SARS-CoV-2感染症:フェロプトーシスは多臓器感染の潜在的な治療標的になり得るか?

サイトのご利用には利用規約への同意が必要です

コロナウイルス COVID-19 メカニズム SARS-CoV2 治療標的・分子経路 コロナウイルス予防と治療

SARS-CoV-2 infection: can ferroptosis be a potential treatment target for multiple organ involvement?

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7687212/

オンラインで公開2020年11月25日

要旨

2019年の新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)の発生以来、本疾患の基本的なメカニズムや臨床的特徴をよりよく理解するために多くの研究が行われてきた。しかし、多臓器関与の基礎的なメカニズムについては不確実性が残っている。

重症コロナウイルス疾患2019(COVID-19)患者のかなりの割合は、リンパ球減少症、低血清鉄値、および多臓器関与を有する。疾患の異なる病期に対していくつかの治療薬が使用されてきたが、重症化した疾患に対する治療はまだ最適ではない。COVID-19におけるプログラムされた細胞死のメカニズムを理解することは、これらの患者に対するより良い治療戦略につながる可能性がある。

本研究では、COVID-19の基礎科学的研究と臨床研究の観察に基づき、COVID-19の多臓器関与の重要な原因であるフェロプトーシスが、新たな治療標的となる可能性があると考えている。SARS-CoV-2感染症におけるフェロプトーシスの関与についての知見はあるものの、SARS-CoV-2感染症におけるフェロプトーシスの作用を明らかにした研究はまだ報告されていない。SARS-CoV-2感染症におけるフェロプトーシスの役割を明らかにすることは、COVID-19の新しい治療法を開発するために不可欠である。

細胞内鉄欠乏症や新世代のフェロプトーシス阻害剤がCOVID-19の薬剤候補になる可能性がある。この仮説により、試験管内試験および生体内試験でのフェロプトーシスとSARS-CoV-2感染との関連性を明らかにするための研究の新たな波が立ち上がることを期待している。

研究テーマ :微生物学、細胞死

COVID-19のスナップショット

2020年1月以降、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)の特徴が世界的に臨床研究で報告されている。新型コロナウイルス感染症の一般的な症状は、発熱、倦怠感、乾いた咳である。患者さんの中には軽度の症状がある方や無症状の方もいる。しかし、急性呼吸窮迫症候群、敗血症性ショック、著しい代謝性アシドーシス、凝固障害などの重篤な症状が現れることがある。大多数の患者さんの予後は良好であるが、約20%の患者さんは重症化して死亡の危険性が高くなる。

軽症の患者さんの多くは、軽度の機能障害が残っているか、残っていない1-3。しかし、重症患者や重症患者では、胸部CT検査で明らかになった肺線維症のために、持続的な息切れがあり、身体活動が制限されることがある2-4。

アンジオテンシン変換酵素2は多臓器に広く発現しており、SARS-CoV-2の表面にあるspikeRB受容体結合ドメインの重要な受容体として気道への侵入の役割を果たしている5,6。いくつかの病態生理学的メカニズムが提案されている。これらには、(i)ウイルスによる直接的な細胞損傷、(ii)レニン-アンジオテンシン-アルドステロン系の調節障害、(iii)内皮層の細胞損傷と血栓性炎症、免疫応答と炎症性サイトカインストームのアンバランスが含まれ、多臓器不全(MOF)症候群を引き起こす7。

COVID-19と多臓器関与

多くの研究で、コロナウイルス疾患2019(COVID-19)患者における特徴的な多臓器関与が報告されている2,8-11。

最も一般的な死因である呼吸不全でも、肺には特徴的な組織学的特徴がある。剖検時の7つの肺の研究では、Ackermannら12 12)は、インフルエンザA(H1N1)患者の肺にも見られるびまん性肺胞損傷と血管周囲リンパ球浸潤以外に、COVID-19患者には以下の3つの血管中心的特徴があることを発見した:細胞内SARS-CoV-2ウイルスによる重度の内皮損傷と内皮細胞膜の破壊;血管血栓症を伴う広範な微小血管症;および内包性血管新生による新しい血管の成長である。侵襲性血管新生は、COVID-19患者における内皮炎および血栓症の程度の高さと関連している可能性がある。

急性心筋梗塞(41例中12%)や不整脈(集中治療室(ICU)への入院を必要とする36例中44.4%)が報告されている8,10。急性腎障害も発生しており、これはウイルスの直接的な影響、低酸素症、ショックに関連している可能性がある10。血清アラニンアミノトランスフェラーゼとアスパラギン酸アミノトランスフェラーゼの上昇を伴う肝機能障害は、患者の16~53%で報告されている8,11。しかし、ほとんどの患者で血清アルカリホスファターゼは正常である。肝機能異常は、基礎となる慢性肝疾患(B型肝炎、C型肝炎、ステア ト肝炎を含む)敗血症に関連した炎症性変化、または薬剤の肝毒性によるものではないかと推測されている13。

COVID-19患者における血栓症リスクのレビューでは、静脈血栓塞栓症は20%、脳卒中は3%の患者で発生していた14。COVID-19患者における播種性血管内血栓症は凝固障害とは別個のものである可能性が示唆されている。肺塞栓症を含む静脈血栓塞栓症の割合は、ICUへの入院を必要とする重症患者でははるかに高い。また、脳卒中や急性冠症候群・心筋梗塞を引き起こす動脈血栓症も重症患者を中心に発生している15。

SARS-CoV-2による多臓器障害は予後不良のリスクを高めるため、MOFの発生を減少させるためには、障害に寄与する重要なメカニズムを理解する必要がある。

プログラムされた細胞死の新たな形態としてのフェロプトーシス

「フェロプトーシス」という用語は 2012年に初めて提唱された16。アポトーシスとは異なり、新たに発見されたプログラムされた細胞死であり、主に細胞内に脂質活性酸素(ROS)が蓄積し、致命的な脂質過酸化を引き起こす17。鉄イオン過負荷が脂質活性酸素の蓄積につながる主な要因であることから、鉄死(iron death)と名付けられている。

フェロプトーシスは、現在までに正準型と非正準型に分類されている。正準型フェロプトーシスは、過剰な脂質過酸化と細胞死18につながる、グルタチオンペルオキシダーゼ(GPX4)の防御の障害で開始される。GPX4の不活性化とグルタチオン(GSH)の枯渇は、正準性フェロプトーシスの誘導に中心的な役割を果たしている18,19。鉄(II)はフェントン反応(過酸化水素、鉄と脂質)で脂質を酸化し、それによって脂質活性酸素を発生させ、細胞膜損傷を引き起こすフェロプトーシスの特徴である17-19。GPX4はGSHを消費することで脂質活性酸素を消去し、脂質過酸化やフェロプトーシスから細胞膜を保護する18。さらに、シスチン/グルタミン酸トランスポーター(xCT)は、GPX4が正常に機能するためにGSHを産生するためにシスチンを供給する役割を担っている。鉄は細胞内で重要な金属である。しかし、人間の体内には鉄を排泄する効率的なメカニズムがなく、その結果、鉄のホメオスタシスはストレスに対して脆弱になっている。

2018,Hassannia et al 20は、非カノニカルフェロプトーシス誘導の概念を紹介した。彼らは、ヘムオキシゲナーゼ-1の過剰な活性化を伴う細胞内ラビリル鉄(II)プールの鉄過負荷誘発性増加が、非カノニカルフェロプトーシスを誘導するのに十分であることを実証した20。一般的に、フェロプトーシスは以下の4つの重要な因子によって決定される。

  • (i)細胞内の鉄過負荷
  • (ii)GPX4およびxCTの発現低下
  • (iii)アシル-CoA合成酵素長鎖ファミリーメンバー4(ACSL4)およびリゾホスファチジルコリンアシルトランスフェラーゼ-3の活性化
  • (iv)脂質過酸化の最終的な増加 

である。

脂質過酸化には、酵素型(酵素的酸素化型)と非酵素型(自由ラジカル連鎖反応型)がある。リポキシゲナーゼ(LOX)非ヘム鉄ジオキシゲナーゼなどの酵素は、強直性細胞死21,22を誘発する過酸化を決定する。非酵素型は、炭素と酸素中心のラジカル23によって駆動される。強直症は、非酵素性脂質過酸化24である鉄依存性のフリーラジカル機構を介して誘導される可能性がある。両方のタイプは、GSH/GPX4軸25によってクエンチされ、そのようなフェロプトーシス26の検出マーカーとして提供する4-ヒドロキシノネナール(4-HNE)とマロンジアルデヒドなどの脂質過酸化物分解生成物を生成する。

フェロプトーシスの実行は、リン脂質種の過酸化である。最近では、LOXが直接アラキドノイル(AA)とアドレノイル(AdA)ホスファチジルエタノールアミン(PE)を酸化し、それによってフェロプトーシスを誘発する可能性があることが示されている21。AAとAdAのPEへの変換は、このプロセスにおいてACSL4に依存している。ACSL4はコエンザイムAを長鎖多価不飽和脂肪酸にリガートし、細胞膜中のリゾリン脂質をエステル化して脂質過酸化とフェロプトーシス21,27を受ける。別にこれらの方法から、脂質過酸化物の分解はまた、フェロプトーシス28を実行すると考えられている4-HNEを生成する。

これまでのところ、生体内での研究では、自然免疫を高めることとは別に、フェロプトーシスの免疫原性効果が取り上げられている20。フェロプトーシスを阻害することで、抗炎症メカニズム29によって特定の疾患を予防することができる。フェロプトーシスは、心臓、肝臓、腸、肺、腎臓、神経系を含む多系統の疾患において重要な病原性の役割を果たしていることが示されている18。それは、宿主の様々な器官への損傷を引き起こす結核菌感染の主要なメカニズムであることが証明されている30。T細胞の脂質過酸化はフェロプトーシスを引き起こし、それによって免疫系31の感染を防ぐ病原体の増殖には鉄が不可欠である。鉄過負荷は、B型肝炎32,C型肝炎33,34,HIV-135,ヒトサイトメガロウイルス感染症36などの各種ウイルスの発症に寄与する重要なメカニズムである。感染細胞内の鉄レベルを低下させることで、これらのウイルスの増殖やウイルスによって誘導される疾患の発症を効果的に抑制することができる37,38。これらの研究は、ウイルスによる鉄代謝の直接的な操作と、ウイルスによって引き起こされる鉄の恒常性の不均衡の結果を示唆している。フェロプトーシスの結果は細胞死であることから、COVID-19患者の多臓器関与と不全の臨床的特徴を説明できるかもしれない。

また、がん細胞におけるフェロプトーシスの誘導は、がん細胞の死を促進する可能性がある。この発見は、抗がん剤、特に薬剤耐性のがん細胞に対する抗がん剤開発に新しいアイデアをもたらし、がんのフェロプトーシスを誘導するための代替的な選択肢を提供している39,40。

鉄の蓄積は感染した細胞で起こり、鉄欠乏は病原体38,おそらくコロナウイルス37,41の生存を低下させる。このことは、COVID-19のより効果的な治療法の選択肢につながるかもしれない。

COVID-19とフェロプトーシスとの関連に関する仮説

鉄はCOVID-19の発症に重要な役割を果たすと考えられている42。患者由来のSARS-CoV2(SZ005)をアフリカ緑猿腎(Vero)細胞に感染させた基礎研究では、GPX4の発現がmRNAレベルで有意に低下していることが明らかになり、SARS-CoV-2とフェロプトーシスとの関連性が示唆された43。GPX4が発現していないため、GSHを過酸化してフェントン反応で発生する脂質ROSを減少させることができない。その結果、脂質ROSが蓄積すると脂質過酸化やフェロプトーシスを引き起こすことになる。臨床研究では、基礎となる腎臓病の既往歴のない重度のCOVID-19の患者では、腎臓の機能不全や障害を発症する可能性があることが示されている44-46。したがって、フェロプトーシスがCOVID-19の腎症状に寄与している可能性がある鉄の蓄積には時間がかかり、これがCOVID-19誘発の損傷が通常10-14日で現れる理由であろう。

COVID-19患者では鉄代謝が異常である47,48。ある臨床研究49では、COVID-19と診断された50人の患者を登録し、血清鉄濃度を調べた。その結果、90%の患者で血清鉄値が低いことがわかった。血清鉄値は感染症の重症度と負の関係にあった。このことは、治療前の血清鉄値と治療後の鉄値を比較することでさらに確認され、後者の方が相対的に高い値を示した。別の研究47では222人の患者を対象としたが、そのうち88.2%が機能的な血清鉄欠乏症を伴っていたことから、COVID-19患者では貧血が蔓延していることが示唆されている。トランスフェリンは鉄のキャリアであり、鉄を膜を介して輸送し、細胞質に到達する18。本研究では、血清鉄濃度、トランスフェリンともに貧血患者で有意に低かった。

腸からの吸収と赤血球の分解によりFe2+が生成され、このFe2+はセルロプラスミン48を介してFe3+に酸化される。生成されたFe3+はさらに膜トランスフェリンと結合して細胞内に入ることができる18,48。鉄過負荷はフェロプトーシスの主な原因である16。ウイルスの複製は、ヒト免疫不全ウイルス、サイトメガリックウイルス、ワクシニアウイルス、単純ヘルペスウイルス1,B型肝炎ウイルス38のように、原料となる鉄を必要とする。そのため、より多くの鉄が細胞内に移行し、フェントン反応を誘発し、GPX4の減少した量では除去できない過剰な脂質活性酸素を発生させることになると考えられる。その結果、COVID-19患者では、鉄のホメオスタシスの調節異常により、強直症が起こる可能性がある。

鉄はトランスフェリン受容体48を介して細胞内に入り、様々な微生物が細胞内に入るための理想的な入り口としても機能している50。ある研究では、トランスフェリンの発現は年齢に関連しており、男性は女性に比べて有意に高いレベルの発現を示した51。これはCOVID-19の重症度と関連しており、男性と高齢者の死亡率は女性と若年者の死亡率よりも高かった1。最近の臨床研究では、重症COVID-19患者では軽症患者に比べて血清フェリチン値が有意に高く、高フェリチン血症が認められた52,53。高フェリチン血症とは、過剰なフェリチンが体内に蓄積した状態であるSARS-CoV-2に感染すると、サイトカインストーム中のインターロイキン-6がフェリチンを増加させ、鉄の調節に重要な役割を果たすヘプシジンを産生する。腸球やマクロファージで鉄がヘプシジンによって隔離されると、細胞内のフェリチンが増加し、細胞からの鉄の排出量が減少する54。したがって、COVID-19患者の高フェリチン血症は、細胞死と組織損傷によって細胞内フェリチンが放出されることによって引き起こされる可能性が高い42,55。血清鉄値が高い場合には、病期によっては低鉄値が続くこともある。しかし、ヘプシジンの動的変動については、さらなる研究が必要である。

最近の研究では、乏しい鉄はオートファジーによるフェリチンの分解に由来することが示されており、これはフェリチノファジーと呼ばれている56,57。フェリチノファジーは、フェリチンをオートファゴソームに輸送する選択的キャリア受容体である核内受容体コアクチベーター4を必要とする56,58。フェリチノファジーは、フェリチン59やがん細胞におけるブロモドメイン蛋白質BRD4阻害剤(+)-JQの分解を介してフェロプトーシスを促進する60。また、細胞内フェリチンの蓄積は、フェリチノファジーの活性化を示唆している可能性がある61。しかし、SARS-CoV-2感染におけるフェリチノファジーの関与を確認するために、NCOA3ノックダウン/ノックアウトによりこの蓄積が増強されるかどうかを評価するために、さらなる研究を行う必要がある。

鉄が細胞内に入り込んで蓄積し、血清鉄濃度が低下する可能性がある。蓄積された鉄は、脂質の活性酸素を生産し、細胞内の不安定鉄(II)プールとフェントン反応の増加を誘発し、フェロプトーシス16につながる可能性がある。これは、重症で致死的なCOVID-19疾患のリスクと相関しており、女性よりも男性の方が高く、また年齢とともに増加する49。また、いくつかの証拠は、COVID-19患者の大部分で有意なリンパ球減少症が発生していることを明らかにしている2-4,49,62。最近、COVID-19患者(48歳、男性)の症例報告では、脂質過酸化物や酸化ホスファチジルコリンの反応性分解産物である4-HNEが心筋組織染色や急性腎損傷の近位尿細管で陽性であり、血中リンパ球が減少していることを示すフェロプトーシス徴候が報告されている63。また、SARS-CoV-2がフェロプトーシスのブレーキであるGPX4を抑制することも試験管内試験研究で示されている43。これらの研究は、SARS-CoV-2感染におけるフェロプトーシスの関与と多臓器障害への寄与の可能性を示している。それにもかかわらず、SARS-CoV-2感染細胞や臓器におけるフェロプトーシスの役割が、COVID-19の多臓器関与の治療の新たな希望となり得るかどうかは、まだ明らかにされていない(図1)。SARS-CoV-2感染におけるフェロプトーシスの関与に関する知見はあるものの、SARS-CoV-2感染におけるフェロプトーシスの作用を明らかにした研究はまだ報告されていない。SARS-CoV-2感染症におけるフェロプトーシスの役割を明らかにすることは,COVID-19の新たな治療法を開発するために不可欠である。

改良されたフェロスタチン-164,65やリプロキスタチン-166アナログのような新世代のフェロプトーシス阻害剤は、SARS-CoV-2感染におけるフェロプトーシスの役割を評価するためのツールとして役立つだけでなく、COVID-19の潜在的な薬剤候補となる可能性がある。

図1 SARS-CoV-2,多発性臓器不全とフェロプトーシスの引き金となる可能性

A SARS-CoV-2が多臓器不全(MOF)を引き起こす様子を模式的に示したもの。SARS-CoV-2は、肺胞、特にII型肺胞細胞(AT2)のAEC2受容体を認識する。この感染により免疫反応や炎症が誘発され、血気関門の損傷を引き起こす。この場合、SARS-CoV-2は、したがって、バリアを通過して毛細血管に到達し、血液循環内のさまざまな器官に位置するACE2を認識し続ける。その結果、ACE2を発現している臓器は、活性化された免疫系によって感染・損傷を受け、MOFを引き起こす可能性がある。

B  SARS-CoV-2がどのようにフェロプトーシスを誘発するかの仮説。潜伏期間後、侵入したSARS-CoV-2は多臓器に細胞障害を起こす。この感染により、Fe3+を含む多数のトランスフェリンがトランスフェリン受容体に認識され、細胞内に侵入する。そして、二価金属トランスポーター1(DMT1)がFe3+をFe2+に変換し、それに伴って細胞内に鉄が蓄積される。過酸化水素(H2O2)Fe2+、脂質が一緒になってフェントン反応を起こし、大量の脂質活性酸素(ROS)を発生させる。これは、グルタチオンペルオキシダーゼ4(GPX4)の助けを借りて、グルタチオン(GSH)によって除去することができる。しかし、鉄過負荷のために、広範なFention反応は、大量の脂質活性酸素を発生させ、細胞膜の損傷を引き起こすことになる。


おわりに

SARS-CoV-2の感染に対応して、COVID-19患者の多くの割合で鉄代謝機能障害が広く報告されており、これが鉄の蓄積と過負荷を引き起こし、多臓器の細胞にフェロプトーシスを誘発している可能性がある。我々は、フェロプトーシスがCOVID-19における多臓器関与の重要な原因であり、それが新たな治療ターゲットとして機能する可能性があるという仮説を立てた。

細胞内鉄欠乏症や新世代のフェロプトーシス阻害剤がCOVID-19の潜在的な薬剤候補になるかもしれない。この仮説が、試験管内試験および生体内試験でのフェロプトーシスとSARS-CoV-2感染との関連を明らかにするための研究の新しい波を立ち上げることを期待している。