Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

新型コロナウイルス / COVID-19 / SARS-CoV-2 / メインプロテアーゼ / 共有結合阻害剤 / 酵素反応分子動力学法 / 自由エネルギー解析

本研究課題では，新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の原因ウイルスであるSARS-CoV-2のメインプロテアーゼ（Mpro）を対象とし，ウイルス増殖に関わるポリタンパク質切断反応に対する触媒活性を共有結合形成により阻害する共有結合阻害剤の開発に向け，理論解析によって微視的知見を獲得することを目的としている．令和3年度には，（1）Mproと天然基質モデルに対する大規模量子分子動力学（MD）シミュレーションによる触媒反応機構の解明，（2）Mproと既知共有結合阻害剤に対する大規模量子MDシミュレーションによる阻害反応機構の解明ならびに（3）Mproと薬剤候補分子に対するバーチャルスクリーニングおよびドッキングによる結合親和性の評価を実施した．
（1）基質存在下での触媒反応過程を対象とし，Mpro二量体，天然基質モデルおよび水溶媒全系（76770原子）を量子的に取り扱う大規模量子MDシミュレーションを実行した．計算にはスーパーコンピュータ「富岳」を用いた．その結果，アシル化過程において，自由エネルギー障壁がほぼ同等の2つの異なる反応経路が存在し，両者は反応中間体の有無の点で異なることが明らかになった．
（2）ファイザーにより開発された共有結合阻害剤（PF-07321332）との阻害反応過程を対象とし，Mpro単量体，阻害剤および水溶媒全系（34297原子）を量子的に取り扱う大規模量子MDシミュレーションを実行した．計算にはスーパーコンピュータ「富岳」を用いた．その結果，活性部位においてMproと阻害剤の中間に位置する水分子を介したプロトンリレーによって阻害反応が進行することが明らかになった．
（3）複数の結晶構造に対してバーチャルスクリーニングを実施し，薬剤候補分子Xを選定した．天然基質モデル，既知阻害剤およびXに対してアンサンブルドッキングを行い，結合親和性を評価した．

フラーレン / SARS-CoV-2 / COVID-19

新型コロナウイルス(SARS-CoV-2)の感染により引き起こされる新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の治療薬を目指し、世界中で様々な研究が行われている。その創薬標的は様々あるが、中でもメインプロテアーゼは最も期待されるターゲットであり、実際に、2022年2月メインプロテアーゼ阻害剤パキロビッドが日本でも承認されている。
一方、炭素同素体であるフラーレン（C60）は60個の炭素原子から構成される直径約1 nmのサッカーボール型をした炭素クラスターである。創薬化学の観点からは、空間的に広がりを持つ脂溶性スペースの確保や3次元的に固定された置換基の配置を可能にするという点で有機物質としては唯一無二の骨格であり、これを母核とした画期的な医薬品の創製を目指した研究が行われている。申請者らはこれまでに高脂溶性のC60に様々な置換基を導入することで100種類を超える水溶性誘導体を合成し、導入する置換基によって異なる生理活性を示すことを明らかにしてきた。特に、複数のウイルスに対し抗ウイルス効果を示すことから、SARS-CoV-2の生活環に重要な酵素に対しても効果を示すことが期待された。
そこでまず、これまで申請者らが合成してきたC60誘導体がSARS-CoV-2メインプロテアーゼを阻害するかどうかを包括的に調べた。メインプロテアーゼおよび被験化合物を含む反応液に、酵素に認識、切断される12残基の基質ペプチドを加え、プロテアーゼ反応を行った。反応終了後、生成したペプチド断片をLC-MSで定量することでメインプロテアーゼに対する阻害活性を評価した。その結果、プロリン型誘導体やカチオン型誘導体など様々な誘導体がメインプロテアーゼを阻害することが明らかになり、中でもビスマロン酸型誘導体が強力な阻害能を有することを見出した。

COVID-19 / 慢性炎症 / 肥満症 / HIV感染症 / COVID-19重症化 / 肥満 / HIV感染 / SARS-CoV-2

COVID-19の免疫学的機序の解明は、日々進められているが、特に慢性炎症を根底にもつ肥満者やHIV感染者の免疫学的動態は、重症化メカニズムの理解に加え、治療標的への基盤研究につながり重要と考えられる。一方、その基礎的研究は限局的であり、知見の蓄積が待たれている。
流行するウイルス株の違いはあるが、依然として肥満者の重症化率は高く、他方、抗ウイルス薬で免疫機能がよくコントロールされたHIV感染症患者は重症化しにくいことも明らかになってきた。この臨床的相違は、炎症惹起のメカニズムに違いがあることが想定され得る。
2021年度の新型コロナ感染症は、第4波から第６波まで感染者数の増加がみられ、増加する対象者の検体採取を遂行する一方で、我々医療者は臨床に従事する時間を多く必要とされた。
初年度は、得られた検体のうち、力士クラスターから1名の肥満者と1名のHIV感染者の検体を選び出し、感染前、感染時、回復期の３phaseのPBMCからsingle cell解析を施行した。現在解析中であるが、この結果から、慢性炎症状態下での新型コロナウイルス感染を契機とした、炎症の、惹起から沈静の過程を可視化することを期待している。

COVID-19 / microbiome / SARS-CoV-2 / dysbiosis / microbiota

人の腸内に共生する細菌（腸内細菌叢）は人の免疫の維持に関与し、健康にとって不可欠な存在であることが知られている。さらに腸内細菌叢の種類とバランスの変化は、がんや、糖尿病といった多くの病気の発症に関与することがわかりつつある。ウイルス感染症においても、その感染と病気の発症には人の体内に共生するさまざまな微生物の影響を受けていることが報告されており、感染によって腸内細菌叢の種類とバランスが崩れることも知られている。それは腸肺軸という概念で、生理学的に消化管と呼吸器（肺）は密接に関係していることが理由である。COVID-19は主に呼吸器系の疾患であるが、新型コロナウイルス感染において、その感染に腸内細菌叢がどのように影響するのか、またCOVID-19感染症の発症にどのように関与するのかは不明な点が多い。

初年度は、東京大学医科学研究所附属病院に入院した主に軽症のSARS-CoV-2感染患者の22名を対象に、新型コロナウイルス罹患後の感染者の腸内細菌叢と血中の炎症状態の相関について解析を行った。その結果、健常者と比較すると、感染者では入院直後から腸内細菌叢の著しい変化が観察されるとともに、一部の細菌の動きは病態の重症化と関係が知られるIL-6関連分子などの複数の血中の炎症性サイトカインの上昇と相関していることが明らかとなった。この観察は、感染による腸内細菌叢の変化が免疫の活性化（炎症）に関与していることを示唆するとともに、COVID-19感染症の病態発症における腸内細菌叢の役割の理解に貢献が期待される。