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1. はじめに

世界保健機関（WHO）は、2020年1月12日に中国の武漢で新型コロナウイルス（nCoV-2019）が発生したことを確認しました。WHOはCOVID-19を、未知の急性呼吸器感染症と名付けました（ Guo et al., 2020 ）。COVID-19の症例は世界中に急速に広がり、2020年3月11日にパンデミックと分類されました（ Elengoe、2020 ）。COVID-19の最も一般的な指標は、咳、発熱、頭痛、喉の痛み、息切れ、疲労であり、これらは徐々に患者の死につながります。死因は、呼吸器の重篤な感染症、肺炎、多臓器不全です。糖尿病、心血管疾患、高血圧、癌、HIV、およびいくつかの自己免疫疾患を持つ人は、COVID-19により生命に大きな脅威にさらされています（ Singhal、2020 ）。

新鮮な生態系と海洋生態系は生物多様性に富み、硫酸化多糖類の潜在的な供給源を保持しています（ Behera et al., 2020 ; Behera et al., 2021 ; Dash et al., 2020 ; Dash et al., 2021 ; Maharana et al., 2021 ; Maharana et al., 2020 、2019年; マハラナ州プラダン、 Bhakta、Jena、2021 ; Pradhan、Patra、Behera、他、2020 ; Pradhan、Patra、Dash、他、2021 ）。フコイダンなどの藻類由来の硫酸化多糖類は、抗ウイルス剤として使用される可能性がある（ Pagarete et al., 2021 ; Pradhan, Bhuyan, et al., 2022 ; Pradhan, Nayak, et al., 2022 ; Pradhan, Patra, Nayak, et al., 2020 ）。多くの海洋藻類種には、エンベロープウイルスの複製を阻害することが実証されている複雑な構造の硫酸化多糖類が大量に含まれています（ Pereira & Critchley、2020 ）。これまでに、海洋藻類由来のいくつかの生理活性化合物がスクリーニングされ（ Mohanty et al., 2020 ; Pradhan, Nayak, Patra, et al., 2021 ; Pradhan, Patra, et al., 2022 ）、単離され、その治療効果について試験されている。フコイダンが期待される価値は、これまでにもいくつかある。フコイダンなどの硫酸化多糖類の抗ウイルス活性は、ヒトサイトメガロウイルス、ヒトエンテロウイルス、インフルエンザウイルス、HIV-1（ヒト免疫不全ウイルス1型）、HSV（単純ヘルペスウイルス）に対して試験されている。 B型肝炎ウイルス、マウスノロウイルス、RSV（呼吸器合胞体ウイルス）（ Shi et al., 2017 ; Wang et al., 2012 ）。このことから、フコイダンはコロナウイルスに対して病気の進行を止める有望な治療効果を発揮できる可能性がある。

COVID-19などのウイルス感染症の治療において、免疫は最も重要な懸念事項と考えられています（ Dhar＆Mohanty、2020 ）。抗ウイルス免疫に関する研究は、いくつかのウイルス性疾患に対して実証されており、フコイダンは有望な効果を示しています（ Wang et al.、2012 ）。現在までに、海洋生物や微生物を含む植物や動物由来の多くの硫酸化多糖類が、HIVやHSVに対してテストされています（ Alam et al.、2021 ）。スピルリナ由来の栄養補助食品は、HIVやHSVに対する自然免疫と獲得免疫のブースターとして十分に研究され、市販されています（ Hayashi et al.、1996 ; Ratha et al.、2021 ）。したがって、免疫を高める藻類由来のフコイダンの使用は、自然免疫応答を緩和することにより、コロナウイルス感染症との戦いに主導的な役割を果たす可能性があります。 COVID-19 に対するワクチンは開発され、施行されていますが、治療目的で臨床的に承認された薬はありません。したがって、この流行に対しては、COVID-19 に対する免疫増強剤としての新規合成薬および天然薬の開発について、科学界からの緊急の反撃が必要です。藻類由来の硫酸化多糖類フコイダンに関する研究は限られているため、このレビューでは、SARS-CoV-2 に対する抗ウイルス薬として期待されるこの側面に焦点を当てています。

2. コロナウイルスとその病原性

コロナウイルス（CoV）は、ヒトや動物によく見られる一本鎖RNAウイルスです（ V'Kovski et al., 2021 ）。これは、生命を脅かす細気管支炎や肺炎を伴ういくつかの呼吸器疾患や腸管感染症を引き起こします。免疫力が低下している人は、特にCoV感染に対して脆弱です（ Subbarao & Mahanty, 2020 ）。このウイルスは、国際ウイルス分類委員会（ICTV）によって新しいコロナウイルス（nCoV）と呼ばれ、以前はCOVID-19疾患を引き起こすSARS-CoV-2として知られていました（ Liu et al., 2020 ）。新型コロナウイルス2019は、報告されている他のコロナウイルスに似た丸いウイルスです。このウイルスは、ヌクレオカプシドタンパク質（Nタンパク質）で構成されたカプシドを持ち、その中にウイルスゲノムが存在します。

さらに、カプシドはさまざまな構造タンパク質の由来となるカバーで覆われています。エンベロープ表面には、スパイクタンパク質（S）、膜タンパク質（M）、エンベロープタンパク質（E）など、3種類の必須構造タンパク質が存在します（ Huang et al.、2020 ）。これらの3つのタンパク質のうち、Sタンパク質は露出しており、ウイルスの宿主細胞への侵入を媒介し、ウイルスに王冠のような外観を広げます（ 図1 ）。

図1

新型コロナウイルスの構造。

2.1. 宿主とコロナウイルスの相互作用：病気の根源

コロナウイルスのORF1の下流領域には、ウイルスの増殖に不可欠な構造タンパク質を暗号化する独自の遺伝子が含まれています（ Huang et al ., 2020）。コロナウイルスの糖タンパク質スパイクは、ウイルスの付着と宿主細胞への侵入に重要です（Huang et al., 2020 ）。コロナウイルスの侵入は、HAT（ヒト気道トリプシン様プロテアーゼ）、カテプシン、TMPRS2（膜貫通プロテアーゼセリン2）などの細胞タンパク質に依存しており、これらはスパイクタンパク質の分割をサポートし、さらなる侵入につながります（ Subbarao＆Mahanty、2020 ）。コロナウイルスは、ヒト細胞内の主要な受容体としてACE2（アンジオテンシン変換酵素2）を必要とします（ Parasher、2021 ）。スパイクタンパク質はACE2受容体に結合できます。これは構造変化を引き起こし、エンドソーム経路を介した膜融合と宿主へのウイルスRNAの放出を促進します（ Wan et al., 2020 ）。ORF1aと1bがポリタンパク質pp1aとpp1abに翻訳されると、CoVの複製が開始されます。これらのタンパク質がタンパク質分解によって切断されると、非構造タンパク質（NSP）が生成されます。NSPは集まってRTC（レプリカーゼ-ポリメラーゼ複製-転写複合体）を形成し、これがウイルスゲノムRNAの複製とサブゲノムRNAの転写に関与し（ Wan et al., 2020 ）、翻訳によって構造タンパク質やその他の補助タンパク質を生成します。gRNAとウイルスタンパク質の蓄積は、ファストトラックビリオンにつながります（ Chatterjee et al., 2020 ）。組み立てプロセスが完了すると、ヌクレオカプシドは出芽し、分泌小胞を介して輸送され、宿主細胞から放出されます。小胞体からゴルジ体への中間複合体の組み立て経路が出芽につながります（ERGIC）（ Chatterjee et al。、2020 ）。新型コロナウイルスの病原性の病態と新型コロナウイルスの病原性の複製の病態を図2に示します。

図2

新型コロナウイルスの病原性におけるウイルスの侵入と複製。

3. 藻類由来の硫酸化多糖類と抗ウイルス剤としての潜在的役割

硫酸化多糖類は、その多様な構造により強力な抗ウイルス剤です。ウイルスの付着、吸着、および増殖を防ぐことで、宿主の抗ウイルス活性を高める上で極めて重要な役割を果たします。海藻由来の多糖類の抗ウイルス活性に関する体系的な研究は、in vitro および精密な動物モデルの両方で達成されています。海藻には、HSV-1 に対して臨床的にテストされたウイルスの複製を防ぐ硫酸化多糖類が豊富に含まれています。スピルリナ プラテンシス由来の多糖類は、HSV-1、麻疹ウイルス、インフルエンザ A ウイルス、おたふく風邪ウイルス、ヒトサイトメガロウイルス、および HIV-1 に対して抗ウイルス活性を示しています ( Hayashi et al., 1996 )。硫酸化多糖類は抗ウイルス経路を阻害し、HIV-V などのレトロウイルスの潜在的な複製阻害剤として機能します ( Buck et al., 2006 )。カラギーナンは、ギガルティナ、コンドルス、ユーケウマ、ヒプネアなどの紅藻類から単離される一般的な多糖類で、ウイルス感染に対して抗ウイルス活性を示します。カラギーナンは、宿主細胞結合能を阻害することでウイルスの侵入を阻止します（ Li et al., 2017 ）。また、蚊や哺乳類細胞内でのデングウイルスの増殖を制限します（ Buck et al., 2006 ）。

さらに、カラギーナンは性器イボや子宮頸がんの原因となる HPV (ヒトパピローマウイルス) に対しても作用します ( Zeitlin et al., 1997 )。低分子量 (3～10 10 kDa) のカラギーナンは、インフルエンザウイルスに対して抑制効果を示します ( Grassauer et al., 2008 ; Hilliou et al., 2006 )。「スーパーシェダー」としても知られる鼻腔スプレーによるカラギーナン投与 (イオタカラギーナン) は、ウイルスの排除を改善し、罹病期間を短縮することで、集団風邪に対して作用します。紅藻類 ( Schizymenia pacifica ) から抽出されたカラギーナンは、逆転写酵素機能を活性化し、それに続くウイルス複製の阻害によって、鳥類および哺乳類のレトロウイルスの感染を制限します。さらに、カラギーナンは感染の初期段階で宿主とウイルスの結合を防ぐ働きもあります（ Koenighofer et al.、2014 ）。

紅藻類Agardhiella teneraから単離されたガラクトースなどの細胞外多糖類は、DENV、HIV-1、HIV-2、HSV-1、HSV-2、および Hep A ウイルス (A 型肝炎ウイルス) に対する抗ウイルス特性を示します (Myriam Witvrouw et al., 1994 )。Callophyllis variegataから単離されたガラクタンは、細胞毒性が低く、HSV-1、HSV-2、および DENV-2 に対する抗ウイルス作用を示します ( Rodríguez et al., 2005 )。Schizymenia bindiriから単離された硫酸化ガラクタンの抗ウイルス効果は、HSV-1 および HSV-2 に効果的に対抗します ( Matsuhiro et al., 2005 )。Cochlodinium polykrikoidesからの A1 および A2 などの細胞外硫酸化多糖類は、MDCK 細胞でインフルエンザ A および B ウイルスを阻害することで血液凝固を低下させます。また、Hep-2 細胞における呼吸器ウイルス A 型および B 型、および MT-4 細胞における免疫不全ウイルス 1 型に対しても有効です ( Hasui et al., 1995 )。Gyrodinium impudicum由来の硫酸化エキソ多糖は、HeLa 細胞に対して毒性を示さずに、EMCV (脳心筋炎ウイルス) に対する抗ウイルス特性を示します ( Yim et al., 2004 )。また、宿主細胞への標的吸着および統合を介してインフルエンザ A ウイルスの複製を阻害します ( Yim et al., 2004 )。

3.1. 藻類由来の硫酸化多糖類は、ウイルスの付着、侵入、内部化、脱殻転写、翻訳プロセスを阻害することで抗ウイルス機構を調節する

ウイルスのライフサイクルの主な段階は、ウイルスの付着、ウイルスの侵入、脱殻、生合成、ウイルスの組み立て、およびウイルスの放出に分類され、ウイルス感染および疾患の進行において重要な役割を果たします（ 図3 ）。藻類由来の硫酸化多糖類は例外的な分子構造を示し、汚染が始まる前にウイルス粒子を直接不活性化するか、宿主細胞内での増殖を妨げることで、ウイルスのライフサイクルのいくつかの段階を阻害し、潜在的な抗ウイルス特性を発揮します。海藻は有望な供給源であり、多糖類が豊富で、抗ウイルス薬の開発と発見に注目されています。

図3

硫酸化多糖類（SP）は、ウイルスの付着、浸透、内部化、脱殻、転写および翻訳プロセスを阻害することにより、抗ウイルスメカニズムを調整します。

カプセル化されたウイルス表面の正に帯電した外部糖タンパク質と宿主細胞表面の負に帯電した成分との間のイオン性界面は、ウイルス付着時の早期接触を引き起こす。硫酸残基の存在は、ウイルス糖タンパク質の正に帯電した領域と相互作用し、細胞表面の負電荷の密度を高め、最初のウイルス-細胞相互作用を阻害する（ Sepúlveda-Crespo et al., 2017 ）。硫酸化多糖類は、細胞表面へのウイルスの結合を直接制限することにより、宿主細胞へのウイルスの侵入を妨げる可能性がある。ウイルスが宿主細胞に結合すると、宿主細胞とウイルス受容体との間の静電相互作用により不可逆的な吸着を引き起こす。硫酸化藻類多糖類の中には、ウイルス受容体と相互作用し、宿主細胞表面との接触をブロックするか、直接ウイルス粒子と相互作用することにより、ウイルス感染を防ぐものがある。いくつかの調査により、フコイダンの硫酸基の負電荷がウイルス受容体の正電荷をマスクすることでウイルスと相互作用することが明らかになっています ( Wang et al., 2012 )。ウイルスは外膜を陥入して液胞を形成し、宿主細胞に侵入します。その後、細胞内液または細胞質を介してエンドソームやその他の細胞内器官に輸送されます。ウイルスは細胞膜と相互作用するか、エンドサイトーシス後に細胞内にウイルスを囲む区画を形成し、ウイルスのカプシドの形状を変更します。ウイルスがエンドソーム周辺の受容体タンパク質と相互作用した後、特定のシグナルが生成され、ウイルス粒子が脱殻して放出されます ( Mercer et al., 2010 )。ウイルスは、内部移行および脱殻後に宿主細胞内で複製されます。硫酸化多糖類は、ウイルス膜タンパク質と相互作用することでウイルスの内部移行を妨げます。さらに、硫酸化多糖類はウイルスのポリペプチド鎖上の炭水化物基に結合し、ウイルスが宿主細胞に侵入するのを防ぎます。硫酸化多糖類はウイルスカプシドのアロステリック部位にも付着し、宿主細胞内でウイルスが脱殻するのを防ぎます。藻類由来の多糖類の中には、ウイルスが宿主細胞に到達すると、逆転写酵素などの複製酵素を阻害したり、m.RNA（メッセンジャーRNA）からのタンパク質合成を阻害したりすることで、ウイルスの転写と複製を阻害するものもあります（ Queiroz et al., 2008 ）。

4. 抗ウイルス剤としてのフコイダンの複雑な役割

フコイダンは褐藻類の細胞外基質の主成分で、フコースと硫酸化多糖類が豊富に含まれています。フコイダンは、L-フコース分子、硫酸基、および1つ以上のマンノース、ガラクトース、キシロース、グルコース、ラムノース、グルクロン酸、アラビノース、アセチル基を含む複雑な構造です。通常、フコイダンには2種類のホモフコース（タイプ（I）は繰り返しの（13））-L-フコピラノースを含み、タイプ（II）は交互および繰り返しの（13）-および（14）-L-フコピラノース鎖、および標準的なバックボーン鎖を含みます）があります。フコイダンは、最も一般的な褐藻バックボーン鎖です。図にはタイプI（A）とタイプII（B）が示されており、 F.vesiculosus （C）やUndaria pinnatifida （D）などのSARS-CoV-2対策に使用される単離フコイダンの分子構造も示されています（ 図4 ）。

図4

褐藻フコイダンの最も一般的な骨格鎖、タイプ I (A)、タイプ II (B)。SARS-CoV-2 対策に使用されるF. vesiculosus (C) やUndaria pinnatifida (D) などの単離フコイダンの分子構造。

ウイルス感染は、死に至る大きな健康問題を引き起こします。当初、ヌクレオシド系薬剤は抗ウイルス薬として使用されていましたが、急性腎不全、心停止、肝機能障害、胃腸障害などのいくつかの副作用がありました（ Marchetti et al., 1995 ）。そのため、毒性のない新しい効果的な薬剤の探索が、現代ではより重要になっています（ Patra、Nayak、Patro、Pradhan、Sahu、et al.、2021 ; Patra、Pradhan、Nayak、Behera、Das、Patra、およびBhutia、2021b ; Patra 、Pradhan、Nayak、Behera、Panda、Das、およびJena、2021c ; Patra、Pradhan、Nayak、Behera、Rout、Jena、およびBhutia、2021d ）。天然多糖類は、特定のウイルス感染を緩和してきました ( Marchetti et al., 1995 )。この文脈において、近年、海洋源からの硫酸化多糖類に特有の天然抗ウイルス剤の探索が注目されています。硫酸化の程度、硫酸基含有量、分子量、単糖組成、分子構造の配座、および立体化学は、硫酸化多糖類フコイダンの抗ウイルス作用の重要な要因です。分子量が低く、硫酸濃度が高い硫酸化多糖類は、より高い抗ウイルス活性を持っています ( Duarte et al., 2001 )。

フコイダンは、最小限の毒性で幅広い抗ウイルス活性を発揮する硫酸化多糖類の一種です ( Queiroz et al., 2008 )。包括的に、フコイダンは細胞へのウイルス吸着を阻害してウイルスの侵入を妨げることで、HIV、ヒトサイトメガロウイルス、HSV、牛ウイルス性下痢ウイルス、インフルエンザウイルスを予防します ( Dinesh et al., 2016 ; Mandal et al., 2007 ; M. Witvrouw & De Clercq, 1997 )。ウイルス付着に重要なウイルスエンベロープ糖タンパク質の正電荷部分と相互作用することで、ウイルスの付着を助けます。フコイダンは宿主細胞へのウイルス付着を抑制します ( Harden et al., 2009 ; JB Lee、Hayashi、Hashimoto、et al., 2004 )。フコイダンの抗ウイルス効果は、免疫細胞の貪食機能と体液性免疫によって媒介されます。L . japonicaから抽出された LMWF は、免疫作用を高め、胸腺と脾臓の指数を上昇させます。さらに、LMWF は半溶血素値を上昇させます ( Sun et al., 2018 )。Undaria pinnatifidaから抽出されたフコイダンは、ウイルスの増殖を減らし、自然免疫と獲得免疫系を活性化することで、HSV-1 に対して有益です ( Hayashi et al., 2008 )。フコイダンの抗 HSV 活性は、(1–3) 結合フコピラノシル単位の C-4 の硫酸塩に依存しているようです ( Mandal et al., 2007 )。 Wang et al., 2017 、 Wang et al., 2017 は最近、 Kjellmaniella crassifoliaフコイダンの感染がウイルスノイラミニダーゼと細胞 EGFR 経路によって制限されるという研究を発表しました (536 kDa、30.1% 硫酸塩含有量)。 研究結果によると、 K. crassifoliaフコイダンは毒性がほとんどなく、in vitro モデルで IAV 感染を阻害し、抗 IAV 範囲が広いことがわかりました。 さらに、ウイルスの戦闘を誘発する傾向が短く、標準的な抗 IAV 薬アマンタジンを上回りました。 感染前と吸着後、 K. crassifoliaフコイダンはウイルスノイラミニダーゼ (NA) に結合してウイルス粒子を不活性化し、NA の活動を阻害して IAV の放出を抑制します。さらに、 K. crassifolia由来のフコイダンを IAV 感染マウスに鼻腔内投与すると、生存率が著しく上昇し、ウイルス力価が減少しました。さらに、 K. crassifoliaフコイダンの新規点鼻薬または点鼻スプレーにより、インフルエンザウイルスによるその後の感染を予防しました ( Wang et al., 2017 、 Wang et al., 2017 )。L . japonica由来の LF1 や LF2 などの LMWF 画分は、それぞれ 42.0% と 30.5% のフコース、19.8% と 23.9% のガラクトース、5.3% と 3.7% のウロン酸、30.7% と 32.5% の硫酸塩を含み、in vitro モデルで 1.2 mg/mL と 2.4 mg/mL の用量で優れた抗ウイルス活性を示しました ( Sun et al., 2018 )。 LMWF（2.5、5、10、15 mg/kg、14日間）を静脈内投与した後、in vivoの結果では、LF1とLF2はウイルスに感染したマウスの生存期間を延長し、免疫器官、免疫細胞、貪食作用、体液性免疫の価値を劇的に高めることができることが示されました。L . japonicaから抽出されたLMWフコイダンは、in vitro（2.5、5、10、15 mg、アデノウイルス、I型インフルエンザウイルス、パラインフルエンザウイルスIを使用して、Hep-2、Hela、MDCK細胞を感染させた）とin vivo（ウイルスに感染したマウス、2.5、5、10、15 mg kg ⁻¹ ）の両方で抗ウイルス活性を示しました（ Sun et al.、2018 ）。 K. crassifoliaから抽出されたフコイダンは、H5N1 や H7N9 のような極めて病原性の高い株と戦うために使用できる可能性があります。フコイダンには、インフルエンザ治療用の新しい点鼻薬や小枝として使用できるほどの大きな効力があります ( Moscona、2009 )。マウスでは、 Fucus evanescensから抽出されたフコイダン (130～400 kDa) が、HBs-AG などの HBV 表面抗原に対する明確な抗体の発達を促すことでアジュバントとして機能しました ( Liang、2009 )。Fucus vesiculosusからのフコイダンは、EKR シグナル伝達経路を活性化することで、in vivo および in vitro モデルで HBV の増殖を抑制しました。また、宿主の免疫系を活性化することで I 型インターフェロンの産生を増加させました ( Kuznetsova ら、2017 )。これに加えて、フコイダンは、HBV の治療に単独の薬剤として、または他の薬剤と組み合わせて使用​​することができます。HepG2.2.15 細胞に感染してから 0 ～ 7 日後のフコイダン (100 mg) のラット モデルでは、HBV の複製が大幅に抑制されました。メカニズム的には、 F. vesiculosus抽出フコイダンは MAPK-ERK1/2 経路を活性化し、IFN の発現を誘発し、その結果、HBV DNA と関連タンパク質の合成が減少しました。

HIVに対する現在の治療法は費用がかかり、副作用もいくつかある。フコイダンは、HIV-1のエンベロープタンパク質を優先的に保持する擬似HIV-1要素によるJurkat細胞の汚染を抑制することができる（ Prokofjeva et al., 2013 ）。Saccharina cichorioides （1.3-α-l-フカン）およびS. japonica （ガラクトフカン）由来のフコイダンは、HIV-1に対してかなりの抑制効果を示した。さらに、無視できる濃度（0.001～0.05 μg/mL）でも、フコイダンはレンチウイルス細胞の伝達に対する阻害効果を示した。S . swartziiから単離されたフコイダンは、潜在的な抗HIV剤として使用できる可能性がある（ Dinesh et al., 2016 ）。 Adenocystis utricularisフコイダンは、ウイルスの侵入を阻止することで HIV-1 感染を阻害しました ( Trinchero et al., 2009 )。S. swartzii から抽出された FF1 や FF2 などの粗フコイダン画分 (FF1 と FF2 の総糖含有量はそれぞれ 61.8% と 65.9%、硫酸含有量はそれぞれ 19.2% と 24.5%、ウロン酸含有量はそれぞれ 17.6% と 13.4%、分子量はそれぞれ 30 kDa と 45 kDa) は、抗 HIV-1 特性を示しました。さらに、用量 (1.56 および 6.25 g/mL) では、FF2 画分は抗 HIV-1 効果を示し、HIV-1 p24 抗原レベルと逆転写酵素の活性が 50% 以上減少したことで証明されました。 Sargassum mcclurei由来のフコイダンは、HIV-1 ウイルスの侵入を阻止することができます ( Thuy et al., 2015 )。S . polycystum (FSP)、 S. mcclurei (FSM)、およびTurbinaria ornata (FTO) フコイダンは、0.33～0.7 g/mL の IC50 で抗 HIV 活性を示しました ( Thuy et al., 2015 )。これらのフコイダンは、ウイルスとともに事前にインキュベートした場合は HIV-1 感染を抑制しましたが、感染後の細胞とともにインキュベートした場合は抑制しませんでした。これは、これらのフコイダンが初期段階で標的細胞への HIV の侵入を制限できることを示している ( Thuy et al., 2015 )。

Adenocystis utricularis由来のフコイダン（ガラクトフカン）は、細胞毒性を示さずに、HSV-1 および HSV-2 を阻害しました（ Ponce et al., 2003 ）。さらに、 Dictyota dichotomaフコイダン（ガラクトフカン）は、プラーク形成を減少させることで HSV-1 を阻害しました（ Rabanal et al., 2014 ）。Cladosiphon okamuranusから単離されたフコイダン（グルクロン酸、硫酸化フコース）は、DENV-2 がスパイクタンパク質に直接結合するのを阻害しました（ Hidari et al., 2008 ）。Cystoseira indicaから単離された硫酸化フカンは、HSV-1、HSV-2 の吸着を阻害しました（ Mandal et al., 2007 ）。 Caulerpa brachypusから抽出されたキシランフコイダンは、HSV-1 の付着、浸透、および複製の後期段階を阻害することで、HSV-1 に対する阻害活性を示した ( Lee, Hayashi, Maeda, & Hayashi, 2004 )。Fucus vesiculosusから単離されたフコイダンは、BVDV (牛ウイルス性下痢ウイルス) の結合を阻害することで、BVDV に対する抗ウイルス活性を示した ( Güven et al., 2020 )。Laminaria japonicaから抽出されたフコイダンは、H5N1 (鳥インフルエンザウイルス) の増殖を阻害した ( Makarenkova et al., 2010 )。Undaria pinnatifidaから単離されたガラクトフカンは、HSV-1、HSV-2、および HCMV ウイルスへのウイルスの侵入と宿主ウイルスとの結合を制限する強力な抗ウイルス活性を示した ( Hemmingson et al., 2006 )。 Sargassum trichophyllumから抽出されたフコイダンは、HSV-2 ウイルスの吸着、浸透、複製を阻害することで有望な抗ウイルス活性を示した ( Lee et al., 2011 )。C . okamuranus由来のフコイダンは、リバビリンよりも毒性が低く、NDV La Sota (ニューカッスル病ウイルス) に対する抗ウイルス効力を示した。さらに、0～60 分以内のウイルス感染の初期段階も阻害した。感染後の治療では、ウイルス感染が 48% 減少し、HN タンパク質の発現が短縮された。さらに、フコイダンと F0 タンパク質間の正確なコミュニケーションを介して、シンシチウム形成 (70%) を阻害した ( Elizondo-Gonzalez et al., 2012 )。クルマエビ科の褐藻であるホンダワラ類（ Sargassum wightii）とアルテミア・フランシスカナ（Artemia franciscana）から抽出されたフコイダンは、白点病ウイルス（WSSV）に対して効果があることがわかっており、死亡率は61.65%と報告されています（ Sivagnanavelmurugan et al., 2012 ）（ 表1を参照）。

表1

ヒト病原ウイルスに対する抗ウイルス剤としてのフコイダンの複雑な役割とその作用機序。

5. フコイダンはSARS-CoV-2に対する抗ウイルス活性を調節する

さまざまなフコイダンが、SARS-CoV-2による現在のパンデミックをin vitroおよびin vivoモデルで調査するために使用されました。in vitroモデルでは、フコイダンはSARS-CoV-2に対して直接的な阻害効果を示し、治療薬として有用である可能性があることを示しました。フコイダン画分は、ウイルスのスパイクタンパク質結合に対する阻害効果があります。in vitro感染モデルでは、 F. vesiculosusおよびU. pinnatifida由来の未分画フコイダンがSARS-CoV-2に対して最小限の効果を示しました（ Fitton et al.、2021 ）。フコイダン（15.6 μg/mL）は、ウイルスのS糖タンパク質に結合することにより、in vitroでSARS-CoV-2を阻害しました。硫酸化多糖類（9.10 μg/mL）は、S糖タンパク質結合を介してin vitroモデルでSARS-CoV-2を阻害した（ Song et al., 2020 、 Song et al., 2020 ）。S . japonicaから抽出されたLMWとHMWは、SARS-CoV-2のSタンパク質への結合を介して、in vitroでSARS-CoV-2に対する抗ウイルス特性を示すことが期待されています。Saccharina japonicaからのHMWフコイダン（8.3 μg/mL）は、LMW（16 μg/mL）よりも強力です（ Kwon et al., 2020 ）。Lytechinus variegatusから抽出された硫酸化フカンとBotryocladia occidentalisから分離された硫酸化ガラクタンは、SGP結合効率と第3子孫レンチウイルス（pLV）ベクターの形質導入効率を実証しました。それは、IC ₅₀がより低いngからより高いμg/Lであっても、pLV-S粒子を調節しました（ Tandon et al.、2021 ）。硫酸化ガラクトフカン（C4およびC2/C4で硫酸化された1, 3-結合-L-Fucp残基、およびC4で硫酸化され、1, 6-結合-D-ガラクトビオースで分岐した1, 3-結合-L-Fucp残基）は、SARS-CoV-2 SGPとヘパリンとの相互作用を低下させましたが、ACE2との相互作用は低下させませんでした（ Jin et al.、2020 、 Jin et al.、2020 ）。コンブ、ワカメ、ホンダワラ、ヒジキ、ノリ、モクズなどの6種の海藻から分離された硫酸化フコイダンと粗多糖類は、HEK293/ACE2におけるSARS-CoV-2擬似ウイルスに対するIC ₅₀値（12〜289 μg/mL）でウイルス感染を阻害した（ Yim et al.、2021 、 Yim et al.、2021 ）。

S. horneriから抽出された粗多糖類は、COVID-19ウイルスの侵入を防ぐためのIC ₅₀値が12 μg/mLという強力な抗ウイルス活性を示した（ Yim et al., 2021 、 Yim et al., 2021 ）。H . fusiformeからの粗多糖類も、IC ₅₀値が47 μg/mLでSARS-CoV-2感染を阻害することができる（ Yim et al., 2021 、 Yim et al., 2021 ）。分子量が高い（> 800 kDa）、総炭水化物が多い（62.7〜99.1％）、フコース含有量が高い（37.3〜66.2％）、および高度に分岐した構造が、抗ウイルス活性に寄与している。フコイダン（3.90～500 μg/mL）は、S糖タンパク質に結合してSARS-CoV-2の細胞内への侵入を防ぐことができます（ Song et al., 2020 、 Song et al., 2020 ）。0.01～10%濃度のフコイダンは、SARS-CoV-2ウイルスによって引き起こされる呼吸器感染症を予防しました（ Flaviviridae et al., 2020 ）。フコイダンは、約83 nMの濃度で、in vitroモデルにおいてSARS-CoV-2のスパイクタンパク質に結合し、宿主細胞への結合を回避します（ Kwon et al., 2020 ）。さらに、海洋硫酸化多糖類は、3.90～500 μg/mLの濃度でSARS-CoV-2に対して強力な阻害活性を示した（ Song et al., 2020 、 Song et al., 2020 ）。フコイダンはHPBMCのΔΨmを大幅に回復させ、フコイダンがSARS-CoV-2感染後のミトコンドリア恒常性の改善に有用であることを示唆している（ Díaz-Resendiz et al., 2022 ）。海藻由来の粗多糖類はSARS-CoV-2ウイルスの侵入を阻害する（ Yim et al., 2021 、 Yim et al., 2021 ）。Monostroma nitidum由来のラムナン硫酸塩は、in vitroで野生型SARS-CoV-2およびデルタ変異体に対して強力な抗ウイルス活性を示した（ Song et al., 2021 ）。サッカリナジャポニカ由来の硫酸化ガラクトフカンは、SARS-CoV-2 SGPへの強い結合能力を示しており、SARS-CoV-2の予防および/または治療のための優れた候補となる可能性があることを示唆しています（ Jin et al.、2020 、 Jin et al.、2020 ）。

6. フコイダンの前臨床有効性状況

前臨床の進行は、前臨床研究または非臨床試験とも呼ばれ、臨床試験 (ヒト試験) の前に行われる医薬品開発の段階であり、通常は実験動物で、重要な実現可能性、反復試験、医薬品の安全性データを収集します。前臨床研究の主な目的は、ヒト初回試験の開始時の安全な投与量を選択し、製品の潜在的な毒性を分析することです。これには通常、新しい医療機​​器、処方薬、診断薬が含まれます。企業は、創薬から前臨床開発まで進む 5,000 個の分子のうち承認された医薬品になるのは 1 個だけであるという事実など、誇張された数字を使用して前臨床研究の危険性を示します。この点では、前臨床試験で注目を集めているフコイダンは、ガゴメ昆布由来のフコイダンがIAVに感染したマウスの生存率を大幅に向上させ、ウイルス力価を低下させた（ Wang et al., 2017 、 Wang et al., 2017 ）。感染マウスモデルで試験された褐藻類コンブ由来の低分子量フコイダンは、HPIV 1に感染したマウスの生存期間の延長を示した（ Sun et al., 2018 ）。硫酸化多糖類コンブは、感染マウスモデルで試験された。低分子量フコイダンのIV注射は、ウイルスに感染したマウスの生存期間の延長を示した（ Leibbrandt et al., 2010 ）。さらに、 Undaria pinnatifida由来のフコイダンは、ウイルス複製を低下させ、体液性免疫（中和抗体）を増強することにより、マウス感染モデルにおけるインフルエンザAウイルスの体内複製を阻害することが実証されています（Kyoko Hayashi et al., 2013 ; Synytsya et al., 2014 ）。Undaria pinnatifida由来のフコイダン（7.04 mg/日）を経口投与すると、ウイルス感染と同時に投与した場合、重症H1N1（PR8）インフルエンザのBALB/cマウスモデルにおける肉眼的肺病変（硬化）が有意に軽減しました（ Richards et al., 2020 ）。Sunらは、 L. japonicaから2つのLMWF画分を単離しました。体内データでは、LF1とLF2がウイルス感染マウスの生存期間を延長できることが示されました（ Sun et al., 2018 ）。上記の前臨床状況から、フコイダンおよび LMWF (低分子量フコイダン) は、臨床目的での使用に向けてさらに開発される可能性があります。前述の調査結果は、フコイダンが有望な抗ウイルス薬になる可能性があることを示唆していますが、臨床試験を開始する前に、さらに生体内研究が必要です ( 表 2 を参照)。

表2

SARS-CoV-2 ウイルスに対する抗ウイルス剤としてのフコイダンの役割とその作用機序。

7. 微生物叢に基づく治療によるフコイダンのSARS-CoV-2に対する免疫調節活性

COVID-19に罹患した人々にとって、免疫は最大の懸念事項です（ Sen et al., 2021 ）。薬物治療後、患者は徐々に免疫力が低下します（ De Mello et al., 2020 ）。SARS-CoV-2は、罹患患者の約20％に胃腸障害を引き起こします（ Heo et al., 2017 ） 。Effenberger et al.（2020）は、患者の61％が胃腸障害、下痢、吐き気に苦しんでいると報告しました。したがって、藻類由来の天然免疫調節剤は、薬物関連の毒性が最小限で、SARS-CoV-2に対する薬物として有望であると思われます（ Zuo et al., 2020 ）。 COVID-19に罹患した15人の入院患者と健康な人の便サンプルのマイクロバイオーム組成に関する最近のパイロット研究では、SARS-CoV-2に罹患した人の腸の健康状態が悪いことが明らかになりました（ Zuo et al.、2020 ）。

一方、健康な腸内微生物叢は、腸内細菌叢を改善することで抗ウイルス免疫を調節するために不可欠です（ Zuo et al., 2020 ）。このような状況では、藻類ベースの硫酸化多糖類を食品サプリメントとして使用して、腸内細菌叢を強化し、新型SARS-CoV-2の感染を減らすことができます。ACE2に関連する腸内細菌叢の共生は、COVID-19患者のインターフェロン産生を刺激し、免疫病理を減少させ、ナチュラルキラー（NK）と細胞毒性を増加させることで、抗ウイルス免疫を改善する上で極めて重要な役割を果たしています（ He et al., 2020 ）。フコイダンなどの海洋硫酸化多糖類は、プレバイオティクスや栄養補助食品として、適切な代謝、上皮バリアの完全性、免疫系を制御することで、ヒトの腸内細菌叢を刺激し、宿主の健康を維持します（ Tamama, 2021 ）。海藻はビタミンやミネラルが豊富で、COVID-19患者の栄養補助食品として使用できる硫酸化多糖類も豊富です。以前、藻類ペプチドがコンピューターによる研究を通じてCOVID19の抗スパイクタンパク質を示すことがわかっています（ MubarakAli et al.、2021 ）。

さらに、さまざまな大型藻類種から分離されたフコイダンは、有望な免疫調節活性を示しています（ Pradhan、Patra、Behera、et al.、2021 ）。Cladosiphon okamuranusの摂取由来のフコイダンは、下痢、ガス、膨満感などのヒトの胃腸障害を調節します。また、微生物叢の構成を誘発しました（ Fields et al.、2020 ）。Sargassum mcclurei由来のフコイダンは、腸内細菌叢を調節し、Toll様受容体2および4（TLR2およびTLR4）を上方制御することにより、免疫系を調節します（ Neyrinck et al.、2017 ）。Sargassum polycystumから分離されたフコイダンは、腸内細菌叢を調節し、免疫を誘発します。 Ascophyllum nodosumから単離された硫酸化多糖類は、有益なフィルミクテス属およびバクテロイデス属の豊富な細菌群を活性化します（ Chen et al., 2018 ）。さらに、他の藻類由来の多糖類も、ヒトの腸内細菌叢に有益な効果を示します（ Pereira & Critchley, 2020 ）。Sargassum muticumおよびOsmundea pinnatifidaの抽出物は、新しい機能性食品として使用されており、ヒトの腸内細菌叢に良い影響を与えます（ Rodrigues et al., 2016 ）。褐藻類から単離されたフコイダンの免疫調節特性は有望です（ Wu et al., 2016 ）。 LF1やLF2などのLMWフコイダンは、2.5、5、10、15 mg / kgの用量でも、脾臓指数、胸腺指数、貪食指数、半溶血素および貪食係数値を高めることができました。前述の結果は、LMWフコイダンが免疫器官の隆起を回復し、ウイルス感染細胞の免疫細胞の貪食と体液性免疫を啓発できることを示しています（ Sun et al.、2018 ）。ナノ粒子CpGアジュバント化SARS-CoV-2 S1タンパク質は、マウスで広範囲に中和し、Th1に偏った免疫反応を引き起こします（ Lin et al.、2021 ）。COVID-19に対するウイルス免疫応答と皮膚科免疫調節標的を図5に示します。

図5

フコイダンはウイルスの付着と侵入を阻害します。さらに、フコイダンはT細胞の活性化を介してCOVID-19患者に対する免疫反応を活性化します。

8. 免疫不全患者および併存疾患患者におけるフコイダン

免疫不全の人は、感染症やその他の疾患と闘う能力が低下しています。原発性免疫不全の人では免疫系が弱まっています。多くの種類の原発性免疫不全疾患は、免疫系を強化する治療の恩恵を受けることができます ( Sobh & Bonilla, 2016 )。原発性免疫不全疾患の兆候と症状は、その種類によって変動し、また人によって異なります。内臓の炎症と感染、血液疾患 (血小板数の低下または貧血)、消化器系の問題 (けいれん、食欲不振、吐き気、下痢)、および頻繁かつ再発性の肺炎、気管支炎、副鼻腔感染症、耳の感染症、髄膜炎、または皮膚感染症、内臓の炎症と感染などの免疫不全疾患の症状 ( Sobh & Bonilla, 2016 )。進行中の研究の結果として、この病気にかかっている人々は新しい治療法やより高い生活の質の恩恵を受けるでしょう ( Oguntibeju、2012 )。フコイダンの免疫調節特性は、ワクチンアジュバントなどの興味深い用途があります (Kyoko Hayashi et al.、2013 )。Undaria pinnatifida由来のフコイダン (9 kDa) を免疫能のあるマウスと免疫不全のマウスの粘膜で試験したところ、H1N1 (A/NWS/33) ウイルスの収量が減少し、感染後 5 mg/日で IC ₅₀値 15 μg/mL で粘膜免疫応答が刺激されました (Kyoko Hayashi et al.、2013 )。さらに、ワカメ由来のフコイダンは、感染したマウスの体内でインフルエンザAウイルスの複製を阻害し、免疫経路を介して自然免疫（ナチュラルキラーおよびマクロファージ活性）を改善することが示されています（Kyoko Hayashi et al., 2013 ; Synytsya et al., 2014 ）。Hayashiらは、ワカメから単離されたフコイダンが、正常な免疫力を持つマウスと免疫力が低下したマウスの免疫系を強化する抗IAV活性を持つことを発見しました（Kyoko Hayashi et al., 2013 ）。フコイダンは、マウスのワクチンアジュバントとして使用することもでき、脾臓細胞を活性化し、抗原特異的抗体の産生を増加させます（ Kim & Joo, 2015 ）。 Kjellmaniella crassifolia由来のフコイダン（10 および 20 μg/日）の鼻腔内投与により、IAV 感染マウスの生存率が大幅に向上し、免疫力が向上しました（ Fukushi et al., 2011 ）。フコイダンは免疫不全患者にとって有望な候補となる可能性があります。

CRediT 著作者貢献声明

Biswajita Pradhan : 執筆 - 原稿、執筆 - レビューと編集、図の編集、視覚化、校正。 Rabindra Nayak : 執筆と図の編集、校正。 Srimanta Patra : 執筆と編集、校正。 Pradyota Kumar Behera : 分子構造の描画。 Prajna Paramita Bhuyan : 執筆 - レビューと編集、 Amiya Kumar Mandal : 形式分析、 Chhandashree Behera : 形式分析、 Jang-Seu Ki : 提案。 Siba Prasad Adhikary : 提案、校正。 Davoodbasha MubarakAli : レビューと編集、監督、校正、提案、校正。 Mrutyunjay Jena : レビューと編集、監督、校正、提案、校正。

データの可用性

本研究中に生成および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

資金調達

適用できない。

人間や動物を対象とした研究

この研究では人間の参加や動物は使用されていません。

インフォームドコンセント

責任著者は、すべての共著者を代表して、倫理基準を遵守するインフォームドコンセントを受け入れることに同意します。

利益相反の申告

著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼす可能性のある、競合する金銭的利益や個人的な関係は存在しないことを宣言します。

謝辞

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