ドコサヘキサエン酸の生理活性脂質メディエーターの潜在的な役割に焦点を当てた脳へのSARS-CoV-2の旅

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コロナウイルス予防と治療食事・栄養素(免疫)脂質脂質代謝
SARS-CoV-2 journey to the brain with a focus on potential role of docosahexaenoic acid bioactive lipid mediators

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7904461/

2021年2月25日

要旨

新型コロナウイルス感染症またはCOVID-19は、世界保健機関WHOによって報告された1,818,849人の死亡を含む82,579,768人の確定症例に今日まで感染している。COVID-19は、重症急性呼吸器症候群新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)を起源とし、一部の患者では神経症状に加えて呼吸困難を助長する。今回のレビューでは、COVID-19に関連する神経学的合併症に焦点を当てた。RNA-ウイルス、特にフラビウイルス科のウイルスが脳内でどのような経路をたどるのか、またBlood-Brain-Barrier BBBを通過するのかについて考察した。次に、SARS-CoV-2の中枢神経系における神経浸潤とBBB破壊のメカニズムと免疫原性を明らかにした。SARS-CoV-2は脂質二重膜に包まれたエンベロープ型ウイルスであり、脂質はウイルスの感染や複製に重要な役割を果たしていることから、コロナウイルスの複製に伴う脂質代謝のリモデリングを研究した。また、オメガ3系の多価不飽和脂肪酸であるドコサヘキサエン酸DHAの抗炎症作用や神経保護作用があることを明らかにした。これらのデータは、SARS-CoV-2の神経侵襲についての理解を深め、SARS-CoV-2の短期および長期的な神経症状の負担を軽減するための薬剤ターゲティングに役立つ可能性があると考えられる。

キーワード

コロナウイルス、COVID-19,SARS-CoV-2,血液脳関門、ドコサヘキサエン酸、生理活性脂質メディエーター

1. はじめに

コロナウイルス(CoVs)は,コロナウイルス科に属する,直径約60~140nmの26~32キロ塩基の正一本鎖リボ核酸(RNA)ウイルスである[1].4つのCoVs属が定義されている。これらの属は、α-コロナウイルス、β-コロナウイルス、γ-コロナウイルス、δ-コロナウイルスからなる[2]。ヒトの病気の原因となる7つのCoVが確認されている。そのうち、HCoV229E、NL63,OC43,HKU1は非重症急性呼吸器症候群(SARS)に類似したCoVとして認識され、中等度の疾患を引き起こすとされている。SARS-CoV-1,MERS、SARS-CoV-2は感染力が強く、死に至る可能性がある[3]。SARS-CoV-2が引き起こす新型コロナウイルス感染症(COVID-19)は 2019年12月からパンデミックとなり、数百万人が日まで感染した[4]。2020年12月には、英国で新しいCoVs変異体が同定され、VUI-202012/01(Variant Under Investigation)と呼ばれるようになった。VUI-202012/01は、17個の突然変異のセットによって特徴づけられる[5]。これらの変異のうち、ウイルスがヒトアンジオテンシン変換酵素ACE2受容体に結合するために使用するスパイクタンパク質SのN501Y変異は、ウイルスがヒトアンジオテンシン変換酵素ACE2受容体に結合するために使用するスパイクタンパク質SのN501Y変異である。スパイクタンパク質の変異は、集団間でのウイルス感染をより強力かつ迅速に引き起こす可能性がある。

COVID-19は3つのステージに従う[6]。ステージI(軽度)の初期感染は、接種時に起こり、発熱、乾いた咳などの軽度の症状と関連した潜伏期間からなる。ウイルスは宿主で、主に呼吸器系で複製する。ステージII(中等度)-低酸素を伴わない、または伴わない肺では、ウイルスは増殖し、肺の炎症は、全身の炎症のいくつかのマーカーを伴って最も一般的である。ウイルス性肺炎、咳、発熱、ときには低酸素症が観察される。ほとんどの患者はこの段階で入院が必要である。続いて、III期(重症)-全身性高炎症は、COVID-19患者の少数派で最も重症なステージである。この段階では、患者は肺外全身性高炎症症候群を有し、全身性炎症のマーカーが上昇する。重症患者では、IL-2,IL-6,IL-7,C-反応性タンパク質などのいくつかの炎症性サイトカインおよびバイオマーカーがかなり高い[6]。

SARSは主に急性呼吸器感染症として認識されているが、現在のデータでは感染者の36%が神経症状を持つことが推奨されている[7]。

SARS-CoV-2と患者の神経学的合併症との関係をよりよく理解するために、我々はRNAウイルスが血液脳関門BBBに対抗するために辿るさまざまな経路を研究した。次に、SARS-CoV-2の神経侵入機構を明らかにした。また、SARS-CoV-2の中枢神経系における免疫発生機構についても議論した。また、SARS-CoV-2感染時の脂質リモデリングは、ウイルス感染時に見られたものであることから、SARS-CoV-2感染時の脂質代謝リモデリングについて、ドコサヘキサエン酸DHAの抗炎症作用、神経保護作用、生理活性脂質メディエーターの生理活性を中心に検討した。最後に、いくつかのタンパク質トランスポーターの発現を変化させることにより、BBBを越えたDHAの通過に及ぼすSARS-CoV-2の影響について考察した。

2. SARS-CoV-2の構造

SARS-CoV-2の細胞宿主への結合をよりよく理解するために、我々は、このセクションでウイルスの’構造’を探索した。実際、SARS-CoV-2の遺伝子断片は構造タンパク質と非構造タンパク質を発現している。S, N, E, M 遺伝子は構造タンパク質をコードしているが、プロテアーゼ、NSP13 ヘリカーゼ、NSP12 ポリメラーゼなどの非構造タンパク質はオープンリーディングフレーム(Orfs)によってコードされている[8]。CoVsの王冠のような形は、膜貫通型糖タンパク質であるSタンパク質によるものであり、ACE2の宿主受容体との結合に重要な役割を果たしている[9]。ACE2は、2つの触媒ドメインを持つ805個のアミノ酸で構成され、X染色体Xp22.2に位置する遺伝子をコードしている[10]。ACE2は、脳、心臓、肺、腎臓、肝臓を含むいくつかの臓器で発現している[11]。各S糖タンパク質は、S1とS2という2つのサブユニットを含む。S1は宿主細胞との結合を担当し、S2はウイルスと宿主細胞を含む膜の結合を可能にする[8,12]。ウイルスエンベロープにおけるSタンパク質の活性化は、膜貫通型セリンプロテアーゼ2(TMPRSS2)によって誘導される。ヒト組織では、TMPRSS2は主に小腸、心臓、肺、肝臓で発現している。脳では、胎児期の脳で高発現しているのに対し、成人期の脳では発現量が少ない[13]。宿主細胞の表面上のTMPRSS2によるウイルスSタンパク質の直接タンパク質分解切断は、血漿膜とウイルス膜の融合を誘導する。このようにして、宿主の細胞質へのウイルス一本鎖RNAの放出につながる。

SARS-CoV-2のもう一つの構造タンパク質は、ウイルス感染の初期段階で検出されるヌクレオカプシドNタンパク質であり、ウイルスRNAと結合して核を形成し、ウイルスを増殖させる重要な役割を果たしている[14]。さらに、構造的にはCoVsエンベロープタンパク質やEタンパク質は、ウイルスの集合、ウイルスの放出に不可欠な疎水性の小さなタンパク質やビロポリンを形成し、病原性メカニズムに貢献している[15]。また、CoVs膜タンパク質Mはウイルス粒子の主要な糖タンパク質であり、シクロオキシゲナーゼCOX-2レベルを低下させることでウイルスの増殖に関与している[16,17]。非構造タンパク質に関しては、SARS-CoV-2は単一のパパイン様プロテアーゼPLproをコードしており、ウイルスの複製と宿主細胞の免疫系の阻害に重要な機能を持っている[18]。また、ウイルス複製に重要なタンパク質として、NSP13ヘリカーゼとNSP12ポリメラーゼがあり、それぞれヌクレオシド三リン酸分解酵素NTPase、RNAヘリカーゼ活性を持ち、開始期と伸長期に介入してRNA合成を行う [19,20]。これらのタンパク質はいずれも、ウイルス感染のいくつかの段階、すなわちウイルスの侵入からウイルスの複製、ウイルス小胞の発生に至るまでの基本的な役割を果たしている。

3. RNAウイルス、フラビウイルス科の血液-脳-バリアの完全性への影響

いくつかの血液を媒介とする急性ウイルスは、ヒトにおける神経侵襲性を明らかにしている。ウイルスは、血行性播種経路と神経逆行性播種の2つの異なる経路を介して中枢神経系に侵入することができる[21]。血行性播種では、ウイルスは血流を介して体内で膨張し、BBBを越えて脳に到達するが、神経逆行性ウイルス播種では、ウイルスが末梢神経細胞に感染した後、細胞輸送機械を介して中枢神経系にアクセスすることで起こる[21]。

BBBBの内皮単分子膜を横断するために、ウイルスは4つの異なる経路をたどることができる[22]。拡散機構または受動的攻撃機構では、ウイルスは内皮の完全性を変化させながら内皮単分子膜を介して拡散することができる。もう一つの経路は、単分子膜内皮が感染し、ウイルスがその反対側で発見される感染経路またはエネルギー経路である。さらに、生産性の高い感染経路やトロイの木馬経路では、エンドサイトーシス/エキソサイトーシス機構を介したトランスサイトーシスまたは通勤経路が文献[22]で提案されている。

ウイルス性脳炎として知られるこれらの脳内ウイルス感染症は、DNAウイルス、レトロウイルス、またはRNAウイルスによるものである[23]。ウイルス性脳炎は、脳実質へのウイルスの侵入だけでなく、炎症性細胞の侵入を可能にするBBBの破壊に関連することができる[24]。マウスアデノウイルス1型(MAV-1)ヒト免疫不全ウイルス1型(HIV-1)ウエストナイルウイルス(WNV)およびリンパ球性絨毛膜炎マウスウイルス(LCMV)の感染を含むいくつかの急性ウイルス感染症は、BBBまたは内皮接合部の破壊を引き起こすことが確認されている[24]。これらのウイルスはBBB伝染性を増加させることが報告されているが、BBB損傷のメカニズムはまだ解明されていない。

SARS-Cov-2はフラビウイルス科に属するRNAウイルスであるため,フラビウイルス科のウイルスがBBBに与える影響をよりよく理解するために,本節ではいくつかのウイルス(Zika Virus ZIKV,West Nile virus WNV)のBBBへの影響を検討した。フラビウイルス科の一本鎖RNAウイルスであるZIKVをヒト脳由来内皮細胞hCMEC/D3の試験管内試験モデルで試験したところ、ZIKVはBBBの破壊を伴わず、タイトジャンクションタンパク発現に影響を与えることなくhCMEC/D3細胞に感染することが示された。ZIKV感染時にBBBの破壊は検出されなかったが、ZIKV粒子はBBB基底側で検出され、その下の細胞に感染していた。これらの知見は、BBB内皮の完全性は維持されているものの、感染性ウイルス粒子はエンドサイトーシス/エキソサイトーシス依存性の複製経路または経細胞分裂によって内皮単分子膜を通過することができることを確認したPapa et al 2017年に示されたのと同じ結果を裏付けるものである[26]。

ZIKVはBBBを損傷することができないという仮説を確認した研究者もいたが[24,25]、3つの異なるZIKV株(ZIKV-H; ZIKV-PR; ZIKV-U)の試験管内試験および生体内試験研究を用いて、ZIKVによるBBBの選択的破壊を示した研究者もいた[27]。試験管内試験では、ヒト初代脳微小血管内皮細胞BMECをZIKVに感染させ、タイトジャンクションの解析により、いくつかのジャンクションはZO-1のようにアップレギュレートされ、他のジャンクションはダウンレギュレートされていることが示された(OccludinとClaudin-5)。試験管内試験では、高ウイルス負荷でもBBB伝染性は影響を受けなかったが、生体内試験での研究では、ZIKV-Hに感染したC57 BL/JマウスでBBB完全性の著しい破壊が示された。

もう一つのFlaviviviridae、West Nile virus WNVは、RNAウイルスの神経侵入とBBBの破壊のより良い理解のために検討され、いくつかの研究の間で議論の余地のある結果が得られた[[28], [29], [30]]。WNVに感染した内皮細胞HUVECsでは、タイトジャンクションのクラウディン-1とJAM-1タンパク質は失われたが、オクルーディンやZO-1は失われなかった[28]。その後、GTPase dynaminに依存したリソソソームタンパクの分解や微小管輸送が観察された。これらの結果から、WNVはいくつかの経路を用いてBBBを横断していることが示唆された。その中には、タイトジャンクションの膜貫通タンパク質のエンドサイトーシスと分解、マトリックスメタロプロテアーゼの産生による基底膜の分解、タイトジャンクションを破壊する炎症性サイトカインの分泌を促す細胞(免疫系、内皮系)の刺激などが含まれてた。さらに、試験管内試験では、WNV(NY99)株は、一次感染したHBMECで形成された内皮バリアを、その完全性を破壊することなく横断することができた[28]。WNVの複製の間、接着分子VCAM1とE-selectinはアップレギュレートされており、内皮細胞の「感染は白血球の移動を助ける可能性があり、これは、細胞関連ウイルス輸送としても知られる「トロイの木馬のメカニズム」を介して脳へのウイルスの浸透にリンクすることができることを示唆している[22]。アストロサイトにおけるI型インターフェロンIFNARシグナル伝達もまた、BBBの完全性維持に重要であることが報告されている[30,31]。Daniels et al 2014,試験管内試験では、WNVに感染したマウス内皮BMECにタイプIFNを添加すると、タイトジャンクションの変化なしにBBB完全性が維持され、内皮層を通るウイルスの通過が減少することが示された。アストロサイトにおけるIFNARシグナル伝達がWNVに応答して試験管内試験のBBB完全性を改善するという彼らの結果を確認するために、生体内試験実験をIfnarfl/fl Gfap-Creマウスを用いて行った。WNV感染マウスでは,アストロサイトにおけるIFNARを選択的に減少させると,BBB伝染性の増加,ウイルスの神経侵入,死亡率の上昇が観察された。

フラビウイルスがBBBを破壊するためにウイルスが辿る経路を完全に理解することは、特殊な分子標的の同定に役立ち、フラビウイルスの神経症状に対する薬剤の進歩を可能にすると考えられる。また、これらのメカニズムは、新規フラビウイルス科SARS-CoV-2がBBBに対抗する方法を予測するのに役立つ。

4. SARS-CoV-2が神経侵入とBBB破壊に利用する経路

COVID-19は、頭痛、吐き気、嘔吐、および脳卒中、ギランバレー症候群、および脳症などの障害を含む重度の神経学的症状を引き起こす可能性がある[32,33]。いくつかの報告では、SARS-CoV-2と神経学的合併症との関係を特徴づけ、明らかにしようとしている。

臨床データが乏しいため、神経学的症状を示す人とそうでない人がいる理由を理解することは困難である。SARS-CoV-2の検出、ウイルス負荷、神経感染症との相関関係は完全には解明されていないが、これは重症化した場合のウイルス負荷によるものかもしれない。SARS-CoV-2の脳内感染性を説明するためには、さらなる研究が必要である。

研究者らは、SARS-CoV-2の神経侵入は以下の3つの主要な段階を経て起こると報告している[34]。中枢神経系へのウイルスの侵入は第一段階である。この段階は、SARS-CoV-2がSpike1タンパク質サブユニットを介してACE-2を介して神経細胞に感染し、複製し、殺す神経感染段階に続く。最後の段階は、ウイルスと戦うための免疫介在性の中枢神経系応答である[36]。

SARS-CoV-2の神経浸潤の第一段階に関連して、中枢神経系へのウイルスの浸潤は、末梢神経などの神経の “末端 “からウイルスが浸潤できる神経細胞の逆行性播種または軸索逆行性輸送、および神経細胞内での能動的輸送のメカニズムによって起こる [37]。この活性輸送は、運動タンパク質であるキネシンとダイニンを介して正確に発生し、微小管を介して逆行性のアプローチで移動し、中枢神経系に到達する[38]。これらのニューロンは、運動ニューロン、感覚ニューロン、そして最も多くの場合は嗅覚ニューロンである可能性がある。特に、経鼻感染後、ウイルスは嗅覚受容体ニューロンに感染し、嗅粘膜の神経上皮を通過して嗅球に到達し、僧帽細胞と嗅神経に到達した後、海馬やさまざまな脳構造に広がっていく。最近、SARS-CoV-2がこの嗅覚経路を介して中枢神経系に侵入することが示唆された[21]。

SARS-CoV-2の神経侵入とはかけ離れたもう一つの経路は、血管性または血行性の経路であり、ここではウイルスはBBBの内皮細胞に感染する前に一定期間遊離したままである。この期間だけでなく、ウイルスの量も日が経つまで決定されない。

SARS-CoV-2がBBBを通過することをよりよく理解するために、研究者らは、ウイルス結合タンパク質がBBBを通過する場合、これらのタンパク質がウイルスもBBBを通過することが期待されると考え、S1サブユニットがBBBを通過するかどうかを調べた。S1タンパク質がBBBを通過できるかどうかを調べるために、Rhea et al 2020,雄性マウスに放射性ヨウ素化S1(I-S1)を静脈内注射し、I-S1が吸着性のトランスサイトーシスを介してBBBを通過することを示した[39]。静脈注射の10分後に脳を採取し、嗅球、線条体、視床下部、海馬、視床、小脳、中脳、髄質、前頭皮質、頭頂皮質、後頭皮質の11領域に分けた。解析の結果、I-S1はすべての脳領域に、その間に違いなく到達していることが示された[39]。また、I-S1の経鼻投与は静脈注射の10倍低いレベルで脳に到達したことも報告されている。また、マウスACE2はI-S1の脳と肺への取り込みには特別に参加していたが、他の臓器(腎臓、肝臓、脾臓)への取り込みには参加していなかった。さらに、最近の研究では、SARS-CoV-2がACE2以外の様々な受容体に結合している可能性が示唆されている[40]。著者らは、SARS-CoV-2のスパイク蛋白質とSARS-CoVのスパイク蛋白質を比較したところ、SARS-CoV-2のS蛋白質とSARS-CoVは配列同一性が77%と極めて同一であることを示した。両ウイルスの違いは、SARS-CoV-2 Sタンパク質はSARS-CoV Sタンパク質よりもやや正電荷を帯びており、最初のものは正電荷を帯びた残基が4個多く、負電荷を帯びた残基が5個少ないことである。これらの正電荷により、SARS-CoV-2は他の分子の負電荷領域と結合している可能性がある。Sタンパク質の宿主ACE2受容体への結合を解析したところ、SARS-CoV-2はSARS-CoV Sタンパク質よりも30%高い結合エネルギーを示した。

SARS-CoV-2が中枢神経系に侵入することを示すもう一つの重要な兆候は、脳脊髄液(脳脊髄液)中でのウイルスの認識であろう。この問題に対処するために、Alexopoulos et al 2020)は、アテネの大学病院にICUで入院しているCOVID-19患者の脳症の病態生理学的メカニズムを調査し、脳脊髄液分析とBBBの破壊、および脳脊髄液中のCOVID-19抗体産生に着目した。ELISA法を用いて脳脊髄液抗SARS-CoV-2抗体を検出した。患者の50%は脳脊髄液抗体が高く、BBBが乱れている[33]。興味深いことに、脳脊髄液は正常でSARS-CoV-2陰性であった。これらの観察は、SARS-CoV-2による直接的な脳侵襲を除外し、神経学的問題を示す2人のCOVID-19患者の脳脊髄液中のSARS-CoV-2の状態を研究したAl Saeigh et al 2020の所見を確認した[41]。議論の的となったのは、SARS-CoV-2に関連した髄膜炎/脳炎を有する24歳男性の鼻咽頭スワブからはSARS-CoV-2 RNAが脳脊髄液中に検出されたが、鼻咽頭スワブからは検出されなかったということである[42]。

5. 中枢神経系における SARS-CoV-2 の免疫原性

正常な健康状態では、BBBは免疫細胞の中枢神経系への通過を制御し、中枢神経系の免疫モニタリングを維持する責任のある特定の免疫細胞の通過のみを許可する。これらの自然免疫細胞および適応免疫細胞には、リンパ球およびマクロファージが含まれる[43]。ウイルス感染時には、BBBの微小血管内皮細胞が活性化され、トロイの木馬のようなメカニズムで感染した免疫細胞の中枢神経系への侵入を可能にする [44]。

SARS-CoV-2の免疫病因は今日までよくわかっていないが、COVID-19患者では、サイトカインやケモカイン(TNF-α、IFN-γ、インターロイキン-1受容体拮抗薬IL-1RA、IL-2,IL-6,IL-7,IL-8,IL-9,IL-10を含む)の量が多く、ウイルスに対する炎症反応が改善されたことが実験的に明らかにされている[45,46]。多量のサイトカインおよびケモカインは中枢神経系の機能障害と関連していた。TNF-αの増加は認知障害と関連しており、4倍に増加している[47]一方、アルツハイマー病ではIFN-γがシナプス変性を誘導している[48]。

サイトカインストーム「CS」として知られるこの反応は、多数の白血球(B細胞、T細胞、NK細胞、マクロファージ、樹状細胞、好中球、単球)および組織細胞(上皮細胞および内皮細胞)の刺激によって生成される[49]。脳では、CSはBBB障害を引き起こす重要な因子と考えられる[34,50]。単球やリンパ球が血管壁に侵入し、神経炎症、神経変性、脱髄を引き起こす[50]。

その結果、SARS-CoV-2感染は、CS、自己免疫系の活性化を含む多様な免疫経路を介して、アルツハイマー病AD、パーキンソン病PDなどの神経変性疾患だけでなく、脳卒中、発作、脳症などの多くの神経疾患のリスクを高める可能性がある。実際、ADとSARS-CoV-2は、コレステロール輸送タンパク質であるアポリポタンパクE ApoEの役割を考慮して連動していることが研究で報告されている[51]。研究者らは、ApoEを用いて血液中の血清から細胞にコレステロールを添加することで、高齢者では偽型SARS-CoV-2の侵入やウイルスの感染性が改善されることを示した[48]。ApoE e4e4(ホモ接合体)遺伝子型は、e3e3遺伝子型と比較してADのリスクが14倍に上昇することと関連している[52]。ApoE e4e4対立遺伝子は重度のCOVID-19感染のリスクを増加させる[53]。さらに、SARS-CoV-2は脳脊髄液中のCS放出を介してPDの発症に寄与し、その結果、神経伝達物質の産生が障害され、神経変性プロセスを悪化させることが示唆された[54]。さらに、神経画像研究では、SARS-CoV-2患者の0.2-1%の有病率で虚血性および出血性脳卒中を発症していることが示されている[55,56]。これは、虚血性および出血性脳卒中のリスクを高めることが知られているプロ炎症性サイトカインIL1β、IL-6,およびTNF-αを多く含むCSが原因である可能性がある[57]。また、SARS-CoV-2患者では、炎症性サイトカインIL-1β、IL-6,TNF-αの異常放出による自己免疫介在性傷害の結果として、発作や脳症が観察されている[58]。

COVID-19患者の中枢神経系における推定される免疫学的経路を理解することは、神経学的問題、特にAD、PD、脳卒中、発作および脳症患者における神経学的問題の進行を防ぐために不可欠である。

6. コロナウイルス複製に伴う脂質代謝リモデリング

前述のように、SARS-CoV-2は、脂質(リン脂質、コレステロール)とタンパク質(E、M、S、Nタンパク質)の二重層に囲まれたエンベロープ型ウイルスである。リン脂質は、飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸を含む両性生体分子であり、重要な生物学的機能を担っている。感染すると、ウイルスは宿主細胞に侵入し、細胞内で複製し、細胞外に排出される。膜リン脂質は、これらの脂質が宿主細胞とウイルス膜の結合、ウイルスの複製、エンドサイトーシス、エキソサイトーシスに関与しているため、ウイルスのライフサイクルに不可欠である[59,60]。ウイルスのライフサイクルにおける脂質の重要性を考えると、脂質代謝を標的とすることでSARS-CoV-2と闘うことができるかどうかが重要な問題である。

いくつかの研究では,ウイルス感染後の細胞内脂質代謝の増加が報告されており,ウイルスが宿主細胞の脂質代謝を利用して増殖することが報告されている[61,62].リン脂質膜が陽性鎖RNAウイルスの複製に重要な役割を果たしていることが明らかにされている[61]。トマトブッシースタントウイルスTBSVの複製におけるホスファチジルエタノールアミンPEの重要な機能は、TBSVが酵母および植物細胞におけるウイルス複製の部位をPEで補うことができることを発見したXu et al 2015年によって強調された[63]。宿主リピドームの変化を特徴付けるために、Yan B et al 2019年は、エンテロウイルスA71 EV-A71およびコックスサッキーウイルスA16 CV-A16感染時に超高性能液体クロマトグラフィー-エレクトロスプレーイオン化-四重極時間飛行質量分析UPLC-ESI-Q-TOF-MSベースのリピドミクスを実行した。その結果、EV-A71とCV-A16感染後には、11種類の脂質クラスのうち47種類の脂質が大きく変化することが明らかになった。アラキドン酸AA、ドコサヘキサエン酸DHA、ドコサペンタエン酸DPA、エイコサペンタエン酸EPAは、EV-A71とCV-A16感染で常にアップレギュレーションされていた。AA、DHAとEPAの抗ウイルス活性をテストするときに、研究者は、これらの不飽和脂肪酸を外因的に供給する細胞培養物が有意にEV-A71とCV-A16の複製を阻害することを発見した[64]。これらの結果は、AA、DHA、EPAを含む過剰な外因性多価不飽和脂肪酸を添加すると、ウイルスの複製中に修飾された特定の脂質経路を混乱させる可能性があることを示唆している。同様に、外因性PUFA、リノレン酸LAおよびAAの阻害効果は、ヒト新型コロナウイルス29E HCoV-229Eの複製において観察された[64]。リピドミクス解析の結果、HCoV-229Eコロナウイルス感染細胞はグリセロリン脂質と脂肪酸のレベルが高く、LAとAAの代謝軸が摂動されていることが明らかになった。

これらのデータはすべて、コロナウイルス感染症の薬物標的となり得る脂質代謝調節の重要性を強調している。

7. ドコサヘキサエン酸と生理活性脂質メディエーターの抗炎症性および神経保護効果

ドコサヘキサエン酸DHAは、エンベロープされたウイルスを無効化し、微生物の増殖を抑制することが認識されていた[65]。また、DHAで前処理してZIKVに感染させたSH-SY5Y細胞では、感染の異なる時期にウイルス負荷が低下したことから、ZIKV感染に対する抗炎症作用や神経保護効果も示されている[66]。DHAに加えて、AA、EPAおよびDHAから誘導されるいくつかの生理活性脂質メディエーター(リポキシン、レゾルビン、プロテインおよびマレシン)は、炎症を抑制し、マクロファージの貪食を増加させ、微生物負荷を低下させることが認められた。

このことから、これらのPUFAおよびその代謝物は、内因性抗ウイルス物質として有用であり、PUFA/代謝物が不足している場合には、ヒトはSARS-CoV-2に対して脆弱であることが示唆されている[67](図1参照)。

図1SARS-CoV-2 の構造は、Spike S、膜糖タンパク質 M、エンベロープ E、ヌクレオカプシド N、および Spike S タンパク質を介して宿主細胞内の ACE2 レセプターに結合していることを示している

本節では、DHA の生理活性脂質メディエーターの産生をよりよく理解するために、DHA の生理活性脂質メディエーターの産生に関与する様々なメカニズムについて考察した(図2,図3)。実際、DHA は様々なリポキシゲナーゼ LOX [68]によって酸素化される。DHA のモノ、ジおよびトリヒドロキシ代謝物が知られている。DHAの主なモノ-ヒドロキシ代謝物は、12-LOX活性からの11-ヒドロキシ-DHAおよび14-ヒドロキシ-DHA、5-LOX活性からの4-ヒドロキシ-DHAおよび7-ヒドロキシ-DHA、および15-LOX活性からの17-ヒドロキシ-DHAである。これらの酵素反応は、グルタチオンペルオキシダーゼGPxペルオキシダーゼの存在を必要とする[69,70]。DHAのモノヒドロキシ誘導体は、外因性AA、アデノシン-5′-二リン酸(ADP)による血小板凝集を抑制する能力を有するか、またはコラーゲンによって誘導される[71]。最近の研究は、DHAが最初に17(S)-HpDoHEを形成し、17(S)-HpDoHEの酵素的エポキシ化が、10(R)17(S)-ジヒドロキシ-ドコサ4Z、7Z、11E、11E、13E、15Z、19Z-ヘキサエン酸またはプロテインD1(PD1)の合成をもたらすエポキシ中間体の形成を可能にするために、15-LOXによるリポキシ化を受けることを示した。プロテインD1(PD1)は、それがNPD1と命名されている細胞活性化単核細胞で、脳では、最初に実証された。NPD1は、組織におけるその保護および抗炎症効果のために「プロテイン」と呼ばれた[[72], [73], [74]。PD1/NPD1はアルツハイマー病の神経変性の原因となる神経細胞のアポトーシスを顕著に抑制した [75,76]。また、呼吸器系のアレルギー性炎症やそれに伴う喘息を減少させた [77]。脳卒中では、NPD1は脳内で増加し、脳損傷を減少させ、白血球浸潤を抑制するとともに、プロ炎症性遺伝子の発現を抑制した[78]。さらに、PDXはE/Z/E、PD1はE/E/Zという共役トリエン構造を持つPDXと呼ばれるPD1の異性体を同定した。PDXは、COX-1シクロオキシゲナーゼと作用トロンボキサンA2(TxA2)の阻害を介して血小板凝集を阻害した。この性質は、二重リポキシゲナーゼによって形成される共役トリエン(trans, cis, trans)の特殊な形状によるものである[79]。また、PDXは発火時に活性化されるCOX-1と同様にCOX-2の阻害剤であり、PDXは試験管内試験でヒト好中球が産生する種状酸素反応物の放出を減少させることが示された。PDXは抗炎症剤、抗凝集剤と考えられる。抗炎症作用および抗凝集作用に加えて、PDXはマウスにおけるウイルス複製を減少させた。その産生は、H5N1ウイルスの病原性と逆相関している[80]。もう一つのジヒドロキシ-DHA脂質メディエーターは、抗炎症作用と “プロレゾルビン “型保護作用を持つマレシンである[74]。マクロファージのファゴサイトーシスを刺激する強力なメディエーターである1-Maresin MaR1が最初に同定された。MaR1の別の異性体は、リポキシゲナーゼの二重機構によって形成され、試験管内試験および生体内試験ではそれほど強力ではない[81]。

図2 モノおよびジヒドロキシル化DHA誘導体のメカニズムを模式的に示す

図2

(a)12-LOX活性からの11-ヒドロキシ-DHAおよび14-ヒドロキシ-DHAの生成、5-LOX活性からの4-ヒドロキシ-DHAおよび7-ヒドロキシ-DHAの生成、(b)最初に17(S)-HpDoHEを形成するために15-LOXによるDHAリポキシゲン化を介したプロテインD1 PD1の生成、および17(S)-HpDoHEの酵素的エポキシ化は、10(R)の合成をもたらすエポキシ中間体の形成を可能にすること。17(S)-ジヒドロキシ-ドコサ4Z、7Z、11E、13E、15Z、19Z-ヘキサエン酸またはプロテインD1(PD1)(c)12-LOXによるDHAリポキシ化を介したMaresin1の生成、続いてエポキシダーゼによるエポキシ中間体13,14-エポキシHDoHEを生成して、Maresin1の形成をもたらす。

図3 15-リポキシゲナーゼからのDHAリポキシゲナーゼ化に続くエポキシ化によるリゾルビン(RvD1,RvD2,RvD3,RvD4)の模式図

図3

モノおよびジヒドロキシル化DHA誘導体に加えて、リゾルビンまたは「分解相相互作用生成物」(Rv)と名付けられたトリヒドロキシル化DHA脂質メディエーターがSerhan et al 2000)によって提案されている。リゾルビンは、炎症の間に誘発され、アスピリンによって促進されるプロセスを経て、n-3PUFAから形成されたが、アスピリンの非存在下でも形成された。EPAおよびDHAに由来する化合物は、それぞれレゾルビンEおよびレゾルビンDと呼ばれている。これらの化合物は、炎症部位への好中球の侵入を防ぎ、滲出液の量を減少させることによって作用する。RvD1,RvD2,RvD3,RvD4はマクロファージのオートファジーを活性化し、炎症性サイトカインを減少させ、PMNの浸潤を抑制することが報告されている(図3)[83], [84], [85], [86]。


最近、Recchiuti Aらは、DHA由来のRvD1およびRvD2が、炎症性ケモカインおよびサイトカインの減少を含む嚢胞性線維症マクロファージのMΦ作用において、SARS-CoV-2誘導炎症反応を減少させることを示した[87]。

我々は以前に、中枢神経系におけるSARS-CoV-2の免疫原性について議論し、COVID-19患者における多くの炎症性反応が、TNF-α、IFN-γ、インターロイキン-1受容体拮抗薬(IL-1RA)IL-2,IL-6,IL-7,IL-8,IL-9,IL-10を含む高レベルのサイトカインおよびケモカインを伴っていることを示した[45,46]。このように、DHAおよびレゾルビン、プロテインおよびマルシンなどの脂質生理活性種は、SARS-CoV-2と戦うための新しい治療薬として開発される可能性がある。

8. BBBを越えたDHAの通過に対するSARS-CoV-2の効果

脳の成長や神経の発達に欠かせないDHAは、ホスファチジルコリンPC、ホスファチジルエタノールアミンPE、ホスファチジルセリンPSなどの脳内リン脂質に多く含まれている。アルツハイマーやパーキンソンなどの神経変性疾患患者では、脳内のDHA濃度の低下が認められている。DHAはその前駆体であるα-リノレン酸18:3 n-3からde novoで合成されるが、ヒトではこの変換率が低い。したがって、DHAは脳に輸入され、BBBを通過する必要がある。我々は以前にBBBを介してDHAの通路を研究し、異なるリゾ/リン脂質は、脳へのDHAの特権的なキャリアであることを示した[[88], [89], [90]]。最近、ヒト脳微小血管内皮細胞hBMECで発現しているMfsd2aという輸送タンパク質が、リソPC-DHAの形でDHAの脳への取り込みを媒介する主要なキャリアであることが報告された[91]。hBMECをZIKVに感染させると、ZIKVは試験管内試験と生体内試験の両方でMfsd2aをタンパク質レベルで減少させることができた[92]。また、ZIKV感染はlysoPC-DHAの取り込みを阻害し、DHAが脳に入る主要なメカニズムを変化させることで、脂質の恒常性を損なうことがわかった。ZIKV SZ01に感染したマウスに外因性DHAを投与すると、DHA投与後5日目と7日目に脳内のMfsd2Aレベルが上昇し、脳内のZIKV RNAが抑制された[92]。重要な問題は、SARS-CoV-2がBBB内皮細胞におけるMfsd2Aの発現をダウンレギュレートできるかどうかである。もしそうであれば、脳へのDHAの輸送に影響を与え、脳へのDHAの浸透性を低下させることになり、神経変性疾患を患う患者にとっては問題となりうる。したがって、脳内のDHA代謝に影響があるかどうかを知るためには、SARS-CoV-2のMfsd2aへの影響を調べることが重要だ。

9. おわりに

COVID-19患者では,感染時に頭痛,吐き気,嘔吐などの神経学的合併症が認められた。SARS-CoV-2感染の中枢神経系への影響を考慮すると,BBBの破壊により中枢神経系に永続的な後遺症を残す危険性があると考えられる.最近の研究では、SARS-CoV-2の受容体であるACE2の発現により、BBBのBMECがSARS-CoV-2に感染することが明らかになってきた。この感染は、高レベルのサイトカインやケモカインが発現するサイトカインストームと呼ばれる炎症反応を引き起こす可能性がある。さらに、脂質リモデリングはSARS-CoV-2感染と関連しており、CoVs感染症の薬物標的として脂質代謝調節の可能性を示唆している[67]。実際、DHAとその生理活性脂質メディエーターであるプロテイン(PD1/PD1/PDX)マレシン、レゾルビンは、抗炎症および神経保護効果を有することが知られている。これらの生体分子は、SARS-CoV-2の病期Ⅱ期およびⅢ期における新たな治療薬の候補となる可能性があると考えられている(図4)。いくつかの臨床試験は、COVID-19患者や高齢者において、オメガ3 PUFAの食事療法の強化がCOVID-19に対する患者の防御を可能にするかどうかを推定するために、その道を歩んでいる。生合成、脂質代謝および標的分子のさらなる研究は、組織の恒常性を維持する上でオメガ3 PUFAと生理活性脂質メディエーターの生理的重要性のより良い理解を可能にし、また、ウイルス感染症の場合には炎症のための潜在的な治療標的として。また、SARS-CoV-2の神経侵入経路を深く理解することで、SARS-CoV-2の神経症状の負担を軽減するための薬剤ターゲティングが可能となる。

図4 SARS-Cov-2の脳への旅 神経症状から抗炎症・神経保護薬の可能性へ

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