治療新冠病毒的新答案：量子生物學

光子盒研究院出品

新型冠狀病毒SARS-CoV-2（疾病名稱COVID-19）已經從根本上改變了我們所處的世界：雖然SARS-CoV-2疫苗的開發不可或缺，但不可否定的是，我們已經進入了一個大流行病的新時代。鑑於受體識別、結合和激活在生物學背景下的重要性，亟需在病毒入侵宿主機制的背景下回顧量子遂穿效應。

近日，南非科學團隊回顧了SARS-CoV-2感染的量子隧穿作用，並從三個方面討論了這種聯繫可能產生的後果：宿主細胞入侵、醫療干預和病毒後綜合徵。

01

生物分子識別：新冠病毒的酶功能、受體結合、嗅覺症狀和免疫反應

電荷轉移是量子生物學中的一個成熟話題；更具體地說，這種轉移的生物學背景往往是膜包埋蛋白。科學家們非常關注生物環境如何協助電荷的轉移過程，例如，通過蛋白質支架的振動、結合配體的振動。因此，在SARS-CoV-2病毒感染的背景下考慮電荷轉移問題極有意義：該病毒利用膜包埋蛋白入侵宿主細胞。

SARS-CoV-2穗狀蛋白通過與細胞膜嵌入的ACE2受體結合入侵宿主細胞。

我們目前對SARS-CoV-2病毒的瞭解觸及隧穿效應的具體生物實例：酶、受體結合和嗅覺。

在新冠病毒增殖之前需要入侵其宿主細胞；研究表明，SARS-CoV-2病毒最有可能通過與宿主的酶，特別是血管緊張素轉換酶（ACE2）的相互作用侵入宿主細胞。病毒的穗狀蛋白，也是疫苗的目標，與膜埋藏的ACE2結合，促進了病毒和宿主膜的融合。

ACE2是一種調節G蛋白偶聯受體（GPCR）結合配體血管緊張素形式的酶，這種激素是腎素-血管緊張素-醛固酮系統（RAAS）的一部分。除此之外，血管緊張素對血管擴張和血管收縮的平衡很重要，它們也是心血管功能的組成部分。雖然ACE2酶是目前大部分研究的重點，但其他酶也與SARS-CoV-2病毒感染有關。

例如，宿主細胞的絲氨酸蛋白酶TMPRSS2對穗狀蛋白的蛋白引物是必要的，並促進病毒進入宿主細胞；組織蛋白酶L（cathepsin L），與刺突蛋白裂解和增強病毒進入宿主細胞有關。

GPCR本身似乎也在與SARS-CoV-2感染相關的疾病中起作用。COVID-19對嗅覺的影響是該疾病的決定性症狀之一，ACE2在嗅覺上皮細胞中表達升高，而嗅覺GPCR也位於該處，這可能是COVID-19相關的無嗅症或嗅覺改變的原因；GPCR在COVID-19的炎症反應方面也很重要。發病率的增加與該病毒誘發的細胞因子風暴有關，細胞因子是由免疫細胞產生的小蛋白。然而，細胞因子的過度生產和失調可能導致組織損傷和死亡。因此，有人建議將細胞因子作爲改善COVID-19死亡率的可能治療目標。

量子效應是否可能在SARS-CoV-2感染等方面起作用是值得商榷的。然而，生理背景下的分子識別和結合是病毒感染的組成部分；作爲酶功能、受體結合、嗅覺症狀和免疫反應的一個共同因素，它值得通過儘可能多的視角進行更仔細的審查。

02

新冠病毒刺突蛋白的結合：建立電子傳遞過程模型

具體實驗中，科學家將穗狀蛋白和ACE2受體的相互作用建模爲振動輔助電子轉移。

利用開放的開放量子系統概念，並借用爲嗅覺開發的模型，團隊概述了ACE2受體的最大轉移概率，與它和SARS-CoV-2刺突蛋白相關的單一振動電子模式的耦合關係，並將受體建模爲一個二聚體：

在SARS-CoV-2感染的背景下，振動輔助隧穿的簡化建模。穗狀蛋白的振動光譜與ACE2受體中電子的轉換能量相匹配，促進了電子轉移和受體激活。

最終，二聚體（J）中各層次之間的耦合（γ）被繪製爲每個振動電子頻率的不同值範圍：0.0001、0.001、0.01和0.1 eV。團隊在穗狀蛋白的三種振動電子頻率模式下，用拉曼光譜法針對SARS-CoV-2進行了研究，並繪製了三種不同頻率的結果：不同頻率的振子模式顯示出類似的效果。

從左到右：振子模式頻率ω=0.2069eV、0.1537 eV、0.1240 eV的耦合情況。藍色區域顯示出轉移增強，白色區域顯示出沒有增強，而紅色區域顯示出轉移減少。圖（a）-（d）均顯示了從J=0.0001 eV到J=0.1 eV的一個數量級的二聚體耦合強度增加的效果。這些結果有效地說明了振動輔助隧穿作用的（生物相關的）參數窗口。

03

新冠感染、後遺症藥物的研發新機遇

1）藥物開發新思路

更好地瞭解病毒和宿主細胞通過分子識別和結合相互作用的各種方式可能導致COVID-19的新療法：受體結合的機制是藥物開發中的一個重要因素。已經有人提出，用ACE2抑制劑治療可能對該疾病的嚴重性有影響；還有人認爲，引入可溶性ACE2可能會在病毒與膜上的ACE2受體結合之前與病毒的穗狀蛋白結合，從而對病毒起作用；ACE2受體還能催化不同形式的血管緊張素與GPC受體結合；ACE2抑制劑可以阻止不同的血管緊張素蛋白產生，而血管緊張素受體阻斷劑則可以阻止血管緊張素蛋白的作用。

據報道，其他GPCR激動劑對緩解COVID-19感染也有一定效果。組胺（Histamine）除了介導免疫和過敏反應外，還在神經調節和傳導中發揮作用——它能與一些GPCR結合；另一方面，抗組胺藥與組胺GPCR結合，作爲阻斷劑或反向激動劑發揮作用：某些抗組胺藥通過破壞病毒與宿主細胞結合的方式來防止SARS-CoV-2感染。對於尼古丁受體是否至少部分地作爲GPCR發揮作用，仍有一些疑問。然而，這些受體確實打開了離子通道。雖然對吸菸本身是否對COVID-19有任何保護作用幾乎沒有爭議，但尼古丁可能是對嚴重疾病的一種潛在的治療干預。然而，目前仍不清楚尼古丁的作用是有益還是有害。

將嗅覺的振動理論推廣到神經遞質的結合，某些配體的激動劑和拮抗劑也可以根據其振動光譜進行分類。在SARS-CoV-2的背景下，通過例如拉曼光譜來篩選和選擇相關配體，可能會發現新的治療方法。突變的穗狀蛋白的不同振動光譜也可能允許對SARS-CoV-2的新變體的感染性進行一些預測。ACE2是氧化應激的調節器，有人認爲對COVID-19的脆弱性增加與氧化應激增加有關，通過年齡增加或潛在的健康問題等因素。氧化還原反應在體內激增，特別是在線粒體內的電子傳輸鏈中。穗狀蛋白也被證明可以直接調節線粒體的活動，很可能是通過ACE2信號傳導。無論刺突蛋白是否參與其中，越來越多的研究表明，線粒體與COVID-19有關，因此可能爲新的治療方案提供參考。

2）COVID-19後遺症

雖然氧化還原、受體結合機制和GPCR在SARS-CoV-2感染中的參與可能導致對該疾病的新的治療方法，但它也可能爲被稱爲“新冠後遺症”的病毒後情況提供見解。對這種情況的研究仍處於非常早期的階段，由於大量的人似乎經歷了與COVID-19有關的長期症狀，迫切需要進行更多的相關研究。

COVID-19後遺症不一定與活動性感染的嚴重程度相關，有些病人在疾病的最初、急性階段報告症狀較輕，然後纔會出現持久的後遺症。一些長期影響可能是由於COVID-19對肺部和心臟等器官造成的損害；然而，在那些報告長期影響的人中，有相當一部分人沒有明顯的生物標誌物來解釋他們令人迷惑的症狀集合：從疲勞和關節疼痛到腦霧、記憶問題、情緒波動和精神疾病。

由於缺乏明確的機制和廣泛的症狀，COVID後遺症類似於肌痛性腦脊髓炎（ME）或慢性疲勞綜合徵（CFS）。有一些研究指出GPCR參與ME和CFS，特別是自身抗體對GPCR功能的破壞。GPC受體控制着廣泛的基本功能，並與廣泛的不同配體結合，這使它們成爲藥物開發的極佳目標。然而，這也意味着特定的配體可能與其主要受體以外的受體相互作用，例如導致GPCR靶向藥物的副作用。COVID後遺症是否涉及GPCR的破壞還有待觀察。但如果ACE2既能與SARS-CoV-2病毒結合，又能與血管緊張素等分子結合，那麼也許病毒至少可以部分地模仿血管緊張素與GPCR結合的方式，或者通過特定的病毒蛋白或通過自身抗體。

GPCR中斷也有可能解釋COVID患者報告的一系列廣泛的症狀，因爲GPCR牽涉到許多不同的生理過程。GPCR參與離子通道的作用也可能被證明是潛在治療方法的研究途徑。病毒或病毒羣在人體中發揮着重要的、尚未被完全理解的作用。因此可以想象，COVID後遺症是SARS-CoV-2病毒的某些方面被納入宿主細胞的表現，甚至超過了感染階段。特別是SARS-CoV-2病毒的包膜蛋白已被證明具有病毒素的能力，離子通道在維持膜電位方面起着重要作用，這種膜電位在疾病中起着重要作用，特別是在癌症中。

04

量子生物學：有望對新冠病毒提供更多見解

本文圍繞兩個相關的論斷展開：在分子識別和接收發揮作用的各種情況下，量子遂穿效應是值得研究的；以及量子遂穿效應可能牽涉到SARS-CoV-2刺突蛋白的受體結合方式，或者通過酶的作用或GPCR的參與。

這些對受體識別的更好理解可能有助於更好的醫療干預，量子生物學也可以爲保護SARS-CoV-2病毒、以及未來的新型病毒提供更多的知識儲備。

參考文獻：

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