リゾチームは、さまざまな体液や組織に自然に存在する酵素であり、恒常性の維持や微生物から人体を守る上で重要な役割を果たしています。主に抗菌活性、特にグラム陽性菌に対する作用で知られていますが、リゾチームは免疫調節、炎症制御、組織リモデリング、創傷治癒など、より広範な生物学的機能を持つことが次第に認識されています。

Creative Enzymesとともにリゾチームの構造生物学、その体内分布、免疫防御における多面的な役割、健康と疾患における重要性を探求しましょう。

はじめに

ヒトの免疫系は、細菌、ウイルス、真菌、寄生虫などの有害な侵入者を識別し中和するために設計された、臓器、細胞、分子からなる複雑なネットワークで構成されています。その多くの防御ツールの中で、リゾチームは自然免疫の最も古く保存された構成要素の一つとして独自の地位を占めています。

1922年にアレクサンダー・フレミング卿によって初めて発見されたリゾチームは、当初その溶菌作用が注目されました。それ以来、免疫調節、アポトーシス、粘膜免疫、さらにはがん抑制への関与など、より広範な生物学的役割が明らかにされています。リゾチームの多機能性を理解することは、その生理学的意義や治療応用の可能性を評価する上で極めて重要です。

生化学的構造と作用機序

分子構造

リゾチームは129個のアミノ酸からなる小型の球状酵素で、分子量は約14.3キロダルトンです。グリコシドヒドロラーゼファミリー22（GH22）に分類され、特徴的なαヘリックスとβシートの配列を示します。

最も研究されているリゾチームの一つが鶏卵白リゾチーム（HEWL）であり、構造および酵素学的研究のモデルとして用いられています。活性部位には通常Glu35とAsp52の2つの触媒残基が存在し、ペプチドグリカンのグリコシド結合の切断に不可欠です。

図1. 鶏卵白リゾチームの構造。（PDBコード: 1DPX）

酵素作用機構

リゾチームは、細菌細胞壁ペプチドグリカン層の主要成分であるN-アセチルムラミン酸（NAM）とN-アセチルグルコサミン（NAG）間のβ-1,4-グリコシド結合を加水分解することで抗菌効果を発揮します。この酵素作用により細菌細胞壁の構造的完全性が損なわれ、浸透圧バランスが崩れ、特にグラム陽性菌で最終的に溶菌が引き起こされます。

図2. リゾチームが触媒する反応。基質は、N-アセチルグルコサミン（NAG）残基の4-OH基がGlu 35のCOOH基によってプロトン化されるように結合します。（Kirby, 2001）

ヒト体内におけるリゾチームの組織分布

リゾチームが多様な組織や分泌物に広く存在することは、人体の最前線の防御者としての重要な役割を反映しています。特に外界と接する解剖学的部位に豊富に存在し、微生物の侵入に対する恒常的な監視を提供しています。

分泌液

リゾチームはさまざまな体液に分泌され、可溶性抗菌因子として機能します。

• 涙液：涙腺から分泌されるリゾチームは、眼の自然免疫バリアの一部を形成します。免疫グロブリンAやラクトフェリンとともに、眼表面の無菌状態を維持し、結膜炎や角膜炎などの発症を防ぎます。眼が空気中の粒子や微生物にさらされることを考えると、その活性は極めて重要です。
• 唾液：唾液腺で産生されるリゾチームは、口腔の健康維持に大きく寄与します。細菌の細胞壁を分解し、ペルオキシダーゼやチオシアン酸イオンと協調して歯垢形成の抑制、口臭の軽減、歯周病の予防に役立ちます。
• 粘液：呼吸器、消化器、生殖器の粘膜に存在し、粘膜免疫防御の一部です。上気道・下気道では吸入病原体に、消化管では摂取された微生物に作用し、肺炎、気管支炎、胃炎などの感染予防に寄与します。
• 母乳：ヒト母乳、特に初乳には高濃度のリゾチームが含まれています。乳児の腸内細菌叢の形成や未熟な免疫系の強化に重要な役割を果たします。新生児に多い下痢性疾患や腸管感染症からの保護にも寄与します。
• 精液：精液中のリゾチームは微生物負荷を減少させ、生殖器環境の健康維持に寄与します。また、精子が尿道を通過する際の保護にも役立つ可能性があります。

細胞性供給源

リゾチームは複数の細胞型によって合成・分泌されており、自然免疫と獲得免疫の両方にまたがる統合的な機能を示しています。

• 好中球：これらの多形核白血球は、一次（アズール顆粒）にリゾチームを貯蔵しています。病原体と遭遇すると脱顆粒を起こし、感染部位にリゾチームを放出して細菌の除去に貢献します。
• マクロファージおよび単球：これらの貪食細胞はリゾチームを恒常的に分泌します。病原体関連分子パターン（PAMPs）によって活性化されると、リゾチーム産生が増加し、ファゴソーム内での微生物消化や他の免疫細胞へのシグナル伝達が強化されます。
• パネート細胞：腸陰窩の底部に存在し、腸管免疫に不可欠です。微生物刺激に応答してリゾチームを分泌し、腸内細菌叢のバランス維持や腸幹細胞の保護に寄与します。
• 肝細胞：肝臓は炎症時に全身性リゾチームレベルを増加させることができます。急性期反応の一部として、肝細胞はリゾチームを合成・血中に放出し、局所的および全身的に感染制御に働きます。

リゾチームと自然免疫

リゾチームは自然免疫系の基幹分子であり、微生物侵入に対して迅速かつ非特異的な応答を提供します。

第一線防御機構

リゾチームは、ペプチドグリカンの糖鎖成分など多くの微生物に共通する構造モチーフを認識できるパターン認識分子の典型例です。この認識能力により、獲得免疫応答が動員される前に作用することができます。

病原体が皮膚や粘膜の物理的バリアを突破した際、リゾチームは生化学的シールドの一部として機能します。特に鼻咽頭や消化管粘膜で、以下と協調して作用します。

• ラクトフェリン：鉄を結合し、細菌への供給を制限します。
• ディフェンシン：微生物膜に孔を形成して破壊します。
• 免疫グロブリンA（IgA）：微生物の付着を防ぎ、除去を促進します。

この生化学的環境下で、リゾチームは病原体の溶菌と除去を加速し、その陽イオン性により微生物表面の負電荷と相互作用して抗菌効果を高めます。

微生物標的への選択性

リゾチームは、厚く露出したペプチドグリカン層を持つグラム陽性菌に対して特に強力です。例えば、Staphylococcus aureusやBacillus subtilisは特に感受性が高いです。

しかし、Escherichia coliやPseudomonas aeruginosaなどのグラム陰性菌は、外膜によってペプチドグリカンが酵素攻撃から保護されています。それでも、以下の場合にはリゾチームがこれらの菌にも作用できます。

• EDTAなどのキレート剤で外膜が不安定化された場合。
• 外膜を透過させるディフェンシンと協調して作用する場合。
• 免疫細胞のファゴリソソーム内に送達され、外膜が破壊された場合。

したがって、リゾチームはグラム陽性菌に限定されず、より広範な免疫応答の一部として機能する際にはグラム陰性菌にも作用します。

図3. リゾチームは2つの機構で細菌を殺すことができます。（A）ペプチドグリカン（PG）モノマー—NAGとペプチド鎖付きNAM—はグリコシルトランスフェラーゼ（緑）によって細胞壁に組み込まれます。（B）リゾチームはNAMとNAG間のβ-1,4結合を切断し、PGを破壊して溶菌を引き起こします。（C）独立して、リゾチームの陽イオン性により膜に孔（赤）が形成され、細胞死をもたらす可能性があります。（Ragland and Criss, 2017）

リゾチームの免疫調節的役割

溶菌酵素としての役割を超えて、リゾチームは免疫細胞の挙動、サイトカインシグナル伝達、組織恒常性に深い影響を与えます。

サイトカイン産生の調節

リゾチームは炎症組織のサイトカイン環境に影響を与えることができます。マクロファージや樹状細胞などの抗原提示細胞に取り込まれると、以下のような作用を示します。

• IL-1βやTNF-αの分泌を促進し、免疫細胞の誘引・活性化を促します。
• IL-6レベルを上昇させ、急性期タンパク質合成を刺激します。
• 好中球を動員するケモカインであるIL-8の産生を増強します。

逆に、感染が収束した状態や組織修復時には、リゾチームはIL-10やTGF-βの増加を促し、これらは組織の修復や免疫応答の抑制に寄与する抗炎症性サイトカインです。

このような二重の作用は、リゾチームが単なる微生物殺傷因子ではなく、状況依存的な免疫調節因子であることを示しています。

図4. リゾチームは免疫応答を調節します。（Ragland and Criss, 2017）

アポトーシスと細胞ターンオーバーの調節

リゾチームは、特に上皮細胞や白血球におけるプログラム細胞死（アポトーシス）を調節することができます。アポトーシスに影響を与えることで、リゾチームは以下のように作用します。

• 感染または損傷した細胞の除去を助け、感染拡大を制限します。
• 消耗した好中球の除去を促進し、炎症の収束を助けます。
• 腸や呼吸器など高ターンオーバー部位での粘膜再生を支援します。

これらの機構を通じて、リゾチームは病原体の排除だけでなく、組織修復や免疫恒常性の調整にも寄与します。

消化管におけるリゾチーム

腸管は体内で最も複雑な免疫インターフェースの一つであり、リゾチームはそのバランス維持に中心的な役割を果たします。

腸内細菌叢の恒常性

腸管腔内でリゾチームは、腸内マイクロバイオームの構成を調節するのに役立ちます。

• 日和見病原体の過剰増殖を抑制します。
• 有益な共生細菌の繁栄を許容し、ビタミン合成、短鎖脂肪酸産生、バリア維持などの機能を支えます。

小腸のパネート細胞はリーバーキューン陰窩にリゾチームを分泌し、腸幹細胞ニッチを微生物侵入から保護します。

このシステムの調節異常—NOD2やATG16L1の遺伝子変異や環境要因による—は、腸内細菌叢の乱れ（ディスバイオーシス）を引き起こし、肥満、メタボリックシンドローム、炎症性腸疾患など多様な疾患に関与することが示唆されています。

病原体に対する防御

Salmonella enterica、Clostridium difficile、Listeria monocytogenesなど腸管病原体による感染時、パネート細胞や浸潤好中球からリゾチームが迅速に分泌されます。抗菌ペプチドや免疫グロブリンと協調して、病原体が上皮バリアを突破する前に中和します。

動物モデルでは、リゾチーム欠損が大腸炎や全身性細菌移行の感受性増加と関連しており、腸管免疫における不可欠な役割を裏付けています。

炎症性腸疾患（IBD）への関与

クローン病や潰瘍性大腸炎では、異常なリゾチーム発現が報告されています。仮説として、

• 初期炎症では、ディスバイオーシス制御の代償機構としてリゾチームレベルが上昇します。
• 慢性疾患では、持続的なリゾチーム発現が上皮ストレスや線維化に寄与する可能性があります。

このことから、リゾチームは粘膜免疫活性化のバイオマーカーやIBD治療標的となる可能性があります。

図5. 炎症性腸疾患（IBD）における炎症持続の仮説モデル。（Zigdon and Bel, 2020）

創傷治癒と組織リモデリングにおける役割

リゾチームは、非感染性プロセス、特に組織修復への関与でも注目を集めています。

デブリードマンと抗菌洗浄

創傷部位では、リゾチームが壊死組織や微生物汚染物を除去します。この酵素的デブリードマンは、肉芽形成や再上皮化のための創傷床準備に不可欠です。

抗炎症作用

サイトカインレベルの調節や活性酸素種の除去により、リゾチームは炎症の範囲と期間を制限し、慢性創傷形成のリスクを低減します。

線維芽細胞活性の促進

リゾチームは線維芽細胞の増殖やコラーゲン合成を刺激し、細胞外マトリックスの産生や創傷閉鎖に不可欠です。その存在は血管新生を促進し、組織の完全性再構築を助けます。

リゾチーム含有ハイドロゲル、ナノファイバー、生分解性足場などの先進的デリバリーシステムが、創傷管理における治療効果の最適化を目指して研究されています。

図6. フェーズトランジションリゾチームゲルの機能。（Chen et al., 2022）

リゾチームと全身性炎症

リゾチームは上皮表面で局所的に作用するだけでなく、全身性免疫応答にも関与します。

急性期反応

全身感染や外傷に応答して、肝臓は急性期タンパク質（リゾチームを含む）の産生を増加させます。血清リゾチーム値の上昇は、以下のような状態で観察されています。

• 敗血症
• 細菌性肺炎
• 重度の尿路感染症

これらの上昇はしばしば細菌負荷と相関し、臨床現場での診断・予後マーカーとなる場合があります。

慢性炎症性疾患

リゾチームの持続的上昇は、以下のような疾患で報告されています。

• サルコイドーシス：特に肺型で、気管支肺胞洗浄液中のマクロファージ由来リゾチームが肉芽腫活動性を反映します。
• 結核：リゾチーム値は活動性と潜在性の鑑別補助となる場合がありますが、特異性は限定的です。

単独の診断ツールとしては一般的に用いられませんが、血清リゾチームはCRPやESRなど他の炎症マーカーと併用して臨床的意義を持つ場合があります。

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リゾチームは長らく単純な抗菌酵素と考えられてきましたが、現在ではヒト体内の多機能メディエーターとしてますます認識されています。粘膜防御、免疫調節、組織修復、炎症など多様な役割は、その生理学的重要性と治療的可能性を強調しています。抗生物質耐性や慢性炎症性疾患が増加する現代において、リゾチームは新規治療戦略の有望な候補です。その作用機序、調節、エンジニアリングに関する研究の進展は、免疫学、感染症、再生医療分野における画期的な進歩をもたらす可能性があります。

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