Hyaluronidasen sind eine Gruppe von Enzymen, die Hyaluronsäure, einen Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix, hydrolysieren. Diese Enzyme spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewebepermeabilität, Zellmigration sowie bei verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen. Hyaluronidase wird in der Medizin, Kosmetik und Pharmazie breit eingesetzt, was ein tiefes Verständnis ihrer Typen, Wirkmechanismen und optimalen Konzentrationen erfordert. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Enzymologie der Hyaluronidase, ihre Klassifikation, Wirkmechanismen und die Bedeutung der Enzymkonzentration in verschiedenen Anwendungen.

Abbildung 1. Hyaluronidase-Struktur (PDB-Code: 2PE4).

Klassifikation der Hyaluronidasen

• Hyaluronat-4-Glycanohydrolasen (EC 3.2.1.35): Diese Enzyme, auch als testikuläre Hyaluronidasen bezeichnet, kommen hauptsächlich in Säugetierspermien, Lysosomen sowie in den Giften verschiedener Insekten und Schlangen vor. Sie hydrolysieren die β-1,4-glykosidischen Bindungen in Hyaluronsäure und produzieren Tetrasaccharide als Endprodukte.
• Hyaluronat-3-Glycanohydrolasen (EC 3.2.1.36): Diese Enzyme wurden vor allem bei Blutegeln und bestimmten Hakenwürmern identifiziert. Sie bauen Hyaluronsäure durch Spaltung der β-1,3-glykosidischen Bindungen ab, wobei ebenfalls Tetrasaccharide als Endprodukte entstehen.
• Hyaluronat-Lyasen (EC 4.2.2.1): Hyaluronat-Lyasen, die hauptsächlich von Bakterien produziert werden, bauen Hyaluronsäure über einen β-Eliminierungsmechanismus ab und erzeugen ungesättigte Oligosaccharide. Diese enzymatische Aktivität erleichtert die bakterielle Ausbreitung im Wirtsgewebe durch den Abbau der extrazellulären Matrix.

Abbildung 2. Die drei Hauptgruppen der Hyaluronidasen. Die EC-Nummern, Katalyse, Substrate, Hauptprodukte und Quellen jeder Hyaluronidase-Gruppe sind dargestellt. (Bordon et al., 2015)

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Wirkmechanismus

Hyaluronidasen bauen Hyaluronsäure durch Spaltung glykosidischer Bindungen ab, was zu einer verringerten Viskosität und einer erhöhten Permeabilität der extrazellulären Matrix führt. Der Mechanismus variiert je nach Enzymtyp:

• Hydrolyse: Die meisten Hyaluronidasen von Säugetieren spalten die β-1,4-glykosidischen Bindungen durch Hydrolyse und erzeugen Oligosaccharide.
• Beta-Eliminierung: Bakterielle Hyaluronidasen nutzen eine Beta-Eliminierungsreaktion zum Abbau von Hyaluronsäure und erzeugen Disaccharide mit ungesättigten Bindungen.
• Säure- und Neutral-pH-Aktivität: Während Hyaluronidasen von Säugetieren optimal unter sauren Bedingungen (pH 4,5–5,5) arbeiten, sind bakterielle Hyaluronidasen oft bei neutralem bis alkalischem pH aktiv.

Abbildung 3. Struktur der Hyaluronsäure und Spaltung durch Hyaluronidase. Hyaluronsäure ist ein Polysaccharid, das aus dem sich wiederholenden Disaccharid D-Glucuronsäure und N-Acetyl-D-glucosamin besteht. Hyaluronidase spaltet die β-1,4-glykosidischen Bindungen. (Weber et al., 2019)

Bedeutung der Hyaluronidase-Konzentration

Die Konzentration der Hyaluronidase beeinflusst ihre Aktivität und Anwendung maßgeblich. Die geeignete Enzymkonzentration variiert je nach:

Medizinische Anwendungen

• Ophthalmologie: In der Augenchirurgie verbessert Hyaluronidase die Diffusion von Medikamenten. Typische Konzentrationen liegen zwischen 15 IU/mL und 150 IU/mL. Laut einer Studie von Remy et al. (2008) betrug die Hyaluronidase-Dosis 75 IU/mL. Die Zugabe von Hyaluronidase zu Mepivacain für die retrobulbäre Anästhesie bei Kataraktoperationen erhöhte die Sicherheit des Verfahrens durch vollständige Muskelparalyse und schnellere Erreichung der vollen Anästhesie. 2004 zeigte Hamada et al., dass Diplopie bei peribulbärer Anästhesie signifikant häufiger auftrat, wenn Hyaluronidase (12,5 bis 50,0 IU/mL) nicht in der Anästhesielösung enthalten war. Die Zugabe von Hyaluronidase beseitigt daher Diplopie nach Kataraktoperationen.
• Dermatologie und Ästhetik: Bei der Korrektur von Dermalfüllern löst Hyaluronidase Filler auf Hyaluronsäurebasis auf. Empfohlene Konzentrationen liegen je nach Füllertyp und Volumen zwischen 10–150 IU pro behandeltem Areal. Aslam et al. (2005) zeigten, dass die Zugabe von Hyaluronidase (75 IU/mL) zur sub-Tenon-Anästhesie die Immobilität des Auges und der Augenlider (insbesondere des Levator- und Orbicularis-Muskels) deutlich verbessert.
• Onkologie: Hyaluronidase verbessert die Medikamentenpenetration in Tumorgewebe, wobei eine präzise Dosierung erforderlich ist, um übermäßigen Gewebeabbau zu vermeiden.

Pharmazeutische und biotechnologische Anwendungen

• Arzneimittelabgabesysteme: Hyaluronidase erleichtert die subkutane und intradermale Diffusion von Medikamenten, wobei die optimale Konzentration je nach Anwendung und Formulierung variiert. Studien zeigen, dass Konzentrationen von 0,3 mg/mL und 10 mg/mL die Freisetzung und Absorption von Medikamenten verbessern können (Soundararajan et al., 2020). Einige Formulierungen verwenden Konzentrationen von 1.500 Einheiten Hyaluronidase pro 5 mL (Murray et al., 2021).
• Tissue Engineering: Der kontrollierte Abbau von Hyaluronsäure ist für das Remodeling von Gerüsten essenziell, wobei die Enzymkonzentration an die gewünschte Abbaurate angepasst wird.

Forschungsanwendungen

• In-vitro-Studien: Die Enzymkonzentration wird je nach experimentellem Bedarf angepasst, typische Bereiche liegen bei 10–500 IU/mL für zelluläre und molekulare Forschung.

Faktoren, die die Hyaluronidase-Aktivität beeinflussen

Verschiedene Faktoren beeinflussen die enzymatische Effizienz der Hyaluronidase:

Fallstudien

Fall 1: Mit Hyaluronidase beschichtete Molecular Envelope Technology Nanopartikel verbessern die Arzneimittelaufnahme über den subkutanen Weg; Soundararajan et al., 2020

Subkutane (SC) Chemotherapie bietet potenzielle Vorteile gegenüber der intravenösen Verabreichung, ist jedoch häufig durch schlechte Löslichkeit der Medikamente und Einschränkungen des Injektionsvolumens limitiert. Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten Forscher mit Hyaluronidase beschichtete Nanopartikel (HYD-NPs), die die Verkapselung und Absorption von Medikamenten verbessern. Mithilfe der Molecular Envelope Technology (MET) wurde die Formulierung von CUDC-101, einem hydrophoben Antikrebsmittel, das auf EGFR, HER2 und HDAC abzielt, optimiert. Die HYD-NPs zeigten eine hohe Wirkstoffbeladung, Stabilität bis zu 90 Tage und verbesserte Pharmakokinetik bei Ratten, wobei die Plasmakonzentration des Medikaments im Vergleich zu unbeschichteten NPs verdoppelt wurde. In einem Maus-Xenograft-Modell verlängerten HYD-beschichtete MET-CUDC-101-NPs das Überleben signifikant von 15 auf 43 Tage. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von HYD-NPs für eine effektive SC-Verabreichung von schwer löslichen Chemotherapeutika.

Abbildung 4. Grafische Zusammenfassung. (Soundararajan et al., 2020)

Fall 2: Hyaluronidase-Behandlung von Synovialflüssigkeit ist erforderlich für die genaue Detektion von Entzündungszellen und löslichen Mediatoren; Brouwers et al., 2022

Synovialflüssigkeit (SF) wird aufgrund ihrer Reflexion des lokalen Entzündungsmilieus häufig für diagnostische und Forschungszwecke verwendet, doch ihre Viskosität und heterogene Zusammensetzung können die Analyse beeinflussen. Diese Studie untersuchte die Bedeutung der Homogenisierung von SF vor der Analyse durch Behandlung der Proben mit Hyaluronidase entweder vor oder nach der Aliquotierung. SF wurde von 29 Arthritis-Patienten gesammelt und die Spiegel von Zytokinen, Immunglobulinen, Fettsäuren und Oxylipinen mittels ELISA, Luminex und LC-MS/MS gemessen. Zellpopulationen wurden nach sequentieller Zentrifugation und enzymatischer Behandlung mittels Durchflusszytometrie analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Homogenisierung die Variabilität der IgG-, 17-HDHA-, LTB4- und PGE2-Spiegel verringerte, während Zytokine und andere Fettsäuren keinen Unterschied zeigten. Zudem führte das Auslassen der Homogenisierung zu einer unvollständigen Isolierung von Immunzellen, wobei bis zu 70 % der Zellen, insbesondere T- und B-Zellen, in nachfolgenden Analysen verloren gingen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Homogenisierung von SF-Proben die Konsistenz der Biomarkermessungen verbessert und eine genaue Immunzellprofilierung gewährleistet, wodurch irreführende Schlussfolgerungen in klinischen und Forschungsumgebungen vermieden werden.

Abbildung 5. Hyaluronidase-Behandlung verringert die Variabilität der IgG-Spiegel. A–F CXCL1-, IL-6-, IL-8-, IL-10-, TNFα- und Gesamt-IgG-Spiegel gemessen mittels ELISA oder Luminex. Punkte sind RA-Patienten, der OA-Patient ist durch Quadrate dargestellt. Jeder Punkt repräsentiert ein Aliquot. Mittelwerte mit SD sind dargestellt. IL-8 und Gesamt-IgG wurden in einer separaten Gruppe von 8 Patienten im Vergleich zu CXCL1, IL-6, IL-10 und TNFα analysiert. ND nicht detektiert. AD über dem Nachweislimit. G–L Variationskoeffizienten (CV) sind für jede Aliquotgruppe dargestellt. Jede Linie repräsentiert einen Patienten. n=6–8 Patienten. Punkte sind RA-Patienten, der OA-Patient ist durch offene Quadrate dargestellt. Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test wurde durchgeführt. *P<0,05 (Brouwers et al., 2022)

Das Verständnis der Wissenschaft hinter Hyaluronidase, einschließlich Enzymtypen und optimaler Konzentrationen, ist entscheidend, um ihre Wirksamkeit in medizinischen, pharmazeutischen und ästhetischen Anwendungen zu maximieren. Creative Enzymes bietet hochwertige Hyaluronidase-Produkte, die auf verschiedene Anwendungsbedürfnisse zugeschnitten sind. Kontaktieren Sie uns noch heute, um mehr über unser Hyaluronidase-Angebot zu erfahren und wie wir Ihre Anforderungen unterstützen können.