COVID-19のスパイクタンパク質の毒性は酸化還元シフト現象： 新しい治療アプローチ（論文の翻訳）
https://doi.org/10.1016/j.freeradbiomed.2023.05.034
【ハイライト】
COVID-19タンパク質の毒性は酸化還元シフト現象である。
酸化還元シフトはワールブルグ効果とミトコンドリア障害によるものである。
サイトカインストームはミトコンドリア機能障害の結果である。
リポ酸、メチレンブルー、二酸化塩素はCOVID-19スパイクタンパク質の毒性を緩和する。
【要旨】
がんでは娘細胞が形成され、アルツハイマー病ではアミロイド斑が形成され、炎症ではサイトカインやリンパカインが形成される。
Covid-19による感染も同様のパターンに従う。長期的な影響としては、ワールブルグ効果とミトコンドリア機能不全の結果として、酸化還元シフトと細胞の同化作用が挙げられる。この絶え間ない同化作用は、サイトカインストーム、慢性疲労、慢性炎症、神経変性疾患を引き起こす。リポ酸やメチレンブルーなどの薬剤は、ミトコンドリアの活性を高め、ワールブルグ効果を緩和し、異化を促進することが示されている。同様に、メチレンブルー、二酸化塩素、リポ酸を併用することで、ミトコンドリア活性を刺激し、長期的なCovid-19効果を軽減できる可能性がある。
グラフィックアブストラクト
Covid-19患者は、急性後遺症に悩まされることがあり、いくつかの症状は数ヵ月続くことがある [1] 。これらの症状は、Covid-19によって誘発された低酸素症、心拍出量の減少、筋肉痛、または脳脊髄炎や慢性疲労症候群のような症状の持続による二次的なものである可能性がある［1］。その他の長期的な副作用としては、脳卒中や心筋梗塞などの心血管系合併症 [2]、アルツハイマー病、クロイツフェルト・ヤコブ病 [3]、癌 [4] などがある。本論文では、これらの症状が酸化還元iMeBalanceの直接的な結果であり、それ自体がミトコンドリアによるエネルギー収量の減少の結果であることを強く示唆している。
我々は以前、疾患における代謝の変化が中心的な役割を担っていることを証明した [5,6]。
明らかなミトコンドリア機能障害と乳酸レベルの上昇は、多くの疾患における代謝シフトとワールブルグ効果の重要な特徴である。がんにおいては、エネルギー代謝の変化がよく知られた特徴である [7]。心疾患 [8,9]、いくつかの自己免疫疾患 [10]、[11]、[12]、[13]、[14]、アルツハイマー病 [15]、[16]、[17]、パーキンソン病 [18]などの他の疾患においても、明確な実験データが報告されている。最後に、COVID-19患者では乳酸デヒドロゲナーゼ活性（LDH）の増加が観察され、これはワールブルグ効果と同様に、燃料の方向転換と同化中間体の生成のために解糖を促進する可能性がある［[19]、[20]、[21]］。従って、ほとんど全ての疾患において、同化作用が亢進している [5,6]。
ホメオスタシスを維持するために、私たちの細胞はエントロピーを放出しなければならない。CO2、H2O、熱（異化作用）か、より大きな分子（同化作用）のいずれかである。従って、細胞分裂はエントロピーを放出する最も巧妙な方法である [4,5]。異化から同化への移行は、[NADH]/[NAD+]、[NADPH]/[NADP+]、または[FADH2]/[FAD]の比が高くなることで測定される酸化還元シフトによって駆動される。
本論文の目的は、Covid-19の短期および長期の合併症は、もともとウイルスのスパイクタンパク質によって引き起こされた細胞環境の低下による、同様の酸化還元シフトと同化作用の結果であるという仮説を立てることである。
1. スパイクタンパク質とアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）の結合は酸化還元現象である
感染を開始するために、ウイルスのスパイクタンパク質は宿主細胞のACE2受容体に結合する[22,23]。
Sタンパク質とACE2は分子内ジスルフィド結合を持ち、多くのシステイン（Cys）残基を含むことが立証されている[24]。ACE2と結合するSARS-CoV-2スパイクタンパク質のジスルフィド結合をチオール基に変換すると、結合親和性が劇的に低下することが発見された[24]。スパイクタンパク質には40個のシステイン残基があり、そのいくつかは宿主のACE2受容体との結合の安定性を支えている[23]。スパイクタンパク質のCys480-Cys488対が、ACE2受容体との結合に直接関与していることが明らかになった[1,25,26]。宿主のACE2タンパク質に特異的なシステイン残基もまた、2つのタンパク質間の相互作用において重要な役割を果たしている。二量体界面では、Cys133とCys141がジスルフィド結合を形成し、これがCOVID-19の感受性と関連している[23]。
Sタンパク質とACE2にはシステイン（Cys）残基が豊富にあり、その多くが分子内ジスルフィド結合に関与している。ACE2とSARS-CoV/CoV-2スパイクタンパク質のジスルフィド結合をすべてチオール基に変換すると、結合親和性はかなり低下した[24]。そこで重要になるのが分子内のジスルフィド結合である。実際、ACE2には酸化還元活性を持つジスルフィドが存在し、S-タンパク質相互作用ドメインがあり、フェレドキシン様フォールド領域があることから、酸化還元iMeBalanceがCOVID-19の発症と重症化に重要な役割を果たしていることが強く示唆されている。
2. COVID-19は、高齢者のような環境が劣悪なほど病原性が強くなる。
COVID-19の侵攻型は通常、明確に定義された亜集団に限定される。リスクが高いのは、高齢者、肥満などのメタボリックシンドロームに罹患している患者、あるいはがんや炎症などの慢性疾患に罹患している患者である［27］。加齢は、あらゆる臓器のチオール／ジスルフィドのホメオスタシスのような酸化還元バランスの制御不良と関連しており、炎症や線維化経路の亢進につながる [22] 。
さらに、加齢に伴うチオール／ジスルフィドの平衡の低下は、炎症性疾患や早老性疾患ではさらに急速である [22] 。このことは、高齢者の細胞外環境の低下とCovid-19感染に対する感受性の亢進を部分的に説明している [22] 。
3. サイトカインストームは酸化還元現象である
コントロールされた急性炎症反応は、感染症を撃退するために必要である。しかし、炎症過程が慢性化すると、局所的・全身的な悪影響につながる可能性がある [28] 。炎症組織では、免疫細胞の呼吸バースト時に生成される活性酸素種（ROS）と活性窒素種（RNS）のレベルが上昇している。酸化還元シグナル伝達は炎症反応を厳密に調節し、酸化ストレスは急性Covid-19で報告されている [1] 。
COVID-19患者の感染性とサイトカインストームの発症には、酸化還元シグナル伝達経路のiMeBalanceが関与している可能性を示唆する証拠が数多く存在する。これは、酸化還元シグナル伝達が免疫機能と炎症の制御に重要な役割を果たしており、このシグナル伝達の乱れが過剰なサイトカイン産生と免疫系の活性化につながる可能性があるためである8 [23, [29], [30], [31], [32] ］。さらに、重症のCOVID-19患者は酸化ストレスマーカーのレベルが高く、抗酸化物質のレベルが低いことが研究で分かっている [3] 。さらに、酸化ストレスは、サイトカインストームに重要な役割を果たすタンパク質複合体であるNLRP3インフラマソームを活性化する可能性がある [1,32]。
炎症は活性酸素とRNSの形成につながり、酸化還元ストレスは細胞傷害を引き起こし、それが炎症反応の引き金となる [34,35]。COVID-19の内皮細胞傷害は、肺傷害、throMeBosis、慢性炎症を引き起こす。これらの炎症経路は、mtROSを介して内皮ミトコンドリアによって制御されている。しかしながら、mtROSが持続的に上昇すると、内皮の機能障害と炎症が誘発され、その結果、活性酸素、炎症、ミトコンドリアの機能障害が関与する悪循環ループが生じる［[36]、[37]、[38]］。活性酸素を放出する損傷したミトコンドリアは、IL-1βとIL-18の放出に関与するNLRP3インフラムソームを介して炎症を誘発する [1,31,32,39]。
Covid-19患者の血清中では、チオールレベルが低下している [37] 。このことは、ミトコンドリアの機能不全と炎症性サイトカインの産生を誘発することにより、活性酸素とRNSの蓄積につながる [40] 。これらのサイトカインは、炎症部位に免疫細胞を動員し、フリーラジカルの発生を刺激するシグナル伝達分子として働く。例えば、IFN_2、IL-1、IL-6、TNFαはすべて一酸化窒素（NO）の生成を刺激する。これらのサイトカインが分泌されるのは、サイトカインストーム中の環境が低下しているためである [41] 。IL-2はCovid-19患者で非常に発現が増加しており [37] 、IL-2は患者のNOの生成を有意に刺激することが知られている。硝酸はIL-2誘発性低血圧と血管漏出症候群の主要なメディエーターでもある [42] 。
さらに、ミトコンドリア機能障害はCovid-19の病態に関連している。実際、SARS-CoV-2によって引き起こされるミトコンドリア機能障害は、ミトコンドリアの損傷を引き起こす［37］。異化作用が低下すると、同化作用によってエントロピーが放出される。白血球のSARS-CoV-2感染により、酸化的リン酸化が低下する [43] 。ワールブルグ効果の特徴である乳酸値の上昇も、高リスクのCovid-19で報告されている。
4. 長期的なコビッド-19の合併症
Covid-19は、サイトカインストーム、内皮細胞症、throMeBosisまたはリンパ球減少を介して、感染患者の心臓障害を引き起こすか悪化させる。Covid-19患者の剖検では、心筋への炎症性単核球の浸潤が認められ、Covid-19感染に反応して心血管系障害を媒介する免疫系の役割が確認されている［45］。
炎症反応は、ACE2を介したSARSの様々な臓器への直接作用と相まって、腎不全、肝障害、多臓器不全と関連している。
急性肺障害は、肺線維症や慢性的な肺機能障害に続く可能性がある。また、SARS-CoV-2感染は中枢神経系と末梢神経系に影響を及ぼし、神経細胞を損傷し、アルツハイマー病、パーキンソン病、多発性硬化症などの長期的な神経学的後遺症を引き起こすことが示されている [47,48] 。
Covid-19の一般的な結果として、慢性疲労症候群がみられる [1]。慢性疲労症候群は、酸化的リン酸化の低下によるミトコンドリアエネルギー収量の減少を特徴とする一般的な疾患である [1]。抗酸化物質のレベルの低下や過酸化物やスーパーオキシドのレベルの上昇など、複数の酸化還元ストレスバイオマーカーが、慢性疲労症候群の症状の重症度と関連している。これらの酸化還元iMeBalanceマーカーは、症状の重症度や酸化ストレスと一致する心室乳酸レベルの上昇とも相関している [1] 。アルツハイマー病に似た脳代謝低下も見られる [49] 。酸化的リン酸化の低下に特徴的な血中乳酸濃度の上昇も同時にみられる [50] 。ミトコンドリアのミーメブラン電位（ΔΨm）は、ミトコンドリアの機能を決定するためによく用いられるパラメータである。ΔΨmの減少は、いくつかの炎症関連疾患に関与している。Covid-19患者の白血球ではΔΨmが減少している [51] 。
多くの人々が、ヒト細胞内でウイルスのスパイクタンパク質の合成を誘発するRNAまたはDNAワクチンを接種された。多くの人がCOVID-19のような症状（血栓、重度の炎症、組織破壊、臓器不全）に苦しんだ。2021年のXingら[52]は、ワクチン接種の短期的副作用を評価した10件の研究をレビューした。ほとんどの副反応は軽度から中等度であり、ワクチン接種後24時間以内に消失した。最も一般的な全身性の副反応は、疲労、発熱、体の痛みであった。
新しく開発されたCovid-19ワクチンは安全なプロフィールを確立しているはずであるが、それでも副作用を経験する人がいる［53,54］。そのほとんどは、めまい、嘔吐、一過性の発熱などの良性のものである。その他の副作用としては、水痘・帯状疱疹ウイルスでのウイルス再活性化 [55]や肝炎 [56]、DNAベースのワクチン [57]やRNAベースのワクチン [58]での凝固障害やそれに起因する脳卒中や心筋炎があります。
凝固亢進とthroMeBosisは、より高いレベルの活性酸素と関連している。蓄積された活性酸素は、血液凝固とthroMeBosisの酸化還元状態制御の結果である [59,60]。クロイツフェルト・ヤコブ病は重篤な神経破壊を特徴とし、死亡率が極めて高い。最近では、ワクチン接種を受けた人々の間でクロイツフェルト・ヤコブ病の有病率が増加したという報告がある [61] 。クロイツフェルト・ヤコブ病は、神経細胞を損傷するプリオン（ミスフォールディングタンパク質）の出現であり、酸化還元現象であると考えられている [61,62]。
5. コビッド-19の長期合併症：同化作用へのシフト
Covid-19の長期合併症は、細胞の同化モードへの移行を指摘している。これらは一種の早期老化とみなすことができる [63] 。Covid-19におけるように、ワールブルグ効果に特徴的なミトコンドリアの障害は、ほとんどすべての疾患に存在し、がんの特徴のほとんどにおいて中心的な特徴であるように思われる [6] 。
神経細胞は、グリア細胞から放出される乳酸を餌としている。脳の炎症中、グリア細胞は圧迫を受けている。グリア細胞はより多くの乳酸を分泌し、それがニューロンに取り込まれる。この乳酸の取り込みの増加により、ニューロンの細胞内アシドーシスが生じ、ミトコンドリア機能不全の兆候となる [64] 。アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、心筋梗塞、心不全、脳卒中、がん、老化はすべて、炎症、ミトコンドリア機能不全、細胞外液中の乳酸濃度の上昇と関連している。
Covid-19では、他の炎症と同様に、細胞が解糖に依存する代謝の再配線が起こる [66] 。ミトコンドリアが障害されると、感染細胞は効率的な異化ができなくなる。感染細胞は血液中に乳酸を放出する。Covid-19患者の血中の高濃度の乳酸は予後不良のマーカーである [50] 。その他の分子は細胞環境に放出され、炎症を引き起こすサイトカインやリンパカインのように、感染細胞の周囲に蓄積する。癌、アルツハイマー病、Covid-19の間には、ワールブルグ効果に関連する顕著な類似性が見られる。しかしながら、COVD-19における異化の役割を指摘する研究もある。しかし、いくつかの研究では、異化が疾患過程に関与している可能性が示唆されている。ある研究によると、重症のCOVID-19患者では、軽症の患者よりもコルチゾールなどの異化指標が高値であった。これは、ウイルスが誘発するストレスや炎症に身体が反応し、タンパク質の異化が進み、筋肉の分解が増加するためであると示唆されている［67］。別の研究では、重症のコロナウイルス感染者は、尿素生成速度の加速と、筋肉由来の可能性が高いタンパク質の分解を示し、高度に異化された状態であることを示している [68] 。
6. ワールブルグ効果を緩和する薬剤は、長期にわたるCovid-19合併症の治療に有効である可能性がある。
がん、炎症、アルツハイマー病、パーキンソン病には、細胞がエントロピーを熱、CO2、H2Oという無害な形で体外に排出できないという共通の特殊性がある。これらの臨床的に多様な疾患において、ミトコンドリアを標的とする薬剤は有効な治療法であるようだ（表1）。
表1. さまざまな疾患におけるワールブルグ効果を標的とした薬剤による酸化還元シフトの治療効果。（さまざまな疾患に対するワールブルグ効果を標的としたメチレンブルーとリポ酸の効果‥原著参照）
リポ酸は老化に関連する疾患に対して試験されている。リポ酸はアルツハイマー病の発症を遅らせ [74,75]、動物では記憶力を改善し [78]、脳卒中の影響を軽減し [83]、炎症を抑え [85]、がんの成長を遅らせるようである [[70], [71], [72]。
メチレンブルー（MEB）はマラリア、ハンセン病、結核の治療に有効であることが証明された。1920年から1950年の間に合成された医薬品のほとんどは、このリード製品から派生したものである。さらに、MEBはワールブルグ効果を緩和し [87]、記憶力を改善し [77]、うつ病エピソードの治療に有効であり [79,80]、虚血性脳卒中の重要性を減少させる [82]。
Covid-19の場合、MEBはin vitroでSARS-Cov-2の複製を阻害することが示されている[88]。MEBで治療したCOVID-19患者は、入院期間と死亡率が有意に減少することが示されている［86］。
二酸化塩素もCOVID-19の治療薬として示唆される。その理由は、電子に対する親和性が強く、塩化物イオンと水に速やかに分解されるからである。二酸化塩素はSARS-CoV-2に対する強力な抗ウイルス剤でもある[89]。二酸化塩素とメチレンブルーは作用様式が異なる（図1）。一方、MeBはアクセプター・ドナー分子である[90]： MeB +は（H原子の）電子のペアを取ることができ、MeBHはこのペアを簡単に放出することができるため、MeBは触媒のように部分的にリサイクルされる[91]。一方、ClO2中の塩素の酸化価数は+IVであり、Cl-では-Iとなる。したがって、ClO2分子はこの過程で5個の電子を捕獲する。このようにClO2はワンショットの電子トラップであるのに対し、MeBはドナー（FADH2、FMNH、NADH）とアクセプター（ETCの複合体IVまたは酸素そのもの）の間の電子橋として働く[91]。α-リポ酸（ALA）は、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ（PDH）の補酵素として、TCAサイクルに供給するアセチル-CoAの形成を開始する [92,93]。したがって、ALAは炭素の異化を促進し、ワールブルグ効果、ひいては乳酸産生を減少させる可能性がある。メチレンブルーは、TCAサイクルの後、電子輸送鎖の複合体IVに電子を運ぶことにより、同様の役割を果たす [90]。二酸化塩素もまた、Cl-と水によって持ち去られた余剰電子を奪うことで、酸化還元シフトを低下させる。
図1. αリポ酸（ALA）、メチレンブルー（MeB）、二酸化塩素がCOVID-19および急性後遺症の治療に作用するメカニズム。ALAピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体（PDH）；MeBはドナー分子（FADH2、FMNH、NADH）と酸素などのアクセプター分子間の電子橋として作用し、ClO2分子は5個の電子をトラップし、ワンショット電子トラップとなる。
7. 結論
Covid-19では、他の疾患と同様に、一部のエントロピーが熱、H2O、CO2という無害な形で排出されることができず（異化）、より大きな生体分子に放出される（同化）。代謝をターゲットとするリポ酸やMeBのような薬剤は、異化を促進することで酸化還元シフトを減少させる。MeB、二酸化塩素、リポ酸に基づく治療が、SARS-Cov-2のスパイク蛋白によるCovid-19の長期合併症を減少させる可能性がある。