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はじめに

この記事の意図は、ウイルスに関する一般的な知識、ウイルスがどのように感染に至るか、身体の免疫システムがどのように反応するかを提供することである。 ウイルスは小さな存在ですが、宿主に感染して自己複製し、さらに別の宿主に広がる能力を持つ、複雑で多様な存在です。 さらに、ウイルスは宿主種間で移動したり、変異して元の宿主種に再感染したりすることもあります。

ウイルスとは

ウイルスは、遺伝情報（ウイルスの種類によって、DNAまたはRNA）がタンパク質被膜に包まれた微小なパッケージです。 形や大きさは様々で、一般的には20～300ナノメートル（1ナノメートルは1メートルを1億で割った値）である（図1）。 ウイルスは宿主の外にも存在できるが、単独で複製することはできず、通常の細胞のような「機械」や「代謝」も持っていない。 実際、ウイルスが実際に生命の一形態であるかどうかについては議論があり、「生命の端緒」にあるとみなされることもある。

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図1. ウイルスの形態図と各ファミリーのおおよその相対的サイズ。 ウイルスはDNAやRNAから構成されており、安定性を高めるためにタンパク質と強固に結合していることが多い。 遺伝物質（DNAまたはRNA）は、幾何学的な形をした規則正しい形状のタンパク質（カプシド）の中に含まれているか、より緩い膜で覆われているか、またはその両方である。

宿主に感染した後、ウイルスは（ウイルスによって、特定の組織内またはより一般的に）宿主の細胞に入り、細胞システムを乗っ取ることによって細胞をウイルス工場にして、多くの新しいウイルス粒子を作り出す。 この侵入と機能の変化は、宿主の細胞に劇的な変化をもたらし、細胞を傷つけたり殺したりする。

海水1mlあたり最大1億個のウイルスが含まれていると推定され、湖の堆積物には1gあたり約200億個のウイルスが含まれていると推定される。 ウイルスが宿主の外で生存できる期間は、ウイルスとその環境によって異なります。一部のウイルスは、空気中や固体表面で数日から数週間生存できます。 一方、水中のウイルスはより長く生存する傾向があり、きれいな冷水であれば1年まで生存することができます。 熱、洗剤、紫外線は、数分でウイルスを不活性化することができます。 一方、氷点下ではウイルスを保存することができます。

ウイルスにはさまざまな種類があり、どこにでも存在します。 たとえば、海水1ミリリットルには最大1億個のウイルスが含まれ、湖の堆積物には1グラムあたり約200億個のウイルスが含まれていると推定されています。 感染した人は、たくさんのウイルス粒子を排出します。 胃の病気であるロタウイルスの患者は、糞便1グラムあたり最大100億個のウイルス粒子を排出する。

ウイルスが感染する生物の種類は膨大である。 実際、細菌のような単細胞生物から、より複雑な多細胞の植物や動物に至るまで、すべての生物はさまざまな種類のウイルスに感染しやすいと考えられている。 また、特定の宿主にのみ感染するウイルスもあれば、さまざまな生物種に感染するウイルスもある。 また、ウイルス感染の結果も、宿主-ウイルス間の相互作用によって大きく異なる。

ウイルスはどこから来たのか

ウイルスの起源については、いくつかの説があります。 また、「震災」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」「原発事故」。 すべての生命体に感染するという事実は、それらが古い起源を持つことを示唆しています。 前述したように、ウイルスは基本的に遺伝物質（DNAまたはRNA）をタンパク質の被膜で取り囲んだものである。 ウイルスの遺伝物質（一般に「ウイルスゲノム」と呼ばれる）は、ウイルスが感染-複製-感染のサイクルを実現するのに十分な数の遺伝子をコードしている必要がある。 しかし、ウイルスに含まれる遺伝情報はごくわずかである。 例えば、コロナウイルスのゲノムの塩基数は約3万であるが、ヒトのゲノムはその約1万倍の30億塩基対である（「塩基」「塩基対」とは、RNAやDNAの化学構造を指す生物学用語で、RNAやDNAの塩基配列はすべてのタンパク質をコードし、生物の物理特性を決定しているのである）。

しかし、ウイルスはどのようにして生まれたのでしょうか？ 一つの考え方は、ウイルスはもともと大きな実体の一部であった短い遺伝物質の配列から進化した、というものである。 このような短い遺伝物質の配列は、生存可能なウイルスゲノムを包んでいて、元の細胞から逃げ出したと考えられている。 実際、DNAの配列の中には、細胞のゲノムから自分自身を切り取って、ゲノムの別の部分に再び挿入する能力を持つものがあることが知られている。 このような「トランスポーザブル・エレメント」が細胞膜の一部に結合して細胞外に出た場合、別の細胞へ移動することが可能である。 しかし、別の見方をすれば、ウイルスは他の細胞よりも実は古くから存在している、ということになる。 なぜなら、ウイルスのタンパク質の大部分は、他の生物のタンパク質と類似性がないため、そのゲノムは別個のものであり、細胞生物よりも古くから存在していたことが示唆されるからである。 ウイルスの種類は非常に多いので、両方の考えが正しく、異なるウイルスファミリーが独立して発生した可能性もある。

細胞に感染する際、異なる種類のウイルスがさまざまな複製戦略をとる。 例えば、レトロウイルスはRNAゲノムを持つ。 レトロウイルスはまた、RNAを鋳型にしてDNAを生成する酵素を持ち、この酵素は宿主細胞のDNA内に挿入することができる。 つまり、感染した細胞やその子孫は、ウイルスのDNAを含むことになる。 レトロウイルスの例としては、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）がある。

ウイルスはどのようにして私たちに感染するのでしょうか。

ほとんどのウイルスの表面には、ウイルス粒子が宿主細胞に付着して侵入するためのタンパク質がちりばめられています。 ウイルスと宿主細胞の相互作用は、特定のウイルスと宿主細胞のタンパク質が相互作用することによって起こります。この相互作用をブロックすることが、ウイルス感染を抑制する方法として期待されています。 細胞内に侵入したウイルス粒子は分解され、ウイルスの遺伝情報が鋳型となって、宿主細胞は新しいウイルスタンパク質とゲノムを作り始める。 新しいウイルス粒子は、宿主細胞が機能を維持しながら放出されるか、宿主細胞が破裂して死に、それによって中のウイルス粒子が放出されます。

体はウイルスにどう反応するか

異なる種は、ウイルス感染を克服する異なる戦略を発展させてきました。 ヒトの場合、免疫系は自然免疫系と適応免疫系の2種類に分類され、どちらもウイルス感染から身を守る役割を果たしています。 自然免疫系は、物理的なバリア（粘液など）、化学伝達物質（サイトカインなど；細胞が使うシグナル分子の一種）、様々な種類の細胞（白血球など；白血球）からなり、侵入した微生物に対する最初の防御ラインである。 特に重要なサイトカインはインターフェロンであり、ウイルス粒子に感染した際に細胞から放出される。 感染した細胞から放出されたインターフェロン分子は、隣接する細胞のシグナル伝達機構を活性化し、さらなるウイルス感染を抑制することができる。 SARS-CoV-2に感染した細胞は、他のウイルス感染と同じ程度にはインターフェロンを放出しない可能性が示唆されている。

自然免疫系とは異なり、適応免疫系の大きな利点は、遭遇したウイルスや細菌を記憶していることである。 適応免疫系には、外来タンパク質を認識して抗体を産生するリンパ球のような白血球も関与している。 抗体は、外来タンパク質上の特定の部位（エピトープとして知られている）に結合し、それによって、侵入した物質のみをクリアランスの対象とすることができる。 適応免疫系による抗体の産生には数日かかるため、感染症が発症してから抗体ができるまでの間にタイムラグが生じる可能性があります。 しかし、自然免疫系と異なり、適応免疫系は遭遇したウイルスや細菌を記憶していることが大きな利点である。 その結果、同じ病原体に再びさらされた場合、その特異的な抗体の産生を再び急速に増加させることができるのです。 この免疫力は、病原体を記憶している細胞が減少するにつれて低下するため、特定の病気に対して再接種が必要になることがある。

私たちの体内でウイルスが広がるのを防ぐために、感染細胞の一部はアポトーシス（「プログラム細胞死」ともいう）という特殊な死滅様式に移行している。 アポトーシスは生理的なプロセスであり、あらゆる組織で傷ついた細胞、不要な細胞、感染した細胞を除去するために高度に制御された方法で使用される、生命の正常な一部分である。 ウイルスに感染した細胞は、アポトーシスを引き起こし、それによって死に至ります。

すべてのウイルスが「悪い」わけではない

近年、多くの細菌が抗生物質に対して耐性を持つようになりました。 そのため、細菌に感染して破壊するウイルスが医学研究の焦点になっています。 バクテリオファージと呼ばれるこれらのウイルスは、人間の細胞には感染しないので、選択的な抗生物質として使用することができる。

COVID-19の原因となる新しいコロナウイルスについて私たちは何を知っていますか？

COVID-19はSARS-CoV-2という新しく認められたタイプのコロナウイルスによって起こる病気です。 この新しいコロナウイルスがどのように出現したかについて理論が提唱されていますが、その起源を確定するためにはより多くの情報が必要です。 コロナウイルスには、重症急性呼吸器症候群（SARS）や中東呼吸器症候群（MERS）の原因となるウイルスも含まれており、これらはヒトに重度の上気道感染症を引き起こす。 また、これらのウイルスは動物にも感染します。 ニワトリでは呼吸器感染症を、牛や豚では下痢を引き起こします。 現在のデータでは、SARS-CoV-2はSARS（10％）やMERS（37％）に比べて致死率が低く（感染者の1％程度）、インフルエンザ（0.1％）よりも高いことが示唆されています。 これらのタンパク質は、肺や心臓、腎臓、腸などの臓器の細胞表面に存在するアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）と呼ばれるタンパク質に特異的に結合する。 SARS-CoV-2は、いったん付着すると細胞内に取り込まれ、ウイルス粒子が開いてRNAゲノムを放出し、それを鋳型としてさらにウイルスRNAやタンパク質を作る。 SARS-CoV-2感染後、自然免疫系と適応免疫系の両方に関与する細胞が急速に枯渇し、それによって抗ウイルス免疫が著しく損なわれることが分かっている

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図2. コロナウイルスの構造図。

図はコロナウィルスの構造を断面で示したものである。 コロナウイルスのゲノムは、長いRNA鎖がタンパク質に巻きついて、膜タンパク質の殻の中に組み立てられている。 この構造は、さらに2つのタンパク質を含むエンベロープによって囲まれており、そのうちの1つであるスパイクタンパク質は、感染前にウイルスを標的細胞に付着させる役割を担っている。 詳細はこちらをご覧ください。 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22816037.

現在、SARS-CoV-2の感染に関する数理モデルがかなり重視されており、医療提供の負担を回避するために公衆衛生上の決定を通知しています。 数学的モデリングはこの記事の範囲外ですが、興味のある読者は、COVID-19に適用できる可能性のある疾患伝播の「SIRモデル」（感受性、感染、回復/除去）を説明する非公式のビデオを参照してください。 https://www.youtube.com/watch?v=k6nLfCbAzgo.

「集団免疫」とは何ですか？

ウイルス感染は、それに感受性のある個人がウイルス粒子と接触した場合にのみ、集団全体を覆うことができます。 人々が自分自身を隔離していれば、ウイルスに遭遇したり、感受性の高い人に伝染させたりする可能性ははるかに低くなります。 また、一度ウイルスに感染した人は、それに対する防御抗体を獲得しているため、一般に再感染することはない。 集団の中でウイルスから回復した人が多ければ多いほど、ウイルスが感受性の高い人に出会う可能性は低くなり、感染が広がる可能性は低くなります。 この概念は群れ免疫として知られている。

群れ免疫を達成するために感染に対する免疫が必要な集団の割合は、いくつかの要因に左右される。 重要な要因は、ウイルス粒子がどのように広がるかであるため、人々の間の接触量である。 自由に混合している集団では、群れ免疫は1人の個体が平均して何人の人に感染するか（「基本再生産数」；R0として知られている）に依存している。 R0の値はウイルスの種類によって異なる。 COVID-19のR0は約2.5と推定されています。 一方、麻疹はもっと拡散しやすく、R0は12〜18と言われています。 ある病気に対する免疫を獲得し、その病気の蔓延を効果的に阻止するために必要な人口の割合は「群衆免疫閾値」として知られており、R0を用いて以下の式で計算することができます：

群衆免疫閾値 = (R0 – 1)

したがって、R0が2であるCOVID-19については、2.5であることがわかります。5の場合、式は次のようになる：

CoVID-19 herd immunity threshold = (2.5 – 1)

したがって、さらなる広がりを防ぐためには、人口の約60％がCOVID-19に対する免疫を持つ必要がある。

群体免疫は、人々が感染して免疫系が耐性を獲得することによって、あるいは、病気を引き起こすことなく適応免疫系からの反応を引き起こすウイルスの断片を用いたワクチン接種によって達成することができます。 感染力が強い病気ほど、ワクチン接種が必要な人の割合が高くなります。 例えば麻疹の場合、R0は12～18で、世界保健機関はこの病気を撲滅するために95％のワクチン接種率を推奨していますが、英国は現在これを達成するのに苦労しています

現在、COVID-19に対するワクチンはないため、集団免疫は人口の約60％が感染して免疫を身につけることによってのみ実現できることを意味しています。 英国では、集団免疫の目標に達するには4000万人近くが感染することが必要である。 しかし、致死率が1％程度であれば、何千人もの人々が感染によって死亡することになる。 さらに、感染者のうち何万人もの人が呼吸困難に陥り、入院を余儀なくされ、その数は一挙に医療システムを圧迫することになる。 長期的には、世界の人口がCOVID-19に対する免疫を獲得し、さらなる大発生を抑えることができるかもしれないが、集団免疫は現在のCOVID-19危機に対するもっともらしい解決策ではない。

異なるタンパク質を作り出すことによって、ウイルスはワクチン接種や元のウイルスへの過去の曝露によって得られた免疫をバイパスすることができる。 このようなSARS-CoV-2に関する知識の進歩は、感染した人がもう感染していないことを示す検査や、治療用ワクチンの開発につながるでしょう。 突然変異は、そのRNAゲノムの塩基配列の変化から生じ、異なるタンパク質の産生につながるだろう。 異なるタンパク質を作り出すことで、ワクチン接種や過去に元のウイルスに感染した際に得られる免疫を回避することができる。 SARS-CoV-2は変異することが知られており、現在世界中に拡散しているウイルスも、原種からヒトへ移行する際に変異を起こしたと考えられる。 さらに、中国の武漢で発生したオリジナルのSARS-CoV-2と、現在米国でCOVID-19を引き起こしているウイルスの株には、遺伝子の違いがあることが分かっている。 つまり、SARS-CoV-2はヒトの宿主を通過する際に変異しているのです。

相当数の生物医学、製薬、臨床の研究者がSARS-CoV-2に注目しています。 PubMedなどの研究発表データベースを調べてみると、2019年全体でコロナウイルスに関する発表項目は695件であった。 一方、2020年の最初の3カ月間では、すでに1,818件の発表がカウントされています。 新しい情報が増えるたびに、私たちはウイルスを理解し、ウイルスから身を守るためのソリューションを開発することに近づいています。 また、病原体に対する人体の重要な防御システムである免疫系についても学びます。 その過程で、科学的方法と、科学者が病原体を理解し、感染症の予防に役立てる方法について学びます。 しかし、課題はまだ残っています。 病原体はどこにでも存在し、あらゆる形や大きさでやってきます。 このように、感染症との闘いは、今日も世界の健康にとって極めて重要なのです。

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