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Culinary spice bioactives as potential therapeutics against SARS-CoV-2: Computational investigation
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7606080/
en.wikipedia.org/wiki/List_of_culinary_herbs_and_spices
要旨
背景
コロナウイルス感染症2019（COVID-19）は、SARS-CoV-2による感染性パンデミックである。SARS-CoV-2のメインプロテアーゼ（Mpro）とスパイクプロテインは、ウイルスの複製と伝達に重要な役割を果たしている。スパイクタンパクはヒトACE2受容体を認識し、SARS-CoV-2を体内に伝達する。したがって、Mpro、スパイク蛋白質、およびACE2受容体は、SARS-CoV-2に対する治療薬開発のための適切なターゲットとして機能する。香辛料は、抗ウイルス作用や免疫増強作用を有することが伝統的に知られている。そこで、本研究では、SARS-CoV-2 の標的となる可能性があると考えられる香辛料の生理活性を計算機的に解析し、その有用性を検討した。
方法
SARS-CoV-2の標的タンパク質に対する香辛料生薬の結合効率を解析するために分子ドッキング解析を行った。香辛料生理活性物質の薬物類似性をLipinskiの5法則とSWISSADMEデータベースを用いて検討した。また，ADMETlab，PASS-prediction，ProTox-IIサーバを用いて，ADME/T，生物学的機能，毒性などの薬理学的特性を解析した。
解析結果
スクリーニングされた46種のスパイス系抗菌薬のうち，6種の抗菌薬は標準薬よりも比較的良好な結合エネルギーを示し，少なくとも2種以上のSARS-CoV-2標的に対する高い結合親和性を有していた。選択された生物活性物質は、SARS-CoV-2の標的に対する標準薬であるレムデシビルとの結合類似性について分析された。その結果，香辛料の生物活性成分は，高いGI吸収率，低い毒性，多元的な生物学的役割を持ち，薬物と類似した特性を示す可能性があることがわかった。
結論
スパイスの生物活性物質は、SARS-CoV-2の感染および伝達に関与する特定の標的と結合する可能性を有する。したがって、スパイスをベースとした栄養補助食品は、COVID-19の予防および治療のために開発することができる。
キーワード
COVID-19, ドラッグライクネス, 分子ドッキング, 栄養補助食品, SARS-CoV-2, 香辛料
1. はじめに
コロナウイルス感染症2019（COVID-19）は、過去10ヶ月間、世界中で深刻な感染症と死亡率を引き起こしている。WHOによると 2020年10月中旬までに世界で3,600万人以上がこのパンデミックに感染し、100万人以上の命が犠牲になるとされている。COVID-19の臨床的特徴は、無症状から重度の肺炎を発症し、生命に関わる臓器の損傷を引き起こすことである。COVID-19の一般的な症状は、発熱、咳、頭痛、倦怠感、息切れ、筋肉痛、痰の分泌などである。[1]. COVID-19のその他の特徴としては、サイトカインストームを媒介とした炎症反応の亢進、激しいリンパ球減少、各臓器への相当な単核細胞浸潤などが挙げられる[2]。現在のところ、SARS-CoV-2媒介性疾患を治療するための特効薬はない[3]。抗ウイルス薬、抗マラリア薬、アンジオテンシン変換酵素2（ACE2）阻害薬の再利用が進んでいる。最近では，抗ウイルス薬であるレムデシビルがCOVID-19患者の回復時間を短縮し，下気道感染症にも効果があることが明らかになり，有望視されている[4]。しかし、レムデシビルを投与された患者の約24.6%に急性呼吸不全を含む重篤な有害事象が報告されている。一方，最も期待されている薬剤であるヒドロキシクロロキンは，レムデシビルを投与されたCOVID-19患者の死亡率を通常の治療を受けた患者よりも低下させていない[5]。その上、多くの薬剤が臨床試験中であり、残念ながらどの薬剤も臨床試験を通過しておらず、ワクチン開発のための戦いが続いている。
COVID-19の感染と病態に取り組むためには、COVID-19の受容体認識機構とウイルスの生合成機構を理解することが重要である。SARS-CoV-2の一次感染は、エンベロープを介したスパイク蛋白質を介して宿主細胞の受容体と結合することで促進される[6]。SARS-CoV-2のスパイク蛋白質は、S1とS2ドメインから構成されており、S1は受容体結合ドメイン、S2は膜融合蛋白質である[7,8]。スパイク蛋白質の約73%はSARS-CoVに保存されているが、SARS-CoV-2のスパイク蛋白質は宿主細胞結合型受容体との親和性が10倍以上である[7,9]。ACE2は、スパイク蛋白質が宿主細胞に結合して感染する受容体である。スパイク蛋白質受容体結合モチーフ（RBM）-ヒトACE2複合体の分子解析により、ウイルス-宿主受容体相互作用に関与するスパイク蛋白質の様々な鍵となる残基とACE2受容体のホットスポット残基が決定された。ACE2受容体には、2つのウイルス結合ホットスポットが存在する。Lys31（ホットスポット31）およびLys353（ホットスポット353）である。ホットスポット31はLys31とGlu35の間の塩橋からなり、ホットスポット353はLys353とAsp38の間の塩橋からなり、疎水性環境に隠されている[[6], [7], [8]]。スパイクタンパク質の重要なアミノ酸残基はLeu455,Phe486,Gln493,Ser494であり、ACE2と結合している。
さらに、SARS-CoV-2メインプロテアーゼ（Mpro）は、pp1aおよびpp1abポリタンパク質の非構造タンパク質（NSP）へのタンパク質分解成熟に関与する必須タンパク質であり、これはCOVID-19の複製および転写に関与する。Mproは、ドメインIとIIの間のクレフトに位置するCys-His触媒ダイアドを持つシステインプロテアーゼである[10]。Mproの機能的役割とスパイク蛋白質とACE2との相互作用の減衰により、これらの蛋白質はCOVID-19に対する薬剤開発のための魅力的なターゲットとなっている。
天然化合物は、古代から医薬品開発の先駆者としての役割を果たしてきた。多くの医薬品や栄養補助食品は、ハーブ、薬草、香辛料などの天然資源に由来している。最近では、多くの計算科学的研究により、SARS-CoV-2の標的に対するこれらの天然源からの潜在的な生物活性が報告されている[[11], [12], [13], [14]。香辛料は味や香りだけでなく、様々な病気の治療にも利用されている[15]。スパイスの生理活性物質は、抗酸化作用、抗炎症作用、抗微生物作用などの健康効果で知られている[[16], [17], [18]]。ウコン由来の生理活性物質の中で最も探索されているものの一つであるクルクミンは、肝炎やインフルエンザウイルスを含む多くのウイルスに対して抗ウイルス活性を示している[19]。さらに、Wen et al 2007）は、クルクミンがSARS-CoVの複製と3CLプロテアーゼ活性を試験管内試験で阻害することを報告している[20]。最近、Rout et al 2020は、スパイスの生理活性ピペリンが、現在使用されているいくつかの薬剤よりも、SARS-CoV-2スパイクタンパク質受容体結合ドメイン（RBD）およびMproとのより高い結合親和性を示していることを発見した[21]。
さらに最近では、ElsayedおよびKhan, 2020は、163カ国におけるCOVID-19の有病率と香辛料の消費とを相関させた。興味深いことに、一人当たりの香辛料の消費量が少ない国では、人口100万人当たりの死亡率だけでなく、COVID-19の症例数も高かった。さらに、香辛料の消費量が多い国ほど回復率も高かった[22]。香辛料の生理活性物質の有益な効果は、様々な疾患に対して観察される免疫調節および抗炎症の可能性によるものであると考えられる[23]。COVID-19の重症度は、主にサイトカインストームを介した炎症反応の亢進により上昇し、急性呼吸窮迫症候群を引き起こす。香辛料の生理活性物質は、炎症性サイトカインを抑制し、呼吸窮迫を軽減する可能性があることが知られている[25,26]。そこで本研究では、SARS-CoV-2の標的であるMpro、スパイク蛋白質、ヒトACE2受容体に対するスパイス生薬の潜在的な治療能を分子モデリング解析により検討した。また、SARS-CoV-2に対する治療薬開発のために、潜在的なスパイス生物活性物質の薬物類似性と薬理学的特性を解析した。
2. 材料と方法
2.1. リガンドの調製
標準薬とスパイスのリガンド分子の構造は、PubChem データベース（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/）から取得した。SARS-CoV-2 標的蛋白質に対するドッキング解析の標準薬として、HIV 治療薬（ダルナビル、レムデシビル、リトナビル)ACE2（ロサルタン、バルサルタン）阻害剤を選定した（補足表 S1）。標準薬は、SARS-CoV-2に対する既存の抗ウイルス活性と現在進行中の試験に基づいて選択した。文献的エビデンスに基づき、28種類の香辛料から46種類の生理活性物質をドッキング解析のために選択した（補足表S2）[17,18,25]。リガンド分子は、Open Babel ソフトウェア（The Open Babel Package, version 2.3.1; openbabel.org）[27]を用いて Protein Data Bank (PDB)形式に変換した。さらに、AutoDock Tools (ADT)を用いてリガンド分子をPDBQT形式に変換し、ドッキングの準備を行った。
2.2. タンパク質の調製
COVID-19の主な治療標的は、SARS-CoV-2のMpro、スパイク蛋白質、ヒトACE2受容体であった。標的分子の3次元座標はPDB ID 6LU7（Mpro)6W41（スパイク蛋白質)1R42（ACE2）[10, [28], [29], [30]から取得した。PDBで利用可能な水分子を削除し、極性水素を添加し、電荷を安定化した[9]。最後に、ADTを用いて3次元座標をPDBQT形式に変換した [31]。
2.3. 分子ドッキング
SARS-CoV-2 Mpro、スパイクタンパク質、およびヒトACE2をスパイスの生理活性リガンドとドッキングするための標的分子として使用し、分子ドッキング研究はAutoDock Vina [32]を用いて実施した。グリッドボックスは、SARS-CoV-2 Mproの触媒部位とSARS-CoV-2スパイクタンパク質-ヒトACE2複合体の相互作用する重要な残基をカバーするために、1Åの分解能でリガンドに対する相対寸法（XYZ）を持つADTを使用して生成された。各リガンド-受容体ドッキング複合体の結合エネルギーは、AutoDock Vinaから得た。最終的なタンパク質-リガンド相互作用モデルは、結合エネルギーだけでなく、潜在的な水素結合（H結合）および疎水性接触に基づいて選択された。タンパク質-リガンド相互作用プロファイラー(PLIP) (projects.biotec.tu-dresden.de/plip-web/plip/)を使用して、H-結合および非結合相互作用を計算した。蛋白質-リガンド相互作用の 3 次元立体図は、PyMOL (pymol.org/2) を用いてレンダリングした。
2.4. 薬物類似性の特性
リピンスキーの五則（RO5）は、創薬において重要なパラメータの一つである。最高の相互作用を持つリガンド分子は、リピンスキーの法則(http://www.scfbio-iitd.res.in/software/drugdesign/lipinski.jsp) [33]を適用した。香辛料の生理活性物質の薬物類似性、親油性、溶解性特性は、OSIRIS Property Explorer (…www.organic-chemistry.org/prog/peo/)を用いて解析した。また、Ghose、Veber、Egan、およびMueggeルールの評価にはSWISS-ADMEサーバ(http:/)を使用した。
2.5. ADME/毒性予測
ADME/Tは、与えられた化合物の吸収、分布、代謝、排泄、および毒性を提供する。選択した香辛料の生理活性物質の薬物動態と薬力学的特性を ADMETlab サーバ（http://admet.scbdd.com）を用いて評価した。取得した分類値および数値は、ADMETlab サーバの説明と解釈に基づいて定性的な単位に変換した。
2.6. 生理活性の評価
選択された香辛料の生物活性は、Prediction of Activity Spectra for Substances (PASS)-Way2Drug server (www.pharmaexpert.ru/passonline/)を通して評価された。潜在的に活性なリガンドまたは不活性なリガンドは、Pa値とPi値を通して予測された。潜在的な活性を持つ化合物は、Pa 値が 1 に近く、Pi 値が 0 に近いものでなければならない。
2.7. 毒性の予測
選択された香辛料の生理活性物質の毒性パラメータは、ProTox-IIサーバー(http://tox.charite.de/protox_II/)とOSIRIS Property Explorer(https://www.organic-chemistry.org/prog/peo)を介して予測された[34]。
3. 結果と考察
3.1. 分子ドッキング解析
分子ドッキングは、低分子とタンパク質の相互作用を原子レベルで研究し、結合効率、リガンドと受容体間の相互作用の種類を予測するための汎用的なツールである[35,36]。COVID-19の介入には、創薬分子を開発するための適切なターゲットが必要である。Mpro、スパイク蛋白質、ACE2受容体の生物学的機能は、COVID-19に対する薬剤開発のための適切な標的として適格である。香辛料の生理活性物質は、抗ウイルス、抗炎症、免疫増強作用を有することが知られている[16]。ここでは、スパイス生薬のSARS-CoV-2 Mpro、スパイクタンパク、ヒトACE2受容体との結合効率を計算機解析を用いて調べた。まず、各種HIV標準薬やACE2阻害薬と標的タンパク質との結合親和性をスクリーニングした（補足表S1）。その中で、抗レトロウイルス剤でありプロテアーゼ阻害剤であるレムデシビルは、SARS-CoV-2 MproおよびヒトACE2受容体に対して、それぞれ-8.3 kcal/molおよび-6.4 kcal/molの高い結合エネルギー（BEs）を示した。一方，別の抗レトロウイルス薬であるリトナビルは，SARS-CoV-2スパイク蛋白質に対して強い結合親和性を示し，BEは-7.4 kcal/molであった。標準的な薬剤と同様に、いくつかの香辛料の生理活性物質は、SARS-CoV-2標的タンパク質に対するより高い結合親和性を示した（補足表S2）。セサミンはゴマ由来の生理活性物質であり，MproとのBEは-8.2 kcal/molと高い値を示したが，アサフェティダ由来のコンフェロールはスパイク蛋白質（-7.4 kcal/mol）とACE2受容体（-7.1 kcal/mol）とのBEが高い値を示した。標準薬の平均BEをもとに、Mproは-7.5kcal/mol、スパイクプロテインは-7.0kcal/mol、ACE2は-6.5kcal/molのBEを最適な閾値として設定し、潜在的な香辛料の生理活性物質を絞り込んだ。そして、(i)閾値BEを満たし、(ii)SARS-CoV-2の少なくとも2つの標的に対して優れた結合親和性を有する潜在的な生物活性物質をさらに分析のために選択した。
以上の2つの条件に基づき、46種類のバイオアクティブのうち、6種類のスパイスバイオアクティブを選択した。選定された生物活性物質（アサフォエチドノールA、コンフェロール、ファルネシフェロールB、セサミン、セサミノール、セサモリン）について、結合部位との化学的相互作用と薬理学的特性について検討した（表1）。興味深いことに、これらの生理活性物質はすべてアサフェティダ（Ferula asafoetida）とゴマ（Sesamum indicum）に由来するものが優勢である。伝統的に、F. asafoetidaとS. indicumは抗微生物、特に抗ウイルス活性を持っている[37,38]。F. asafoetidaは、気管支炎、喘息、百日咳などの呼吸器疾患の治療に使用されることが知られている[39]。さらに、これらの香辛料の生理活性は、抗真菌、抗酸化、肝保護、抗炎症などの有益な活性を示しており、免疫賦活作用を有する[16, [38], [39], [40], [41], [42]。
表1 香辛料に含まれるSARS-CoV-2 Mpro、スパイク蛋白質、ヒトACE2との結合エネルギー（BEs）（kcal/mol）とその分子間相互作用
生理活性物質名は太字で示し，最初の3つの生理活性物質はアサフェティダ，最後の3つの生理活性物質はゴマに属するものである。* は標準薬を表す。
| スパイスとその生物活性物質 | SARS-CoV-2Mプロ
|
SARS-CoV-2スパイクタンパク質
|
人間のACE2
|
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BE | H-ボンド | 疎水性相互作用 | BE | H-ボンド | 疎水性相互作用 | BE | H-ボンド | 疎水性相互作用 | |
| *レムデシビル | −8.3 | Leu141、Gly143、His163、Glu166 | Thr25、Thr26、Leu27、His41、Met 49、Met165、Glu166、Gln189 | −6.6 | Arg403、Tyr453、Gln493、Gly 496、Asn501 | Leu455、Phe456、Tyr489 | −6.4 | His34 | Asn33、His34、Glu37、Asp38、Tyr41、Lys353 |
| F. asafoetida Assafoetidnol A |
−7.4 | Tyr54 | Thr25、Leu27、His41、Asn142、Cys145、Met165、Gln189 | −7.0 | Phe490、Ser494 | Phe456、Tyr489、Gln493 | −6.9 | Asp38 | Asp30、His34、Tyr41、Lys353 |
| F.asafoetida コンフェロール |
−7.6 | His163 | Thr25、Leu27、His41、Cys145、Met165、Glu166、Gln189 | −7.4 | – | Leu452、Leu455、Phe456、Tyr489、Phe490、Ser494 | −7.1 | Asp38 | His34、Glu37、Lys353 |
| F. asafoetida Farnesiferol B |
−7.2 | Thr26、Asp 187 | Thr25、His41、Tyr54、Asn142、Cys145、Met165、Gln189 | −7.0 | Arg403、Gln493 | Lys417、Tyr453、Leu 455、Phe456、Tyr489 | −6.4 | Arg 393 | Asn33、His34、Glu37、Tyr41、Lys353 |
| S.インディカム セサミン |
−8.2 | Gly143、 His163 |
Thr25、His41、Phe140、Cys145、Glu166 | −7.2 | Gln493 | Leu455、Phe456、Tyr489、Phe490 | −6.4 | – | His34、Glu37、Asp38、Tyr41、Lys353 |
| S.インディ カムセサミノール |
−7.8 | Thr26、His41、Gly143、 His163、Met165 |
Thr25、Phe140、Cys145、Glu166 | −7.0 | Tyr489、Gln493、Ser494 | Phe490 | −6.5 | His34、Asp38 | Glu37、Tyr41、Leu45、Lys353 |
| S.インディ カムセサモリン |
−7.7 | Thr45、Ser 46、Gly143、His163 | Thr25、His41、Cys145、Glu166 | −7.0 | Ser494 | Leu452、Leu455、Phe456、Tyr489、Phe490、Gln493 | −6.5 | Glu37 | His34、Asp38、Tyr41、Lys353 |
さらに，選択されたスパイス系抗菌薬の結合効率の類似性を標準薬であるレムデシビルと比較したところ，SARS-CoV-2 の標的との結合効率が高かった（表1
および図 1）．レムデシビル（図1a）のMproとのH-結合および疎水性相互作用を、香辛料の生理活性剤であるアサフォエチドノールA（図1b)コンフェロール（図1c)ファルネシフェロールB（図1d)セサミン（図1e)セサミノール（図1f）およびセサモリン（図1g）と比較した。レムデシビルは、触媒部位でのいくつかの疎水性相互作用に加えて、Mpro残基Leu141,Gly143,His163,およびGlu166との間で4つのH結合を形成した（図1a、および表1）。選択された香辛料の生物活性物質の中で、セサミンは、Mproとの最も高い結合親和性を示した。セサミンは、Gly143およびHis163と2つのH結合を形成し、また、触媒部位でいくつかの疎水性相互作用を形成した（図1e）。全体的に、MproのThr25,His41,Gly143,Cys145,His163,Glu166,およびGln189のアミノ酸残基は、スパイスの生理活性物質と同様に、標準的な薬剤と頻繁に相互作用を示した（表1,補足表S1）。また、MproのHis41は、アサフォエチドノールAやファルネシフェロールBとの塩橋やπ相互作用にも関与していることから、スパイス生薬も標準薬と同様にMproの主要残基と相互作用していることが示唆された（図1,表1,補足表S1）。
図1 SARS-CoV-2 Mpro（PDB ID：6LU7）の標準薬レムデシビル
（a）および香辛料系抗菌剤アサフォエチドノールA（b)コンフェロール（c)ファルネシフェロールB（d)セサミン（e)セサミノール（f)セサモリン（g）との分子間相互作用を示す三次元立体図。Mproの4Å以内の近接するアミノ酸を示す。H結合を点線で表し、距離（Å）をマークしている。Mproのアミノ酸と香辛料の生理活性物質を棒で示す。Mproは炭素原子が緑色で、スパイスの生活性炭は黄色で表示されている。窒素原子と酸素原子は、すべての分子について、それぞれ青と赤で着色されている。
ウイルス感染時には、スパイクタンパク質の受容体結合モチーフの残基がACE2受容体ホットスポットと結合する。スパイクタンパク質の受容体結合モチーフは、Leu 455,Phe486,Gln493,およびSer494残基で構成され、これらの残基はACE2受容体との相互作用に重要な役割を果たしている[8,28,43,44]。レムデシビル（図2a）とスパイスの生理活性剤アサフォエチドノールA（図2b)コンフェロール（図2c)ファルネシフェロールB（図2d)セサミン（図2e)セサミノル（図2f)セサモリン（図2g）とのドッキング試験で得られたSARS-CoV-2スパイク蛋白質の分子間相互作用を図2に示す。レムデシビルは、スパイクタンパク質残基Arg403,Tyr453,Gln493,Gln498,およびAsn501との間で5つのH結合を形成し、スパイクタンパク質受容体結合モチーフとの間でいくつかの疎水性相互作用を形成した。スパイクタンパク質のアミノ酸残基Gln493とSer494は、コンフェロールを除くすべてのスパイス生薬とH結合を介して頻繁に相互作用する。しかし、スパイスの生理活性物質のうち、コンフェロールおよびセサモリンは、Leu452,Leu455,Phe456,Tyr489,Phe490およびGln493のようなスパイクタンパク質の主要な残基と疎水性相互作用を有する（図2cおよび2gおよび表1）。一般に、スパイクタンパク質のLeu455,Phe456,Tyr489,およびPhe490は、スパイス生物活性物質との疎水性相互作用に主に関与する主要な残基である。また、Phe490はアサフォエチドノールAやファルネシフェロールBとのπ相互作用にも関与している。
図2 SARS-CoV-2スパイクタンパク質（PDB ID: 6W41）の標準薬レムデシビル
（a）および香辛料の生理活性物質アサフォエチドノールA（b)コンフェロール（c)ファルネシフェロールB（d)セサミン（e)セサミノール（f)セサモリン（g）との分子間相互作用を表した3次元立体図。
最近の構造および分子動力学的研究に基づいて、ACE2受容体の多くの重要なアミノ酸残基は、そのパートナータンパク質との相互作用において認識されている[8,45]。ヒトACE2受容体には、ホットスポットLys31とホットスポットLys353が存在する。スパイクタンパク質はこれらのホットスポットを識別し、その相互作用はウイルス感染の伝達に不可欠である。私たちのドッキングの結果はまた、選択されたスパイスの生物活性物質を示し、標準的な薬剤は、ACE2受容体のホットスポット残基と強い相互作用を有することを示した（表1）。図3は、ヒトACE2受容体の標準薬レムデシビル（図3a）とスパイス系抗菌剤アサフォエチドノールA（図3b)コンフェロール（図3c)ファルネシフェロールB（図3d)セサミン（図3e)セサミノール（図3f)セサモリン（図3g）との分子間相互作用をまとめたものである。標準薬であるダルナビル、レムデシビル、リトナビルがHis34, Glu37とH結合を形成していたのに対し、香辛料生薬は隣接する残基Asp38とのH結合を好んで形成していた。疎水性相互作用については、標準薬とスパイス系抗菌薬の両方とも、His34,Glu37,Asp38,Tyr41,およびホットスポット残基Lys353と相互作用している（図3,および表1,補足表S1）。アミノ酸のHis34（アサフォエチドノールA、コンフェロール）およびLys353（ファルネシフェロールB）もまた、塩橋を介してスパイスの生理活性物質と相互作用している。
図3 ヒトACE2受容体（PDB ID:1R42 11R42）と標準薬レムデシビル
（a)および選択されたスパイスの生理活性剤アサフォエチドノールA（b)コンフェロール（c)ファルネシフェロールB（d)セサミン（e)セサミノール（f)セサモリン（g）との分子間相互作用を表す三次元立体図。
全体的に、分子ドッキングの結果は、選択された香辛料の生理活性物質がMproに対して強い親和性を有し、スパイクタンパク質とACE2の間の相互作用を阻害する可能性があることを示唆している。
3.2. 薬物類似性の特性
薬物類似性の調査は、創薬と開発の手順を加速させる。リピンスキーのルール・オブ・ファイブ（RO5）は、医薬品になる資格を得るための重要な要素の一つである[33]。その結果、F. asafoetida と S. indicum の香辛料から選択された 6 種類の生理活性物質は、一度も違反することなく RO5 に合格している（図 4）。また、薬剤の類似性に関連したGhose filter rule, Veber rule, Egan rule, Muegge ruleの分析も行った（表2）。これらのパラメータは、生理活性機能を有効な医薬品として識別するための原理を持っている。グースフィルターのルールは、logP値：-0.4～5.6,分子量：160～480g/mol、モル屈折率：40～130,総原子数：20～70の範囲である[46]。一方、ヴェーバー則では、配位子は極性表面積≤140Å2の回転可能な結合を10個以下含む必要がある[47]。イーガンルールでは、薬物分子の吸収は、極性表面積（PSA）とAlogP98（n-オクタノールと水との間の分配係数の対数）の2つの因子に依存する。Mueggeルールは、ファーマコフォアポイントフィルターを通過しなければならない有効な薬物に従う[48,49]。我々の研究のために選択されたすべての生物活性物質は、違反することなく、Ghoseフィルタールール、Veberルール、およびEganルールに完全に適合していた。ファルネシフェロールBを除き、他の全ての生理活性物質はMueggeルールに適合していた。
図4 香辛料からの選択された生理活性物質のためのリピンスキーのルール・オブ・ファイブ
（RO5）。MW：分子量（＜500g／mol)HBD：H-結合ドナー（＜5)H-結合アクセプター（＜10)LogP（＜5)M-ref：モル屈折率（40〜130）。
表2 香辛料由来の生理活性物質の薬物類似性
同様に、ファルネシフェロールBを除く他の全ての生理活性物質は、表2に示すように、親油性が低く、吸収性が高いことがわかった。溶解性については、セサミン、セサミノール、セサモリンは他の化合物と比較して溶解性が良好であった。全ての生理活性物質は、トポロジカル極性表面積（TPSA）が少ないため、最適な細胞透過性と良好な経口バイオアベイラビリティーを示した。合成アクセス性（SA）は、標的化合物の合成の可能性と実現可能性を分析するために使用される[50]。これらの化合物の化学合成は、表2
に示すように、容易から困難までの 1-10 スケールで約 4-5 の範囲に属しているため、実現可能である。
3.3. ADME/毒性予測
ADME/T は、経口投与されたときの化合物の運命を理解するための重要なパラメータである。薬物の経口投与とヒトの腸管吸収（HIA）を通じて血中に存在する薬物レベルとの間には関連性がある[51]。一般的には、Caco-2細胞株を用いた試験管内試験透過性試験が行われており、化合物の腸管吸収を模倣している。そこで、厳選した香辛料の ADME/T 特性を解析し、表 3.1 に示した。
表 3.1 香辛料から選択した生理活性物質の ADME/T 試験結果
| 吸収 特性 |
Assafoetidnol A | コンフェロール | ファルネシフェロールB | セサミン | セサミノール | セサモリン |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Caco-2透過性（最適：-5.15ログ単位または-4.70または-4.80より高い） | 最適 -5.022cm / s |
最適 -4.941cm / s |
最適 -4.949cm / s |
最適 -4.853cm / s |
最適 -5.04cm / s |
最適 -4.887cm / s |
| ヒトの腸管吸収（HIA）≥30％：HIA +; <30％：HIA- | +（0.558） | +（0.605） | +（0.604） | +（0.613） | +（0.571） | +（0.568） |
| P糖タンパク質基質 | —（0.016） | —（0.016） | —（0.009） | —（0.058） | —（0.063） | —（0.022） |
| P糖タンパク質阻害剤 | ++（0.858） | ++（0.868） | +++（0.949） | +（0.663） | +（0.543） | ++（0.821） |
| バイオアベイラビリティスコア | 0.55 | 0.55 | 0.55 | 0.55 | 0.55 | 0.55 |
| 消化管吸収 | 高い | 高い | 高い | 高い | 高い | 高い |
| 分布 特性 |
Assafoetidnol A | コンフェロール | ファルネシフェロールB | セサミン | セサミノール | セサモリン |
| PPB（血漿タンパク結合）：90％ | 高（95.70％） | 高（96.23％） | 高（96.65％） | リッテレス（79.80％） | 少し少ない（79.42％） | 少し少ない（80.09％） |
| 血液脳関門（BBB）BB比≥0.1：BBB +; BB比<0.1：BBB- | +（0.623） | -（0.486） | +（0.617） | +++（0.991） | ++（0.861） | +++（0.98） |
| VD（体積分布）0.04〜20 L / kg | 0.132 L / kg | 0.104 L / kg | −0.056 L / kg | 0.243 L / kg | −0.094 L / kg | −0.067 L / kg |
| 代謝 特性 |
Assafoetidnol A | コンフェロール | ファルネシフェロールB | セサミン | セサミノール | セサモリン |
| P450CYP1A2阻害剤 | —（0.191） | —（0.154） | —（0.231） | ++（0.765） | +（0.541） | +（0.518） |
| P450CYP1A2基質 | -（0.452） | -（0.41） | +（0.514） | +（0.615） | +（0.516） | +（0.569） |
| P450CYP3A4阻害剤 | —（0.286） | —（0.297） | -（0.401） | +（0.598） | +（0.648） | ++（0.705） |
| P450CYP3A4基質 | ++（0.723） | +（0.615） | +（0.622） | +（0.518） | +（0.62） | +（0.534） |
| P450CYP2C9阻害剤 | —（0.16） | —（0.148） | —（0.254） | —（0.205） | -（0.345） | +（0.508） |
| P450CYP2C9基質 | +（0.532） | +（0.637） | +（0.559） | -（0.351） | -（0.458） | -（0.377） |
| P450CYP2C19阻害剤 | —（0.227） | -（0.349） | -（0.359） | ++（0.767） | ++（0.723） | ++（0.856） |
| P450CYP2C19基質 | +（0.598） | +（0.596） | +（0.58） | +（0.627） | +（0.665） | +（0.672） |
| P450CYP2D6阻害剤 | -（0.402） | -（0.377） | -（0.45） | +++（0.9） | ++（0.851） | ++（0.85） |
| P450CYP2D6基質 | +（0.543） | +（0.591） | -（0.469） | +（0.569） | +（0.559） | +（0.61） |
| 排泄 特性 |
Assafoetidnol A | コンフェロール | ファルネシフェロールB | セサミン | セサミノール | セサモリン |
| T 1/2（半減期） （> 8 h：高; 3 h <Cl <8 h：中; <3 h：低） |
低 （1.48時間） |
低 （1.89時間） |
低 （1.84時間） |
低 （1.99時間） |
低 （1.74時間） |
低 （1.58時間） |
| 毒性 特性 |
Assafoetidnol A | コンフェロール | ファルネシフェロールB | セサミン | セサミノール | セサモリン |
| hERG（hERGブロッカー） | +（0.508） | +（0.614） | ++（0.705） | -（0.492） | -（0.394） | -（0.488） |
| AMES（エイムス変異原性） | -（0.366） | -（0.348） | -（0.336） | -（0.354） | —（0.276） | -（0.342） |
| DILI（薬物誘発性肝障害） | +（0.514） | +（0.502） | +（0.522） | ++（0.724） | ++（0.718） | ++（0.728） |
選択された全ての生理活性物質は、Caco-2の透過性とヒトの腸管吸収性（HIA）を満足する結果を示した。興味深いことに、選択された生理活性物質はいずれもP-gp基質として機能しておらず、P-gp阻害剤として機能している。P-gpの阻害は、薬物排出タンパク質を阻害することで、化合物の細胞内濃度を高める[52]。薬物は吸収された後、血液を介して体の他の部位に流れ、肝臓で代謝される。肝臓では、チトクロームP450ファミリーの酵素群が吸収された薬物分子を分解し、胆汁や尿として人体から排除することができる[53]。特定の生理活性物質は、これらの酵素の基質として作用するため、対応する CYP450 酵素を介して代謝される。
一方、一部の生理活性物質は、これらの酵素の阻害剤として作用し、生分解過程を阻害する[54,55]。ここでは、香辛料由来のセサミン、セサミノール、セサモリンがP450 CYP1A2阻害剤として機能する。セサモリンはまた、P450 CYP2C9阻害剤として機能する。選択された生理活性物質のほとんどは、香辛料の二次代謝により半減期が短くなることが示されている[56]。
3.4. 有害・有害影響の予測
ProTox-IIサーバーは、GHS（Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals）に従って分子を分類する。GHSによると、経口摂取された化合物の毒性は、LD50の範囲に基づいて5つのカテゴリーに分類されている。クラス1-致死的（LD50≦5)クラス2-致死的（5 < LD50≦50)クラス3-毒性（50 < LD50≦300)クラス4-有害（300 < LD50≦2000)クラス5-有害（2000 < LD50≦5000)およびLD50＞5000の場合は無毒とみなされる[34]。アサフォエチドノールA、コンフェロール、ファルネシフェロールBの予測LD50値は3200 mg/kgであり、いずれもクラス5であったが、セサミン、セサミノル、セサモリンのLD50値は1500 mg/kgであり、クラス4であった（表3.2）。これらの生理活性物質のほとんどは毒性クラス4-5に該当するが，香辛料全体で摂取すると毒性がさらに低下する。幸いなことに、肝毒性、細胞毒性、変異原性、腫瘍原性を有すると予測される香辛料の生 物活性はいずれも存在しなかった。
表 3.2 香辛料から選択された生理活性物質の有害性と毒性。
3.5. 生物活性の推定
物質の活性スペクトル（PASS）の予測は、香辛料から選択された生理活性物質を用いて実施され、補足表S3に示されている。PASSの予測には2つの因子が関与している。PaとPiである。Paはリガンドが活性である確率を表し、Piはリガンドが不活性である確率を表し、その値は0から1の範囲である。選択された香辛料の生理活性物質のほとんどは、ファルネシフェロールBを除いて、SARSに対して有効であったと考えられる。
これらの香辛料はすでにいくつかの有望な活性を有することが知られており、主に抗酸化作用、抗炎症作用、免疫調節作用、抗ウイルス作用を有することが知られている[38,57]。主に、F. asafoetidaは、インフルエンザA（H1N1）およびヘルペスウイルス1型（HSV-1）に対する抗ウイルス剤として機能することができる[42,58]。中国の研究者によると、F. asafoetidaはインフルエンザA（H1N1）ウイルスに対して有効である[58]。同様に、S. indicumの根と葉は、水痘や麻疹に対する抗ウイルス剤として有効であり、また、この植物は免疫調節剤としても機能する[37,59]。また、ゴマ精油やセサモールはマクロファージや樹状細胞のプロ炎症機能を調節し、Th2応答を促進する[59]。したがって、これら2つの香辛料を毎日の食事に取り入れることは、免疫力を高め、SARS-CoV-2感染症と闘うことができる可能性がある。
4. 結論
現在、人類はCOVID-19パンデミックの出現により、恐ろしい状況に直面している。香辛料バイオアクティブを含む様々な天然食用植物化学物質は、抗酸化作用、抗炎症作用、抗ウイルス作用など多くの健康効果を有することが知られている。本研究では、SARS-CoV-2のMpro、スパイクタンパク、ヒトACE2受容体を標的とした香辛料の有効性を実証した。これらの標的タンパク質を阻害することで、ウイルスの複製を減少させるか、あるいはウイルスの感染力を低下させる可能性がある。さらに、これらの標的の活性を阻害するこれらの選択された香辛料の生物活性の試験管内試験および生体内試験での効果を調査することが必要である。幸いなことに、潜在的な生物活性物質のほとんどは、アサフェティダおよびゴマの香辛料を摂取することによって得ることができる。選択された香辛料の生物活性物質はまた、望ましい生物学的側面を有する様々なドラッガブルな特性を示している。このように、アサフェティダとゴマを食事に取り入れることは、COVID-19感染症の予防的・予防的アプローチとして介入する可能性がある。さらに、生物活性に基づいた栄養補助食品の開発は、特定の薬剤を発見する前の迅速な救済として、COVID-19に対して有効である可能性がある。