Lizozim – az immunrendszer alulértékelt alapköve
Szerző:
Dr. Sovány Tamás
A lizozim, vagy más néven muramidáz elnevezés egy természetes antibakteriális tulajdonságokkal rendelkező enzimcsaládot takar, mely a gerinces élőlények nagy részében megtalálható [1]. Felfedezése és elnevezése Sir Alexander Fleming, a penicillin atyjának nevéhez fűződik, aki 1922-ben izolálta légúti váladékból, majd számos egyéb testnedvből, könnyből, nyálból, gyomornedvből és vérből is sikerült kimutatnia [2]. Tanulmányában figyelemreméltó baktériumellenes hatásról számolt be. Felfedezéséhez egész életében speciális kapcsolat fűzte, többször kiemelte, hogy ez az anyag meglehetősen alulértékelt a természetes immunitás megítélése szempontjából, és szerinte a penicillinnél jóval nagyobb érdeklődést fog kiváltani a jövőben [1,3].
Jóslata, csaknem 100 évvel a felfedezés után beteljesedni látszik, hiszen az antibiotikum rezisztens baktériumtörzsek egyre gyakoribb előfordulása miatt az enzim újra a kutatók érdeklődésének középpontjába került, bár megjegyzendő, hogy a lizozimmel kapcsolatos kutatások változó intenzitással, de folyamatosan folytak az elmúlt időszak során.
Hogyan működik a lizozim enzim?
Az enzim elsődleges, és talán legfontosabb hatása, hogy képes felbontani a baktériumok sejtfalát alkotó peptidoglikán molekula fő építőkövei, az n-acetil glükózamin és N-acetil muraminsav közötti kötést, ami a sejtfal feloldódását, és ezáltal a baktérium pusztulását okozza. A lizozim leginkább az ún. Gram-pozitív baktériumok ellen hatásos, melyek peptidoglikán sejtfala nagy mennyiségben tartalmazza a fenti alegységeket [4, 5], ide tartozik számos légúti fertőzést okozó pneumococcus faj, pl. a Streptococcus pneumoniae, vagy a S. pyogenes, illetve egyéb, az élelmiszer-mérgezésekben szerepet játszó humán patogén, mint a liszterózist okozó Listeria monocytogenes, vagy a botulizmusért felelős Clostridium botulinum [2, 4]. Sajnos néhány a Gram-pozitív csoportba tartozó humán patogén, mint pl. a Staphylococcus aureus módosult peptidoglikán sejtfalának köszönhetően több-kevesebb természetes rezisztenciával rendelkezik a lizozimmel szemben, hasonlóan a Gram-negatív baktériumokhoz, melyek belső membránja nagy mennyiségben tartalmaz foszfolipideket és lipopoliszacharidokat, melyek akadályt képeznek az enzim számára.
Ezzel együtt számos publikáció született, melyek leírják, hogy a lizozim hatásosnak bizonyult a potenciális humán patogén Escherichia coli, vagy Pseudomonas aeruginosa számos törzse ellen is, mely hatás egy másik mechanizmuson alapul. A lizozim egy erősen pozitív felületi töltéssel rendelkező kationos fehérje, mely különösen a természetesen is előforduló reverzibilis dimer formában képes pórusokat formálni a baktériumok sejtfalában, mely szintén a baktériumok pusztulását okozza [1, 4-6]. Érdekes módon ez utóbbi hatás nem csökken, sőt, bizonyos esetekben még fokozódik is a fehérje részleges szétcsavarodását, denaturációját okozó hatások, mint pl. hosszú idejű tárolás, alacsony pH vagy hőkezelés hatására. Ennek oka valószínűleg a felület megnövekedett hidrofobicitása lehet, mely megkönnyítheti a fehérje beépülését a sejtfalba [4, 7].
Az antibakteriális hatás mellett az elmúlt évek során a lizozim immunválaszban betöltött számos más szerepére is rávilágítottak a kutatók. Számos publikáció született, melyekben az enzim különböző vírustörzsek, mint pl. herpesz, himlő, vagy az influenza szaporodásának gátlásában is eredményesnek bizonyult [1, 5]. Lee-Huang és mtsai a HIV vírus proliferációját gátló hatást is tapasztaltak és sikeresen izolálták a hatásért felelős peptid szekvenciát, mely az enzim a sejtfalbontó hatásért felelős szakaszától jól elkülöníthető helyen található, így az enzim egyszerre több különböző fertőzéssel szemben is hatásosnak bizonyulhat [8].
A közvetlen baktérium- és vírusellenes hatásai mellett a lizozim egyértelműen szerepet játszik a szervezet fertőzések elleni szenzitizációjában és képes gyulladásos citokinek (TNF-α, Interleukinek) szekréciójának fokozásán, illetve a fagociták és T-sejtek stimulációján keresztül mind a humorális, mind a celluláris immunválasz fokozására [1, 5]. Érdekes módon, a gyulladásos faktorok kiválasztásában játszott szerepe ellenére a lizozimnek szerepe lehet a gyulladás mérséklődésében is. Rubio leírta, hogy a lizozim szekréciója felerősödik különböző gyulladásos bélbetegségek, pl. Barett-féle nyelőcsőgyulladás, krónikus gyomorhurut, glutén-indukált bélgyulladás (cöliákia) vagy Crohn-betegség esetében, védve a nyálkahártyát a gyulladásos folyamatok okozta károsodástól és megakadályozva a baktériumok szervezetbe jutását a meggyengült védőrétegen keresztül [3].
Kutatások bizonyították, hogy a lizozimek jelentős mennyiségben megtalálható az anyatejben, és alapvető szerepet játszik a szoptatott csecsemők esetében jelentkező anyai immunvédelemben, melyet érdemes volna kihasználni a mesterséges táplálás során is [9-11].
Hol található nagy mennyiségben lizozim?
Antibakteriális, különösen a súlyos élelmiszer-fertőzésekért felelős L. monocytogenes és C. botulinum ellen kifejtett hatása miatt az élelmiszeriparban már jó ideje használják tartósításra, azonban alkalmazhatósága limitált. Borászati felhasználás során pl. 500 mg/liter a maximálisan megengedett mennyiség [7]. Ennek oka, hogy az iparilag használt lizozimet általában a természetben fellelhető legjelentősebb forrásból, tojásfehérjéből állítják elő, mely mintegy 3,5%-ban tartalmazza ezt az enzimet. Izolálására többféle módszer létezik, pl. közvetlen kristályosítás, ioncserén alapuló adszorpciós kromatográfia vagy kétfázisú vizes szeparáció, mely módszerek különböző hatékonysággal és tisztasággal képesek a lizozim előállítására. Felhasználhatóság szempontjából a tisztaság a fő kérdés, mivel a mennyiségi korlátozások oka, hogy a tojásfehérjéből visszamaradó egyéb szennyező fehérjék allergiás reakciókat válthatnak ki az arra érzékenyekben [4, 7]. A biotechnológiai úton előállított humán rekombináns lizozim esetében ez a kockázat nem áll fenn, és általánosan biztonságosnak tekinthető, viszont az ilyen módon előállított termék jóval drágább a tojásfehérjéből izolált változatnál [12]. A biotechnológia terén tapasztalható fejlődésnek köszönhetően várhatóan a rekombináns lizozim hozzáférhetősége nagymértékben javul, mely különösen abból a szempontból lenne jelentős, hogy az apróbb szerkezeti eltérések miatt a rekombináns lizozimnek jóval kifejezettebb az immunstimulációban betöltött hatása, mint a tojásfehérje eredetűnek [1, 5].
Lizozim felhasználásának lehetősége
Összefoglalásként elmondható, hogy a fent említett hatásoknak köszönhetően a lizozimnek várhatóan egyre nagyobb szerepe lesz az immunrendszert érintő betegségek kiegészítő terápiájában. Ezzel kapcsolatban viszont jogos félelemként merül fel, hogyan lehet a fehérje típusú hatóanyag biztonságos, és a betegek számára kényelmes adagolását megvalósítani, hiszen más hatóanyagok esetében ez a probléma szinte megoldhatatlan kihívás elé állítja a kutatókat.
Ebből a szempontból a lizozim kifejezetten előnyös tulajdonságokkal rendelkezik, mivel széles hőmérséklet és pH tartományban stabil, valamint már Fleming is leírta, hogy beszáradt mintákban hosszú ideig eltárolható volt anélkül, hogy visszaoldás után vesztett volna hatékonyságából [2, 5]. Az iparilag előállított enzim tartósítására általában fagyasztva-, vagy porlasztva szárításos módszert alkalmaznak. Az utóbbi módszerrel, valószínűleg a gyorsabb és teljesebb dehidratáció miatt stabilabb terméket lehet előállítani, mint fagyasztva szárításos eljárás során [13].
Az ilyen módon előállított termék kiválóan préselhető, és ugyan erősen higroszkópos, mely a szerkezet destabilizálásával képes növelni az érzékenységét, de kontrollált páratartalom mellett jó ellenálló képességgel rendelkezik a préselés során bekövetkező erőhatások ellen, így tablettázással könnyedén formulálható [14, 15].
Természetesen még ekkor is felmerül a kérdés, hogy a szájon keresztül adagolt enzim milyen hatékonysággal lesz képes túlélni a gyomor-bélrendszerben uralkodó agresszív körülményeket, és tud felszívódni. Feltehetően abból adódóan, hogy természetes módon megtalálható a humán szekrétumban, publikációk bizonyítják, hogy a lizozim a többi fehérjénél hatékonyabban képes felszívódni a GI traktus felsőbb szakaszaiból, feltehetően chlatrin mediált endocitózis révén [1, 16], felszívódás nélkül is képes stimulálni az immunrendszert a normál baktériumflórával (peptidoglikán felszabadítás) vagy a Peyer-plakkokkal történő kölcsönhatás útján.
Referenciák:
- Gianni Sava Pharmacological aspects and therapeutic applications of lysozymes in Lysozymes: Model enzymes in Biochamistry and Biology, Edited by: P. Jollés, Birkhauser Verlag, Basel Switzerland (1996).
- Aleksander Fleming. On a remarkable bacteriolytic element found in tissues and secretions. R. Soc. Sect. B, 93 (1922) 306–312.
- Carlos A. Rubio. The Natural Antimicrobial Enzyme Lysozyme is Up-Regulated in Gastrointestinal Inflammatory Conditions Pathogens 3 (2014) 73-92
- Renata Cegielska-Radziejewska, Grzegorz Leśnierowski, Jacek Kijowski Properties and Application of Egg White Lysozyme and its Modified Preparations – A Review. Food Nutr. Sci. 58 (2008) 5-10
- Stephanie A. Ragland, Alison K. Criss From bacterial killing to immune modulation: Recent insights into the functions of lysozyme. PLOS Pathog. 13 (2017) e1006512.
- Charlotte C. Teneback, Thomas C. Scanlon, Matthew J. Wargo, Jenna L. Bement, Karl E. Griswold, Laurie W. Leclair. Bioengineered Lysozyme Reduces Bacterial Burden and Inflammation in a Murine Model of Mucoid Pseudomonas aeruginosa Lung Infection Antimicrobial Agents and Chemotherapy 57 (2013) 5559–5564.
- Carillo, A. García-Ruiz, I. Recio, M. V. Moreno-Arribas Antibacterial Activity of Hen Egg White Lysozyme Modified by Heat and Enzymatic Treatments against Oenological Lactic Acid Bacteria and Acetic Acid Bacteria J. Food Protect., Vol. 77 (2014) 1732–1739
- Sylvia Lee-Huang, Vladimir Maiorov, Philip L. Huang, Angela Ng, Hee Chul Lee, Young-Tae Chang, Neville Kallenbach, Paul L. Huang, and Hao-Chia Chen Structural and Functional Modeling of Human Lysozyme Reveals a Unique Nonapeptide, HL9, with Anti-HIV Activity Biochemistry, 44 (2005) 4648-4655
- Bin Yang, Jianwu Wang, Bo Tang, Yufang Liu, Chengdong Guo, Penghua Yang, Tian Yu, Rong Li, Jianmin Zhao, Lei Zhang, Yunping Dai, Ning Li Characterization of Bioactive Recombinant Human Lysozyme Expressed in Milk of Cloned Transgenic Cattle PLOS ONE 6 (2011) e17593.
- Joseph Levy Immunonutrition: the pediatric experience. Nutrition 14 (1998) 641–647.
- Bo Lonnerdal Nutritional and physiologic significance of human milk proteins. Am J Clin Nutr 77 (2003) 1537S–1543S.
- Delia R. Bethell, Generally Recognized as Safe (GRAS) Notification for Lysozyme Ventria Bioscience
- Yong-Hong Liao, Marc B. Brown, Gary P. Martin Investigation of the stabilisation of freeze-dried lysozyme and the physical properties of the formulations J. Pharm. Biopharm. 58 (2004) 15–24
- Yangjie Wei, Chenguang Wang, Bowen Jiang, Changquan Calvin Sun, C. Russell Middaugh Developing Biologics Tablets: The Effects of Compression on the Structure and Stability of Bovine Serum Albumin and Lysozyme Pharmaceutics, 16 (2019) 1119–1131
- Ildiko Olah, Jason Lasher, Geza Regdon Jr., Klara Pintye-Hodi, Gabriella Baki, Tamas Sovany Evaluating superdisintegrants for their performance in orally disintegrating tablets containing lysozyme enzyme Drug Deliv. Sci. Technol. 49 (2019) 396–404
- Mikihisa Takano, Yuka Koyama, Hiromi Nishikawa, Teruo Murakami, Ryoko Yumoto Segment-selective absorption of lysozyme in the intestine J. Pharmacol. 502 (2004) 149– 155