[論文レビュー] Prediction of repurposed drugs for treating lung injury in COVID-19

Bing He, Lana X. Garmire|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2020

COVID-19 Clinical Research Studies参考文献 54被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、COVID-19における肺障害の治療に再利用可能なドラッグ候補として、COL-3（変更されたテトラサイクリン）およびCGP-60474（サイクリン依存キナーゼ阻害薬）を同定した。HCC515肺細胞およびヒト患者肺組織におけるACE2阻害によって誘発される遺伝子発現変化を逆転させることで、両化合物はTNF、MAPK、およびケモキーンシグナル伝達など、肺障害に関連する12の重複する経路を調節し、RHOA、RAC2、FASなどの主要な遺伝子が発現低下を示した。

ABSTRACT

Coronavirus disease (COVID-19) is an infectious disease discovered in 2019 and currently in outbreak across the world. Lung injury with severe respiratory failure is the leading cause of death in COVID-19, brought by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). However, there still lacks efficient treatment for COVID-19 induced lung injury and acute respiratory failure. Inhibition of Angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) caused by spike protein of SARS-CoV-2 is the most plausible mechanism of lung injury in COVID-19. We propose two candidate drugs, COL-3 (a chemically modified tetracycline) and CGP-60474 (a cyclin-dependent kinase inhibitor), for treating lung injuries in COVID-19, based on their abilities to reverse the gene expression patterns in HCC515 cells treated with ACE2 inhibitor and in human COVID-19 patient lung tissues. Further bioinformatics analysis shows that twelve significantly enriched pathways (P-value <0.05) overlap between HCC515 cells treated with ACE2 inhibitor and human COVID-19 patient lung tissues, including signaling pathways known to be associated with lung injury such as TNF signaling, MAPK signaling and Chemokine signaling pathways. All these twelve pathways are targeted in COL-3 treated HCC515 cells, in which genes such as RHOA, RAC2, FAS, CDC42 have reduced expression. CGP-60474 shares eleven of twelve pathways with COL-3 with common target genes such as RHOA. It also uniquely targets genes related to lung injury, such as CALR and MMP14. In summary, this study shows that ACE2 inhibition is likely part of the mechanisms leading to lung injury in COVID-19, and that compounds such as COL-3 and CGP-60474 have the potential as repurposed drugs for its treatment.

研究の動機と目的

• COVID-19患者における肺障害のメカニズムを逆転させられる再利用可能な薬剤を同定すること。
• SARS-CoV-2スパイクタンパク質によるACE2阻害が、肺障害経路を駆動する役割を果たすかを調査すること。
• ACE2阻害HCC515肺細胞とヒトCOVID-19患者の肺組織間の遺伝子発現プロファイルを比較すること。
• 両モデルに共通する不規則な経路を逆転させる薬剤候補を評価すること。
• 肺障害に関連する経路の広範な調節および標的遺伝子の重複を示す化合物を優先すること。

提案手法

• SARS-CoV-2誘因肺障害をモデル化するため、ACE2阻害薬を用いてHCC515ヒト肺上皮細胞を処理した。
• ACE2阻害HCC515細胞における発現差分を同定するため、トランスクリプトームプロファイリングを実施した。
• ACE2阻害HCC515細胞の遺伝子発現サブセットと、ヒトCOVID-19患者の肺組織からのサブセットを比較した。
• ACE2阻害HCC515細胞と患者肺組織の両方に有意に豊富な12の経路（P < 0.05）を同定した。
• HCC515細胞における不規則な遺伝子発現パターンを逆転させる能力について、薬剤候補（COL-3およびCGP-60474）をスクリーニングした。
• バイオインフォマティクス解析を実施し、疾患モデルと薬剤の間での経路の重なりおよび標的遺伝子の収束を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの薬剤候補が肺上皮細胞におけるACE2阻害によって誘発される遺伝子発現変化を逆転させられるか？
• RQ2 ACE2阻害HCC515細胞のトランスクリプトームプロファイルは、COVID-19患者の肺組織とどの程度重複するか？
• RQ3 ACE2阻害HCC515細胞とヒトCOVID-19肺組織の両方で共通して不規則に調節されるシグナル経路は何か？
• RQ4 COL-3およびCGP-60474は、COVID-19に伴う肺障害に関連する主要な経路および標的遺伝子をどのように調節するか？
• RQ5 再利用可能な薬剤は、SARS-CoV-2誘発肺障害の分子メカニズムに対抗する可能性をどの程度有するか？

主な発見

• ACE2阻害HCC515細胞とヒトCOVID-19患者肺組織の間で12の有意に豊富な経路（P < 0.05）が重複しており、TNF、MAPK、ケモキーンシグナル伝達経路が含まれる。
• COL-3投与により、12の重複経路すべての不規則な調節が逆転し、RHOA、RAC2、FAS、CDC42などの主要な遺伝子が発現低下を示した。
• CGP-60474はCOL-3と11の重複経路を共有しており、肺障害に関連する遺伝子（CALRおよびMMP14など）を独自に標的にした。
• 両薬剤は炎症および線維化の主要な調節因子を調節しており、COVID-19における肺障害の緩和に潜在的役割を果たす可能性がある。
• 疾患関連遺伝子発現サブセットの逆転能力に基づき、COL-3およびCGP-60474の再利用にシステム生物学的根拠が示された。
• ACE2阻害は、細胞および患者モデル間のトランスクリプトームの一致を裏付ける根拠により、COVID-19における肺障害の妥当なメカニズムであると同定された。