Hyaluronidasen sind eine Gruppe von Enzymen, die Hyaluronsäure hydrolysieren, einen Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix. Diese Enzyme spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewebepermeabilität, Zellmigration und verschiedenen physiologischen sowie pathologischen Prozessen. Hyaluronidase wird in medizinischen, kosmetischen und pharmazeutischen Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, was ein tiefes Verständnis ihrer Typen, Mechanismen 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. Struktur der Hyaluronidase (PDB-Code: 2PE4).

Klassifikation der Hyaluronidasen

• Hyaluronat 4-Glycanohydrolasen (EC 3.2.1.35): Diese Enzyme, die allgemein als testikuläre Hyaluronidasen bezeichnet werden, kommen hauptsächlich in Säugetierspermien, Lysosomen und dem Gift verschiedener Insekten und Schlangen vor. Sie hydrolysieren die β-1,4-glycosidischen Bindungen in Hyaluronsäure und produzieren Tetrasaccharide als Endprodukte.
• Hyaluronat 3-Glycanohydrolasen (EC 3.2.1.36): Diese Enzyme werden hauptsächlich in Blutegeln und bestimmten Hakenwürmern identifiziert. Sie degradieren Hyaluronsäure, indem sie die β-1,3-glycosidischen Bindungen spalten, was ebenfalls zu Tetrasacchariden als Endprodukten führt.
• Hyaluronat-Lyasen (EC 4.2.2.1): Hyaluronat-Lyasen, die hauptsächlich von Bakterien produziert werden, degradieren Hyaluronsäure durch einen β-Eliminierungsmechanismus, um ungesättigte Oligosaccharide zu erzeugen. Diese enzymatische Aktivität erleichtert die bakterielle Verbreitung durch Wirtsgewebe, indem sie die extrazelluläre Matrix abbaut.

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 degradieren Hyaluronsäure, indem sie glycosidische Bindungen spalten, was zu einer verringerten Viskosität und einer erhöhten Permeabilität der extrazellulären Matrizen führt. Der Mechanismus variiert je nach Enzymtyp:

• Hydrolyse: Die meisten Säugetier-Hyaluronidasen spalten die beta-1,4-glycosidischen Bindungen durch Hydrolyse und erzeugen Oligosaccharide.
• Beta-Elimination: Bakterielle Hyaluronidasen verwenden eine Beta-Eliminierungsreaktion, um Hyaluronsäure abzubauen, was Disaccharide mit ungesättigten Bindungen ergibt.
• Saure und neutrale pH-Aktivität: Während Säugetier-Hyaluronidasen unter sauren Bedingungen (pH 4,5-5,5) optimal funktionieren, 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 ihre β-1,4-glycosidischen Bindungen. (Weber et al., 2019)

Bedeutung der Hyaluronidase-Konzentration

Die Konzentration von Hyaluronidase beeinflusst erheblich ihre Aktivität und Anwendung. Die geeignete Enzymkonzentration variiert je nach:

Medizinische Anwendungen

• Ophthalmologie: In der Augenheilkunde verbessert Hyaluronidase die Arzneimittelverteilung. Typische Konzentrationen liegen zwischen 15 IU/mL und 150 IU/mL. Laut einer Studie von Remy et al. aus dem Jahr 2008 betrug die Hyaluronidase-Dosis 75 IU/mL. Die Zugabe von Hyaluronidase zu Mepivacain für die retrobulbäre Anästhesie während der Kataraktoperation verbesserte die Sicherheit des Verfahrens, indem sie eine vollständige Muskelparalyse und eine schnellere Erreichung der vollständigen Anästhesie ermöglichte. 2004 zeigten Hamada et al., dass Diplopie, die mit peribulbärer Anästhesie verbunden ist, signifikant häufiger auftrat, wenn Hyaluronidase (12,5 bis 50,0 IU/mL) nicht in der Anästhesielösung enthalten war. Daher beseitigt die Zugabe von Hyaluronidase die Diplopie nach einer Kataraktoperation.
• Dermatologie und Ästhetik: Bei der Korrektur von Dermalfüllern löst Hyaluronidase auf Hyaluronsäure basierende Filler auf. Empfohlene Konzentrationen liegen zwischen 10-150 IU pro behandeltem Bereich, abhängig von Füllertyp und -volumen. Aslam et al. (2005) zeigten, dass die Einbeziehung von Hyaluronidase (75 IU/mL) in die sub-Tenon-Anästhesie einen deutlichen Einfluss auf die Verbesserung der Immobilität des Auges und der Augenlider (insbesondere der Levator- und Orbicularmuskeln) hat.
• Onkologie: Hyaluronidase verbessert die Arzneimittelpenetration in Tumorgewebe, was eine präzise Dosierung erfordert, um übermäßigen Gewebeabbau zu vermeiden.

Pharmazeutische und biotechnologische Anwendungen

• Arzneimittelabgabesysteme: Hyaluronidase erleichtert die subkutane und intradermale Arzneimittelverteilung, die optimale Konzentration von Hyaluronidase für die Arzneimittelabgabe hängt von der spezifischen Anwendung und Formulierung ab. Studien haben gezeigt, dass Konzentrationen von 0,3 mg/mL und 10 mg/mL die Arzneimittelfreisetzung und -aufnahme verbessern können (Soundararajan et al., 2020). Einige Formulierungen verwenden Konzentrationen von 1.500 Einheiten Hyaluronidase pro 5 mL (Murray et al., 2021).
• Tissue Engineering: Die kontrollierte Degradation von Hyaluronsäure ist entscheidend für die Umgestaltung von Gerüsten, wobei die Enzymkonzentrationen je nach gewünschter Abbaurate angepasst werden.

Forschungsanwendungen

• In Vitro-Studien: Die Enzymkonzentration wird basierend auf den experimentellen Anforderungen angepasst, mit typischen Bereichen von 10–500 IU/mL für zelluläre und molekulare Forschung.

Faktoren, die die Aktivität der Hyaluronidase beeinflussen

Verschiedene Faktoren beeinflussen die enzymatische Effizienz der Hyaluronidase:

Fallstudien

Fall 1: Hyaluronidase-beschichtete Molekularhüllentechnologie-Nanopartikel verbessern die Arzneimittelaufnahme über den subkutanen Weg; Soundararajan et al., 2020

Subkutane (SC) Chemotherapie bietet potenzielle Vorteile gegenüber der intravenösen Verabreichung, wird jedoch oft durch schlechte Arzneimittel-Löslichkeit und Einschränkungen des Injektionsvolumens begrenzt. Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten Forscher hyaluronidase-beschichtete Nanopartikel (HYD-NPs), die die Arzneimittelverpackung und -aufnahme verbessern. Mit der Molekularhüllentechnologie (MET) optimierte die Studie die Formulierung von CUDC-101, einem hydrophoben Antikrebsmittel, das auf EGFR, HER2 und HDAC abzielt. Die HYD-NPs zeigten eine hohe Arzneimittelbeladung, Stabilität von bis zu 90 Tagen und verbesserte Pharmakokinetik bei Ratten, wobei die Plasmarzneimittelexposition im Vergleich zu unbeschichteten NPs verdoppelt wurde. In einem murinen Xenograft-Modell verlängerten HYD-beschichtete MET-CUDC-101-NPs die Überlebenszeit signifikant von 15 auf 43 Tage. Diese Ergebnisse heben das Potenzial von HYD-NPs für eine effektive SC-Abgabe von schwer löslichen Chemotherapeutika hervor.

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

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

Synovialflüssigkeit (SF) wird häufig für diagnostische und Forschungszwecke verwendet, da sie die lokale Entzündungsumgebung widerspiegelt, aber ihre Viskosität und heterogene Zusammensetzung die Analyse beeinträchtigen können. Diese Studie untersuchte die Bedeutung der Homogenisierung von SF vor der Analyse, indem Proben entweder vor oder nach der Aliquotierung mit Hyaluronidase behandelt wurden. SF wurde von 29 Arthritis-Patienten gesammelt, und die Werte von Zytokinen, Immunglobulinen, Fettsäuren und Oxylipinen wurden durch ELISA, Luminex und LC-MS/MS gemessen. Zellpopulationen wurden nach sequentieller Zentrifugation und enzymatischer Behandlung durch Durchflusszytometrie analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Homogenisierung die Variabilität der IgG-, 17-HDHA-, LTB4- und PGE2-Werte reduzierte, während Zytokine und andere Fettsäuren keinen Unterschied zeigten. Darüber hinaus führte das Versäumnis, zu homogenisieren, zu einer unvollständigen Isolation 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 Biomarker-Messungen verbessert und eine genaue Immunzellprofilierung gewährleistet, wodurch irreführende Schlussfolgerungen in klinischen und Forschungsumgebungen verhindert werden.

Abbildung 5. Hyaluronidase-Behandlung verringert die Variabilität der IgG-Werte. A–F CXCL1, IL-6, IL-8, IL-10, TNFα und Gesamt-IgG-Werte, die durch ELISA oder Luminex gemessen wurden. Punkte sind RA-Patienten, und der OA-Patient wird 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 nachgewiesen. AD über dem Nachweislimit. G–L Variationskoeffizienten (CV) sind für jede Gruppe von Aliquots dargestellt. Jede Linie repräsentiert einen Patienten. n=6–8 Patienten. Punkte sind RA-Patienten, und der OA-Patient wird durch offene Quadrate dargestellt. Der Wilcoxon-Vorzeichen-Rang-Test wurde durchgeführt. *P<0,05 (Brouwers et al., 2022)

Das Verständnis der Wissenschaft hinter Hyaluronidase, einschließlich der Enzymtypen und optimalen 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 es Ihre Bedürfnisse unterstützen kann.