天然化合物のCOVID-19に対する治療効果の可能性

Possible Therapeutic Use of Natural Compounds Against COVID-19

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7990267/

2021年3月24日

Nabab Khan, Xuesong Chen, and Jonathan D. Geiger*.

要旨

重症急性呼吸器症候群-コロナウイルス-2（SARS-CoV-2）の発生は，コロナウイルス感染症-19（COVID-19）を引き起こし，社会的，経済的，罹患率および死亡率に壊滅的な影響を及ぼすパンデミック疾患となった。SARS-CoV-2は、受容体を介したエンドサイトーシスと細胞内プロテアーゼによるプライミングによって細胞に感染する。SARS-CoV-2は、細胞内に取り込まれた後、エンドリソソームから脱出し、細胞質内のオートファゴソーム様の構造体で複製する。したがって、オートファゴソームを含むエンドリソソーム経路とmTORセンサーは、SARS-CoV-2感染症やCOVID-19の病態に対する治療介入のターゲットとなる可能性がある。天然の化合物（フィトケミカル）がエンドリソソームやmTORシグナル伝達経路に作用することで、COVID-19に対する治療効果が期待できる。ここでは、エンドリソソームシステムに作用する天然化合物がSARS-CoV-2の感染を阻害することを示し、それによってCOVID-19に対する再利用が可能であることを説明する。

キーワード

SARS-CoV-2,COVID-19,エンドリソソーム、オートファジー、天然化合物

はじめに

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス-2（SARS-CoV-2）は，一本鎖RNAのゲノムを持つエンベロープ型ウイルスである[1,2]。コロナウイルス感染症-2019（COVID-19）は，SARS-CoV-2の感染によって引き起こされるヒトのパンデミック疾患であり，症状や結果として，心血管障害，急性呼吸窮迫症候群（ARDS），死亡などがある[3-5]。SARS-CoV-2は，ウイルスのスパイクタンパク質が，アンジオテンシン変換酵素2（ACE2）受容体を発現している宿主細胞と相互作用することで細胞に感染する。ウイルスは，膜貫通型プロテアーゼセリン2（TMPRSS2）を介したプライミングにより宿主細胞に侵入する[6-8]。細胞に感染するためには，エンベロープ型ウイルスに共通の特徴であるエンドリソソームにエンドサイトインし，そこから放出されなければならない[9,10]。その際、コロナウイルスはエンドサイト機構をハイジャックし、宿主の免疫検出や宿主-病原体間の反応を起こさずに、ゲノム物質を複製部位に送り込むことができる[8,11-14]。エンドリソソームから細胞質に放出されたコロナウイルスは、オートファゴソームに似た二重膜小胞の中で複製を行い[15-18]、ウイルス量が十分に多くなると、サイトカインストームなどの病的状態が発生する[19-22]。エンドリソソームは酸性のオルガネラであり、ウイルス粒子の分解を触媒する約60種類の酸性ヒドロラーゼが存在するため、エンドリソソームの酸性化を促進することでSARS-CoV-2の感染を抑制できる可能性がある[15,23,24]。リソソームの酸性の性質は、エンドリソソームやオートファジーシステムの機能を制御しており、液胞ATPase、TRPML1,BK [25]、SLC38A9 [26-29]、哺乳類ラパマイシン標的(mTOR)など、複数のエンドリソソーム関連のイオンチャネルやタンパク質がリソソームの酸性度を制御している[30-34]。

mTORの下流のシグナル伝達経路は、タンパク質合成、代謝、転写、細胞周期、アポトーシス、エンドリソーム、オートファジー、免疫調節・寛容などの基本的な細胞プロセスを制御している[35-39]。mTORシグナルの異常は，癌や炎症，心血管障害や代謝障害などの様々な病態に関与している[40,41]。また，インフルエンザ[42]，HIV-1[43, 44]，コロナウイルスMERS-CoV[45, 46]，SARS-CoV-2[15, 47, 48]など，複数のウイルスが，ウイルスの複製を完了させる目的でmTORシグナル伝達系をハイジャックすることがある。

mTORシグナル伝達経路は，オートファジーを誘導し，ウイルスのタンパク質合成を阻害することで，コロナウイルス以外のウイルスの感染と複製を阻止するために標的とすることができる[15,45-47,49,50]。したがって、合成化合物や天然化合物を用いて、mTORを標的にしてSARS-CoV-2感染やCOVID-19を抑制することができるかもしれない[51-57]。天然化合物（フィトケミカル）は、mTOR-シグナル伝達経路を阻害することで、エンドリゾソームの酸性化とオートファジーを促進することができる[49,58-64]。植物化学物質または植物化学物質を豊富に含む食品の消費を増やすことで，がん，骨粗鬆症，心血管疾患の有病率や重症度が減少する可能性が示唆されている[63]。果物、豆類、野菜、穀物には、カロテノイド、テルペノイド、フィトステロール、フラボノイド、イソフラボン、イソチオシアネート、繊維などのフィトケミカルが多く含まれており、これらの物質は、抗炎症、抗酸化、抗感染の特性を持つことが示されている [64]。また，フィトケミカルはエンドリソソームの分解性を高め，それによって微生物感染やヒトの代謝・老化関連疾患を抑制することができる[15,63,64]。ここでは、エンドリソソームやオートファジー、mTORセンサーに影響を与え、その結果、SARS-CoV-2感染症やCOVID-19の病態に対して治療的利用が期待される天然化合物について簡単に説明する。

天然化合物

スペルミジンとスペルミン

ポリアミンは，アルギニンやオルニチンから内因性に生成され，様々な植物の成分として摂取されている[65,66]。内因的には，オルニチンからプトレスシンがオルニチン脱炭酸酵素によって合成され[67-69]，オルニチンからポリアミンのスペルミジンとスペルミンが生成される[68]．ポリアミンを外因的に摂取すると，加齢による記憶力の低下を防ぎ[70,71]，記憶力を回復させることができる[71,72]．ポリアミンであるスペルミジンの心臓保護作用[73]、抗炎症作用、抗酸化作用[74-76]は、オートファジーの誘導を介していると考えられる[71,77]。さらに，スペルミジンとスペルミンは，5′-AMP-活性化プロテインキナーゼ（AMPK）を誘導し，mTORシグナル伝達経路を阻害することで，オートファジーを誘導し，炎症性樹状細胞の機能を抑制する[78-80]。スペルミジンとスペルミンはともにSARS-CoV-2の感染を抑制し、エンドリソームでのウイルス分解を誘導することでその効果を発揮したようである[15]。

レスベラトロール

レスベラトロールは、抗酸化作用と抗炎症作用を持つポリフェノールで、レスベラトロールは、がん、糖尿病、心臓病、神経変性疾患、微生物感染症などのハイリスクな状態において、酸化的なダメージから保護することがわかっている[81]。レスベラトロールは、ピーナッツ、ベリー類、赤ブドウに豊富に含まれており[81,82]、Polygonum cuspidatumの植物抽出物を含むカプセルで摂取することができる[83,84]。レスベラトロールは、ホスホイノシチド3キナーゼ(PI3K)/Aセリン/スレオニンプロテインキナーゼ(Akt)/mTORシグナル経路を抑制し、AMPKおよびサーチュイン(SIRT1)経路を増強することで、オートファジーを促進し、がん細胞を死滅させる能力を持っている[85-88]。レスベラトロールは，単純ヘルペスウイルス [90]，エンテロウイルス71，エプスタインバーウイルス，呼吸器合胞体ウイルス，インフルエンザ，中東呼吸器症候群コロナウイルス（MERS-CoV） [49]など，さまざまなウイルス感染症 [89]に対して抗ウイルス効果を発揮し，MERS-CoVはSARS-CoV-2ウイルスのファミリーメンバーです [91,92]。レスベラトロールと銅の共同投与は、SARS-CoV-2の複製を抑制し、SARS-CoV-2に誘発されるサイトカインストームを減少させるのに有用であると考えられている[93,94]。

植物性エストロゲン（Phytoestrogen）

植物性エストロゲンは、豆腐、亜麻仁、大豆、ゴマ、ニンニクなどの植物に含まれる天然化合物である[95,96]。植物エストロゲンは，エストロゲン様作用を発揮し[95]，抗酸化作用，抗炎症作用[97-100]，神経保護作用[101,102]のほか，オートファジーを誘導する能力も有している[103]。植物性エストロゲンは，PI3K/Akt/mTORシグナル伝達経路を制限し，このメカニズムが，オートファジーを誘導してがん細胞を死滅させる能力に関与していると考えられている[104-106]。エストロゲンの1つである17β-エストラジオールは、インフルエンザ[107]、風疹[108]、HIV-1[109]、HSV-1[110]、SARS-CoV[111]、SARS-CoV-2[112-114]を含む複数のウイルス感染を抑制することが既に知られている。

トレハロース

トレハロースは，トレマロースやミ経過としても知られており，2分子のd-グルコースから組み立てられた安定な二糖である[115]。植物，菌類，バクテリア，無脊椎動物の中には，トレハロースを産生し，エネルギー源として，また凍結や水の不足に耐えるために利用できるものがある[116-118]。トレハロースには，抗酸化作用[119]や神経保護作用[119-122]があり，エンドリソーム分解経路を誘導することで，HIV-1と結核菌（Mtb）の共感染を抑制することが示されている[123]。さらに，トレハロースはmTOR非依存性のオートファジーを誘導し，異なる細胞種におけるサイトメガロウイルスの感染を抑制した[124]。

バイカリン

バイカリンは，Scutellaria baicalensisおよびScutellaria lateriflora[125]の成分であり，アミロイドβタンパク質，過酸化水素[H2O2]，中大脳動脈閉塞，および酸素/グルコース遮断による神経毒性を防御することができる[126-131]。バイカリンは，高脂肪食によって誘発されるエンドリソソームの脱酸を抑制することから，これらの保護作用の少なくとも一部は，バイカリンのエンドリソソームに対する作用を介していると考えられる[132]。また，バイカリンは，mTORシグナル伝達経路をダウンレギュレートすることで，癌細胞のアポトーシスを誘導することができる[133-135]。バイカリンの抗インフルエンザ効果[136]は，SARS-CoV-2の3CLプロテアーゼ酵素を標的とすることで，SARS-CoV-2に対して使用できる可能性を示唆している[137]．

クルクミン

ターメリックは、多くの薬効成分を持つと言われている香辛料で[138]、クルクミンを豊富に含んでいる[139,140]。クルクミン（1,7-ビス（4-ヒドロキシ-3-メトキシフェニル）-1,6-ヘプタジエン-3,5-ジオン）は、ジフェルロイルメタンとしても知られており、ウコン（Curcuma longa）の根茎に含まれる天然ポリフェノールです[140,141]。クルクミンには、抗酸化作用と抗炎症作用があり、関節炎、細菌感染、メタボリックシンドローム、不安神経症、高脂血症などに対して使用されている[142-147]。クルクミンは，単純ヘルペスウイルス-2（HSV-2）[148]，HIV-1，ジカウイルス[149]，インフルエンザウイルス[149]，肝炎ウイルス[150]，ヒトパピローマウイルス（HPV）[151]など，広範囲のウイルスに対して抗ウイルス作用を示する。さらに，クルクミンは，リソソームの酸性化を促進し，mTORセンサーを抑制することで，エンドリソソームの機能を高める[152-154]。

ケルセチン

ケルセチンは，タマネギ，赤ワイン，ベリー類，緑茶，リンゴ，イチョウ葉，ソバなど，多くの植物や食品に含まれるフラボノイドである[155]。ケルセチンは，抗炎症作用，脂質過酸化の抑制，血小板凝集の抑制[156-159]，オートファジーフラックスとリソソーム活性の増強による癌細胞の細胞死誘導[160]，PI3K/Akt/mTORシグナル伝達経路の抑制[161-163]など，幅広い生物活性を有する。ケルセチンは幅広い抗ウイルス特性を示し、ウイルスの侵入、複製、およびアセンブリを妨害する[164-167]。ケルセチンはSARS-CoV-2の感染を抑制することができるが、COVID-19に対してはまだテストされていない[168]。

クマリン

クマリンは、ベンゼン環とα-ピロン環が融合したフェノール性物質である[169,170]。クマリンはトンカ豆（D. odorata）やCinnamomum aromaticumに含まれており、様々な植物からも単離されている[171]。クマリンは、抗酸化作用、抗菌作用、抗真菌作用、抗ウイルス作用、抗がん作用を有する[172,175]。フェニルスルフォニルフロキサンとクマリンのハイブリッドは，カスパーゼ依存性の細胞死，オートファジーを誘導し，PI3K/Akt/mTORシグナル経路を抑制して，癌細胞を死滅させた[176-178]。したがって，クマリンはSARS-CoV-2のプロテアーゼ酵素を阻害することでCOVID-19を防御する可能性が示唆されている[179,180]．

エピガロカテキン3-ガレート(EGCG)

EGCGは茶葉に含まれる成分です[181]。EGCGは抗酸化作用があり、転写因子STAT（signal transducer and activator of transcription 1/3）とNF-κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells）の下流の炎症性シグナル伝達経路をブロックすることで、自己免疫疾患やサイトカインストームを予防する可能性がある[187-190]。EGCGは、用量依存的にAMPK活性をアップレギュレートし、肝細胞におけるmTORシグナルを抑制する[191]。コンピュータを使った研究では、EGCGはATP競合型のAkt/mTORの阻害剤であり、AMPKの活性化によってオートファジーを促進することが示されている[192-194]。さらに、EGCGは、Akt/mTORシグナル経路の抑制を介してオートファジーを誘導することで、がん細胞に対するクルクミンの効果を相乗的に高めた[195]。

ナリンゲニン

ナリンゲニンは無味のフラバノンで，グレープフルーツ，柑橘類，トマトなど様々なハーブや果物に多く含まれるフラバノンです[196-198]。ナリンゲニンは、肝保護作用、抗炎症作用、抗変異原性、抗癌作用、抗菌作用[199-204]を有し、神経疾患、代謝性疾患、リウマチ性疾患、心血管疾患を抑制する可能性がある[205-207]。さらに、ナリンゲニンは、エンドリソソームの2孔チャネル（TPC）[208-210]、SARS-CoV-2やエボラウイルスの感染[211-213]、およびHIV-1タンパク質Tatのエンドリソソームからの脱出能力に関与するチャネルの阻害剤でもある[214]。ナリンゲニンは、オートファジーを促進し、Akt/mTORシグナル伝達経路をダウンレギュレートすることで、がん細胞死を誘導することができる[215-219]。これらの知見は、COVID-19に対してナリンゲニンがTPCとAkt/mTORシグナル伝達経路を標的として使用できる可能性を示唆している[220-222]。

結論

COVID-19のパンデミックは、社会的、行動的、経済的、健康的に壊滅的な影響を及ぼす世界的な災害である。エンドリソソームはSARS-CoV-2の感染を制御する上で重要な役割を果たしており、COVID-19に対する治療の標的になるかもしれない。

COVID-19に関連して、エンドリソソームは自然免疫反応や抗原提示の重要な調節因子であり、植物化学物質は抗炎症、抗酸化、抗ウイルスの特性を持つと言われている。これらの特性は、エンドリソソームの酸性化を促進し、オートファジーを増加させ、mTORシグナル伝達経路を阻害することによって、少なくとも部分的にはSARS-CoV-2の複製と感染を阻止する保護的役割を果たしているかもしれない。いくつかの天然化合物がヒトのSARS-CoV-2感染を抑制することが期待されているが、これらの化合物は高濃度・高用量では毒性を示す可能性がある[223-229]。したがって、フィトケミカルがSARS-CoV-2感染に対して治療効果をもたらし、COVID-19の臨床経過をポジティブに変化させることができるという確信を持つためには、さらに多くの研究が必要であると考えられる。

図1

SARS-CoV-2は、まずACE2と相互作用し、TMPRSS2によるプライミングを受けた後、エンドサイトーシスによって細胞内に侵入する。侵入の過程で、ウイルスはエンドリソソームから脱出し、複製部位にゲノム物質を送り込む。ウイルスは、細胞質内の二重膜オートファゴソーム様小胞（DMV）で複製し、mTORセンサーを誘導して細胞内シグナル伝達経路を利用する。天然化合物（フィトケミカル;PC）は、mTORセンサーに作用してエンドリソームやオートファジーの分解経路を増強し、サイトカインストームを抑制し、DMVsの形成やウイルスの複製を減少させることで、SARS-CoV-2やCOVID-19の発症を抑制する可能性がある。(Severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2), アンジオテンシン変換酵素2 (ACE2), 膜貫通型プロテアーゼ、セリン2 (TMPRSS2), 二重膜様小胞 (DMVs), サイトカインストーム (CS), mammalian target of rapamycin (mTOR)).

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表1:SARS-CoV-2感染およびCOVID-19発症に対する天然化合物の可能性（エビデンスに基づくスコアリング;++（高い信頼性)++（中程度の信頼性）

化合物	mTORの非アクティブ化	エンドリソソームとオートファジー	抗炎症薬	抗SARS-CoV-2活動[参考文献]	スコアリング
スペルミジンとスペルミン	負にレギュレートmTORシグナル伝達経路[ 15、78、79 ]	オートファジーインデューサー[ 15 ]	潜在的な抗炎症[ 74、75 ]	SKP2調節によるSARS-CoV-2感染を制限する（invitro）[ 15 ]	++
レスベラトロール	負のmTORシグナル経路の調節[ 85 – 88 ]	オートファジー誘導因子[ 86、230、231 ]	潜在的な抗炎症[ 232 ]	invitroでのMERS-CoV阻害[ 49 ]	+++
				SARS-CoVの-2阻害試験管内試験での[ 93、94 ]
				臨床試験の提案（NCT04542993）
植物エストロゲン	負のmTORシグナル伝達経路調節[ 104 – 106 ]	オートファジー誘導因子[ 103、104 ]	潜在的な抗炎症[ 97、98、100、233 ]	生体内試験でSARS-CoVを制限する[ 111 ]	+++
				COVID-19の抑制因子として示唆[ 112、114、224、234 – 236 ]
				エストロゲン療法（NCT04539626）
トレハロース	mTORへの影響なし[ 124 ]	誘導TFEB活性化によるオートファジーおよびリソソーム生合成[ 120、122 ]	潜在的な抗炎症[ 237 ]	COVID-19に対する潜在的な標的[ 238 ]	++
		結核菌感染を保護するために、ムコリピン-1（TRPML1）の活性化によってリソソームの酸性化とオートファジーを誘発する[ 123 ]。
バイカリン	負のmTORシグナル伝達経路調節[ 133 – 135 ]	オートファジーインデューサー[ 133 ]	潜在的な抗炎症[ 239 – 241 ]	試験管内試験での生体内試験で抑制するCOVID-19感染症態、[ 137、242 – 244 ]	+++
		v-ATPaseポンプの組み立てを促進することによりリソソームの酸性化を誘導する[ 132 ]。
				臨床試験の提案（NCT03830684）
クルクミン	負のmTORシグナル伝達経路調節[ 152 – 154 ]	オートファジー誘導因子[ 59、60 ]	潜在的な抗炎症性[ 142、143、245 ]	COVID-19に対する提案 [ 245 – 248 ]	+++
				COVID-19に対する臨床試験の提案（NCT04353310）
ケルセチン	負のmTORシグナル伝達経路を調節する[ 161、162 ]	オートファジー誘導因子[ 160、161 ]	潜在的な抗炎症性[ 156、249 ]	COVID-19に対する潜在的な標的[ 168、250 – 253 ]	+++
				COVID-19に対する臨床試験の提案（NCT04377789）
クマリン	mTORシグナル伝達経路を負に調節する[ 177 ]	オートファジー誘導[ 176、178 ]	潜在的な抗炎症[ 254 ]	（COVID-19に対する潜在的なターゲットin silico）179、180 ]	++
エピガロキャット-エチン3-ガロン-後期[EGCG]	負のmTORシグナル経路を調節[ 192、194、195 ]	オートファジー誘導[ 194、255 ]	潜在的な抗炎症[ 183、185、187、189 ]	電位COVID-19に対する標的とprevifenon（として提案NCT04446065）[ 186、256個の– 258 ]	+++
ナリンゲニン	mTORシグナル伝達経路を負に調節する[ 217 ]	オートファジー誘導因子[ 217、219、259 ]	潜在的な抗炎症性[ 200、261、262 ]	試験管内試験で抑制するSARS-CoVの-2感染[ 221、222、263 ]	+++
		2つの細孔チャネル（TPC）のブロッカー。TPCは、SARS-CoV-2の細胞への侵入に深く関与している[ 260 ]。