Lysozym, ein natürlich vorkommendes Enzym, das in zahlreichen Körperflüssigkeiten und Geweben vorhanden ist, spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Homöostase und beim Schutz des menschlichen Körpers vor mikrobiellen Bedrohungen. Vor allem für seine antimikrobielle Aktivität, insbesondere gegen grampositive Bakterien, bekannt, wird Lysozym zunehmend für ein breiteres Spektrum biologischer Funktionen anerkannt, darunter Immunmodulation, Entzündungsregulation, Gewebeumbau und Wundheilung.

Erforschen Sie die Strukturbiologie des Lysozyms mit Creative Enzymes, seine Verteilung im Körper, seine vielfältige Rolle in der Immunabwehr und seine Bedeutung für Gesundheit und Krankheit.

Einleitung

Das menschliche Immunsystem besteht aus einem komplexen Netzwerk von Organen, Zellen und Molekülen, das darauf ausgelegt ist, potenziell schädliche Eindringlinge wie Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten zu erkennen und zu neutralisieren. Unter seinen vielen Abwehrmechanismen nimmt Lysozym eine einzigartige Position als eines der ältesten und am stärksten konservierten Bestandteile der angeborenen Immunität ein.

Lysozym wurde erstmals 1922 von Sir Alexander Fleming entdeckt und zunächst für seine bakteriolytische Wirkung bekannt. Seitdem hat umfangreiche Forschung seine breiteren biologischen Rollen beleuchtet, einschließlich seiner Beteiligung an der Immunmodulation, Apoptose, mukosalen Immunität und sogar potenziellen Rollen bei der Krebsunterdrückung. Das Verständnis der multifunktionalen Natur des Lysozyms ist entscheidend, um seine Bedeutung in der Physiologie und sein therapeutisches Potenzial zu würdigen.

Biochemische Struktur und Wirkmechanismus

Molekulare Struktur

Lysozym ist ein kleines globuläres Enzym, das aus 129 Aminosäuren besteht und ein Molekulargewicht von etwa 14,3 Kilodalton aufweist. Es wird der Glycosid-Hydrolase-Familie 22 (GH22) zugeordnet und zeigt eine charakteristische Anordnung aus α-Helix und β-Faltblatt.

Eines der am meisten untersuchten Lysozyme ist das Hühnereiweiß-Lysozym (HEWL), das als Modell für Struktur- und Enzymstudien dient. Das aktive Zentrum enthält zwei katalytische Reste – typischerweise Glu35 und Asp52 –, die für die Spaltung der glykosidischen Bindungen im Peptidoglykan unerlässlich sind.

Abbildung 1. Struktur des Hühnereiweiß-Lysozyms. (PDB-Code: 1DPX)

Enzymatischer Mechanismus

Lysozym übt seine antibakterielle Wirkung aus, indem es die β-1,4-glykosidische Bindung zwischen N-Acetylmuraminsäure (NAM) und N-Acetylglucosamin (NAG) hydrolysiert, die Schlüsselbestandteile der Peptidoglykan-Schicht der bakteriellen Zellwand sind. Diese enzymatische Aktivität beeinträchtigt die strukturelle Integrität der bakteriellen Zellwände, was zu einem osmotischen Ungleichgewicht und schließlich zur Lyse führt, insbesondere bei grampositiven Bakterien.

Abbildung 2. Die von Lysozym katalysierte Reaktion. Das Substrat ist so gebunden, dass die abgehende Sauerstoffgruppe, die 4-OH-Gruppe eines N-Acetylglucosamin-(NAG)-Restes, beim Verlassen durch die COOH-Gruppe von Glu 35 protoniert wird. (Kirby, 2001)

Gewebeverteilung von Lysozym im menschlichen Körper

Die weitverbreitete Präsenz von Lysozym in verschiedenen Geweben und Sekreten spiegelt seine entscheidende Rolle als vorderster Verteidiger des menschlichen Körpers wider. Es ist besonders reichlich in anatomischen Regionen vorhanden, die mit der Außenwelt in Kontakt stehen, und bietet eine ständige Überwachung gegen mikrobielle Infiltration.

Sekretorische Flüssigkeiten

Lysozym wird in eine Vielzahl von Körperflüssigkeiten sezerniert und wirkt dort als lösliches antimikrobielles Agens.

• Tränen: Von den Tränendrüsen sezerniert, bildet Lysozym in den Tränen einen Teil der angeborenen Immunbarriere des Auges. Zusammen mit Immunglobulin A und Lactoferrin sorgt Lysozym dafür, dass die Augenoberfläche steril bleibt und Erkrankungen wie Konjunktivitis und Keratitis verhindert werden. Seine Aktivität ist angesichts der Exposition des Auges gegenüber luftgetragenen Partikeln und Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung.
• Speichel: Von den Speicheldrüsen produziert, trägt Lysozym wesentlich zur Mundgesundheit bei. Es baut bakterielle Zellwände ab und wirkt synergistisch mit Peroxidasen und Thiocyanat-Ionen, um die Bildung von Zahnbelag zu hemmen, Mundgeruch zu reduzieren und Parodontalerkrankungen vorzubeugen.
• Schleim: In den Atemwegen, dem Magen-Darm-Trakt und den Fortpflanzungsorganen vorhanden, ist Lysozym im Schleim Teil der mukosalen Immunabwehr. Es wirkt gegen eingeatmete Krankheitserreger in den oberen und unteren Atemwegen und neutralisiert aufgenommene Mikroben im GI-Trakt, wodurch Infektionen wie Pneumonie, Bronchitis und Gastritis verhindert werden.
• Muttermilch: Lysozym ist in hoher Konzentration in der menschlichen Milch vorhanden, insbesondere im Kolostrum. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Prägung des Darmmikrobioms des Säuglings und der Stärkung seines noch unreifen Immunsystems. Besonders wichtig ist der Schutz vor Durchfallerkrankungen und enteralen Infektionen, die bei Neugeborenen häufig sind.
• Samenflüssigkeit: Lysozym im Sperma hilft, die mikrobielle Belastung zu reduzieren und sorgt für ein gesünderes Umfeld im Genitaltrakt. Es kann auch die Spermien während des Durchgangs durch die Harnröhre schützen.

Zelluläre Quellen

Lysozym wird von mehreren Zelltypen synthetisiert und sezerniert, was seine integrierte Funktion in sowohl angeborenen als auch adaptiven Immunbereichen unterstreicht.

• Neutrophile: Diese polymorphkernigen Leukozyten speichern Lysozym in ihren primären (azurophilen) Granula. Beim Kontakt mit Krankheitserregern setzen Neutrophile durch Degranulation Lysozym an Infektionsstellen frei, wo es zur Bakterienelimination beiträgt.
• Makrophagen und Monozyten: Diese phagozytierenden Zellen sezernieren Lysozym konstitutiv. Nach Aktivierung durch Pathogen-assoziierte molekulare Muster (PAMPs) steigt ihre Lysozymproduktion, was die mikrobielle Verdauung in Phagosomen und die Signalgebung an andere Immunzellen verstärkt.
• Paneth-Zellen: Am Grund der Darmkrypten lokalisiert, sind Paneth-Zellen integraler Bestandteil der Darmimmunität. Sie setzen Lysozym als Reaktion auf mikrobielle Reize frei und helfen, ein ausgewogenes Darmmikrobiom zu erhalten und die Darmstammzellen zu schützen.
• Hepatozyten: Die Leber kann während Entzündungen die systemischen Lysozymspiegel erhöhen. Im Rahmen der Akutphasenreaktion synthetisieren und setzen Hepatozyten Lysozym in den Blutkreislauf frei, um sowohl lokal als auch systemisch Infektionen zu kontrollieren.

Lysozym und angeborene Immunität

Lysozym ist ein zentrales Molekül des angeborenen Immunsystems und bietet schnelle, unspezifische Reaktionen auf mikrobielle Invasionen.

Erstlinien-Abwehrmechanismus

Lysozym ist ein klassisches Beispiel für ein Mustererkennungsmolekül, das in der Lage ist, strukturelle Motive zu erkennen, die von vielen Mikroben geteilt werden, insbesondere die Kohlenhydratbestandteile des Peptidoglykan. Diese Fähigkeit zur Mustererkennung ermöglicht es ihm, zu wirken, bevor adaptive Immunantworten mobilisiert werden.

Wenn Krankheitserreger die physikalischen Barrieren der Haut oder Schleimhaut durchbrechen, wirkt Lysozym als Teil eines biochemischen Schutzschilds. Es ist besonders wirksam in der Nasen-Rachen- und Magen-Darm-Schleimhaut, wo es zusammen mit folgenden Komponenten arbeitet:

• Lactoferrin, das Eisen bindet und dessen Verfügbarkeit für Bakterien einschränkt.
• Defensine, die mikrobielle Membranen durch Porenbildung zerstören.
• Immunglobulin A (IgA), das die Anhaftung von Mikroben verhindert und deren Entfernung erleichtert.

In diesem biochemischen Milieu beschleunigt Lysozym die Lyse und Entfernung von Krankheitserregern, während seine kationische Natur die Interaktion mit negativ geladenen mikrobiellen Oberflächen fördert und so seine antimikrobielle Wirksamkeit erhöht.

Selektivität gegenüber mikrobiellen Zielen

Lysozym ist besonders wirksam gegen grampositive Bakterien, deren dicke, exponierte Peptidoglykan-Schichten leicht gespalten werden können. Zum Beispiel sind Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis besonders empfindlich.

Gramnegative Bakterien wie Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa besitzen jedoch eine äußere Membran, die ihr Peptidoglykan vor enzymatischem Angriff schützt. Dennoch kann Lysozym diese Organismen angreifen, wenn:

• Die äußere Membran durch Chelatoren wie EDTA destabilisiert wird.
• Es synergistisch mit Defensinen wirkt, die die äußere Membran durchlässig machen.
• Es in das Phagolysosom von Immunzellen gelangt, wo die äußere Membran zerstört wird.

Daher ist Lysozym nicht auf grampositive Organismen beschränkt, insbesondere wenn es als Teil einer umfassenderen Immunantwort wirkt.

Abbildung 3. Lysozym kann Bakterien durch zwei Mechanismen abtöten. (A) Peptidoglykan-(PG)-Monomere—NAG verbunden mit NAM und einem Peptidstamm—werden durch Glycosyltransferasen (grün) in die Zellwand eingebaut. (B) Lysozym spaltet die β-1,4-Bindung zwischen NAM und NAG, zerstört PG und verursacht Zelllyse. (C) Unabhängig davon können die kationischen Eigenschaften von Lysozym Poren (rot) in Membranen bilden, was zum Zelltod führt. (Ragland und Criss, 2017)

Immunmodulatorische Rollen von Lysozym

Über seine Rolle als bakteriolytisches Enzym hinaus hat Lysozym tiefgreifende Auswirkungen auf das Verhalten von Immunzellen, die Zytokin-Signalgebung und die Gewebehomöostase.

Modulation der Zytokinproduktion

Lysozym kann das Zytokinmilieu in entzündetem Gewebe beeinflussen. Wird es von antigenpräsentierenden Zellen wie Makrophagen oder dendritischen Zellen aufgenommen, kann es:

• Die Freisetzung von IL-1β und TNF-α fördern, die Immunzellen anziehen und aktivieren.
• Die Spiegel von IL-6 erhöhen und so die Synthese von Akutphasenproteinen stimulieren.
• Die Produktion von IL-8 steigern, einem Chemokin, das Neutrophile rekrutiert.

Umgekehrt scheint Lysozym bei abgeklungener Infektion oder während der Gewebereparatur IL-10 und TGF-β zu fördern, beides antiinflammatorische Zytokine, die die Gewebeintegrität wiederherstellen und die weitere Immunaktivierung unterdrücken.

Diese dualen Effekte unterstreichen die Rolle von Lysozym als kontextabhängigen Immunmodulator und nicht nur als Mikrobenkiller.

Abbildung 4. Lysozym moduliert die Immunantwort. (Ragland und Criss, 2017)

Regulation von Apoptose und Zellumsatz

Lysozym kann den programmierten Zelltod (Apoptose) modulieren, insbesondere in Epithelzellen und Leukozyten. Durch die Beeinflussung der Apoptose:

• Hilft es, infizierte oder geschädigte Zellen zu entfernen und so die Ausbreitung von Infektionen zu begrenzen.
• Trägt es zur Auflösung von Entzündungen bei, indem es die Entfernung verbrauchter Neutrophiler fördert.
• Unterstützt es die Schleimhauterneuerung in Bereichen mit hohem Zellumsatz wie Darm und Atemwegen.

Durch diese Mechanismen trägt Lysozym nicht nur zur Eliminierung von Krankheitserregern bei, sondern auch zur Koordination von Gewebereparatur und Immunhomöostase.

Lysozym im Gastrointestinaltrakt

Der Darm stellt eine der komplexesten immunologischen Schnittstellen im Körper dar, und Lysozym spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung seines Gleichgewichts.

Mikrobiota-Homöostase

Im Darmlumen hilft Lysozym, die Zusammensetzung des Darmmikrobioms zu regulieren, indem es:

• Das Überwuchern opportunistischer Krankheitserreger unterdrückt.
• Nützlichen kommensalen Bakterien das Gedeihen ermöglicht und so Funktionen wie Vitaminsynthese, Produktion kurzkettiger Fettsäuren und Barriereerhalt unterstützt.

Paneth-Zellen im Dünndarm setzen Lysozym in die Krypten von Lieberkühn frei und schützen so die Nische der Darmstammzellen vor mikrobieller Invasion.

Eine Dysregulation dieses Systems – sei es durch genetische Mutationen in NOD2 oder ATG16L1 oder durch Umweltfaktoren – wurde mit Dysbiose in Verbindung gebracht, die zu verschiedenen Erkrankungen wie Adipositas, metabolischem Syndrom und chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen beitragen kann.

Abwehr gegen Krankheitserreger

Bei Infektionen durch enterale Pathogene wie Salmonella enterica, Clostridium difficile oder Listeria monocytogenes wird Lysozym rasch von Paneth-Zellen und einwandernden Neutrophilen sezerniert. Es arbeitet zusammen mit antimikrobiellen Peptiden und Immunglobulinen, um die Bedrohung zu neutralisieren, bevor Krankheitserreger die Epithelbarriere überwinden können.

In Tiermodellen wurde ein Lysozymmangel mit einer erhöhten Anfälligkeit für Kolitis und systemische bakterielle Translokation in Verbindung gebracht, was seine unverzichtbare Rolle in der Darmimmunität unterstreicht.

Bedeutung bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED)

Bei Morbus Crohn und Colitis ulcerosa wurde eine abnorme Lysozymexpression dokumentiert. Es wird angenommen, dass:

• In der Frühphase der Entzündung die Lysozymspiegel als kompensatorischer Mechanismus zur Kontrolle dysbiotischer Bakterien ansteigen.
• Bei chronischer Erkrankung eine anhaltende Lysozymexpression zu epithelialem Stress oder Fibrose beitragen kann.

Dies macht Lysozym zu einem potenziellen Biomarker für die mukosale Immunaktivierung und zu einem Ziel für die therapeutische Modulation bei CED.

Abbildung 5. Hypothetisches Modell der anhaltenden Entzündung bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED). (Zigdon und Bel, 2020)

Rolle bei Wundheilung und Gewebeumbau

Lysozym wird zunehmend für seine Beteiligung an nicht-infektiösen Prozessen, insbesondere der Gewebereparatur, anerkannt.

Debridement und antimikrobielle Reinigung

In Wunden hilft Lysozym, abgestorbenes Gewebe und mikrobielle Verunreinigungen zu entfernen. Dieses enzymatische Debridement ist entscheidend für die Vorbereitung des Wundbetts auf die Granulation und Reepithelisierung.

Antientzündliche Wirkung

Durch die Modulation von Zytokinspiegeln und das Abfangen reaktiver Sauerstoffspezies hilft Lysozym, das Ausmaß und die Dauer der Entzündung zu begrenzen und so das Risiko chronischer Wunden zu verringern.

Förderung der Fibroblastenaktivität

Lysozym kann die Proliferation von Fibroblasten und die Kollagensynthese stimulieren, was für die Produktion der extrazellulären Matrix und den Wundverschluss unerlässlich ist. Seine Anwesenheit fördert die Angiogenese und unterstützt die Wiederherstellung der Gewebeintegrität.

Fortschrittliche Abgabesysteme – wie Lysozym-beladene Hydrogele, Nanofasern und biologisch abbaubare Gerüste – werden erforscht, um sein therapeutisches Potenzial im Wundmanagement zu optimieren.

Abbildung 6. Funktionen von phasentransitiertem Lysozym-Gel. (Chen et al., 2022)

Lysozym und systemische Entzündung

Während Lysozym lokal an Epitheloberflächen wirkt, spielt es auch eine Rolle bei systemischen Immunantworten.

Akutphasenreaktion

Als Reaktion auf systemische Infektionen oder Traumata erhöht die Leber die Produktion von Akutphasenproteinen, einschließlich Lysozym. Erhöhte Lysozymspiegel im Serum wurden bei folgenden Erkrankungen beobachtet:

• Sepsis
• Bakterielle Pneumonie
• Schwere Harnwegsinfektionen

Diese erhöhten Werte korrelieren oft mit der bakteriellen Belastung und können in klinischen Situationen als diagnostische oder prognostische Marker dienen.

Chronisch-entzündliche Erkrankungen

Persistierend erhöhte Lysozymspiegel wurden bei Erkrankungen wie:

• Sarkoidose: Besonders bei pulmonalen Formen der Erkrankung, wobei makrophagenbürtiges Lysozym in der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit die granulomatöse Aktivität widerspiegelt.
• Tuberkulose: Lysozymspiegel können helfen, aktive Infektionen von latenten Erkrankungen zu unterscheiden, obwohl die Spezifität begrenzt ist.

Obwohl es nicht routinemäßig als eigenständiges diagnostisches Werkzeug verwendet wird, kann Serum-Lysozym andere Entzündungsmarker wie CRP und BSG in bestimmten klinischen Kontexten ergänzen.

Empfohlene Produkte

Lysozym, lange als einfaches antimikrobielles Enzym betrachtet, wird zunehmend als multifunktionaler Mediator im menschlichen Körper anerkannt. Seine vielfältigen Rollen in der Schleimhautabwehr, Immunregulation, Gewebereparatur und Entzündung unterstreichen seine physiologische Bedeutung und sein therapeutisches Potenzial. In einer Zeit zunehmender Antibiotikaresistenzen und chronisch-entzündlicher Erkrankungen stellt Lysozym einen vielversprechenden Kandidaten für neuartige therapeutische Strategien dar. Die fortgesetzte Erforschung seiner Mechanismen, Regulation und technischen Modifikation könnte bahnbrechende Fortschritte in der Immunologie, Infektiologie und regenerativen Medizin ermöglichen.

Bei Creative Enzymes bieten wir hochwertige Lysozym-Produkte an, die den höchsten Qualitätsstandards für Forschung und therapeutische Anwendungen entsprechen. Kontaktieren Sie uns bei Fragen oder Anfragen.