治疗新冠病毒的新答案：量子生物学

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光子盒研究院出品

新型冠状病毒SARS-CoV-2（疾病名称COVID-19）已经从根本上改变了我们所处的世界：虽然SARS-CoV-2疫苗的开发不可或缺，但不可否定的是，我们已经进入了一个大流行病的新时代。鉴于受体识别、结合和激活在生物学背景下的重要性，亟需在病毒入侵宿主机制的背景下回顾量子遂穿效应。

近日，南非科学团队回顾了SARS-CoV-2感染的量子隧穿作用，并从三个方面讨论了这种联系可能产生的后果：宿主细胞入侵、医疗干预和病毒后综合征。

01
生物分子识别：新冠病毒的酶功能、受体结合、嗅觉症状和免疫反应

电荷转移是量子生物学中的一个成熟话题；更具体地说，这种转移的生物学背景往往是膜包埋蛋白。科学家们非常关注生物环境如何协助电荷的转移过程，例如，通过蛋白质支架的振动、结合配体的振动。因此，在SARS-CoV-2病毒感染的背景下考虑电荷转移问题极有意义：该病毒利用膜包埋蛋白入侵宿主细胞。




SARS-CoV-2穗状蛋白通过与细胞膜嵌入的ACE2受体结合入侵宿主细胞。

我们目前对SARS-CoV-2病毒的了解触及隧穿效应的具体生物实例：酶、受体结合和嗅觉。

在新冠病毒增殖之前需要入侵其宿主细胞；研究表明，SARS-CoV-2病毒最有可能通过与宿主的酶，特别是血管紧张素转换酶（ACE2）的相互作用侵入宿主细胞。病毒的穗状蛋白，也是疫苗的目标，与膜埋藏的ACE2结合，促进了病毒和宿主膜的融合。

ACE2是一种调节G蛋白偶联受体（GPCR）结合配体血管紧张素形式的酶，这种激素是肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）的一部分。除此之外，血管紧张素对血管扩张和血管收缩的平衡很重要，它们也是心血管功能的组成部分。虽然ACE2酶是目前大部分研究的重点，但其他酶也与SARS-CoV-2病毒感染有关。

例如，宿主细胞的丝氨酸蛋白酶TMPRSS2对穗状蛋白的蛋白引物是必要的，并促进病毒进入宿主细胞；组织蛋白酶L（cathepsin L），与刺突蛋白裂解和增强病毒进入宿主细胞有关。

GPCR本身似乎也在与SARS-CoV-2感染相关的疾病中起作用。COVID-19对嗅觉的影响是该疾病的决定性症状之一，ACE2在嗅觉上皮细胞中表达升高，而嗅觉GPCR也位于该处，这可能是COVID-19相关的无嗅症或嗅觉改变的原因；GPCR在COVID-19的炎症反应方面也很重要。发病率的增加与该病毒诱发的细胞因子风暴有关，细胞因子是由免疫细胞产生的小蛋白。然而，细胞因子的过度生产和失调可能导致组织损伤和死亡。因此，有人建议将细胞因子作为改善COVID-19死亡率的可能治疗目标。

量子效应是否可能在SARS-CoV-2感染等方面起作用是值得商榷的。然而，生理背景下的分子识别和结合是病毒感染的组成部分；作为酶功能、受体结合、嗅觉症状和免疫反应的一个共同因素，它值得通过尽可能多的视角进行更仔细的审查。

02
新冠病毒刺突蛋白的结合：建立电子传递过程模型

具体实验中，科学家将穗状蛋白和ACE2受体的相互作用建模为振动辅助电子转移。

利用开放的开放量子系统概念，并借用为嗅觉开发的模型，团队概述了ACE2受体的最大转移概率，与它和SARS-CoV-2刺突蛋白相关的单一振动电子模式的耦合关系，并将受体建模为一个二聚体：




在SARS-CoV-2感染的背景下，振动辅助隧穿的简化建模。穗状蛋白的振动光谱与ACE2受体中电子的转换能量相匹配，促进了电子转移和受体激活。


最终，二聚体（J）中各层次之间的耦合（γ）被绘制为每个振动电子频率的不同值范围：0.0001、0.001、0.01和0.1 eV。团队在穗状蛋白的三种振动电子频率模式下，用拉曼光谱法针对SARS-CoV-2进行了研究，并绘制了三种不同频率的结果：不同频率的振子模式显示出类似的效果。










从左到右：振子模式频率ω=0.2069eV、0.1537 eV、0.1240 eV的耦合情况。蓝色区域显示出转移增强，白色区域显示出没有增强，而红色区域显示出转移减少。图（a）-（d）均显示了从J=0.0001 eV到J=0.1 eV的一个数量级的二聚体耦合强度增加的效果。这些结果有效地说明了振动辅助隧穿作用的（生物相关的）参数窗口。


03
新冠感染、后遗症药物的研发新机遇

1）药物开发新思路

更好地了解病毒和宿主细胞通过分子识别和结合相互作用的各种方式可能导致COVID-19的新疗法：受体结合的机制是药物开发中的一个重要因素。已经有人提出，用ACE2抑制剂治疗可能对该疾病的严重性有影响；还有人认为，引入可溶性ACE2可能会在病毒与膜上的ACE2受体结合之前与病毒的穗状蛋白结合，从而对病毒起作用；ACE2受体还能催化不同形式的血管紧张素与GPC受体结合；ACE2抑制剂可以阻止不同的血管紧张素蛋白产生，而血管紧张素受体阻断剂则可以阻止血管紧张素蛋白的作用。

据报道，其他GPCR激动剂对缓解COVID-19感染也有一定效果。组胺（Histamine）除了介导免疫和过敏反应外，还在神经调节和传导中发挥作用——它能与一些GPCR结合；另一方面，抗组胺药与组胺GPCR结合，作为阻断剂或反向激动剂发挥作用：某些抗组胺药通过破坏病毒与宿主细胞结合的方式来防止SARS-CoV-2感染。对于尼古丁受体是否至少部分地作为GPCR发挥作用，仍有一些疑问。然而，这些受体确实打开了离子通道。虽然对吸烟本身是否对COVID-19有任何保护作用几乎没有争议，但尼古丁可能是对严重疾病的一种潜在的治疗干预。然而，目前仍不清楚尼古丁的作用是有益还是有害。

将嗅觉的振动理论推广到神经递质的结合，某些配体的激动剂和拮抗剂也可以根据其振动光谱进行分类。在SARS-CoV-2的背景下，通过例如拉曼光谱来筛选和选择相关配体，可能会发现新的治疗方法。突变的穗状蛋白的不同振动光谱也可能允许对SARS-CoV-2的新变体的感染性进行一些预测。ACE2是氧化应激的调节器，有人认为对COVID-19的脆弱性增加与氧化应激增加有关，通过年龄增加或潜在的健康问题等因素。氧化还原反应在体内激增，特别是在线粒体内的电子传输链中。穗状蛋白也被证明可以直接调节线粒体的活动，很可能是通过ACE2信号传导。无论刺突蛋白是否参与其中，越来越多的研究表明，线粒体与COVID-19有关，因此可能为新的治疗方案提供参考。

2）COVID-19后遗症

虽然氧化还原、受体结合机制和GPCR在SARS-CoV-2感染中的参与可能导致对该疾病的新的治疗方法，但它也可能为被称为“新冠后遗症”的病毒后情况提供见解。对这种情况的研究仍处于非常早期的阶段，由于大量的人似乎经历了与COVID-19有关的长期症状，迫切需要进行更多的相关研究。

COVID-19后遗症不一定与活动性感染的严重程度相关，有些病人在疾病的最初、急性阶段报告症状较轻，然后才会出现持久的后遗症。一些长期影响可能是由于COVID-19对肺部和心脏等器官造成的损害；然而，在那些报告长期影响的人中，有相当一部分人没有明显的生物标志物来解释他们令人迷惑的症状集合：从疲劳和关节疼痛到脑雾、记忆问题、情绪波动和精神疾病。

由于缺乏明确的机制和广泛的症状，COVID后遗症类似于肌痛性脑脊髓炎（ME）或慢性疲劳综合征（CFS）。有一些研究指出GPCR参与ME和CFS，特别是自身抗体对GPCR功能的破坏。GPC受体控制着广泛的基本功能，并与广泛的不同配体结合，这使它们成为药物开发的极佳目标。然而，这也意味着特定的配体可能与其主要受体以外的受体相互作用，例如导致GPCR靶向药物的副作用。COVID后遗症是否涉及GPCR的破坏还有待观察。但如果ACE2既能与SARS-CoV-2病毒结合，又能与血管紧张素等分子结合，那么也许病毒至少可以部分地模仿血管紧张素与GPCR结合的方式，或者通过特定的病毒蛋白或通过自身抗体。

GPCR中断也有可能解释COVID患者报告的一系列广泛的症状，因为GPCR牵涉到许多不同的生理过程。GPCR参与离子通道的作用也可能被证明是潜在治疗方法的研究途径。病毒或病毒群在人体中发挥着重要的、尚未被完全理解的作用。因此可以想象，COVID后遗症是SARS-CoV-2病毒的某些方面被纳入宿主细胞的表现，甚至超过了感染阶段。特别是SARS-CoV-2病毒的包膜蛋白已被证明具有病毒素的能力，离子通道在维持膜电位方面起着重要作用，这种膜电位在疾病中起着重要作用，特别是在癌症中。





04
量子生物学：有望对新冠病毒提供更多见解

本文围绕两个相关的论断展开：在分子识别和接收发挥作用的各种情况下，量子遂穿效应是值得研究的；以及量子遂穿效应可能牵涉到SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合方式，或者通过酶的作用或GPCR的参与。

这些对受体识别的更好理解可能有助于更好的医疗干预，量子生物学也可以为保护SARS-CoV-2病毒、以及未来的新型病毒提供更多的知识储备。

参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-21321-1

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