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COVID-19のフリーラジカル損傷に取り組む
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32562746/
概要
COVID-19は、世界中で壊滅的な犠牲者を出した深刻なパンデミックであるにもかかわらず、いまだにこの病気を適切に治療する方法がわかっていない。COVID-19を誘発するウイルスであるSARS-CoV-2の病態についてはほとんどわかっていない。しかし、COVID-19はSARSやインフルエンザと多くの類似した症状を共有している。
実験動物モデルや臨床現場から得られたこれまでの科学的発見は、COVID-19の病原機序の可能性に光を当てている。
過去数十年の間に、科学的知見の蓄積により、呼吸器ウイルス感染におけるフリーラジカル損傷の病原性の役割が確認された。しかし、驚くべきことに、COVID-19におけるフリーラジカル損傷の重要な役割について言及している医療専門家は非常に少ない。
本仮説は、呼吸器ウイルス肺炎におけるフリーラジカル損傷の重要な役割をまとめ、COVID-19の抗酸化的治療法を提案することを目的としている。
1. テキスト
新規コロナウイルスSARS-CoV-2誘発重症急性呼吸器症候群（COVID-19）に対する現在の治療アプローチは混乱している。医師はウイルスそのものに焦点を当て、レムデシビルのような抗ウイルス薬をCOVID-19患者に必死に適用しようとしている。
しかし、抗ウイルス薬の効果は満足のいくものではなく、薬剤による重篤な肝毒性が報告されている[1]。特異的な治療法がないため、患者は自身の免疫系に頼らざるを得ない。
スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、一酸化窒素（NO）、ペルオキシナイトライトなどのフリーラジカルは、他の分子と容易に反応する非常に活性の高い化学物質である。これらは例外的に破壊力が強く、タンパク質の劣化、細胞膜の破壊、DNAの損傷、細胞死、臓器不全などを無差別に引き起こする。
ウイルス感染によりフリーラジカルが大量に産生されることが知られている[2]。ウイルス感染におけるフリーラジカルの病原性の役割は深いが、見落とされている。
COVID-19治療に関する現在の公式ガイドラインのすべてにおいて、この疾患におけるフリーラジカル損傷の役割については言及されていない。
2. 呼吸器ウイルス性肺炎におけるフリーラジカル損傷の重要な役割
熊本大学医学部微生物学教室の赤池隆明氏と前田博氏は、実験用マウスをインフルエンザウイルスに感染させると、ウイルスの複製が急激に増加し、4日目にピークを迎え、その後8日目にベースラインまで低下することを発見した。
肺の圧迫スコア（肺損傷指数）は2日目から上昇し、8日目から10日目にピークを迎えた。マウスは8日目から14日目までに死亡し始めた[3]。感染したマウスの活性酸素種（ROS）は5日目から発生し始め、8日目にピークを迎えた。
一方、もう一つの重要なフリーラジカルであるNOも同時に上昇し、8日目にピークを迎えた[4]。これらの結果から、インフルエンザウイルス感染ではフリーラジカルストームが起きていたことが明らかになった。
酸素ラジカル消去剤スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）[5]やNO合成酵素阻害剤L-NMMA[6]を投与するだけで、感染したマウスは保護され回復した。また、誘導性NO合成酵素を欠損した実験用マウスでは、インフルエンザウイルスに感染した際に、罹患率や死亡率が低下した[7]。
これらの結果は、活性酸素やNOなどのフリーラジカルがウイルスによる肺炎死の原因であることを明示的に示している。
3. サイトカインストームとフリーラジカルストームの相互作用
炎症性サイトカインストームはCOVID-19[[8], [9], [10]とSARS[11]の両方で報告されており、COVID-19ではサイトカインストームが最も頻繁に言及されている病理学的説である。
これらの炎症性サイトカインは、炎症部位に免疫細胞をリクルートし、血管漏れや滲出液を誘導し、フリーラジカルやプロテアーゼの生成を刺激するためのシグナル分子として作用するタンパク質である。例えば、IFNɤ、IL-1ẞ、IL-6、TNF-αは、すべてNOの生成を刺激することができる[6,12]。
IL-2はCOVID-19患者において高度にアップレギュレートされており[10]、IL-2は患者におけるNOの生成を有意に刺激することが知られており[13]、NOはまた、IL-2誘導低血圧および血管リーク症候群の重要なメディエーターでもある[14]。
IL-6は、COVID-19患者においてアップレギュレーションされた別の主要な炎症性サイトカインである[10]。IL-6およびTNF-αは、好中球におけるスーパーオキシドの生成を誘発することができ[15,16]、過酸化水素はIL-6の生成を刺激することができる[17]。
NO合成の阻害は、IL-6の産生を50%以上減少させることができる[18]。
炎症性サイトカインの細胞毒性効果は、脂質過酸化阻害剤によってブロックすることができる[19]。
まとめると、COVID-19のサイトカインストームを論じる場合、サイトカインストームの下流生成物であるフリーラジカルが、細胞および複数の器官への直接的な損傷のための執行因子であることを理解することが重要である。
4. COVID-19治療の必須戦略としてのフリーラジカル損傷の抑制
SODはスーパーオキシドを消去することができる酵素であり、ウイルス感染した実験動物を救済することが示されている[5,20]。現時点では臨床使用可能なSODは存在しないため、COVID-19患者にはSOD擬態化合物[21]を検討すべきである。
ビタミンCおよびビタミンEは、強力な抗酸化剤およびフリーラジカル消去剤としてよく知られている。ビタミンCを3000～8000mgの間で経口投与すると、感冒の持続期間を短縮し、症状を緩和することが報告されている[22]。
感冒はSARSやCOVID-19とは重症度、緊急性、フリーラジカル産生の規模が大きく異なる。血漿中のビタミンCの半減期が短いため、ビタミンCの大量かつ継続的な点滴静注を検討すべきである。現在、COVID-19患者に対するビタミンC点滴療法の臨床試験がいくつか進行中である。
Nrf2は、SODやカタラーゼなど多くの抗酸化因子の発現をアップレギュレートする転写因子であり、細胞の酸化還元恒常性の維持に重要な役割を果たしている[23]。しかし、Nrf2のレベルと活性は加齢とともに低下する[24]。したがって、高齢者がCOVID-19に感染した場合には、Nrf2活性化剤の投与が検討される可能性がある。
ヒドロキシクロロキン、アジスロマイシン、亜鉛の併用はCOVID-19患者に対して一定の治療効果を示した。心臓毒性にかかわらず、ヒドロキシクロロキンとアジスロマイシンはNOとスーパーオキシドの生成を抑制することができる[[25], [26], [27]。
亜鉛はSODの補酵素であることが知られている重要な抗酸化物質である[28]。したがって、この組み合わせは、ウイルスの複製を抑制するのではなく、宿主の酸化ストレスを減少させるための抗酸化物質の組み合わせである可能性がある。
同様に、エリスロマイシンは、NOおよびスーパーオキシドの生成を抑制することができるので、COVID-19にも有効である可能性がある[29]。
グルタチオン[30]やN-アセチルシステイン[31]のような他の毒性の低い抗酸化薬もCOVID-19の治療には考慮されるべきである（Scheme 1を参照）。
5. 結論
コッホの仮説は感染症のドグマであり、COVID-19でSARS-CoV-2を標的にすることに注目が集まっている。しかし、それは問題のある戦略である可能性がある。SARS-CoV-2のウイルス量は、実験動物での観察と同様に、1週目に多く、2週目には急激に減少する[32]。
したがって、抗ウイルス療法は感染の初期段階で開始すべきであるが、COVID-19患者が医学的助けを求めて入院したときには、ほとんどの場合、この疾患はすでに呼吸困難や多臓器不全を伴う第2期または第3期に発展している。したがって、第2期以降はウイルスの先にある、実際の病原体としてのサイトカイン・ストームとフリーラジカル・ストームに注目すべきである。
微生物感染の病理学的結果は宿主と病原体の相互作用によって決定されるため、現代の微生物学の中心的なテーマは、特定の微生物についての洞察を得ることよりも、宿主と病原体の相互作用のメカニズムを全体的に理解するべきである [33]。
SARS-CoV-2感染細胞のストレスを取り除くべきか？
SARS-CoV-2は、世界中の医学界と科学界に前例のない挑戦をもたらした。私たちは何週間も前から、ある患者が重篤な症状を呈し、他の患者は無症状であるのに対し、なぜ死亡するのかを解明するのに苦労していた。
相関研究では、肺疾患、心血管疾患、糖尿病、肥満、腎臓病、肝臓病など、いくつかの病状との関連性が指摘されているが（CDC.org）、このような相関関係を説明するための病気のメカニズムは明らかにされていない。
パンデミックの最初の数週間の間に、炎症とサイトカインストーム症候群が示唆され、COVID19の重症化につながるメカニズムの一部であることが証明された。
それ以来、炎症およびサイトカイン放出に対する治療戦略の増加が提案され、研究されている：ステロイド、静脈内免疫グロブリン、選択的サイトカインブロッカー（例えば、アナキンラまたはトシリズマブ）およびヤヌスキナーゼ（JAK）阻害剤（例えば、バリシチニブ）、したがって、多くの以前に開発されたサイトカイン阻害剤は、COVID19のために試験されている。
これらの治療法は、当初、リウマチ、腸炎、乾癬などの炎症性疾患のために考案されたものである；このような治療を受けている人は、重度のCOVID19から部分的に保護されていると推測されている[1]。しかし、これらの疾患は慢性の免疫介在性炎症性疾患である。
一方、COVID19は、特定のサイトカインを個別に阻害しても解決できない急性炎症過程を生じる。代替的に、サイトカイン経路の強力なまたは絶対的な遮断（例えば、JAKブロッカーによる）は、感染症の初期段階と戦うために必要な自然免疫応答を妨げる可能性がある。
この行き詰まりを解決するには、炎症反応の上流の調節因子の調節を探索する精密医学的アプローチを用いることが考えられる。
100万ドルの問題は、何がウイルス感染時の炎症亢進プロセスを誘発するのか？
細胞ストレス（小胞体（ER）ストレス、酸化ストレス、ミトコンドリアストレスを含む）は、感染と炎症を結びつける経路のグループであり[2,3]、そのようなアプローチの可能性を秘めている。
ウイルスが細胞ストレスを誘導する方法はいくつかあるが、最近の研究では、2002年に発生した重篤な急性呼吸器症候群の原因となったSARS-CoVウイルスが、そのオープンリーディングフレーム8B（ORF8b）から不溶性の細胞内凝集体を形成し、ERストレス、リソソソーム損傷、オートファジー活性化を誘導することが明らかになった。
ORF8bは上皮細胞において細胞死を誘導し、ERストレスの常態的な原因（タンパク質凝集）を減少させることで部分的に救われた。また、マクロファージでは、ORF8bはNLRP3 inflammasomeを活性化しており[4]、SARS-CoV感染と細胞ストレスを介した炎症を結びつけていた。
Nrf2
COVID19の重症度との相関には加齢が関与していることから、酸化ストレスとそのメディエーターであるNRF2もそのメカニズムの一部であることが提案されている[5]。
NRF2は酸化ストレスから保護し、加齢とともに減少する。NRF2の欠乏は、感染症に対抗する能力を低下させ、細胞死を防ぎ、NF-kBシグナル伝達と炎症の増加と関連している[6]。
全体として、この証拠は、細胞ストレスが、高炎症反応を伴うCOVID19の重症例の疾患メカニズムの重要な一部である可能性を示唆している。
ERストレス
細胞ストレスは、数十年前から複数の疾患の治療標的となっている。ERストレスの影響を緩和する分子群は、ケミカルシャペロンと呼ばれている。
そのうちの一つである4-フェニル酪酸（4-PBA）は、80年代から尿素サイクル障害の治療に使用されてきた。
それは効果的に誤って折り畳まれ、凝集したタンパク質の影響を減少させるが、より重要なことに、それは他の人の中で肺や心血管疾患、肝不全、膵炎、糖尿病性脳症、変形性関節症、骨溶解に関連する多くの条件で炎症反応を減少させる[[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]］。
4-PBA
4-PBAは、今回の流行では、患者さんにすぐに使用できる薬剤として承認されている。最近、私たちのグループは、病気のストレスメカニズムに基づいた肺疾患に対する4-PBA治療薬を開発した。
ERストレス応答に関与するコラーゲンシャペロンであるSerpinh1の変異による呼吸不全で出生時に死亡したマウスを妊娠中に4-PBAで治療したところ、呼吸機能が改善され、周産期まで生存した（P-585,531）。
このモデルの炎症性成分を証明するためにはさらなる研究が必要であるが、我々の結果は、ERストレスがメカニズムの一部であることが確認されれば、COVID19患者の呼吸不全を予防するために4-PBA治療が用いられる可能性を示唆している。
酸化ストレス調節剤 PB125
別の可能性のある治療法は、酸化ストレスの調節から生じる。McCordらは、ACE2をダウンレギュレートし、炎症性サイトカインを減少させる戦略として、NRF2アクチベーターであるPB125を提案している[17]。この化合物は、ウイルスの複製とサイトカインストーム症候群の発症を減少させるという二重の戦略を表している可能性がある。
COVID19のメカニズムとしてストレスが確認された場合、COVID19患者への支援を改善するために使用することができる別の関連するアプリケーションがある：COVID19のリスクに関連する多くの医学的前提条件は、通常、炎症とストレスを提示する[[18], [19], [20], [21], [22] したがって、この集団は、プロ炎症性シグナルで全身的にプライミングされ、SARS-CoV-2または他の関連するウイルスに感染したときに高炎症反応の開発を促進するだろう（図1を参照）。
この接続の肯定的な側面は、以前の状態がストレスシグナルで身体をプライミングする場合、これらは、疾患の初期段階でCOVID19の重度の発達を予測するために使用され得るということである。
結合免疫グロブリン蛋白質（BiP）は、ERストレスマスターレギュレーターであり、ストレス条件下で循環に分泌される。これは、化学シャペロンまたは抗炎症療法による予防的治療を開始するために、感染の初期段階の患者を試験するために使用することができる。
同様に、NRF2は、酸化ストレスとCOVID19のリスクのマーカーとして使用することができ、これは、感染の重度の出力を予測するシグナルのパネルを拡大する。
図1
図1. 細胞性ストレスはCOVID19に関連する炎症性シグナルを調節する。
A. セルラーストレス関連疾患の既往のない感染患者は、通常、無症状または軽度のCOVID19疾患として制御されたサイトカイン応答を介してSARS-CoV-2感染に応答する。
B. 糖尿病、心血管疾患、特定の炎症性疾患などの細胞ストレス性疾患の既往歴のある患者は、サイトカインストームと重度のCOVID19疾患につながるヒペニンの炎症過程を素因としている。
今日、私たちは病気のメカニズムと精密治療の研究が、現在の医学的課題に対処するための効率的なアプローチであることを知っている。
COVID19のメカニズムを深く掘り下げれば、SARS-CoVウイルス感染者の炎症やサイトカインストーム症候群にストレス経路が大きく関与していることが明らかになり、予後不良につながる可能性がある。
このように、COVID19のメカニズムを利用することで、SARS-CoV-2感染症の予後を改善し、合併症を予測・軽減することが可能となる。