코로나 19의 치료 및 예방 : 비타민C로 생성된 산화질소(NO)의 역할 측면에서

[박경태]

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9963342/

제가 이해하고 요약한 내용입니다!

1. 개요

- 산화질소(NO)는 바이러스, 박테리아의 비활성에 기여하는 중요한 역할을 한다.
- 인체 내에서 질산염, 아질산염은 니트로사민이라는 발암물질을 만들어내는데 비타민C가 충분히 공급되면 이러한 물질들이 환원작용을 통해 NO를 만들어 냄으로써 면역체계에 기여함.

2. 코로나 치료 및 예방에 NO의 역할

- 코로나바이러스는 ACE2 표면 수용체와의 상호작용을 통해 인간 숙주 세포에 침범한다.
→ NO는 ACE2에 결합하는데 필요한 스파이크 단백질의 palmitoylation을 억제하는 기전.

3. 비타민C

- 비타민C를 경구 복용시 환원 메커니즘에 의해 NO생성을 촉진한다.
- 위액의 강한 산성도는 이 반응을 촉진하는데, 반대로 생각해보면 위산저하된 사람의 경우 비타민C경구복용 효과가 덜 할 수 있다.
- 혈장 내에서 비타민C는 수송체(SVCT)에 통합되어 산화된 형태인 DHA로 포도당 수송체에 흡수되는데, 포도당과 경쟁한다. 반대로 생각해보면 고혈당, 당뇨 환자의 경우 비타민C 흡수가 저하될 수 있다.

=> 비타민C용량 설정시에 위산, 혈당 체크도 필요하다!!

- 위급한 상황에서는 경구복용은 한계가 있기에 고용량 정맥치료도 고려해볼 수 있다.

Abstract

Linus Pauling, who was awarded the Nobel Prize in Chemistry, suggested that a high dose of vitamin C (l-ascorbic acid) might work as a prevention or treatment for the common cold. Vitamin C therapy was tested in clinical trials, but clear evidence was not found at that time. Although Pauling’s proposal has been strongly criticized for a long time, vitamin C therapy has continued to be tested as a treatment for a variety of diseases, including coronavirus infectious disease 2019 (COVID-19). The pathogen of COVID-19, SARS-CoV-2, belongs to the β-coronavirus lineage, which includes human coronavirus, severe acute respiratory syndrome (SARS), and Middle East respiratory syndrome (MERS). This review intends to shed new light on vitamin C antiviral activity that may prevent SARS-CoV-2 infection through the chemical production of nitric oxide (NO). NO is a gaseous free radical that is largely produced by the enzyme NO synthase (NOS) in cells. NO produced by upper epidermal cells contributes to the inactivation of viruses and bacteria contained in air or aerosols. In addition to enzymatic production, NO can be generated by the chemical reduction of inorganic nitrite (NO2−), an alternative mechanism for NO production in living organisms. Dietary vitamin C, largely contained in fruits and vegetables, can reduce the nitrite in saliva to produce NO in the oral cavity when chewing foods. In the stomach, salivary nitrite can also be reduced to NO by vitamin C secreted from the epidermal cells of the stomach. The strong acidic pH of gastric juice facilitates the chemical reduction of salivary nitrite to produce NO. Vitamin C contributes in multiple ways to the host innate immune system as a first-line defense mechanism against pathogens. Highlighting chemical NO production by vitamin C, we suggest that controversies on the therapeutic effects of vitamin C in previous clinical trials may partly be due to less appreciation of the pleiotropic functions of vitamin C as a universal bioreductant.

Keywords: antiviral activity, COVID-19, l-ascorbic acid: Linus Pauling, nitric oxide, nitrite, SARS-CoV-2, vitamin C

- 노벨 화학상을 수상한 라이너스 폴링(Linus  Pauling)은 고용량의 비타민 C (L‑아스코르브산)이 감기 예방 또는 치료에  효과가  있을  수 있다고 제안했습니다. 당시에는 비타민 C요법에 대한 명확한 근거가 발견되지 않아서 오랫동안 강한 비판을  받아왔지만, 비타민C 요법은  COVID‑19을 포함한 다양한  질병에 대한 치료법으로 지속연구가 되고 있습니다.

- 이 논문에서는 산화질소(NO)의 화학적 생성을 통해  SARS‑CoV‑2 감염을  예방할 수 있는 비타민C  항바이러스 활성에 대한 사실을 설명할 예정입니다. NO는 세포에서  NOS 효소에 의해 주로 생성되는기체 자유 라디칼입니다.

- 상부 표피세포에서 생성된 NO는 공기에 포함된 바이러스와 박테리아의 비활성에 기여합니다. 효소적 생산외에도 살아있는 유기체에서 NO생산을 위한 대체 매커니즘인 무기 아질산염(NO2-)의 화학적 환원에 의해서도 NO가 생성될 수 있습니다.

- 과일과 채소에 함유되어있는 식이 Vit C는 음식을 씹을 때 타액의 아질산염을 감소시켜 구강 내 NO를 생성할 수 있고

- 타액의 아질산염은 위 표피 세포에서 분비되는 비타민 C에 의해 NO로 환원될 수도 있습니다.

- 위액의 강한 산성 PH는 타액 아질산염의 화학적 환원을 촉진하여 NO를 생성하기도 합니다.

= 이렇듯 비타민C는 병원체에 대한 1차 방어 매커니즘으로서 숙주의 천연면역체계에 다양한 방식으로 기여하고 있습니다.

요약

- 산화질소(NO)는 바이러스, 박테리아의 비활성에 기여하는 중요한 역할을 한다.

- 인체내에서 질산염, 아질산염은 니트로사민이라는 발암물질을 만들어내는데, 비타민C를 충분히 공급하면 이러한 물질들이 환원작용을 통해 NO를 만들어냄으로써 면역체계에 기여하게 됨.

3.3. Anti-SARS-CoV-2 Activity of NO

The antiviral activity of NO has been reported for many types of viruses, most typically, DNA viruses such as murine poxvirus, herpesviruses, and some RNA viruses [55]. The direct action of NO as an antiviral agent involves the inhibition of viral replication and viral entry into the host [70,71]. In 1999, Saura et al. demonstrated that the in vitro replication of the RNA virus coxsackievirus is suppressed by NO-dependent S-nitrosylation that causes the inactivation of viral cysteine protease, an enzyme necessary for replication [72]. The S-nitrosylation of the cysteine-containing enzymes of viruses is thought to be a general mechanism for the antiviral activity of NO [73].

SARS-CoV-2 is a positive-sense RNA virus belonging to the family Coronaviridae, which includes severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), the pathogen that caused the SARS outbreak. In 2005, Akerstrom et al. reported that the NO chemical donor SNAP inhibits the in vitro replication cycle and the protein and RNA synthesis of SARS-CoV [74]. This inhibitory effect was not observed with SNP (sodium nitroprusside), another chemical NO donor [38]. Likewise, NO released from SNAP was reported to inhibit the replication of SARS-CoV-2 in Vero E6 cells through the inhibition of the SARS-CoV-2 3CL cysteine protease [75].

Macrophages are multifunctional innate immune cells that play an essential role in the clearance of pathogens and control inflammatory responses. Recent studies have suggested that S-palmitoylation is a key reaction for control macrophages in the processes of endocytosis [76]. Interestingly, NO was reported to suppress the palmitoylation of the spike (S) proteins that is needed for their binding to ACE2 [77]. The spike (S) proteins of coronaviruses are receptor-binding proteins that are synthesized in the endoplasmic reticulum (ER), followed by complex post-translational modification in the host Golgi apparatus [78,79,80]. S-Palmitoylation is one of the post-translational modifications in the Golgi apparatus where palmitoyl acyltransferase (PAT) adds the saturated fatty acid palmitate (C16:0) to the cysteine thiol group (-SH) of proteins [78,80]. Protein modification causes an increase in the hydrophobicity of the proteins, which is essential for cell-cell fusion activity [79,81]. Endothelial NO synthase (eNOS), an isoform of the host’s NO-producing enzyme, can be modified by palmitoylation, and its activity is decreased by the modification [82]. S-nitrosylation of the SARS-CoV spike (S) protein with NO may reduce cell-cell fusion activity through decreased amounts of spike (S) protein palmitoylation [77]. It is presumable that the disturbance of the cysteine palmitoylation of the spike (S) proteins is also involved in the mechanism for antiviral activity of NO against the coronavirus [83].

3.3. NO의 항-SARS-CoV-2 활성

NO의 항바이러스 활성은 여러 유형의 바이러스, 가장 일반적으로는 쥐 수두 바이러스, 헤르페스 바이러스, 일부 RNA 바이러스와 같은 DNA 바이러스에 대해 보고되었습니다 [55]. 항바이러스제로서 NO의 직접적인 작용은 바이러스 복제와 숙주로의 바이러스 침입을 억제하는 것입니다[70,71]. 1999년에 사우라 등은 RNA 바이러스 콕사키바이러스의 시험관 내 복제가 복제에 필요한 효소인 바이러스 시스테인 프로테아제의 불활성화를 유발하는 NO 의존성 S-니트로실화에 의해 억제된다는 사실을 입증했습니다[72]. 바이러스의 시스테인 함유 효소의 S-니트로실화(S-nitrosylation)는 NO의 항바이러스 활성에 대한 일반적인 메커니즘으로 생각됩니다 [73].

SARS-CoV-2는 사스 발병을 일으킨 병원체인 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스(SARS-CoV)를 포함하는 코로나 바이러스과에 속하는 양감각 RNA 바이러스입니다. 2005년에 아커스트롬 등은 NO 화학 공여체 SNAP가 SARS-CoV의 체외 복제 주기와 단백질 및 RNA 합성을 억제한다고 보고했습니다[74]. 이러한 억제 효과는 또 다른 화학적 NO 공여체인 SNP(나트륨 니트로프루사이드)에서는 관찰되지 않았습니다 [38]. 마찬가지로, SNAP에서 방출된 NO는 SARS-CoV-2 3CL 시스테인 프로테아제의 억제를 통해 Vero E6 세포에서 SARS-CoV-2의 복제를 억제하는 것으로 보고되었습니다 [75].

대식세포는 병원균을 제거하고 염증 반응을 제어하는 데 필수적인 역할을 하는 다기능 선천성 면역 세포입니다. 최근 연구에 따르면 S-팔미토일화(S-palmitoylation)가 내피세포화 과정에서 대식세포를 제어하는 핵심 반응이라고 합니다 [76]. 흥미롭게도 NO는 ACE2에 결합하는 데 필요한 스파이크 (S) 단백질의 팔미토일화를 억제하는 것으로 보고되었습니다 [77]. 코로나바이러스의 스파이크(S) 단백질은 소포체(ER)에서 합성된 후 숙주 골지체에서 복잡한 번역 후 변형을 거치는 수용체 결합 단백질입니다[78,79,80]. S-팔미토일화는 골지체의 번역 후 변형 중 하나로, 팔미토일 아실 트랜스퍼라제(PAT)가 단백질의 시스테인 티올기(-SH)에 포화 지방산 팔미테이트(C16:0)를 추가하는 과정입니다[78,80]. 단백질 변형은 단백질의 소수성을 증가시켜 세포 간 융합 활동에 필수적인 역할을 합니다[79,81]. 숙주의 NO 생성 효소의 이소형인 혈관내피 NO 합성효소(eNOS)는 팔미토일화에 의해 변형될 수 있으며, 그 활성은 변형에 의해 감소합니다[82]. SARS-CoV 스파이크(S) 단백질을 NO로 S-니트로실화하면 스파이크(S) 단백질 팔미토일화의 양이 감소하여 세포-세포 융합 활성이 감소할 수 있습니다 [77]. 스파이크(S) 단백질의 시스테인 팔미토일화 교란은 코로나 바이러스에 대한 NO의 항바이러스 활성 메커니즘에도 관여하는 것으로 추정됩니다 [83].

경구 복용 아스코르브산과 질산염의 코로나19 예방 및 완화 기능.

식물(채소 및 과일)은 조직에 질산염(NO3-)과 비타민 C(l-아스코르브산염)를 풍부하게 함유하고 있습니다. 이러한 식품을 침과 함께 씹으면 환원 메커니즘에 의해 NO가 생성될 수 있습니다. 과일과 채소에 함유된 유기산은 구강에서 NO의 화학적 생성을 촉진합니다. 구강에는 침샘에서 분비되는 질산염을 아질산염(NO2-)으로 환원시킬 수 있는 매우 다양한 공생 박테리아가 서식하고 있습니다. 분말 비타민 C를 경구로 섭취하면 환원 메커니즘에 의해 구강 내에서 고농도의 NO가 생성될 수 있습니다. 아질산염을 포함한 타액이 위액과 섞일 때도 마찬가지로 화학적 NO 생성이 발생합니다. 위액의 강한 산성도는 화학적 NO 생성을 촉진합니다. NO3-는 소장에서 흡수되어 침샘에 농축됩니다. 혈장 내 비타민 C는 나트륨 의존성 비타민 C 수송체(SVCT)에 의해 세포에 통합됩니다[20]. 이와 동시에 비타민 C의 산화 된 형태 인 디 하이드로 아스코르브 산 (DHA)은 포도당 수송체 (GLUT)를 통해 흡수됩니다 [20]. 포도당은 수송체에서 DHA와 경쟁하기 때문에[163], 고당분 식단과 고혈당 상태에서는 세포 내 비타민 C 가용성이 제한될 수 있으며, 이는 당뇨병 환자에서 COVID-19의 병리학적인 심각성의 잠재적 원인으로 작용할 수 있습니다[164]. 아스코르브산과 DHA는 때때로 상반되는 직간접적인 약리 효과를 나타냅니다.

→ 반대로 쉽게 해석해보면 위산저하, 고혈당 상태에서는 비타민C의 흡수율이 감소된다!

7. Vitamin C Therapy in COVID-19

7.1. Free Radical Storm

“It’s not stress that kills us; it is our reaction to it” (Hans Selye, 1956) [172].

The Nobel laureate Hans Selye was a physiologist who established his theory on stress [173]. The stress theory had long been a philosophical concept that was rather difficult to explain on a molecular basis. Infectious diseases, including COVID-19, can be categorized as “biotic stress” due to the biological pathogen-host interactions. According to stress theory, the immune response can be interpreted as a stress response against biological stressors. Indeed, SARS-CoV-2 itself does not kill us, but our immune response “cytokine storm” or hyperinflammation accompanying the overproduction of NO and ROS kills us through organ failure.

NO and ROS are so called “double-edged swords”. In small amounts, they function as signaling molecules in cells, but continuous exposure at high concentrations sometimes damages the host cells themselves. In viral infection, proinflammatory cytokines, such as interferon-γ (INF- γ), upregulate iNOS, which potentially overproduces NO in the pathogenesis of viral infection [55]. NO overproduction may be directly linked to the pathogenesis of viral pneumonia [55]. In fact, the administration of the NOS inhibitor Nw-monomethyl-l-arginine (l-NMMA) or the O2− scavenger superoxide dismutase (SOD) protected and recovered influenza virus-infected mice [174,175]. Lab mice deficient in iNOS showed reduced morbidity, mortality, and diminished cytokine production in the lung tissue following an influenza virus challenge [176]. These early experiments clearly indicated that NO, as well as ROS, contribute not only to the host defense but also to the severity of viral pathogenic diseases. As Wu (2020) pointed out, it is not a “cytokine storm” but a “free radical storm” that may be the direct cause of organ failure or cell death in COVID-19 [177].

7.2. High-Dose Intravenous Vitamin C Treatment

Along with anti-inflammatory drugs, the use of potent antioxidants may become a clinical option to calm the “free radical storm” in critical conditions. Vitamin C therapy has been known for several decades as a safe adjunctive treatment that has been examined in a wide variety of diseases, including cancer [178], obesity [179], and SARS [19]. Sepsis is a medical emergency that occurs due to the hyper-immunological response of patients. ARDS is a devastating complication. There has recently been emerging evidence for the use of vitamin C as a treatment for sepsis [20]. Similarly, high-dose intravenous vitamin C (HDIVC) treatment has been reported to be effective in decreasing days of hospitalization, ICU stay and mortality in patients with COVID-19 [16,17,18,36]. Bypassing the limitations of vitamin C uptake through a sodium-dependent vitamin C transporter (SVCT1), HDVIC can achieve 70-fold higher plasma concentrations of vitamin C compared to oral administration [180]. Despite its long research background, however, there are controversies regarding the therapeutic effects of HDIVC treatment [20].

Early in the pandemic, the number of COVID-19 patients was apparently low in Japan in contrast with Europe and the U.S., despite its high population density, large percentage of high-risk individuals over 65 years old, and the absence of restricted social activities [181]. The paradoxical phenomenon was often called the “Japanese paradox” [182]. The Japanese paradox received much attention from researchers, as well as from the public at that time. Many hypotheses have been proposed to account for the Japanese paradox in terms of cultural differences, the preacquisition of immunity, genetic background (ACE2 and HLA), and BCG vaccination [183]. As discussed above, it is likely that nitrate-rich dietary foods are involved in the prevention of SARS-CoV-2 infection through a reductive mechanism (Figure 2). In good agreement with this prospect, the Japanese diet containing abundant nitrate has been reported to improve hypertension and other vascular diseases [183]. Despite the promising therapeutic effects of nitrate on NO generation, a recent randomized clinical trial did not support our expectations [184]. Moreover, Lorente et al. (2022) reported higher blood nitrate and nitrite levels in non-survivor COVID-19 patients than in healthy subjects [185], presumably due to the overproduction of NO that produces nitrate and nitrite as the degradation product (Section 4.2). Similar to vitamin C therapy, there have been contradictory results on the therapeutic effects of nitrate and nitrite. It is likely that ascorbate therapy alone, or nitrate (or nitrite) therapy alone, may be insufficient to drive the reductive mechanism. A combination of these factors, as well as the appropriate mode of delivery (intravenous administration or oral administration), could be required to maximize the effects, which is a possible reason why HDIVC treatment in the ICU is sometimes ineffective or has effects opposite to our expectations [18].

COVID-19를 포함한 전염병은 생물학적 병원체와 숙주의 상호 작용으로 인해 "생물학적 스트레스"로 분류할 수 있습니다. 스트레스 이론에 따르면 면역 반응은 생물학적 스트레스 요인에 대한 스트레스 반응으로 해석할 수 있습니다. 실제로 SARS-CoV-2 자체는 사람을 죽이지 않지만, 면역 반응인 "사이토카인 폭풍" 또는 NO와 ROS의 과잉 생산에 수반되는 과염증은 장기 부전을 통해 사람을 죽입니다.

NO와 ROS는 "양날의 검"이라고 불립니다. 소량으로 세포에서 신호 분자로 기능하지만, 고농도로 지속적으로 노출되면 숙주 세포 자체를 손상시키기도 합니다. 바이러스 감염에서 인터페론-γ(INF-γ)와 같은 전 염증성 사이토카인은 바이러스 감염의 발병 과정에서 잠재적으로 NO를 과잉 생산하는 iNOS를 상향 조절합니다[55]. NO 과잉 생산은 바이러스성 폐렴의 발병과 직접적으로 연관될 수 있습니다 [55]. 실제로 NOS 억제제인 Nw-모노메틸-l-아르기닌(l-NMMA) 또는 O2- 소거제인 슈퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD)를 투여하면 인플루엔자 바이러스에 감염된 마우스를 보호하고 회복시킬 수 있었습니다[174,175]. iNOS가 결핍된 실험용 쥐는 인플루엔자 바이러스에 감염된 후 폐 조직에서 이환율, 사망률이 감소하고 사이토카인 생산이 감소하는 것으로 나타났습니다[176]. 이러한 초기 실험은 ROS뿐만 아니라 NO가 숙주 방어뿐만 아니라 바이러스성 병원성 질환의 심각성에도 기여한다는 것을 분명히 보여주었습니다. Wu (2020)가 지적했듯이, COVID-19에서 장기 부전이나 세포 사멸의 직접적인 원인이 될 수 있는 것은 "사이토카인 폭풍"이 아니라 "자유 라디칼 폭풍"입니다 [177].

7.2. 고용량 정맥 비타민 C 치료
항염증제와 함께 강력한 항산화제를 사용하는 것이 위급한 상황에서 "자유 라디칼 폭풍"을 진정시키는 임상적 옵션이 될 수 있습니다. 비타민 C 요법은 암[178], 비만[179], 사스[19] 등 다양한 질병에 대해 검토된 안전한 보조 치료법으로 수십 년 동안 알려져 왔습니다. 패혈증은 환자의 과잉 면역 반응으로 인해 발생하는 의료 응급 상황입니다. ARDS는 치명적인 합병증입니다. 최근 패혈증 치료제로 비타민 C를 사용하는 것에 대한 새로운 증거가 나오고 있습니다[20]. 마찬가지로, 고용량 정맥 비타민 C(HDIVC) 치료는 COVID-19 환자의 입원일수, 중환자실 입원일수, 사망률을 줄이는 데 효과적인 것으로 보고되었습니다[16,17,18,36]. 나트륨 의존성 비타민 C 수송체(SVCT1)를 통한 비타민 C 섭취의 한계를 우회하는 HDVIC는 경구 투여에 비해 70배 높은 혈장 비타민 C 농도를 달성할 수 있습니다[180]. 그러나 오랜 연구 배경에도 불구하고 HDIVC 치료의 치료 효과에 대해서는 논란이 있습니다 [20].

팬데믹 초기에 일본은 높은 인구 밀도, 65세 이상의 고위험군 비율, 사회 활동의 제한이 없음에도 불구하고 유럽과 미국과 달리 코로나19 환자 수가 적은 것으로 나타났습니다[181]. 이러한 역설적인 현상은 종종 "일본 역설"이라고 불립니다 [182]. 일본의 역설은 당시 대중뿐만 아니라 연구자들로부터도 많은 관심을 받았습니다. 문화적 차이, 면역의 선취득, 유전적 배경(ACE2 및 HLA), BCG 백신 접종 등의 측면에서 일본 역설을 설명하기 위해 많은 가설이 제안되었습니다 [183]. 위에서 논의한 바와 같이 질산염이 풍부한 식이 식품이 환원 메커니즘을 통해 SARS-CoV-2 감염 예방에 관여할 가능성이 높습니다(그림 2). 이러한 전망과 일치하여 질산염이 풍부한 일본식 식단은 고혈압 및 기타 혈관 질환을 개선하는 것으로 보고되었습니다 [183]. NO 생성에 대한 질산염의 유망한 치료 효과에도 불구하고 최근의 무작위 임상 시험은 우리의 기대를 뒷받침하지 못했습니다 [184]. 또한, Lorente 등(2022)은 COVID-19 비생존자 환자에서 건강한 사람보다 혈중 질산염과 아질산염 수치가 더 높다고 보고했는데[185], 이는 아마도 질산염과 아질산염을 분해 산물로 생성하는 NO의 과잉 생산 때문인 것으로 추정됩니다(4.2항). 비타민 C 요법과 마찬가지로 질산염과 아질산염의 치료 효과에 대한 상반된 결과가 나왔습니다. 아스코르브산염 요법이나 질산염(또는 아질산염) 요법만으로는 환원 메커니즘을 촉진하기에 불충분할 수 있습니다. 효과를 극대화하기 위해서는 이러한 요인들과 적절한 전달 방식(정맥 투여 또는 경구 투여)의 조합이 필요할 수 있으며, 이것이 중환자실에서의 HDIVC 치료가 때때로 효과가 없거나 기대와 반대되는 효과를 보이는 이유일 수 있습니다 [18].

8. Updating Pauling’s Vitamin C Therapy

8.1. Long-Lasting Debates on the Pharmacological Effects of Vitamin C
Ascorbate was proven by Szent-Györgyi to function as vitamin C against scurvy [186], but its function against infectious diseases had been suggested as early as this discovery [187,188,189]. Nonetheless, vitamin C may be more strongly linked to the name of Linus Pauling. In 1971, Pauling proposed that the oral intake of vitamin C may reduce the incidence and morbidity of the common cold based on his own meta-analysis (which is one of the earliest ones), using clinical trial data available at that time [190,191]. Almost simultaneously, Pauling advocated in 1970 the efficacy of vitamin C on the common cold to the public in his book, Vitamin C and the Common Cold [192]. Since the clinical trial data that Pauling used were limited, unavoidably biased results were included in these publications, one of the many reasons for the active scientific and political debates on the efficacy of vitamin C on the common cold and other diseases since the 1970s.

Even half a century later, active debates on this issue are still ongoing [193], a seeming “never ending story”. Vitamin C therapy is rejected by many medical professionals today. In discussing why medical professionals are not enthusiastic about the observation that vitamin C decreases the incidence of the common cold by 31%, Pauling wrote, “In the search for a drug to combat a disease the effort is usually made to find one that is 100 percent effective” [194]. He continued, “Also, there seems to have existed a feeling that the intake of vitamin C should be kept as small as possible, even though this vitamin is known to have extremely low toxicity” [194]. Pharmaceutical drugs, including antiviral drugs, are expected to have a high efficacy at low concentrations, because drugs are usually highly toxic at higher concentrations. High-dose administration of drugs is often dangerous and even fatal due to potential side effects. Even at relatively low concentrations, serious side effects do not seem to be uncommon. For example, drug-induced liver damage is problematic in the treatment of COVID-19 [195,196,197]. There is also the case for vaccines [198]. In contrast, vitamin C has virtually no toxicity, even at saturating concentrations in the body [194].

8.2. High Dose Necessary for Pleotropic Function of Vitamin C
Pauling emphasized the importance of maintaining high vitamin C concentrations in the body to maintain general health, for example, to prevent the common cold [194]. However, the recommended daily allowance (RDA) issued by the FDA was much less than the amounts that Pauling and his forerunners proposed. In his book, Pauling explained that the RDA value (1980 edition from the FDA) was 60 mg for adult males, but the recommendations of his forerunners and himself were more than 1000 mg [194]. The large difference between these recommended amounts stems from the fact that the RDA value issued by the FDA was set just to prevent scurvy. Szent-Györgyi and Pauling shared the opinion that the optimum intake of vitamin C is much larger than the RDA. Responding to an inquiry from Pauling, Szent-Gyorgyi wrote: “Scurvy is not the first sign of the deficiency but a premortal syndrome” [194]. Unfortunately, the misconception that vitamin C is only for scurvy has prevailed, which appears to have hampered awareness of the pleotropic physiological functions of vitamin C. Now, numerous lines of evidence have accumulated for the pleotropic functions of vitamin C other than prevention of scurvy [199,200,201,202]. Reflecting the diverse functions of vitamin C, together with individual variation, the high levels of vitamin C doses recommended by Pauling (1986) (1000–18,000 mg) [194] cannot be considered unreasonable. The precise values of the recommended daily intake of vitamin C for a given individual should vary based on genetic background, quality of diet, and severity of illness.

8.3. Updating Pauling’s Concept
Pauling discovered the molecular mechanisms of sickle cell anemia and coined the term “molecular disease” [203,204]. The seminal paper, “Sickle cell anemia, a molecular disease” [203], was published in Science in 1949, which opened an entirely new field of molecular biology and medicine. However, Pauling did not pay much attention to “molecular medicine”, probably because he had noticed how difficult it is to achieve effective molecular treatments based on molecular mechanisms.

According to the current paradigm in pharmacology, pathogenic microorganisms should be targeted by synthetic drugs that interact with the specific molecules of pathogens to kill them. This paradigm is based on Koch’s postulates [205], which were established more than a century ago. This Koch’s postulates-based paradigm may further make vitamin C less acceptable for medical professionals because Pauling’s vitamin C therapy is based on a paradigm entirely different from the current theories.

In “Western or modern” medicine, a disease can be defined as dysfunction of a physiological mechanism. Based on this concept, a drug in general is presumed to act on a specific component of a physiological mechanism. This way of treating a disease is molecular medicine. In many cases, these are inhibitors of enzymes or transporters, showing the “one-to-one” relationship between the drug and target molecule, in accordance with a structure-function relationship. The “one-to-one” philosophy in medicine and pharmacology works well if the cause of a disease is ascribed to a single component, such as a protein or an enzyme. However, most diseases that are difficult to prevent and cure are syndromes that are governed by multiple components with complicated interactions. COVID-19 is a good example.

Looking back on a long research history, one can notice that our society’s recognition of the simple molecules (nitrite, nitrate, NO and O2) has changed over time: harmful or beneficial? There have always been contradictory findings and interpretations regarding the physiological functions of those ubiquitous molecules. Vitamin C also exhibits harmful effects through the chemical Fenton reaction that produces highly toxic ROS (•OH, hydroxyl radicals) [178]. The excessive intake of DHA (the oxidized form of ascorbate) into the cells may cause oxidative stress conditions where the reductants GSH and NADPH are used up for ascorbate regeneration [206], which might be avoided by the supplementation of the glutathione precursor cysteine [207]. Two opposing effects of those simple molecules may lead non-specialists to a state of confusion: is it good for us or bad for us? In addition, the circularity of the relationship, such as between nitrite and NO (Figure 2 and Figure 3), gives rise to the chicken and egg issue: substate or product?

In biochemistry and molecular biology, major target molecules are considered relatively stable, large, and unique in structure, such as proteins, sugars, lipids, DNA, or RNA. These molecules may serve as excellent targets of molecular medicine. The nature of NO and nitrite are opposed to these conventional biomolecules: unstable, small, simple, and ubiquitous. Owing to these properties, conventional approaches are generally not applicable to understanding the physiological functions of these ubiquitous molecules. According to Pauling [131,194], “optimal molecular concentrations of biological substances that are normally present in the body, such as vitamin C, are critical for the function of organs”. Pauling further argued that the optimal concentrations may vary from individual to individual [131,194].

For understanding the physiological or pharmacological functions of those simple and universal biomolecules, knowing their fine balance is more valuable than the strict categorization of their effects or targets. Fritjof Capra, a physicist, introduced the parallelism between modern physics and Eastern philosophes in his book The Tao of Physics [208]. Chinese medicine is based on traditional Chinese philosophies that are mutually exclusive to “Western” science [209]. Pauling appears to share a similar philosophy with such Eastern philosophies: knowing the fine balance would be the ultimate answer.

Recent studies have revealed that H2S/HS- is also involved in the regulation of physiological processes through cysteine thiol persulfidation (Cys-SSH) [210] and polysulfidation (Cys-RSS(n)H) [211]. Such reactive sulfur molecules are termed reactive sulfur species (RSS) [57,91]. Complicated chemical interactions between ROS, RNS, and RSS are pronounced in cysteine thiols [57,210]. It is interesting to note that, in addition to nitrite and ascorbate, the sulfur-containing compound thiocyanate (SCN-) is present in saliva and gastric juice [212,213,214]. The H2S chemical donor isothiocyanates are rich in cruciferous vegetables (Cruciferae or Brassicaceae), such as cabbage, and they have been reported to reduce many types of diseases [215]. It is obvious that RSS also plays an important role in the optimization of the redox balance [91,127]. Updating Pauling’s concept, we propose that the optimal concentrations of ROS, RNS, and RSS that are normally present in the body, such as H2O2, NO and H2S, are critical for the function of organs, especially in vascular systems and immune systems.

8.1. 비타민 C의 약리학적 효과에 대한 오랜 논쟁
아스코르브산염은 괴혈병에 대한 비타민 C의 기능이 Szent-Györgyi에 의해 입증되었지만[186], 감염성 질환에 대한 기능은 이 발견 이전부터 제안되어 왔습니다[187,188,189]. 그럼에도 불구하고 비타민 C는 라이너스 폴링의 이름과 더 밀접한 관련이 있을 수 있습니다. 1971년, 폴링은 당시 이용 가능한 임상시험 데이터를 사용하여 자신의 메타 분석(가장 초기의 메타 분석 중 하나)을 기반으로 비타민 C의 경구 섭취가 감기의 발생률과 이환율을 감소시킬 수 있다고 제안했습니다[190,191]. 거의 동시에 폴링은 1970년에 비타민 C와 감기라는 저서를 통해 감기에 대한 비타민 C의 효능을 대중에게 알렸습니다[192]. 폴링이 사용한 임상시험 데이터는 제한적이었기 때문에 불가피하게 편향된 결과가 이 책에 포함되었으며, 이는 1970년대 이후 감기 및 기타 질병에 대한 비타민 C의 효능에 대한 과학적, 정치적 논쟁이 활발해진 여러 가지 이유 중 하나입니다.

반세기가 지난 지금도 이 문제에 대한 활발한 논쟁이 계속되고 있으며[193], 이는 "끝나지 않은 이야기"처럼 보입니다. 오늘날 많은 의료 전문가들이 비타민 C 요법을 거부하고 있습니다. 폴링은 의료 전문가들이 비타민 C가 감기 발병률을 31% 감소시킨다는 관찰에 열광하지 않는 이유를 설명하면서 "질병을 퇴치하기 위한 약을 찾을 때 일반적으로 100% 효과가 있는 약을 찾기 위해 노력한다"고 썼습니다[194]. 그는 이어서 "또한 비타민 C는 독성이 매우 낮은 것으로 알려져 있음에도 불구하고 섭취량을 가능한 한 적게 유지해야 한다는 생각이 존재했던 것 같습니다."[194]. 항바이러스제를 포함한 의약품은 일반적으로 고농도에서 독성이 강하기 때문에 저농도에서 높은 효능을 기대할 수 있습니다. 약물의 고용량 투여는 잠재적 부작용으로 인해 종종 위험하고 심지어 치명적일 수 있습니다. 상대적으로 낮은 농도에서도 심각한 부작용은 드물지 않은 것으로 보입니다. 예를 들어, 약물로 인한 간 손상은 COVID-19 치료에서 문제가 되고 있습니다[195,196,197]. 백신의 경우도 마찬가지입니다 [198]. 이와는 대조적으로 비타민 C는 체내 포화 농도에서도 독성이 거의 없습니다 [194].

8.2. 비타민 C의 플레오트로픽 기능에 필요한 고용량 필요
폴링은 감기 예방과 같은 일반적인 건강 유지를 위해 체내 비타민 C 농도를 높게 유지하는 것이 중요하다고 강조했습니다 [194]. 그러나 FDA에서 발표한 일일 권장량(RDA)은 폴링과 그의 선구자들이 제안한 양보다 훨씬 적었습니다. 폴링은 그의 저서에서 성인 남성의 경우 RDA 값(1980년 FDA 발표)은 60mg이지만, 그의 선구자들과 자신의 권장량은 1000mg 이상이었다고 설명했습니다[194]. 이러한 권장량 간의 큰 차이는 FDA에서 발표한 RDA 값이 괴혈병 예방을 위해 설정되었다는 사실에서 비롯됩니다. 센트-교르기와 폴링은 비타민 C의 최적 섭취량이 RDA보다 훨씬 많다는 데 의견을 같이했습니다. 폴링의 문의에 대해 센트-교르기는 "괴혈병은 결핍의 첫 징후가 아니라 전조증후군"이라고 답했습니다[194]. 안타깝게도 비타민 C가 괴혈병에만 효과가 있다는 오해가 만연하여 비타민 C의 다원적 생리 기능에 대한 인식이 저해된 것으로 보입니다. 이제 괴혈병 예방 외에 비타민 C의 다원적 기능에 대한 수많은 증거가 축적되었습니다[199,200,201,202]. 비타민 C의 다양한 기능과 개인차를 고려할 때, 폴링(1986)이 권장하는 높은 수준의 비타민 C 복용량(1000~18,000mg)[194]은 비합리적이라고 볼 수 없습니다. 특정 개인의 일일 비타민 C 권장 섭취량의 정확한 값은 유전적 배경, 식단의 질, 질병의 정도에 따라 달라져야 합니다.

8.3. 폴링의 개념 업데이트
폴링은 겸상 적혈구 빈혈의 분자 메커니즘을 발견하고 "분자 질환"이라는 용어를 만들었습니다[203,204]. "겸상 적혈구 빈혈, 분자 질환"[203]이라는 중요한 논문은 1949년 사이언스(Science)에 게재되어 분자 생물학 및 의학이라는 완전히 새로운 분야를 열었습니다. 그러나 폴링은 분자 메커니즘에 기반한 효과적인 분자 치료를 달성하는 것이 얼마나 어려운지 알고 있었기 때문에 "분자 의학"에 많은 관심을 기울이지 않았습니다.

현재 약리학의 패러다임에 따르면 병원성 미생물은 병원균의 특정 분자와 상호 작용하여 병원균을 죽이는 합성 약물을 표적으로 삼아야합니다. 이 패러다임은 1세기 전에 확립된 코흐의 가설[205]을 기반으로 합니다. 이러한 코흐의 가설에 기반한 패러다임은 폴링의 비타민 C 요법이 현재의 이론과는 완전히 다른 패러다임에 기반하고 있기 때문에 의료 전문가들이 비타민 C를 받아들이기 어렵게 만들 수 있습니다.

"서양 또는 현대" 의학에서 질병은 생리적 메커니즘의 기능 장애로 정의할 수 있습니다. 이 개념에 따르면 일반적으로 약물은 생리적 메커니즘의 특정 구성 요소에 작용하는 것으로 추정됩니다. 이러한 방식으로 질병을 치료하는 것이 분자 의학입니다. 대부분의 경우 이러한 약물은 효소 또는 수송체의 억제제로, 구조-기능 관계에 따라 약물과 표적 분자 간의 "일대일" 관계를 보여줍니다. 의학과 약리학의 '일대일' 철학은 질병의 원인이 단백질이나 효소와 같은 단일 성분에 기인하는 경우 잘 작동합니다. 그러나 예방과 치료가 어려운 대부분의 질병은 복잡한 상호 작용을 하는 여러 구성 요소의 영향을 받는 증후군입니다. 코로나19가 좋은 예입니다.

오랜 연구 역사를 되돌아보면 아질산염, 질산염, NO, 산소 등 단순한 분자에 대한 우리 사회의 인식이 시간이 지남에 따라 유해한가, 유익한가 하는 식으로 변해왔다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 유비쿼터스 분자의 생리적 기능에 대해서는 항상 상반된 연구 결과와 해석이 있었습니다. 비타민 C는 또한 독성이 강한 ROS(-OH, 하이드 록실 라디칼)를 생성하는 화학적 펜톤 반응을 통해 해로운 효과를 나타냅니다 [178]. DHA(아스코르브산염의 산화된 형태)를 세포에 과도하게 섭취하면 아스코르브산염 재생을 위해 환원제인 GSH와 NADPH가 소모되는 산화 스트레스 상태가 발생할 수 있으며[206], 이는 글루타치온 전구체인 시스테인을 보충하면 피할 수 있습니다[207]. 이러한 단순한 분자의 두 가지 상반된 효과는 비전문가들로 하여금 이것이 우리에게 좋은 것인지, 나쁜 것인지 혼란스럽게 만들 수 있습니다. 또한 아질산염과 NO(그림 2 및 그림 3)와 같은 관계의 순환성으로 인해 닭과 달걀의 문제, 즉 물질인가 생성물인가 하는 문제가 발생합니다.

생화학 및 분자생물학에서 주요 표적 분자는 단백질, 당, 지질, DNA 또는 RNA와 같이 비교적 안정적이고 크기가 크며 구조가 독특한 분자로 간주됩니다. 이러한 분자는 분자 의학의 훌륭한 표적이 될 수 있습니다. NO와 아질산염의 특성은 불안정하고, 작고, 단순하며, 어디에나 존재한다는 점에서 기존의 생체 분자와는 상반됩니다. 이러한 특성으로 인해 기존의 접근 방식은 일반적으로 이러한 유비쿼터스 분자의 생리적 기능을 이해하는 데 적용되지 않습니다. 폴링[131,194]에 따르면, "비타민 C와 같이 체내에 정상적으로 존재하는 생물학적 물질의 최적 분자 농도는 장기의 기능에 매우 중요하다"고 합니다. 폴링은 또한 최적의 농도는 개인마다 다를 수 있다고 주장했습니다[131,194].

이처럼 단순하고 보편적인 생체 분자의 생리적 또는 약리학적 기능을 이해하려면 그 효과나 표적을 엄격하게 분류하는 것보다 미세한 균형을 아는 것이 더 중요합니다. 물리학자 프리조프 카프라는 그의 저서 <물리학의 도>에서 현대 물리와 동양 철학의 평행성을 소개했습니다[208]. 중의학은 "서양" 과학과 상호 배타적인 중국 전통 철학에 기반을 두고 있습니다[209]. 폴링은 미세한 균형을 아는 것이 궁극적인 해답이라는 동양 철학과 비슷한 철학을 공유하는 것으로 보입니다.

최근 연구에 따르면 H2S/HS-는 시스테인 티올 과황화(Cys-SSH) [210] 및 다황화(Cys-RSS(n)H) [211]를 통한 생리적 과정의 조절에도 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 반응성 황 분자를 반응성 황 종(RSS)이라고 합니다[57,91]. ROS, RNS 및 RSS 간의 복잡한 화학적 상호 작용은 시스테인 티올에서 두드러집니다 [57,210]. 아질산염과 아스코르브 산염 외에도 황 함유 화합물 인 티오 시아 네이트 (SCN-)가 타액과 위액에 존재한다는 점은 흥미 롭습니다 [212,213,214]. H2S 화학 공여자 이소티오시아네이트는 양배추와 같은 십자화과 채소(십자화과 또는 십자화과)에 풍부하며 여러 유형의 질병을 감소시키는 것으로 보고되었습니다 [215]. RSS가 산화 환원 균형의 최적화에도 중요한 역할을 한다는 것은 분명합니다 [91,127]. 폴링의 개념을 업데이트하여, 우리는 H2O2, NO 및 H2S와 같이 체내에 정상적으로 존재하는 ROS, RNS 및 RSS의 최적 농도가 장기, 특히 혈관계 및 면역 체계의 기능에 중요하다고 제안합니다.

결론

Continuous exposure to a high concentration of NO may be harmful to host cells, as seen during inflammation. In contrast, a short burst of NO at high concentrations (hundreds ppm) should have maximal antiviral effects on COVID-19 without damaging the host cells, as recently discussed by Del Sorbo et al. (2022) [216]. We conclude that an intermittent NO burst, chemically generated by the combination of nitrite (or nitrate) and vitamin C (or vitamin P, phytophenolics and betalains), is a potential therapeutic treatment to prevent and mitigate COVID-19. Thus, the reductive NO-generating mechanism is worthy of consideration for developing clinical treatments and for designing and interpreting data from clinical trials [217]. It is important to note that chronic diseases associated with the dysfunction of vascular systems, such as hypertension [218], are also expected to be improved by the application of the reductive NO generation strategy. This can be achieved by the daily consumption of fresh green leafy vegetables (nitrate) along with fruits (rich in vitamins C and P and organic acids).

In the application of the reductive NO-generating strategy for clinal treatments, knowing an optimal dose balance of the key molecules (ascorbate, nitrate, nitrite, cysteine) for individuals will be critical to gain the maximum therapeutic effects. The gut microbiota has been interpreted in terms of a metabolic organ that influences the host through reciprocal interactions, encompassing the NO-nitrite-nitrate metabolic and immune pathways in a diet-dependent manner that shapes all aspects of host physiology [219]. Hence, redox metabolism can be strongly influenced by the bacterial communities colonized in the oral cavity and the gut, a situation analogous to the dynamics of bacterial flora in soils [220]. Unfortunately, we have not yet found measurable parameters to monitor the redox balance in cells, tissues, organs, and the whole body. A recent pilot study reported that dogs can distinguish the respiratory secretions of patients with COVID-19 from those of healthy controls, with high rates of sensitivity and specificity [221], implying that there are differences in the volatile compounds between them. To monitor an internal redox status of individuals in a noninvasive manner, real-time analysis of exhaled gases and/or volatile organic compounds (VOCs) will be a hopeful candidate in personalized medicine [222].

염증에서 볼 수 있듯이 고농도의 NO에 지속적으로 노출되면 숙주 세포에 해로울 수 있습니다. 이와는 대조적으로, 최근 델 소르보 외(2022)[216]가 논의한 바와 같이 고농도(수백 ppm)의 짧은 NO 폭발은 숙주 세포를 손상시키지 않으면서 COVID-19에 대한 항바이러스 효과를 극대화할 수 있을 것입니다. 아질산염(또는 질산염)과 비타민 C(또는 비타민 P, 피토페놀, 베타레인)의 조합에 의해 화학적으로 생성되는 간헐적 NO 폭발이 코로나19를 예방하고 완화하는 잠재적 치료법이라는 결론을 내립니다. 따라서 환원성 NO 생성 메커니즘은 임상 치료법 개발과 임상시험 데이터 설계 및 해석에 고려할 가치가 있습니다[217]. 고혈압과 같은 혈관계 기능 장애와 관련된 만성 질환 [218]도 환원성 NO 생성 전략의 적용으로 개선 될 것으로 예상됩니다. 이는 신선한 녹색 잎채소(질산염)와 과일(비타민 C와 P, 유기산이 풍부함)을 매일 섭취함으로써 달성할 수 있습니다.

임상 치료에 환원성 NO 생성 전략을 적용할 때, 개인별 주요 분자(아스코르브산염, 질산염, 아질산염, 시스테인)의 최적 용량 균형을 파악하는 것이 최대의 치료 효과를 얻는 데 중요합니다. 장내 미생물은 상호 작용을 통해 숙주에 영향을 미치는 대사 기관의 관점에서 해석되어 왔으며, 숙주 생리학의 모든 측면을 형성하는 식이 의존적인 방식으로 아질산염-질산염 대사 및 면역 경로를 포괄합니다[219]. 따라서 산화 환원 대사는 구강과 장에 서식하는 박테리아 군집에 의해 크게 영향을 받을 수 있으며, 이는 토양 내 박테리아 군집의 역학과 유사한 상황입니다 [220]. 안타깝게도 세포, 조직, 장기 및 전신의 산화 환원 균형을 모니터링할 수 있는 측정 가능한 매개 변수를 아직 찾지 못했습니다. 최근의 파일럿 연구에 따르면 개는 코로나19 환자의 호흡기 분비물과 건강한 대조군의 호흡기 분비물을 높은 민감도와 특이도로 구별할 수 있으며[221], 이는 이들 사이에 휘발성 화합물에 차이가 있음을 시사하는 것으로 보고되었습니다. 비침습적인 방식으로 개인의 내부 산화 환원 상태를 모니터링하기 위해 날숨 가스 및/또는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 실시간 분석은 개인 맞춤형 의학에서 희망적인 후보가 될 것입니다[222].