベルの増加がNADPH酸化酵素活性を刺激して活性酸素レベルを増加させたことに起因している可能性があり、また、R-BHBとグルコースが同時に酸化されたときに発生するミトコンドリアの活性酸素産生の増加が、活性酸素の増加がNLRP3のインフラマソーム活性を刺激することに起因している可能性もある[138]。しかし、肥満の被験者に外因性ケトンを投与した同じグループによるフォローアップ研究では、炎症アソーム活性と多くの炎症前マーカーのレベルに差は見られなかったが、外因性ケトン投与群ではIL-1βとTNF-αのレベルがわずかに低下したことが明らかになった[139]。よく訓練されたサイクリストを対象とした研究では、BD の急性投与は PBMCs におけるインターフェロン-γの発現をわずかに増加させることが示されたが、抗炎症性サイトカインの発現は変化しなかった [140]。全体的に、上記のヒト試験において、NLRP3 炎症アソーム阻害作用が認められなかったこと、および外因性ケトンの強い抗炎症作用が認められなかったことは、外因性ケトン投与時の被験者の代謝状態に起因している可能性が高い。グルコースレベルおよびインスリンレベルが高すぎたために、R-BHBがフラマソームを阻害できなかった可能性がある[125]。

SARS-CoV-2感染はケトーシスやケトアシドーシスを引き起こす可能性があり、血中R-BHB値が高かったこれらの患者では入院期間が長く、死亡率が上昇していた[141]。また、I型またはII型糖尿病(DM)を有するCOVID-19患者は、死亡率を助長する糖尿病性ケトアシドーシス(DKA)を発症するリスクが高くなっていた[142]。ケトン体が直接DKAを引き起こすわけではないため、これらの所見の分子基盤は完全には明らかではない。しかし、最近の所見では、糖尿病モデルのマウスにおけるグルコースレベルの上昇は、心臓における解糖遺伝子R-BHBデヒドロゲナーゼ(BDH1)およびOXCT1の発現を低下させることができることを示している[143]。これが骨格筋などの他の組織でも起こると、血中ケトン体レベルの上昇につながる可能性が高い。マウスでO-GlcNAcylationを増加させるために外因性のトランスジェーンを発現させると、さらにBDH1のレベルを減少させ、ケトン分解遺伝子発現のこのダウンレギュレーションにおけるヘキソサミン生合成経路のための役割を実証した。SCOT酵素(OXCT1遺伝子産物)は、直接O-GlcNAcylationによって変更されることが示された。したがって、COVID-19を有する糖尿病患者へのO-GlcNAcylation阻害剤の外因性ケトンとの併用投与は、減少したケトン分解およびDKAを防止するために有益であるかもしれない。

COVID-19患者のアシドーシスには複数の因子が関与している可能性がある。呼吸器アシドーシスは体内の二酸化炭素の蓄積により起こり、乳酸アシドーシスはミトコンドリアのETC機能障害またはPDC阻害により起こる。R-BHB代謝は、ブドウ糖代謝とは異なり、乳酸値を上昇させることはなく、解糖や乳酸合成の速度を低下させることでアシドーシスを減少させることもある。アシドーシスの鑑別診断と治療法については検討されている[144]。ケトンエステルの摂取は、健康な人と肥満の人の両方で血糖反応を低下させることが示されている[131]。白色脂肪組織における脂肪酸の脂肪分解はケトン類によって阻害される[118]ので、ほとんどの場合、外因性ケトン類は内因性ケトン類の合成を阻害する。インスリンが利用できるようになる前は、炭水化物を1日10g以下に制限するケトジェニックダイエットがI型糖尿病の有効な治療法として一般的に使用されていた[145]。DKAの間、グルカゴンおよびインスリンのレベルに不均衡があり、ストレスホルモンであるエピネフーリン、コルチゾール、および成長ホルモンの上昇がみられる。これらの変化はCOVID-19のようなストレスの多い出来事によって引き起こされる。したがって、COVID-19の臨床試験では、外因性ケトンの投与に注意が必要である。炭酸水素ナトリウムの共同投与はまた、血液pHの変化を緩衝するために糖尿病性COVID-19患者にとって有益であるかもしれない。これに関して、最近の研究では、ケトンエステルを投与されたサイクリストでは、血中重炭酸塩濃度が20%低下し、血中pHがわずかに低下したが、血中R-BHB濃度は2~3mMまで上昇したことが示されている。ケトンエステルと一緒に重炭酸塩を投与すると、血中のこれらの変化が抑制され、血中R-BHB値がさらに0.5~0.8mM上昇し、その結果、出力が5%増加した[146]。糖尿病患者をCOVID-19試験に参加させ、外因性ケトンの効果を試験する場合、動脈血ガス(ABG)のpHとケトンの血中濃度をDKA管理の専門家がモニターし、早期のケトアシドーシスを特定し、ベストプラクティス[147]に従った介入を実施できるようにする必要があるだろう。リスクを回避するために、自然にケトン体レベルが高い患者は外因性ケトン体を避けるべきであり、したがって、DKAは臨床試験の除外因子であるかもしれない。しかし、最終的には、糖尿病患者および非糖尿病患者の両方におけるCOVID-19に対する外因性ケトン体消費またはケト原性食の効果を決定するために臨床試験が必要であろう。

特定の代謝条件下でR-BHBレベルが高いと保護効果が得られないのは、IAV感染マウスにおけるケトン前駆体BDの補給による死亡予防を妨げたのと同じ分子メカニズムによるものである可能性が高い[113]。これらの研究では、保護的な抗炎症性γδ T細胞応答が開始されなかった可能性が高い。外因性ケトンを用いた研究では、これは外因性ケトン治療の急性の性質と、この保護的抗炎症反応を開始するために必要とされるかもしれない高脂肪、低炭水化物の食事が不足していたためであると考えられる。しかしながら、急性ケトンエステル処理がインフラマソームの活性化状態に影響を及ぼすのを防止した可能性のある他のいくつかの潜在的なメカニズムも存在する。例えば、ヒト被験者における24時間の断食は、ミトコンドリアのNAD+/NADHの増加が、NAD+依存性SIRT3タンパク質脱アセチラーゼを活性化して活性化し、ROS産生を減少させることに起因して、NLRP3インフラマソームの不活性化につながることが示されている[148]。したがって、10時間の一晩絶食は、ケトンエステル処理がそれ以上活性を低下させることができなかったように、NLRP3インフラマソーム活性の部分的な阻害につながった可能性がある。また、大きな抗炎症効果を示すためには、外因性ケトン処理を伴う中等度高脂肪低炭水化物食の少なくとも5日間が必要である可能性があり、ケト原性食を開始した後に脂肪酸β酸化系の活性を完全にアップレギュレートするには5日間かかることが示されたように[149, 150]。

7.2. R-BHBはヒストン脱アセチル化酵素阻害剤として機能し、炎症を抑制する

R-BHBは、クラスIおよびIIaのヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)阻害剤(Ki = 2~5 mM)として、いくつかの抗酸化遺伝子および転写調節因子FOXO3aの発現を誘導することが示された(図9(a)および(b))。[151]. 他のHDAC阻害剤である酪酸塩またはトリコスタチンAの投与は、肺ILC2sに対して抗炎症作用を示したが、両化合物を併用しても付加的な効果は認められなかった[152]。このことから、HDACの阻害は、R-BHBとケト原性食が肺の炎症を防ぐ保護機構であることが示唆された。ヒストンのアセチル化のためのアセチル-CoA合成に寄与するPDCの核内プールが存在する[153]。PDK1もまた、部分的な核局在を示す[154]ので、ウイルス感染時のPDK1発現のアップレギュレーションは核内ヒストンアセチル化を阻害し、R-BHBなどのHDAC阻害剤によって修復される可能性がある。

図9 R-BHBレベルの上昇が転写因子FOXO3a、FOXO1,HIF1-α、Nrf2,PGC-1αの活性に及ぼす影響

(a) 脱アセチル化されたリジンでヒストンに包まれたDNAが転写因子のアクセスを阻害し、HDACの機能が転写を抑制している。(b) R-BHBはクラスIのHDACを阻害することで、ヒストンのアセチル化の増加、クロマチンの弛緩、FOXO3aの発現を可能にする。(c) FOXO1などのプロモーターでもβ-ヒドロキシブチリル化によりクロマチンが弛緩し、転写を増加させる。(d) HIF-1αはRNSによって活性化される。ペルオキシナイトライトS-ニトロシル化はHIF-1αを活性化し、フォン・ヒッペル-ランダウ因子によるユビキチン化とプロテアソーム分解を阻害する。これはHIF-1αを安定化させ、PDK1の発現を増加させる。この安定化は、NADPHを増加させてROS/RNSレベルを低下させるR-BHBによって阻害される可能性が高い。e)Nrf2は、酸化されたDJ-1によって活性化され、これは、細胞の抗酸化電位を制御するNADP+/NADPHの酸化還元電位によって調節される。適度なレベルの過酸化水素によって活性化されるDJ-1シャペロンタンパク質は、KEAP1からのNrf2の放出を刺激して、Nrf2が核内に入り、抗酸化応答エレメント遺伝子の発現を誘導することを可能にする。(f) PGC-1αは、ミトコンドリア生合成のマスターレギュレーターである。PGC-1αは、ERR-α、FOXO1,FOXO3a、PPARs、核呼吸因子1(NRF1)の共役者である。略語。Ac:アセテート;ARE:抗酸化応答エレメント;CA9:炭酸脱水酵素9;CCCR7:C-Cケモカイン受容体タイプ7;ERR-α:エストロゲン関連受容体α;ETC:電子輸送鎖;K:リジン;HDAC:ヒストン脱アセチル化酵素;FIH-1:HIF-1を阻害する因子;FOXO1:フォークヘッドボックスO1;FOXO3.フォークヘッドボックスO3;FOXP3:フォークヘッドボックスP3;G6PC:グルコース-6-ホスファターゼ;G6PDH:グルコース-6-リン酸脱水素酵素;γGCLM:グルタミン酸システインリガーゼ修飾サブユニット;Glut1:グルコーストランスポーター1;GSRX:グルタチオン還元酵素;HIF-1αおよびHIF-1β:低酸素誘導性因子1αおよびβ;HRE.低酸素応答エレメント;IFNG:インターフェロンγ遺伝子;IL-7R:インターロイキン-7受容体;iNOS:誘導性一酸化窒素合成酵素;IRF7:インターフェロン調節因子7;KEAP1:ケルチ様ECH関連蛋白質1;MAF:筋骨隆起性線維肉腫;Nrf1:核呼吸因子1;Nrf2.核内因子赤血球2関連因子2(NFE2L2);RAG1およびRAG2:組換え活性化遺伝子1および2;ONOO-:ペルオキシナイトライト;ONOOH:ペルオキシナイトライト;P300/CBP:結合タンパク質300/CREB結合タンパク質;PDK1およびPDK4:ピルビン酸脱水素酵素キナーゼ1および4;PGC1-α.PPARGコアクチベーター1α;PHD2:プロリルヒドロキシラーゼドメインタンパク質2;pVHL:フォン・ヒッペル-ランダウ腫瘍抑制タンパク質;SCOT/OXCT1:サクシニル-CoA-3-オキソ酸CoAトランスフェラーゼ、別名3-オキソ酸CoAトランスフェラーゼ1;SELL:セレクチンL;SOD2:スーパーオキシドジスムターゼ2;Ub:ユビキチン;VEGF:血管内皮増殖因子。

 

マクロファージを用いた研究では、酪酸塩はHDAC阻害剤として機能し、IL-6,IL-12,および一酸化窒素レベルを低下させるが、TNF-αまたはMCP-1レベルは低下させないことが示された[155]。RAW264.7 マクロファージと 3T3-L1 前アジポサイトの共培養モデルでは、酪酸の添加はマクロファージにおける TNF-α、MCP-1,IL-6 の産生を減少させ、NF-κB の発現を減少させた [156]。別の研究では、HDACの阻害がNF-κBの転写を減少させ、これが抗炎症効果に関与している可能性があることが明らかになった[157]。したがって、R-BHBレベルを増加させることは、サイトカインストームを和らげるために肺マクロファージに同様の抗炎症効果をもたらす可能性が高いが、ブチレートは、筋管や内皮細胞などのいくつかの細胞型においてR-BHBと比較して優れたHDAC阻害剤であることが報告されている[158]。一部の細胞型では、HDAC阻害剤としてのR-BHBの効力が低下しているが、これは、細胞内やミトコンドリアマトリックスへの輸送速度の違い、R-BHBの酸化速度の違い、あるいは内因性の核内ヒストンアセチルトランスフェラーゼやHDAC活性の違いに起因している可能性がある。酪酸とR-BHBの両方のレベルを増加させる食事療法は、相加的な抗炎症作用を有する可能性がある[159]。腸マクロファージに対する酪酸の抗菌効果は、GPR109AシグナリングではなくHDAC3阻害によるものであることが示された。HDAC3の阻害は、解糖速度の低下とPPPを介したフラックスの増加をもたらし、AMPレベルとAMPキナーゼ活性を増加させ、オートファジーを刺激するためにmTOR活性を低下させた[160]。肺では、クラスIIAのHDACであるHDAC7を酪酸で阻害すると、細菌誘発性炎症が減少した[161]。感染症の間、ミトコンドリアの損傷は、内膜リン脂質カルジオリピンの酸化と放出につながり、PPAR-γのSUMOylationと抗炎症性サイトカインであるIL-10のプロモーターへのHDAC3のリクルートにつながり、遺伝子発現を低下させる。TNF-αの遺伝子発現は影響を受けなかったため、炎症の増加が観察された。ブチル酸塩の投与はIL-10遺伝子発現を増加させ、炎症のレベルを正常化した[162]。コロナウイルスはリン脂質の酸化を増加させ、マクロファージ上のtoll-like receptor 4(TLR4)シグナル伝達を刺激し、サイトカイン産生と急性肺障害を引き起こすことが示されている[163]ので、R-BHBによるHDAC阻害は、サイトカインレベルと炎症を減少させるための実行可能な治療法であるように思われる。

7.3. R-BHB は GPR109A GPCR に結合して抗炎症シグナルを刺激する

GPR109A(ヒドロキシカルボン酸受容体2(HCA2)HCAR2遺伝子から発現)GPCRは、R-BHB(0.7 mMのEC50 [118])S-BHB、または酪酸によって結合し活性化され、肺および多くの種類の上皮細胞、マクロファージ、好中球、樹状細胞で発現しているが、BまたはナイーブTリンパ球では発現していない[164]。しかし、GPR109AはCD4+およびCD8+ T細胞の増殖に役割を果たすことが示された[165]。GPR109Aの発現パターンは、GPR109AがIAV感染に対するケト原性食の保護効果に役割を果たし得ることを示唆している[113]。GPR109Aは、ジカウイルス感染によって活性化され、ウイルスの複製を阻害することで細胞を保護することが示されている[166]。GPR109A シグナルがその抗炎症効果を発揮する主要なメカニズムは、いくつかの炎症性サイトカインの転写と分泌に必要な転写調節因子である核内因子κB(NF-κB)[167]の活性化を抑制することを介している[168]。

GPR109Aノックアウトマウスを用いた研究では、GPR109Aシグナル伝達が、そのリガンドによって誘導される熱発 生の増加に必須であることが確認されている[169]。これと一致するように、GPR109A-ノックアウトマウスは肥満であり、脂肪酸合成酵素(ACC1および脂肪酸合成酵素(FAS))のアップレギュレーションと脂肪酸酸化酵素(CPT-1α)のダウンレギュレーションに起因する肝性ステアトーシスを示した。また、肝臓ではケトジェネシスのマスターレギュレーターであるPPAR-αが減少し、WATでは脂肪生成のマスターレギュレーターであるPPAR-γが増加していた。このことから、GPR109Aの刺激は、ケトジェニックダイエットによって誘導される脂肪酸β酸化の誘導や体重減少に重要な役割を果たしている可能性が高いと考えられる。GPR109A欠損マウスのマクロファージや樹状細胞は、ナイーブT細胞をTreg細胞やIL-10産生T細胞に分化誘導するのに欠損していた[170]。また、GPR109A欠損マウスはIL-18の発現を低下させた [170]。GPR109Aのシグナル伝達は、AMPキナーゼシグナル伝達経路を介してNrf2転写調節因子を活性化し、酸化ストレスを減少させることで保護的であることが示されている[171]。また、GPR109Aは細菌性敗血症時に上皮バリア機能の維持に重要な役割を果たすことが示されている[172]ので、ウイルス感染時にも同様の役割を果たす可能性がある。

7.4. R-BHBはLL-37抗ウイルスペプチドの発現を刺激し、不活性化から保護する可能性がある。

カテリシジンは、抗菌性宿主防御ペプチドの一種である。LL-37は、2つのヒトカテリシジンの1つであり、呼吸器ウイルス感染に対する自然免疫応答の一部として気管支上皮細胞、マクロファージ、好中球によって放出される[173]。LL-37は、核酸への結合、I型インターフェロン産生を増加させるためのウイルスRNA誘導性TLR3シグナリング応答を強化する[174]、インフラマソーム活性化を刺激する[175]、およびウイルス負荷およびウイルス放出を減少させる[176,177]を含む多くの機能を有している。ペプチドは、プロ炎症性および抗炎症性の両方の特性を有する[178]が、LL-37の投与は、呼吸器系ウイルス感染に応答してプロ炎症性サイトカインIL-8およびIL-6とケモカインCCL5の発現を減少させるように、抗炎症性の特性は、肺で優勢である可能性がある[179]。呼吸器ウイルス感染は、肺におけるペプチジルアルギニン脱ミナーゼ2(PAD2)の発現を増加させる。酵素のこのクラスは、シトルリン化と呼ばれるプロセスを通じて、シトルリンを形成するためにタンパク質アルギニンから正に荷電したアミノ基の除去を触媒する。LL-37は、その抗ウイルス機能に不可欠な5つのアルギニン残基を有しており、これは肺におけるPAD2発現のウイルス誘発性増加に続くPAD2機能の標的である[179]。NADPHの増加したレベルは、ペプチジルアルギニンデミナーゼの触媒活性を低下させ、LL-37のシトルリネーションを制限する[180, 181]。ブチラートなどのHDAC阻害剤は、LL-37の発現を増加させて病原体の感染を減少させることが示されている[182]。したがって、R-BHBは、LL-37レベルを増加させ、LL-37を不活性化から保護するNADPHレベルを増加させることで、呼吸器ウイルス感染を緩和する可能性がある[16]。

7.5. コルチゾールはケトゲン食により血漿中で一過性に増加し、組織中のコルチゾール濃度はレドックス感受性の高い補酵素比により調節される。

コルチゾールは副腎分泌ホルモンであり、グルココルチコイド受容体の活性化を通じて抗炎症特性を有する。ケト原性食[184,185]または厳しいカロリー制限食[186]のいずれかの被験者は、コルチゾールレベルの一過性の増加を示す。マウスでは、7日間のケト原性食はグルココルチコイド受容体の標的の転写活性化につながった[113]。ヒトで起こるコルチゾールレベルのこの一過性の増加が、ケト原性食のマウスでも起こるならば、増加したコルチゾールレベルは、IAV感染前の1週間、ケト原性食を与えられた動物におけるサイトカインストームの鈍化に寄与する可能性がある[113]。3ヶ月間ケト原性食を与えられたマウスは炎症の増加を示したが、これはコルチゾールがベースラインレベルに戻ったことが原因の一部である可能性がある[114]。

ストレスホルモンとしてのコルチゾールの機能から予想されるように、健康な被験者にケトンエステルを非ケト原性状態で投与したところ、コルチゾールレベルの変化は観察されなかった[22, 187]。肺などの末梢組織では、コルチゾールのレベルは、11β-HSD1と11β-HSD2の2つの酵素からなる11β-ヒドロキシステロイド脱水素酵素(11β-HSD)系によって調節されている。コルチゾンの活性ステロイドホルモンであるコルチゾールへの変換は、NADPH依存性の11β-HSD1[188]によって触媒され、一方、前駆体であるコルチゾンを再生する逆反応は、NAD+依存性の11β-HSD2酵素によって触媒される(図(図11および図2).2)。したがって、組織内の活性コルチゾールのレベルは、NAD+/NADHおよびNADP+/NADPHの酸化還元比によって厳密に制御されている。ケトンエステル処理は、疾患マウス組織においてこれらの補酵素比を正常化することが示されている[16]。コルチコステロイドホルモンの投与は、いくつかのヒト呼吸器ウイルス感染症におけるサイトカインストームを鈍らせる試みとして使用されてきた [28]。この治療を成功させるためには、免疫系が最初に適切な抗ウイルス反応を起こすことができるように、感染サイクルの後半の適切な時期に投与する必要がある。異なる患者に対する治療のための適切な時間枠を特定することは困難であるため、グルココルチコイド療法はほとんど成功しておらず、インフルエンザ感染症を治療するために使用された場合、患者に有害な影響を与える可能性さえある[189]。しかし、最近のデータでは、デキサメタゾンによる短期治療がSARS-CoV-2感染症に有益である可能性が示唆されており[190]、デキサメタゾンによる治療は、人工呼吸器に入れられた重症SARS-CoV-2感染症患者の死亡率を減少させることが示されている[191]。R-BHBレベルの上昇は、中程度の高脂肪食とともに、ヌクレオチド補酵素比を安定化させ、ウイルス感染組織が感染サイクルの適切な時期に内因性コルチゾールレベルを上昇させて炎症を減少させ、サイトカインストームを鈍らせることを可能にする可能性がある。

7.6. R-BHBはHDAC阻害によるレニン-アンジオテンシンプロ炎症性シグナル伝達を鈍化させる可能性がある。

SARS-CoV-2ウイルスは、ウイルス侵入の第一段階として、AEC IIなどの宿主細胞の表面にあるアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体[192,193]に結合する[194]。ACE2受容体のレベルは加齢とともに減少し、また、SARS-CoV-2感染時のエンドサイトーシスにより減少することもある[195,196]。このレニン-アンジオテンシンシグナル伝達系において、レニンはアンジオテンシノーゲンのアンジオテンシン1(ANG I)への変換を触媒する。アンジオテンシン変換酵素1(ACE1)は、その後、AT1R受容体に結合して血管収縮をもたらし、組織傷害につながる血管収縮性、炎症性、酸化性、および深在性の効果をもたらすAT1R受容体に結合するアンジオテンシンIのアンジオテンシンIII(ANGII)への変換を触媒する。ACE2は通常、血管拡張と組織保護につながる抗炎症、抗酸化、抗線維化作用をシグナルするAT2RおよびMasR受容体に結合するペプチドにANG IおよびANG IIを切断することで、これらの作用を鈍らせることができる(図8(a))。[197–201]. ANG IIのレベルの増加は、プロ炎症性サイトカインであるIL-6,IFN-γ、TNF-α、およびIL-1βの合成を刺激する[202]が、抗炎症性サイトカインであるTGF-β1およびIL-10も刺激し、これらはM2マクロファージの分極を誘導し[203]、抗ウイルス免疫応答を開始するのに必要なγδ Tリンパ球の活性化を妨げる可能性がある[204]。ブチレートおよび他のHDAC阻害剤は、アンジオテンシノーゲン、レニン、およびAT1Rの発現を減少させ、このプロ炎症性シグナリングを遮断することが示されている[205,206]。したがって、外因性ケトンの使用は、高齢者およびSARS-CoV-2に感染した被験者のようにANG IIを介したプロ炎症性シグナリングが優勢な場合に、レニン-アンジオテンシン系の異なるアームを介したシグナリングのバランスをとることにつながる可能性がある。

7.7. R-BHBは異なる細胞型での炎症性サイトカイン産生に異なる効果を示す

異なる細胞タイプにおける炎症性サイトカイン産生に対するR-BHBの効果は、大きく異なる可能性がある。例えば、ストレプトコッカス・ウベリス(Streptococcus uberis)を用いた単離マクロファージにR-BHBを投与した場合、IL-1βおよびIL-10,ケモカインであるCXCL2およびCCL5の発現を増加させることが示されたが、TNF-αおよびTGF-βの発現には影響を及ぼさなかった[207]。分離されたM1腹膜マクロファージを用いた別の報告では、R-BHBはIL-15の発現を減少させるが、IL-1β、TNF-α、またはIL-6の発現は減少させないことが示されている[208]。子牛の肝細胞では、R-BHBはNF-κB活性とIL-1β、TNF-α、IL-6の発現を増加させることが示された[209]が、ケトーシスは牛の肝臓でも同様の効果を示した[210]。ケト分解酵素の不在および肝臓におけるケト原性酵素の存在は、炎症性反応の一部に寄与している可能性がある。LPS刺激BV-6ミクログリア細胞において、R-BHBはNF-κB活性化およびTNF-α、IL-1β、およびIL-6の発現を減少させることが示された[211]。うつ病モデル(慢性予測不能ストレスパラダイム)でラット脳前頭前野に 21 日間投与したところ、R-BHB は、うつ病誘発ストレスによってもたらされる TNF-αの増加とコルチコステロンの減少を抑制することが示された[212]。また、R-BHBの末梢注射は、このうつ病モデルのラットの海馬におけるIL-1βおよびTNF-αレベルを減少させることができた[213]。LPSで刺激したウシ大動脈内皮細胞では、R-BHBはTNF-αおよびインターフェロンの発現を減少させることが示された[214]。このように、細胞の種類や条件によって異なる結果が得られていることから、R-BHBによるサイトカイン産生の複雑な制御を理解するためには、さらなる研究が必要であることが明らかになっている。

8. R-BHBがレドックスバランスを回復させる分子機構

8.1. FOXO転写制御因子とサーチュインデアセチラーゼの活性化

R-BHB が代謝と酸化還元バランスを回復させる主なメカニズムは、ヒストンβ-ヒドロキシブチリル化を増加させ(図 9(c))クラス I および IIa ヒストン脱アセチル化酵素(HDACs)を阻害してヒストンアセチル化を増加させることで遺伝子発現をエピジェネティックに制御することである。FOXO1[215,216]、FOXO3a[151]、およびPGC-1α[217]などの転写因子およびコアクチベーターが誘導される。複合的に、HDAC阻害剤はまた、FOXO1のアセチル化の増加をもたらし、これは、血中グルコースレベルを低下させるために肝臓のグルコース生成酵素の遺伝子のプロモーターでの活性を低下させる[218]。これは、上述したようにサイトカインストームを抑制するために有益であると考えられる。これらの転写調節因子は、NAD+/NADHの回復を助けるためにミトコンドリアETC遺伝子発現を増加させる。これらの転写調節因子は、NADP+/NADPHを回復させるために、PPP酵素の誘導[219,220]とともに抗酸化遺伝子発現プログラムを開始する。

肝臓などの組織では、R-BHBレベルの増加は、FOXO1プロモーターでのHDAC阻害と遺伝子発現の増加をもたらし、炎症性サイトカインの発現を低下させる[216]。AMPキナーゼ[221]およびNAD+依存性SIRT1脱アセチラーゼ[222]酵素もまた、FOXO1に作用してその活性を高める。AKT経路を介したインスリンシグナル伝達は、FOXO1活性を阻害する[223]。FOXO1の抗炎症作用は、IRF4と結合してM2状態を刺激する肺マクロファージにおけるその活性に一部起因していると考えられる[224]。しかしながら、腫瘍局在性マクロファージでは、FOXO1は炎症性のM1状態およびIL-1β産生を刺激することが示されている[225]。したがって、マクロファージ機能に対するFOXO1の効果は、環境条件に依存しているようである。細胞質内のNAD+レベルの増加は、SIRT2を活性化してグルコース-6-リン酸脱水素酵素(G6PD)を脱アセチル化し、PPPフラックスとNADPH産生を増加させ[226]、ピリジンヌクレオチド補酵素のカップルの比率をリンクさせる。SIRT2はまた、インフラマソームを脱アセチル化し、その機能を阻害する[227]一方、SIRT3の機能もまた、ミトコンドリアの活性酸素レベルを低下させることにより、インフラマソームの活性を阻害する[148]。核細胞質NAD+レベルの増加はまた、PGC-1αを脱アセチル化してミトコンドリアETC機能を刺激するSIRT1の活性を増加させ[228]、ミトコンドリアNAD+/NADHの増加につながる。増加したミトコンドリアNAD+/NADHは、ミトコンドリアSIRT3を活性化し、ミトコンドリアSOD2 [229]、イソクエン酸脱水素酵素2 (IDH2) [230]、およびETC複合体Iの39 kDサブユニット[231]を脱アセチル化して活性化し、活性酸素レベルを低下させ、ミトコンドリアNADP+/NADPHを減少させる。減少したミトコンドリアNADP+/NADPHは、ETC複合体Iのグルタチオン化および複合体Iの活性を減少させ、マトリックス空間NAD+/NADHを減少させるカルジオリピンの酸化を防ぐために、減少したミトコンドリアGSSG/GSHを維持する[232]。代謝を回復させ、炎症および活性酸素産生を減少させるためにFOXO1転写調節因子によって誘導される他の重要な遺伝子には、GPR109A、乳酸脱水素酵素B(LDHB)チオレドキシン2(TXN2)PEPCK1,およびNAD+合成遺伝子NAMPTおよびNMNAT2が含まれる[233]。

8.2. PGC-1αおよびERR-αの発現増加

ミトコンドリアETC遺伝子発現の誘導に関与するPGC-1αの結合パートナーであるPGC-1αとERR-α(エストロゲン関連受容体-α)[234]は、筋管におけるOXCT1遺伝子発現を誘導し、その遺伝子産物SCOTのレベルを上昇させることが知られている転写調節因子である(図9(f))。[235]. 広く発現しているERR-αは、脂肪組織の熱発育にも必要であり[236]、絶食、カロリー制限、寒冷曝露、および運動によって誘導される[237,238]。ケト原性食は、筋肉[239]、神経細胞[95]、褐色脂肪組織[240]においてPGC-1αレベルを増加させることが示されている。これらのデータは、ERR-αおよびPGC-1αが、ケト原性食中に肺でOXCT1およびETC遺伝子発現を誘導し、ケト分解およびミトコンドリア生合成を増加させる転写調節因子である可能性が高いことを示唆している[113]。SCOT活性はチロシンの硝酸化[241]によって減少し、トリプトファンの硝酸化[242]によって増加することが示されている。また、SCOT活性はアセチル化によって阻害され、SIRT3介在性脱アセチル化によって活性化された[243]。高脂肪食は肝臓のPGC-1αレベルを低下させ、NF-κBの抑制を低下させ、サイトカイン産生の増加につながる可能性がある[244]。この結果に反して、ケトンエステルの存在下での比較的高脂肪食は、褐色脂肪組織におけるPGC-1αレベルおよびミトコンドリア機能を増加させ、熱発育を刺激することが示された[94,245]。したがって、ケトンエステルの消費は、一部の組織におけるPGC-1α発現に対する高脂肪食の効果を逆にして、脂肪酸の酸化を刺激し、負の健康結果に関連する組織における脂肪の蓄積を防止する可能性がある。

8.3. 代謝酵素、レドックスシャトル、およびミトコンドリアのアンカップリングは、NAD+/NADHおよびNADP+/NADPHの比率を回復させることができる。

R-BHB媒介シグナル伝達、酵素阻害、および遺伝子発現のアップレギュレーションを介して、ミトコンドリアのNAD+/NADHにおけるウイルスおよびサイトカインストーム誘発性変化が部分的に回復すると、NAD+依存性BDH1酵素は、R-BHBのアセトアセテートへの変換をより効果的に触媒することができる。そして、アセトアセテートは、アセトアセチル-CoAに代謝され、アセチル-CoAの2分子に代謝される。上述のように、このアセチル-CoA 合成経路は、ウイルス感染下では PDK4 発現が亢進して PDC が阻害されるため、特に重要な経路となる。

8.3.1. ニコチンアミドヌクレオチドトランスハイドロゲナーゼ

ニコチンアミドヌクレオチドトランスヒドロゲナーゼ(NNT)は、ミトコンドリア内膜のプロトン勾配からのエネルギーを利用して、NADP+とNADHからNADPHとNAD+を合成する酵素である。NNT遺伝子の発現は、NNTプロモーターにFOXO3aの結合部位があり[233]、C. elegansのNNTホモログnnt-1がC. elegansのFOXOホモログdaf-16[246, 247]によって誘導されるので、FOXO3aによって誘導される可能性が高い。NNT活性は、ミトコンドリアのNAD+/NADHの減少とミトコンドリアのNADP+/NADPHの増加が、通常のNADPH合成とNADH加水分解の方向でNNT機能を刺激するので、サイトカインストームのようなミトコンドリアのETC機能不全の時に高い可能性がある。

8.3.2. クエン酸-ピルビン酸シャトルおよび他のミトコンドリアのシャトルは、細胞質およびミトコンドリアの酸化還元状態を調節する

最近の証拠は、グルコースレベルとPPP活性が低い場合、セリンとグリシンがミトコンドリアで異化されて一炭素代謝を刺激し、NADPHを生成することを示唆している[248]。酵素機能の産物阻害を防ぐためにミトコンドリアのマトリックス空間で合成されたNADPHを利用するメカニズムがあり、最も重要なのは、活性酸素と戦うためのグルタチオン還元酵素およびチオレドキシン還元酵素の燃料化である。あるいは、NADPHの等価物は、クエン酸-ピルビン酸シャトルを使用して細胞質にシャトルすることができる。これは、グルタミンおよびグルタミン酸のα-ケトグルタル酸への異化を含み、これは、還元的カルボキシル化[249,250]と呼ばれるプロセスでNADPHを酸化してイソクエン酸を形成するために、IDH2がその通常のクエン酸サイクル活性とは逆の方向に機能することにつながる可能性がある。イソクエン酸塩はその後、さらにクエン酸塩に代謝され得る。このクエン酸塩は、R-BHB代謝に由来するものなど、他のクエン酸塩分子とともに、ミトコンドリアのクエン酸塩キャリアータンパク質(CIC)を介して、クエン酸ピルビン酸シャトルの一部として細胞質に送られる(図3を参照)。細胞質では、クエン酸塩はATP-クエン酸リアーゼ(ACLY)によってアセチル-CoAとオキサロ酢酸に変換することができる。アセチル-CoAは、ヒストンアセチル化または脂肪酸合成で機能することができるが、オキサロ酢酸は、細胞質のNAD+/NADHを回復するためにリンゴ酸脱水素酵素1(MDH1)によってリンゴ酸塩に変換することができる。リンゴ酸はその後、NADP+依存性リンゴ酸酵素(ME1)によってピルビン酸に変換され、同時にNADPHを合成することができる[248]。最後のステップでは、ピルビン酸はミトコンドリアのマトリックス空間に戻され、そこでピルビン酸カルボキシラーゼによって代謝されてオキサロアセテートを形成する。正味の結果は、2ATP + NADH + NADP+ ・>2ADP + NAD+ + NADPH であり、これは酸化還元状態の回復に貢献している。酸化還元状態に関する結果は、NAD+とNADPHがミトコンドリアマトリックスの代わりに細胞質で形成されることを除いて、NNT反応に起因して発生するものと非常によく似ている。細胞質内のクエン酸およびアセチル-CoAの増加レベルは、シャトル機能の増加の結果として起こるであろう、ホスホフルクトキナーゼ[251]およびピルビン酸キナーゼ[252]での解糖をそれぞれ阻害し、これはNAD+/NADHの回復をさらに助けるであろう。

M1分極化マクロファージにおいて、クエン酸-ピルビン酸シャトル機能は、NADPH酸化酵素が媒介する活性酸素産生を燃料とし、炎症を助長するNADPHを供給することができる。これらのM1マクロファージは、クエン酸サイクル代謝物であるシス-アコニテート脱炭酸酵素(IRG1/ACOD1)の発現をアップレギュレートして、クエン酸サイクル代謝物であるシス-アコニテートをイタコン酸に変換し、このイタコン酸は、ETC複合体II活性を阻害してROS産生を減少させ、Nrf2(NFE2L2)転写調節因子を活性化することにより、M1応答を抑制する抗炎症作用を発揮する。したがって、CICおよびACLYの阻害剤は、抗炎症性化合物であることが示されているが[253]、これらの阻害剤は、他の細胞型における細胞質およびミトコンドリアのレドックス状態に劇症的な影響を及ぼす可能性がある。関連するレドックスシャトルであるクエン酸-マレートシャトルでは、細胞質のマレートはミトコンドリアマトリックスに取り込まれるため、細胞質のNADPHは合成されない。しかし、このシャトルは、ATPの1分子のみの加水分解を使用して、わずかにより多くのエネルギー効率が高い。ミトコンドリアマトリックスからクエン酸塩を輸出する第三のシャトルシステムは、クエン酸-α-ケトグルタル酸シャトルである。このシャトルでは、細胞質のクエン酸塩は、細胞質アコニターゼ(ACO1)およびイソクエン酸脱水素酵素1(IDH1)によってそれぞれイソクエン酸塩に変換され、さらにα-ケトグルタル酸塩に変換され、後者の反応はNADPHを合成して細胞質のNADP+/NADPHを減少させる[14]。その後、α-ケトグルタル酸は、ミトコンドリアマトリックスに再び輸送される。IDH1発現は、クエン酸-α-ケトグルタル酸シャトルフラックスをオフにし、クエン酸-ピルビン酸シャトル機能を刺激するために、LPS [254]で刺激した24時間後に測定したときに、M1分極化マクロファージにおいてダウンレギュレートされる。しかし、マクロファージのLPS刺激の2〜4時間後には、α-ケトグルタル酸依存性ヒストンデメチラーゼ遺伝子KDM6B[255]およびPHF2[256]が誘導されて炎症を増強する[257]。したがって、クエン酸-α-ケトグルタル酸シャトルタンパク質CIC、ACO1,およびIDH1は、シャトルがオフになる前に、これらのヒストンデメチラーゼ酵素の機能のために核細胞質α-ケトグルタル酸を提供するために、M1分極過程の初期に役割を果たしている可能性がある。

8.3.3. ミトコンドリアアンカップリングタンパク質

ケト原性食がミトコンドリアETC機能不全の間にミトコンドリアNAD+/NADHを回復する別の重要なメカニズムは、ミトコンドリアアンカップリングタンパク質の発現を誘導することを介してである。複合体IにおけるNADH酸化の速度は、通常、マトリックス空間ADPレベルによって制限される。アンカップリングタンパク質の存在は、プロトンが熱を生み出すためにマトリックス空間に逆流することを可能にすることで、この制限を取り除く。これは、ミトコンドリアのNAD+/NADHを増加させるために、複合体IのNADH酸化の速度を増加させる。細胞質NAD+/NADHはまた、マレート-アスパラギン酸シャトル機能を介したミトコンドリアの酸化還元変化によって変化させることができる。部分的なミトコンドリアアンカップリングのもう一つの利点は、ETC複合体IおよびIIIにおけるスーパーオキシドの生成を大幅に減少させるミトコンドリア膜電位のわずかな減少である[258,259]。アンカップリングタンパク質の発現増加の欠点の一つは、ATP生成の減少である。ケト原性食は、褐色脂肪組織におけるUCP1発現を増加させ[240]、脳におけるUCP2[95]、UCP4,およびUCP5[260]を増加させる。アンカップリング蛋白質レベルの増加は、PGC-1αレベルの増加と平行して示されている。マウスへのケトンエステルの投与は、細胞質の NAD+/NADH を増加させ、細胞質の NADP+/NADPH を減少させることが示されており [16]、ミトコンドリアのアンカップリングおよび上記の他のメカニズムを利用して酸化還元バランスを回復させる可能性が高い。

8.4. Nrf2は適切な酸化還元状態の間にDJ-1によって活性化され、酸化還元状態を回復する。

ケト原性食からのR-BHB代謝による軽度の活性酸素産生の上昇は、Nrf2転写調節因子[261]の活性化につながり、抗酸化応答エレメント(ARE)遺伝子の発現を刺激する。ETC複合体Iからのスーパーオキシド産生を大幅に増加させる酸化還元サイクル剤であるパラコートは、以下に詳述するメカニズムによりNrf2レベルを低下させることが示されたが、R-BHBの投与により回復した[262]。Nrf2の活性化は、ヘムオキシゲナーゼ-1,SOD2[263]、NADP(H)キノンオキシドレダクターゼ(NQO1)、γ-グルタミルシステイン合成酵素(GCLC)、チオレドキシン(TXN)を含む抗酸化系酵素の発現を誘導することにより、サイトカインストームを鈍らせる。チオレドキシン還元酵素1(TXNRD1)[264]、およびIDH1,リンゴ酵素1(ME1)およびG6PD、6-ホスホグルコン酸デヒドロゲナーゼ(PGD)トランスアルドラーゼ、およびトランスケトラーゼを含むPPPの4つの酵素を含むNADPH合成のための複数の酵素[265]。

Nrf2は、図9(e)に示すように、NADP+/NADPHの比が高すぎず低すぎない場合には、過酸化水素によって活性化され得る。Nrf2の活性化が起こるためには、ミトコンドリアマトリックス内のETCによって生成されたスーパーオキシドがSOD2によって過酸化水素に変換される。その後、過酸化水素は、ミトコンドリア内膜に存在するアクアポリンを介して、ミトコンドリアマトリックスの外に輸送される。細胞質では、システイン106スルフヒドリルが過酸化水素によってスルフェン酸に酸化されると、レドックス感受性シャペロンDJ-1が活性化される。DJ-1のこの活性化された形態は、Nrf2からKEAP1を放出し、Nrf2が核内に入り、遺伝子発現を誘導することを可能にする。NADP+/NADPHが低すぎると、DJ-1が酸化されて活性化されるのを防ぐ。NADP+/NADPHが高すぎると、DJ-1のシステイン106がスルホン酸に過剰酸化され、DJ-1がプロテアソームによって不安定化、ユビキチン化、分解されるため、Nrf2は活性化されない[266]。したがって、R-BHB代謝は、細胞質の過酸化水素の低から中程度のレベルを維持する適切なNADP+/NADPH比を提供することによって、Nrf2の機能を維持する可能性が高い。

8.5. RNSによるHIF1-αの安定化は炎症性サイトカイン産生につながる

低酸素誘導因子-1α(HIF-1α)は、低酸素遺伝子発現のマスター転写調節因子である。HIF-1αは、低酸素時にはプロリン上で水酸化され、プロテアソーム分解のためにHIF-1αを標的とするフォン・ヒッペル-リンダウ(VHL)タンパク質との結合を刺激する。また、HIF-1αは、FIH-1(HIF-1-1を阻害する因子)によってアスパラギン残基上で水酸化され、HIF-1αがそのコアクチベーターであるCBP/p300に結合するのを防ぐ。低酸素状態の間、酸素依存性プロリルおよびアスパラギニルヒドロキシラーゼは、HIF-1αの転写活性型を安定化するために不活性である。HIF-1αは、活性酸素またはRNSによっても活性化され得る。HIF-1αは、グルコーストランスポーター、解糖酵素、およびPDK1の発現を誘導して、酸化的リン酸化が損なわれると、PDCを阻害し、ミトコンドリアから離れて解糖由来の炭素フラックスをシャントする。図9(d)は、ペルオキシナイトライトによるHIF-1αのS-ニトロシル化と活性化を示す。HIF-1αのS-ニトロシル化は、安定化のためのVHLとの相互作用を阻害し、活性化のためのアスパラギンの水酸化を阻害する[267]。

HIF-1αはまた、NF-κBをアップレギュレーションすることにより、炎症性サイトカインであるTNF-αおよびIL-6の発現を誘導することができる[268]。HIF-1αは、PDC阻害後に起こるようなピルビン酸レベルの上昇[269]、またはコハク酸レベルの上昇[270]によって安定化されることが示されている。ホルモンメラトニンによって誘導され得る概日性転写調節因子Bmal1は、ミトコンドリアの酸化的代謝を増加させるためにHIF-1αの安定性およびレベルを減少させる[271]。肺AECにおいて、HIF1-αの安定化は、ERストレスおよびCHOP介在性アポトーシスを引き起こすことが示された[273]。IAV感染は、c-Jun N末端キナーゼ(JNK)シグナル伝達経路を活性化してHIF-1αの核内転座を誘導し、炎症性サイトカイン発現を増加させることが示された[274, 275]。しかしながら、HIF-1α欠損はオートファジーを増加させることによりAEC II細胞におけるIAV複製を刺激したことから、HIF-1αはIAV感染の抑制にも役割を果たしている可能性がある[276]。RSV感染は、一酸化窒素およびペルオキシナイトライトレベルを増加させることでHIF-1αを安定化させることが示された[277]。これはNF-κB、プロ炎症性サイトカインレベル、およびウイルス複製の増加をもたらした[278,279]。したがって、R-BHBのレベルを増加させてRNSレベルを低下させることは、SARS-CoV-2および他の呼吸器ウイルスを軽減するために、HIF-1αおよびその下流の炎症メディエーターの活性化を減少させることができる可能性が高い。

9. R-BHBが免疫系の細胞に及ぼす影響

9.1. 増加したNADPHは、細胞の種類に応じて活性酸素レベルを増加または減少させることができる。

NADPHは、NOX2の補酵素としての役割を通じたスーパーオキシドの合成と、グルタチオン還元酵素とチオレドキシン還元酵素の補酵素としての役割を通じた過酸化物の無害化の両方の役割を持っている。ほとんどの細胞タイプでは、還元酵素抗酸化酵素のためのNADPHのKmが低いため、抗酸化作用が優勢になる[280-282]。しかしながら、マクロファージや好中球のようないくつかの細胞型では、NOX酵素の発現レベルが高いため、ROS産生が優勢になる。肺AECはまた、NOX2,NOX4,DUOX1,およびDUOX2の比較的高いレベルを持っている[9]。今後の研究では、変化したNADP+/NADPHがこれらの細胞における活性酸素産生をどのように調節するか、およびケトン体レベルの増加が、病原体に対する宿主防御を刺激するためにNADPHオキシダーゼ活性を増加させるためにマクロファージ、好中球、および肺上皮細胞におけるNADPHレベルを増加させるかどうかを検討する必要がある。

肺上皮細胞では、G6PDをノックダウンしてNADPH合成を減少させると、NOX2活性が低下し、抗ウイルス反応が低下した[283]。マウスでは、6-アミノニコチンアミドによるG6PDとPPPフラックスの阻害によりNADPH合成を減少させると、急性肺損傷モデルにおいてLPS誘発炎症が減少することが示されている[284]。このデータは、IAV感染に対するNOX2阻害剤の保護効果と一致している[68]。SOD2およびカタラーゼの発現は、R-BHB媒介HDAC阻害によって誘導される[151]ので、R-BHBがNADPHレベルを増加させてNADPH酸化酵素活性を刺激すると、サイトカインストームを引き起こす可能性のある過剰な酸化ストレスを防ぐために、活性酸素解毒酵素も増加させる。増加したNADPHレベルはまた、NF-κB転写の負の調節因子であるNADPHセンサータンパク質HSCARGのレベルを低下させることによって抗ウイルス免疫を刺激することが示されている。このメカニズムを介して、NADPHレベルの増加は、MX1およびTNF-α遺伝子の発現を増加させ、ヒトコロナウイルス感染を減少させることが示された[285]。R-BHB代謝による高NADPHレベルの他の潜在的な炎症促進作用の一つは、ジヒドロビオプテリン(BH2)のテトラヒドロビオプテリン(BH4)への還元である。BH4は一酸化窒素合成酵素や芳香族アミノ酸ヒドロキシラーゼの必須補酵素である[286]。したがって、NADPHレベルの増加は、一酸化窒素合成酵素活性を増加させ、RNS産生および炎症につながる可能性がある。しかし、BH4レベルが低いと、一酸化窒素合成酵素は一酸化窒素の代わりにスーパーオキシドを合成する[287]。このように、NADPHの増加は、RNS産生を増加させるので、ROS産生を減少させる。この機能は、スーパーオキサイドがその合成のために制限されているときに、潜在的に有毒なペルオキシナイトライトレベルを減少させる可能性がある。

9.2. マクロファージ機能に対するR-BHBおよびアセトアセテートの効果

肺静脈内マクロファージのM1状態またはM2状態への分極は、環境中に存在する他の細胞から分泌されるサイトカインによって主に制御される[288]。これらの細胞におけるR-BHB媒介のHDAC阻害、GPR109Aシグナリング、および炎症ソーム阻害は、より多くのマクロファージをM2状態に刺激するために産生されるIL-10などの抗炎症性サイトカインの量を増加させる可能性が高い。これらのサイトカインはまた、細胞のエネルギー必要量を燃料にするために活性化される異化経路に影響を与える。M1マクロファージは、機能不全のクエン酸サイクルの存在により、解糖活性と乳酸産生が増加している[289]。一酸化窒素レベルの増加は、クエン酸サイクル酵素アコニターゼ(ACO2)およびPDC E3サブユニットジヒドロリポイルデヒドロゲナーゼ(DLD)を不活性化する可能性がある。一酸化窒素はまた、M1マクロファージにおけるETC複合体I、II、およびIVの活性を低下させる可能性がある[290]。クエン酸サイクルの機能不全は、脂肪酸合成を増加させるクエン酸塩の蓄積をもたらし[291]、ミトコンドリアのROS産生を増加させるコハク酸塩の蓄積をもたらした[270]。M1マクロファージにおけるこの代謝プログラミングは、おそらく炎症性サイトカイン産生を増加させるために進化したものと思われる。M2マクロファージは、正常なクエン酸サイクル機能と酸化的リン酸化[292]のためにピルビン酸と脂肪酸をアセチル-CoAに酸化するようにプログラムされており、これは抗炎症性IL-10分泌を促進することが示されている[293]。マクロファージは酵素BDH1を欠いているため、R-BHBを酸化することができないが[294]、ケト原性食はまた、マクロファージによって酸化されることができるケトン体アセトアセテートの全身レベルを増加させる。肝臓で生成されるR-BHB/アセトアセテート比は、ミトコンドリアのNAD+/NADH比[295]に比例しており、通常は約5[14]であるが、3から7の間で変動する。これに関して、アセトアセテートはマクロファージによって代謝され、R-BHBは代謝されず、マウスの肝線維化を改善することが示された[294]。好中球は、サイトカインストームに寄与する別のタイプの食細胞であり、ミトコンドリアが少なく、解糖遺伝子の発現が非常に低いため、R-BHBやアセトアセテートを有意な範囲で異化することができない可能性が高い。

9.3. ケト原性ダイエットは、ILC2sへのグルコースの取り込みを減らすことによって肺の炎症を減少させる

最近の研究では、マウスのアレルゲン誘発性肺炎症に対するケト原性食を用いたグルコースレベルの低下の効果を調べた。その結果、肺のILC2は、アレルゲン依存性の炎症を誘発するためには、環境からの脂肪酸とグルコースの両方の取り込みを増加させる必要があることが示された。ケト原性食は、肺ILC2のグルコース取り込みを減少させるために全身のグルコースレベルを減少させ、アレルゲンに反応して気道炎症を防ぐことができた[296]。マウスのケト原性食によって活性化されたγδ T細胞-ILC2応答は、通常の食生活をしているヒトの乳児および小児においても活性化されることが示されており、インフルエンザ感染から保護されていた[113]。しかし、この反応は思春期から抑制され、ケト原性食によって再活性化される可能性が高いまでILC1システムに置き換えられるようである。我々は、小児におけるγδ T細胞-ILC2応答の活性が高いことが、SARS-CoV-2ウイルスがこの年齢層の個体に感染したときに症状が重症化しにくい要因の1つであると推測している。感染した高齢者の死亡率の増加は、炎症の増加、ミトコンドリア機能の低下、加齢に伴う細胞のNAD+およびNADPHレベルの低下、代謝の柔軟性の低下、およびサイトカインストームを「乗り切る」能力の低下に起因する部分もあるかもしれない。

9.4. HDAC阻害とGPR109Aシグナル伝達は樹状細胞に抗炎症効果を示す

樹状細胞は、Tリンパ球に抗原を提示する際に重要な機能を果たす。樹状細胞は、そのTLRを介して活性化されるまでは高レベルの酸化的代謝を有しており、その時点で主に解糖的代謝に切り替わる[298]。樹状細胞における解糖速度の増加は、IAV感染を緩和するためのインターフェロン-αの分泌にも必要でした。IAVに対するワクチン接種は樹状細胞の解糖機能を増加させることができた[300]。ブチレートで培養したヒト単球由来樹状細胞は、プロ炎症性サイトカインおよびケモカイン産生の減少を示した[301]。これは、樹状細胞におけるHDAC阻害およびGPR109AシグナリングがTreg細胞を促進する能力に起因していると考えられる[302]。このメカニズムは、少なくとも部分的には代謝的な性質を持っている可能性がある。樹状細胞は、酪酸の存在下または非存在下でのLPSへの曝露によって活性化された。酪酸は酸素消費速度を低下させ、解糖速度の指標として使用される細胞外酸性化速度(乳酸輸出による)の上昇を阻止した[302]。また、HDAC阻害剤として機能する酪酸は、骨髄幹細胞からの樹状細胞の形成を阻害した[303]。抗炎症作用を有することが知られている細胞透過性ピルビン酸前駆体であるピルビン酸エチルの投与[304]は、TLR7に結合する一本鎖RNAによる樹状細胞の活性化を阻害することが示された。ピルビン酸エチルは、解糖および酸化代謝を減少させ、ERKおよびAKTシグナル伝達を減少させ、一酸化窒素の産生を減少させることにより、樹状細胞の活性化をブロックした[298]。したがって、ピルビン酸エチルの投与は、SARS-CoV-2感染の後期段階におけるサイトカインストームをブロックするための潜在的な治療法である可能性がある。

9.5. Bリンパ球およびTリンパ球によるR-BHBの代謝は、レドックスおよびエネルギーレベルを回復させる可能性がある。

また、R-BHBレベルの上昇は、Bリンパ球やTリンパ球の機能を高めることで免疫系を刺激する可能性がある。最近の証拠は、マウスのケト原性食事療法と脂肪組織中のδγ T細胞のレベルの増加との関連性を示している[114]。ケト原性食事療法は、肺γδT細胞のケトン体代謝遺伝子のレベルを変化させなかったが、これらの細胞のミトコンドリアETC遺伝子の発現をアップレギュレートした[113]。免疫系の細胞は、ケトン体分解に特異的に使用される SCOT と、ケトン体生成とケトン体分解の両方に使用される BDH1 を様々な量で発現している。BおよびTリンパ球は血球型の中で最も多くのBDH1およびSCOTを保有している[134]ので、ケト原性食事療法または外因性ケトン治療は、これらの細胞のエネルギーレベルおよび酸化還元状態をより効果的に増強する可能性がある。

9.5.1. ケトジェニックダイエットは、疾患に起因する増加したTh17/Tregの比率を正常化する

CD4+ Tリンパ球には、Th17細胞とTreg細胞という2つの重要なサブタイプがある。ケト原性食は、てんかん患者の血液中の炎症性Th17/Treg比を正常化することが示された [306]。高脂肪食は、Th17がこの能力を持っていない間、Tregは環境から脂肪酸を取り込み、利用することができるので、Th17細胞よりもTreg細胞の拡大を支持する可能性がある[307]ので、Th17細胞は、ケト原性食を消費するときにわずかに低いレベルで存在するグルコースから脂肪酸を合成する必要がある[308]。R-BHBレベルを増加させる断続的な絶食もまた、多発性硬化症のモデルである実験的自己免疫性脳脊髄炎(EAE)を発症したマウスにおいて、この比率を回復させることができた[309]。ナイーブT細胞におけるHDACの阻害は、FOXP3転写調節因子の発現とTregの変換をもたらす [310]。長寿を促進するmTOR阻害剤と抗老化カロリー制限模倣薬ラパマイシンもまた、Th17/Tregバランスを低下させた。これは、Th17細胞における解糖の阻害とTregにおける脂肪酸酸化の刺激を通して起こった。脂肪酸酸化はAMPキナーゼ活性化によって刺激された[311]。ブチレートの中等量投与では、TGF-β1と一緒に投与した場合にのみ、T細胞のTreg細胞への分化が誘導された。TGF-β1レベルはウイルス感染によって上昇するので、SARS-CoV-2のケトンエステルによる治療には問題にならないはずである。また、HDAC阻害は上皮細胞におけるTGF-β1の発現を誘導する。しかし、高用量のブチレートを投与した場合、TGF-β1と一緒に添加しても、IL-10産生Treg細胞への分化誘導には効果がなかった。高用量のブチレートを投与すると、正常なT細胞またはIFN-γ産生Treg細胞のいずれかが得られた[312]。したがって、SARS-CoV-2の最適な治療のためにHDAC機能を部分的に阻害するためには、酪酸塩またはR-BHBが特定の狭い濃度範囲内で細胞核内に存在する必要があるかもしれない。

9.5.2. R-BHBはCD8+記憶T細胞の形成を刺激する

CD8+メモリーT細胞は容易に脂肪酸を酸化し、肝細胞と同様に、グルコネオジェネシスとケトジェネシスのための遺伝子を同時に発現する稀な能力を持っている[313]。グルコネオジェネシスの律速段階であるPEPCK1の高レベルの発現は、細胞のオキサロアセテートレベルの枯渇をもたらした。したがって、脂肪酸β酸化から形成されたアセチル-CoAは、クレブスサイクルに入ることができず、したがって、ケト生成に利用された。R-BHBレベルの増加は、FOXO1およびPGC-1αプロモーターにおけるヒストン蛋白質のβ-ヒドロキシブチリル化の増加をもたらし、遺伝子発現の増加をもたらした。グルコース新生の増加は、活性酸素に対するCD8+メモリーT細胞の長期的な保護に必要なNADPHのPPP合成を刺激するグルコースレベルの増加につながった[314]。ケトンエステルによる代謝療法は、患者がSARS-CoV-2に再曝露されたときに免疫機能を促進するために、CD8+メモリーT細胞の生存を促進するために、この内因性エピジェネティックプログラムを強化すべきである。

10. 今後の展望

ここに提示されたデータは、ケトンベースの代謝療法の有効性に関するデータを提供するであろうCOVID-19患者を対象とした2種類の臨床試験を示唆している。これらには以下のものが含まれる。

ケトンエステルと中等度の高脂肪食を摂取しているCOVID-19患者を対象としたスピロメトリーによる強制生命維持能力の測定(強制生命維持能力とは、完全に呼吸してできるだけ多くの空気を吐き出すことに基づいた肺機能の測定値である)。

COVID-19患者を対象とした無作為化試験で、ケトンエステルを中等度の高脂肪食で摂取した場合の感染期間と重症度、患者の死亡率の評価を行った。

COVID-19患者に対するケトンベースの代謝介入は、疾患進行の3つの一般的なステージのうちの1つで開始される可能性が高い。3つのステージすべてにおいて、外因性ケトンを用いて血中ケトン濃度を1~2mMに上昇させ、食物脂肪の消費量を増加させ、血中pHを緩衝するために腸溶性炭酸水素ナトリウムを摂取するという基本的な治療が有益であろう。第一段階は、疾患症状の発症である。この段階では、適度な炭水化物食で血糖値を正常にして免疫細胞の機能を高めることができる。第二段階は、症状が重症化して入院および/または人工呼吸を必要とするようになったときである。感染症のこの中間段階では、糖質制限食は、ブドウ糖代謝およびそれに関連する炎症性シグナル伝達を低下させるために有益であろう。第三段階は、人工呼吸器の使用が停止し、呼吸困難が生じた後である。繰り返しになるが、この後期の低炭水化物食は有益な抗炎症過程を促進すると仮説されている。治療を開始した場合でも期待される結果は、ARDSへの進行率の低下、酸化的および炎症性の損傷から臓器を保護すること、および感染期間を短縮するためにウイルスのクリアランスを増加させることである。治療開始時期の異なる患者データを独立して解析することで、ケトンベースの代謝介入が最も効果的になる相対的な時期についての重要な洞察が得られる可能性がある。

上記の研究で示唆されたことは、長期の患者モニタリングと併せて、COVID-19後の重大な合併症についても重要な知見を得ることができる可能性がある。SARS-CoV-1感染からは、精神医学的および慢性疲労の問題が感染後4年間継続していたという証拠がある [315]。残念ながら、回復したCOVID-19患者からの逸話には、同様の病的症状が長引いているという記述がある。我々はさらに、慢性疲労、うつ病、心的外傷後ストレス障害、パニック障害、身体性疼痛障害を含むこれらの病的症状の重症度は、細胞死や組織損傷の軽減により、ケトンをベースとした代謝療法によって抑制される可能性があるという仮説を立てている。

11. 結論

SARS-CoV-2 ウイルスは、世界の健康に対する持続的な脅威となる可能性がある。本レビューでは、重度のSARS-CoV-2感染に伴うサイトカインストームを鈍らせる治療法として、外因性ケトンをベースとした代謝療法と適度な高脂肪食を併用することで、宿主細胞の代謝および防御を刺激する可能性のある分子機構の多くについて述べている。この治療法をSARS-CoV-2感染者を対象とした臨床試験が必要である。さらに、マウスのIAV感染研究をさらに進めることで、外因性ケトン体の補充が免疫機能を高めてウイルスクリアランスを促進し、死亡率を低下させるような食事条件を決定するのに役立つであろう。

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Alzhacker
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