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Possible Beneficial Actions of Caffeine in SARS-CoV-2
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34067243/
2021 年 5 月 22 日
概要
COVID-19のパンデミックにより、この病気に対する有効な治療法を迅速に見つけることがかつてないほど必要とされているが、残念ながらまだ特定の治療法は見つかっていない。これは新しい混沌とした状況であるため、SARS-CoV-2の感染を改善するための既存の薬剤が提案されている。
カフェインの摂取が提案されているのは、主に、運動パフォーマンスを向上させ、疲労を軽減し、覚醒度と意識を高めるからである。カフェインは、効果的な抗炎症剤および免疫調整剤であることが証明されている。
気道平滑筋においては、主にホスホジエステラーゼ阻害剤およびアデノシン受容体拮抗剤としての活性により、気管支拡張作用を有している。さらに、最近発表された論文では、in silicoの分子力学と分子ドッキングを用いて、カフェインが受容体結合ドメインとアンジオテンシン変換酵素複合体の形成を阻害することでウイルスの宿主細胞への侵入を阻止し、さらに、3-チモトリプシン様プロテアーゼの活性を阻害することでウイルスの複製を減少させる可能性が示唆されている。
ここでは、特定の作用機序によりカフェインがSARS-CoV-2に有効である可能性について述べた。とはいえ、試験管内試験および生体内試験モデルによる検証にはさらなる研究が必要である。
キーワード：カフェイン、COVID-19,SARS-CoV-2,気道平滑筋、免疫調節作用、抗ウイルス作用
1. はじめに
2019年12月、中国の武漢で原因不明の非定型肺炎の症例が相次いで報告され、高い感染力を示した。その後、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）と命名されたこの病気は、世界的に急速に広がり、人類の大部分に影響を与えている[1,2]。世界保健機関（WHO）は，このウイルスを重症急性呼吸器症候群新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）と正式に命名した[3]。SARS-CoV-2は，コロナウイルス科に属するウイルスで，エンベロープ型の一本鎖，陽電荷，RNAゲノムを持つウイルスのグループである。ビリオンには、4つの主要な構造タンパク質が含まれている。すなわち、ヌクレオカプシド（N）には、スパイク（S)膜（M)エンベロープ（E）の各タンパク質が、ウイルスのエンベロープには、スパイク（S)膜（M)エンベロープ（E）の各タンパク質が見られる。Sタンパク質は、ウイルスの宿主細胞への侵入を促進することが明らかになっている。これは、宿主細胞の膜に存在するアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）と受容体結合ドメイン（RBD：Sタンパク質のサブユニット）が形成する複合体を介して行われる[1,4,5,6]。世界中で患者数は日に日に増加しているが、感染者の中には無症状の人や軽度の疾患経過（発熱、咳、胸部圧迫感、呼吸困難など）をたどる人もいる。しかし、症状が重い患者は、重症の気道感染症、重症の肺炎、急性呼吸窮迫症候群（ARDS)多臓器不全を呈し、死に至ることもある[7,8,9,10,11]。これは、ウイルスが異常な宿主の免疫反応を誘導するためであり、宿主の免疫反応を調節することがSARS-CoV-2に対抗する鍵となる[12]。その中でも、SARS-CoV-2の病態生理を考えると、炎症メカニズムの悪化とサイトカインストームにより、SARS-CoV-2が組織にダメージを与えるという仮説が立てられている[13,14]。WHOは、2021年2月28日現在、全世界でCOVID-19の感染者数は約1億1,386万4,015人、死亡者数は約252万6,793人であると報告している。メキシコでは、この日までに合計2,084,128人の陽性者と合計185,257人の死亡者が出ており、残念ながら本稿執筆時点でCOVID-19の陽性者数は日々増加している[15]。
多くの研究者がそれぞれの研究分野を通じて、COVID-19のパンデミックを克服するために向き合い、貢献を指示している。ワクチンの開発と使用（高い効率性）が第一の選択肢となっているが、本稿執筆時点では、WHOによると、世界人口の0.67%しかワクチンを接種していない。そのため、現在の治療法は、主に症状の管理と重症の場合の生命維持に向けられている[16]。SARS-CoV-2への介入には，効率的な治療法が必要であることから，ウイルス感染症の創薬プロセスでは，新しい有効な薬剤の発見・合成と，既存の薬剤の再利用という2つの主要なルートが行われている。創薬には多大な時間と費用がかかるため，現在世界を悩ませているパンデミックの緊急性を考慮すると，既存の薬剤や薬理化合物を再利用するという選択肢の方が実現可能性が高いと思われる[17]。
これまで、COVID-19のパンデミックを食い止めるための治療法は、感染の予防、渡航者の検出、公衆衛生対策に基づいてた[17]。SARS-CoV-2感染症に対する有効な治療法はなく、主に使用される薬剤は、SARS-CoV-2の複製に不可欠なプロテアーゼを不活性化することでウイルスの複製を阻害する抗ウイルスプロテアーゼ阻害剤などである[18]。SARS-CoV-2のライフサイクルを阻害する特異的な薬物ターゲットの特定には、まださらなる調査が必要である。
もう1つの戦略は、炎症抑制剤を使用することである。なぜなら、実験および臨床試験により、ウイルスによって引き起こされる損傷は、炎症反応の変化に関連しており、一部の患者では、炎症性サイトカインの異常放出に関連していることが明らかになっているからである[18]。低分子ヘパリン、血漿、高免疫性免疫グロブリンもケースバイケースであるが、一般的に重症のCOVID-19患者に利用され、感染症から生じる合併症や後遺症を軽減するために使用されている[18,19,20]。COVID-19に対処するための短期的な戦略としては、さまざまな治療法が考えられるが、この病気に対する特異的な治療法はまだ明らかに不足している[7]。これらの抗炎症剤が有望な治療法であったとしても、無作為化臨床試験による更なる研究が必要である。
カフェイン（1,3,7-トリメチルキサンチン）は、アフリカ、東南アジア、南米に自生するさまざまな植物の種子、果実、葉に含まれるメチルキサンチン系アルカロイドである。コーヒーや紅茶のほか、カカオ豆、ハーブティーに使われるマテ茶、各種飲料やサプリメントに使われるガラナなどにも含まれている。世界中で日常的に消費されている一般的な刺激物である[21]。合成して、清涼飲料水、飲料、錠剤などの飲料や食品に添加し、ダイエット補助剤や鎮痛剤などを組み合わせた市販の製剤として幅広く利用されている。推奨量（成人で1日400mg）以内であれば、血液脳関門を容易に通過する能力があるため、中枢神経系（CNS）の軽度の刺激剤として、最も広く求められている効果を発揮し、疲労感を軽減し、覚醒度や意識を高めることができる[22,23]。カフェインは、脳幹の呼吸中枢にあるアデノシン受容体に拮抗作用を発揮し、未熟児無呼吸症候群の治療に用いられている[24]。未熟児の慢性肺疾患では、非選択的ホスホジエステラーゼを阻害し、環状アデノシン一リン酸濃度（cAMP）を増加させることで、赤ちゃんの肺血管筋を直接弛緩させ、その酸素化を改善する[26]。喘息では、軽度の喘息を持つ成人にカフェインが活用されており、体重5mg/kgの低用量を投与した場合、肺機能の中等度の改善が認められている[27]。また、運動誘発性気管支収縮（EIB）のある人が、運動前にカフェインを摂取（7mg/kg）することで、気管支収縮が緩和されたという報告もある[28]。気管支拡張作用のメカニズムとして、カフェインのホスホジエステラーゼ阻害作用とアデノシン受容体拮抗作用が提案されている[29]。摂取されたカフェインは、その両親媒性の特性により、体内に容易に分布し、細胞膜を伝染することを言及しておく必要がある[30]。肝臓では、シトクロムP-450（CYP）酵素によって代謝され、CYP1A2によって3つの活性代謝物、主にパラキサンチン（81.5%)テオブロミン（10.8%)テオフィリン（5.4%）に二次変換され、尿中に排泄される[31]。適度なカフェインの消費は通常安全と考えられ、急性毒性はまれであるが、症状としては、吐き気、頭痛、不眠、神経質、頻脈、不整脈、胃腸障害、痙攣などがある。アルコールと組み合わせてカフェインを摂取すると、死に至ることさえある [23,32]。これらは，COVID-19患者の治療にカフェインが使用された場合に起こりうる副作用であると考えられる。
我々や他の研究グループは、気道平滑筋におけるカフェインの薬理作用を研究していた。主にアデノシン受容体拮抗作用、ホスホジエステラーゼ阻害作用、小胞体（SR）からの細胞内カルシウム放出作用、味覚受容体タイプ2リガンド（TAS2R）としての作用などである[33,34,35,36]。これらのメカニズムは，体のほとんどすべての組織や細胞に見られることを強調しておきよう。最近では、カフェインはSARS-CoV-2に対する防御の役割を果たすことができるため、SARS-CoV-2との戦いにおいて不可欠な役割を担っている[6,7,36]。この総説では、カフェインの取り扱いに関する我々の経験と、ウイルスの不活性化、ウイルスとACE2との結合の阻害、免疫調節および抗炎症の役割を通じ、複数の器官系におけるSARS-CoV-2に対する健康上の利点があると考えられる新しい実験データの分析、また、特にカフェインを毎日摂取しているCOVID-19の患者における利点について分析している。
2. 気道平滑筋におけるカフェインの薬理学的メカニズム
最近、Kalidhindiらは、共焦点イメージングを用いて、SARS-CoV-2の侵入は実証されていないものの、ACE2がヒト気道平滑筋（ASM）に発現していることを発見した[37]。これらの細胞の重要性は、SARS-CoV-2が上皮層を標的として損傷を与え、その下にある間葉系細胞（ASM、線維芽細胞）にも影響を与え、気道の反応性の変化、炎症、長期的な線維化につながる可能性にある。このように、SARS-CoV-2は、ASMを含む肺細胞の複数のシグナル伝達経路の機能に直接影響を与えることができる[37]。
2.1. アデノシン受容体
1980年代に、アデノシンを吸入投与すると、喘息患者の気管支収縮が誘発され[38]、マスト細胞から排出されるヒスタミン、トリプターゼ、ロイコトリエン、プロスタグランジンなどの炎症性メディエーターの濃度が上昇することがわかった[39,40]。これらの知見から、アデノシンはマスト細胞の活性化を介して気管支収縮をもたらす可能性が指摘されている[41,42]。喘息患者では、アデノシン濃度は気管支肺胞洗浄液(BAL)[43]と呼気凝縮液[44,45]で上昇している。結論として、アデノシンは気管支収縮、炎症、粘液を生成し、気道の閉塞を引き起こす。加えて、特にアレルギー性喘息の表現型において、肺の炎症反応のパラクリンメディエーターとして機能する可能性がある[38,46,47]。アデノシンの効果はGタンパク質共役型受容体（GPCR）を介して発揮され、それらは4つのサブタイプ、すなわちアデノシン受容体A1,A2A、A2B、およびA3に分類されている[48]。これらの受容体は，活性化されるとcAMPの濃度を増減させる。サブタイプA1とA3はGiタンパク質に結合してcAMPの細胞内濃度を減少させ，サブタイプA2AとA2BはGsタンパク質に結合してcAMPの細胞内濃度を増加させることができる[49]（図1）。
図1. カフェインの免疫調節作用と気管支拡張作用の模式図
免疫系の様々な細胞は、その活性を調節できるアデノシン受容体（AR）とTAS2R受容体を発現しており、カフェインはAR受容体のアンタゴニストであり、TAS2R受容体のアゴニストであることが知られている。免疫細胞上のA1,A2Bに拮抗することで、炎症促進作用が低下する。上皮細胞のTAS2Rをカフェインで活性化すると、ウイルスに直接作用する抗菌ペプチド（AMP)NO、H2O2の分泌が増加する。マクロファージでは炎症性サイトカインの産生を抑制し、マスト細胞ではヒスタミンとプロスタグランジンD2の放出を抑制する。ASMでは、カフェインは気管支拡張を促進する様々な経路を活性化する。TAS2RおよびA2受容体を活性化し、PDE4を阻害して弛緩を誘導する。また、高濃度ではRyRの開口確率を増加させることができるが、このメカニズムは治療には用いられていない。ASMは気道平滑筋、ARはアデノシン受容体、DCは樹状細胞、GPCRはGタンパク質共役型受容体、TAS2Rは2型味覚受容体、NCはナチュラルキラー細胞、CDはリンパ球CD8+、Hisはヒスタミン、PD2はプロスタグランジンD2,PDE4は PDE4：ホスホジエステラーゼ4,AMP：抗菌ペプチド、IP3：イノシトール1,4,5-三リン酸、PLC-β2：ホスホリパーゼC-β2,SR：小胞体、PKA：プロテインキナーゼA、cAMP：環状アデノシン一リン酸、GPCR：Gタンパク質共役型受容体、IP3R：IP3受容体など。
カフェインのIC50は，神経組織において，A2B受容体で160〜210μM，A2A受容体で17nMと報告されている[50]。アデノシン受容体経路は、気道平滑筋（ASM）や様々なタイプの免疫・非免疫細胞で観察される効果を介して、喘息治療の有用なターゲットとなっている[51]。アデノシン受容体は、ほとんどの免疫細胞に発現しており、さまざまな推定機能の制御に関与していることが報告されている。A2Aは、特に喘息患者において最も広く発現しており、A1,A2B、およびA3サブタイプは、特定の細胞タイプでのみ発現している[52]。A2Aを阻害することで、より洗練された喘息管理が可能になると考えられる。A2A受容体に対するカフェインアナログの選択性は、カフェインの1つまたは2つのメチル基をプロピルまたはプロパルギル置換基で置換することにより、多少向上することがわかっている[53]。実際，3,7-ジメチル-1-プロパルギルキサンチン（DMPX）は，選択的なA2アンタゴニストとして使用することに成功している[54]。一方，A2B受容体に対するカフェインにヒントを得た非キサンチン系複素環式アンタゴニストも開発されており，その中には，さまざまな9-デアザキサンチンや9-デアザアデニンが含まれている[55,56]。
2.2. 環状ヌクレオチドホスホジエステラーゼ
環状アデノシン一リン酸(cAMP)と環状グアノシン一リン酸(cGMP)をそれぞれ不活性な5′AMPと5′GMPに加水分解するPDEタンパク質をコードするホスホジエステラーゼ(PDE)遺伝子は，11のファミリー(PDE1-PDE11)に分かれており，それらの細胞内レベルを調節している[57]。これらのサイクリックヌクレオチドは，気道平滑筋の弛緩や炎症性メディエーターの放出など，さまざまな細胞プロセスを活性化する[58]（図1）。PDEの阻害は，気道平滑筋の収縮や炎症性メディエーターの放出を調節する潜在的なメカニズムを示している[57]。PDE3とPDE4は，気管や血管の平滑筋に存在し，PDE4は，脳，胃腸（GI）管，脾臓，肺，心臓，精巣，腎臓などの組織に広く分布している[58]。さらに，PDE4は，PDE3とPDE5を含む血小板を除く，ほとんどすべての炎症性細胞に発現している[57]。カフェインのホスホジエステラーゼを阻害するIC50は500μMから 1mMの範囲であるが[59]、テオフィリンはIC50が70μMと低いことから、より強力なPDE4阻害剤と考えられている。テオフィリンがより強力なPDE4阻害剤と考えられているのは、血漿レベルで18μg/mLに相当する40%のcAMP値が確認されており、この濃度で気管支組織の弛緩が誘導されるからである[60]。最近では，勃起不全や肺高血圧症[61]の治療に用いられ，特発性肺線維症[62,63]の血管抵抗を減少させることで肺の血行動態を改善するPDE5阻害薬として承認されているシルデナフィルが，COVID-19の治療にも有効であることが証明されている[64]。この点についてはさらなる研究が必要であるが、カフェインはPDE阻害能を通じて、同様の効果を発揮する可能性があると考えている。
2.3. タイプ2味覚受容体のアゴニスト
ASMでは、タイプ2味覚受容体（TAS2R）の正規のシグナル伝達経路は、苦味物質がGPCR受容体に結合することで、Gqαサブユニットのガストドゥクインが活性化されることである。Gβ3とGγ13が複合体を形成している間に、サブユニットGαのガストドゥクインがGβ3/Gγ13のヘテロ二量体から解離し、ホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸をイノシトール-1,4,5-三リン酸（IP3）とジアシルグリセロールに加水分解する役割を担うホスホリパーゼC-β2（PLC-β2）が活性化される。IP3は、SR上のIP3受容体（IP3R）に結合し、Ca2+を放出することができる（図1）。この放出されたCa2+が高伝導のカルシウム活性化カリウムチャネル（BKCa）の開口を誘導し、膜の過分極とASMの弛緩に関与することが提唱されている[61,62,63,64,65]。ASMでは、発現しているTAS2Rサブタイプは7,10,14,43,46であり、カフェインはTAS2R受容体のアゴニストとして知られている[62]。ASMでは、カフェインがCa2+振動をブロックし、IP3Rによる放出Ca2+の抑制を介してCa2+に対する感受性を低下させることで、アゴニスト誘発の気管支収縮を逆転させることが確認されている[66]。このような観点から、カフェインは気道口径の拡大に寄与することで呼吸を容易にすると考えられるが、さらなる研究が必要である。
3. カフェインの免疫調節効果
SARS-CoV-2による感染症に対してカフェインが間接的にもたらす可能性のある多くの効果の中で、カフェインが持つ免疫調節効果を強く強調する必要がある[34,67]。カフェインを6mg/kgの用量でボーラス投与すると、総リンパ球数とCD8+リンパ球数の増加が見られる[68]。ヒトの細胞を高濃度かつ長時間カフェインにさらすと、NK細胞の活性化が促進されることが示されている[69,70]。NK細胞とリンパ球は、ウイルスの脅威に対して最初に活性化される細胞の一つであり、COVID-19感染の病態生理に重要な役割を果たしている（図2）。
図2 SARS-CoV-2に対するカフェインの抗ウイルスメカニズムの提案の模式図
カフェインは、MAPK/NF-κβ経路によるTNF-αの産生と、インフラマソームNLRP3の発現およびその活性を抑制し、IL-1βおよびIL-18の産生を減少させることができる。また、カフェインは、RBDとACE2の複合体形成を阻害することで、ウイルスの侵入を抑制する。また、カフェインは、ウイルスの転写と複製に必要な2つのポリペプチドを放出するのに必要なプロテアーゼである3CLproを阻害する。TNF-α、腫瘍壊死因子α、NF-κβ、核因子κβ、ACE2,アンジオテンシン変換酵素2,NLRP3,インフラマソームNOD様受容体3,IL-6,インターロイキン6,IL-1β、IL-18,インターロイキン18,MAPK、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ、3CLpro、3-チモトリプシン様プロテアーゼを指す。
3.1. アデノシン受容体
カフェインの免疫調節作用の一部は、免疫細胞に対する直接的な活性に起因すると考えられる。免疫細胞の多くはアデノシン受容体を発現しており、カフェインはこれらの受容体のよく知られたアンタゴニストである。A1の刺激は、好中球と好酸球の炎症促進機能を促進し、単球の貪食、樹状細胞の走化性、粘液の産生を促進することが示されている[52]。一方，A2Aの刺激は，マスト細胞や好中球からの脱顆粒や好中球の内皮への付着を抑制することが示されており，その活性化は，単球やマクロファージからのIL-12やTNF-αの分泌を抑制し，内皮細胞からのIL-6やIL-8の分泌を抑制することも示されている[52]。
一方、A2Bの刺激は炎症を促進する。マスト細胞では脱顆粒、サイトカインの分泌、IgEの合成が誘導され、上皮細胞ではIL-19の分泌が促進される。さらに、内皮細胞ではVEGFとIL-8の分泌が促進され、気管支平滑筋や線維芽細胞からはIL-16が分泌される[52]。A3受容体の機能についてはほとんど知られていないが、その活性は主に好中球の脱顆粒を抑制し、好酸球の脱顆粒と走化性を抑制することが示されている。
アデノシンは肺の炎症と修復の制御に重要な役割を果たしていることが報告されている[71,72]。驚くべきことに、急性炎症では、サイトカインの産生、免疫細胞の移動、血管伝染性を著しく低下させるが、慢性炎症では、アデノシン刺激を継続的、持続的に行うと、サイトカインの分泌と免疫細胞の肺への浸潤が増加する[73]。興味深いことに、カフェインの投与は持続的なアデノシン刺激の結果を部分的に元に戻すことが示されており[74]、カフェインの抗炎症スペクトルにもう一つの興味深い特徴が加わった[75]。
したがって、COVID-19患者のサイトカインストームの発生におけるアデノシン受容体経路の関与は、カフェインの保護作用によって減少し、肺の炎症を制限するかもしれない[52]（図2）。
3.2. タイプ2味覚受容体のアゴニスト
SARS-CoV-2に代表されるウイルス性呼吸器感染症の特徴的な症状として、無味・無年齢化がある。TAS2R受容体は、化学感覚を持つ上皮細胞だけでなく、白血球、マスト細胞、好中球、単球、好酸球、マクロファージなど、気道やその他のシステム全体の多くの種類の細胞に発現していることがわかっている[64,76]。TAS2Rアゴニストは、アレルゲンによる気道炎症を抑制し、LPSによるサイトカインの放出、リモデリング、反応性亢進を抑制することが実証されている[64,76]。カフェインは、これらの受容体のアゴニストとして知られており、嗅覚の回復を促進し、これらの受容体に起因する免疫調節作用により、SARS-CoV-2による感染症の重症度を軽減することに貢献する可能性がある[12,61]。ウイルスに対する上気道系の第一の防御において、カフェインの投与は唾液中の特定の免疫学的要素を変化させ、免疫グロブリンと血清アルブミンの分泌を増加させ、プロテアーゼの阻害剤として知られるシスタチンSNのレベルを低下させることが実証されている[12,77]。また、上気道の上皮細胞におけるTAS2Rの活性化は、ウイルスを直接標的とする抗菌ペプチド（AMP)NO、H2O2の分泌を促進することが示されている[78,79]。
マクロファージでは、TAS2Rの活性化は、NOやcAMP経路を介した食作用を促進するとともに、LPSで誘導されるTNF-α、CCL3,CXCL8の産生を抑制することが示されている[61,64,80]。また、TAS2Rアゴニストは、白血球からの炎症性サイトカインの産生や、IgEを介してマスト細胞から放出されるヒスタミンやプロスタグランジンD2を抑制する[61,81,82]。マウスモデルでは、慢性または高用量のカフェイン投与により、好中球の動員を低下させ、A2A非依存的に、おそらくTAS2Rの活性化を介したcAMP経路を介して、TNF-αおよびIL-1の分泌を抑制することで、肺損傷を予防した。しかし，低用量のカフェインを急性投与した場合には，有害な効果が観察され，この効果は，A2Aによって媒介される抗炎症経路の阻害によって説明される可能性がある[83]。
同様の結果は、カフェインがcAMP/PKA経路、おそらくはTAS2R受容体の活性化を介してTNF-α血漿レベルを抑制したという以前の研究でも観察された[84]（図2）。カフェインは、TAS2Rの活性化を介してサイトカインの過剰発現を逆転させることで、免疫抑制剤として作用すると思われる。
4. SARS-CoV-2感染症におけるカフェインの抗ウイルス活性の可能性
自然免疫反応を開始する最初のメカニズムの一つは、病原体関連分子パターン（PAMPs）と危険関連分子パターン（DAMPs）を認識する細胞内パターン認識受容体（PRR）である、インフラマソームNOD様受容体3（NLRP3）である[85]。カフェインは，その発現を低下させるとともに，マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）／NF-κBシグナル経路を介した活性化を抑制することが示されている。その結果、IL-1βおよびIL-18の産生が抑制される[67,86,87]。また，カフェインは，ニューカッスル病ウイルス，インフルエンザウイルス，ポリオウイルス，単純ヘルペスウイルス1型（HSV-1），ヒト免疫不全ウイルス（HIV），ワクシニアウイルス，ポリマウイルスなど，いくつかのウイルス種によるウイルスRNA合成やウイルスタンパク質合成を阻害することが確認されている[67,88,89,90,91,92]。特に，試験管内試験の研究では，カフェインがC型肝炎ウイルスの複製を阻害できることが示された[67,93]（図2）。
4.1. カフェインはRBD-ACE2複合体の阻害剤となる可能性がある
COVID-19に対する創薬の重要な戦略は、宿主細胞へのウイルスの入り口を標的とすることである。最近、Mohammadiらは、ウイルスのSタンパク質に含まれるRBDと、宿主細胞の膜にあるSARS-CoV-2の機能的受容体であるACE2との間で複合体が形成されることで、ウイルスの侵入が行われることを明らかにした。最近のin silico研究では，カフェインは，単独でも抗ウイルス剤と併用しても，この複合体の有効な阻害剤として提案されている[94]。
カフェインおよびカフェインと抗ウイルス剤の併用によるRBD/ACE2複合体との相互作用を，分子動力学（MD）シミュレーションおよび分子ドッキングによって評価した。Sタンパク質の結晶構造から選択した2つの主要エピトープは、Protein Data Bank（PDB ID：6VW1および6LZG）で認識された。さらに、RBD-ACE2複合体と薬剤の間の相互作用エネルギー（IE）を計算した。MDで作成したデータから、カフェインとRBD-ACE2複合体の間のIEを計算したところ、6LZGと強い相互作用があることがわかった。この結果から、カフェインは特に6LZGとの相互作用が強く、RBD-ACE2複合体の形成を阻害することがわかった[94]。
また、カフェインと抗ウイルス剤の併用の可能性をMDシミュレーションと分子ドッキングで検討したところ，カフェインとリバビリンの併用は，6VW1サイトをブロックする上で相乗的な相互作用を示し，結合自由エネルギーは-6.76（kcal/mol），IEは-2000（kcal/mol）であった。さらに、6VW1複合体の場合、カフェインとファビピラビルおよびリバビリンは、非結合相互作用エネルギーの観点から、SARS-CoV-2に対してより効率的な構造を形成し、カフェインとACE2の安定した有望な結合傾向を示し、その結果、SARS-CoV-2に対するACE2の阻害が可能であることを示した[94]。
また、Sタンパク質が存在しない場合のACE2との最も適した相互作用の組み合わせについても検討した。様々な抗ウイルス剤とカフェインの組み合わせを検討した結果、最も強い相互作用を示したのは、ACE2+レムデシビル+カフェインで、IE値は-396.68（kcal/mol）であった。この負の値は、複合体が安定していることを示しており、Sタンパク質-ACE2複合体の形成を妨げることで、SARS-CoV-2ウイルスが細胞に感染してウイルスサイクルを継続することを妨げている。Tongらは、リバビリンが対照治療（支持療法のみ）と比較して生存率の向上をもたらさなかったと報告していることから、これらの結果を考慮すると、カフェインの単独および抗ウイルス剤との併用による応用の可能性が注目される。そのため、SARS-CoV-2に対する生体内試験での活性は、さらなる調査が必要である[95]（図2）。
4.2. 3-キモトリプシン様プロテアーゼの阻害
SARS-CoV-2のウイルス転写と複製に必要なメカニズムの1つは、機能性ポリペプチドの放出に関与する2つのポリタンパク質に依存している。これらのポリペプチドの放出には、3-chymotrypsin-like protease (3CLpro)の関与が必要である。このプロテアーゼの重要性を考慮して，このプロテアーゼは潜在的な薬理学的ターゲットとして研究されており，その活性を阻害できる既存の薬剤と天然化合物の両方を探している[96,97]。カフェイン，他のメチルキサンチン，および構造中に4-ピリドン環を有する構造類似化合物は，分子動力学とエネルギー計算のシミュレーションにより，3CLproに対する阻害作用を示した[95]。3CLproタンパク質とカフェインの分子ドッキングは，-5.6kcal/molの親和性を示し，さらにアミノ酸Cys145およびGlu166と水素結合を形成している。これらの残基は、プロテアーゼ活性を阻害する鍵となる。これにより、ウイルスの複製に不可欠な非構造タンパク質が生成されなくなり、新しいビリオンが形成されることになる。
最後に，タンパク質3CLpro-caffeineと他の類似化合物のドッキングで形成された複合体について，MDシミュレーションを行った。これらのシミュレーションは200nsであった[95]。3CLpro-caffeine複合体の分子動力学のRMSF（root-mean-square fluctuation）値が得られ，シミュレーション中に活性部位のアミノ酸が安定したコンフォメーションを維持していることが示された。したがって，カフェインは3CLproを阻害する可能性があり，このアルカロイドが新たな治療薬となる可能性があることを示唆している。ただし，これらの知見を裏付けるためには，試験管内試験および生体内試験でのさらなる研究が推奨される[96]（図2）。
5.結論
SARS-CoV-2に対する効果的な治療法を提供することは世界中で共通の関心事であるにもかかわらず、特異的な抗ウイルス治療法は存在せず、主な選択肢は対症療法とバイタルサポートに基づいている。このレビューでは、カフェインがSARS-CoV-2感染症に対して直接的、間接的にもたらす可能性のある健康上の利点を確認した。気管支拡張と免疫調節を促進し、おそらくウイルスの細胞内転写を阻害することであろう。