피부면역과면역인자들에의한피부생리조절 조은경 아모레퍼시픽기술연구원 Biomics 연구팀 E-mail: egcho@amorepacific.com 인간신체에서가장큰단면적을지닌피부는 1차방어조직이자가장큰면역기관으로서물리적, 화학적, 생물학적방법으로각종유해환경으로부터신체를보호하고있다. 인간의피부구조는크게표피층, 진피층, 그리고피하지방층으로나누어지고, 표피와진피층은 extracellular matrix로구성된기저막에의해구분되어진다 ( 그림 1). 피부부속기관으로는피지샘, 모낭, 땀샘, 혈관, 신경다발등이있으며이들은피부전체에일정한패턴으로혹은특정영역에분포되어있다 ( 그림 1). 피부를구성하는세포들로는표피층의각질형성세포, 멜라닌형성세포, 진피층의섬유아세포, 그리고피하층의지방세포로크게나누어볼수있고, 이외에피부부속기관을형성하고있는혈관내피세포, 신경세포, 피지세포 (sebocyte), 모낭세포들 (hair follicular cells), 그리고적은수로존재하지만활성시강한신호를내는피부면역세포들이존재한다. 본리뷰에서는면역기관으로서의피부역할을선천적, 후천적면역반응으로나누어간단히살펴보고, 피부에존재하는각세포들이이러한선천적, 후천적피부면역에서어떠한역할들을담당하고있는지조사해보고자한다. 또한, 피부면역과관련된피부질환들의특성과이들의치료방법에대해살펴보고, 말미에는면역세포포함피부세포에서분비되는면역인자들이면역반응이외에다른피부세포의생리에어떻게영향을미치고있는지살펴보고자한다. 1. 본모식도는위키백과사전의피부관련이미지를발췌한것임. 피부면역계 - 자연면역 (innate immunity, 비특이성 ): 크게 constitutive innate immunity와 acquired innate immunity로나뉜다. 전자는피부의물리화학적특성 01 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter ( 방수성, 외부환경과의격리 ), 피부비병원성미생물분포에의한유해균부착및증식억제, 낮은표면 ph, 항균펩타이드 (Antimicrobial peptide, AMP) 분비, free fatty acid 분비, radical trapping, melanin에의한방어를말하고, 후자는 cytokines(il-1, TNF-α ), CXC-type chemokines, histamine, 항균펩타이드 (LL37, IFN-α, -β, -κ), 보체 (complement protein) 의분비및 1차면역세포들 (Macrophage, Neutrophil, Monocyte, Eosinophil, Basophil, Mast cell, NK cell) 의활성및유입에의한방어를말한다. - 획득면역 (acquired/adapted immunity, 특이성 ): 염증반응이 24시간에서 36시간이상지속될경우, 항원에의해활성화된표피에서 IFN-γ가분비되면서면역인자들 (cytokines/cc-type chemokines) 간일련의 cascade가형성된다. 이로인해대식세포 (macrophage) 와피부특이적 T cell(cla + memory T cell) 이유입되어, 항원혹은항원을노출하고있는피부세포들을잡아먹거나 ( 대식세포 ), 특정타입으로분화후면역반응을매개한다 (CLA + memory T cell). CLA + T 세포는특이적 cytokine에의해특정형태의 T 세포로분화하여면역반응을매개하게된다 (T h 1 by IL-12; T h 2 by IL-4/IL-10). 피부면역계구성요소들피부의자연혹은획득면역은피부를구성하는다양한세포들에의해분비되는항균펩타이드 (antimicrobial peptides), cytokines, chemokines, growth factors, 세포표면단백질등에의해일어난다. 이러한면역관련인자들을합성 / 분비함으로써면역반응을매개하는피부세포들을살펴보면아래와같다. - Keratinocytes( 각질형성세포 ): 표피층의각질형성세포는피부를구성하는세포들중가장많은수로존재한다. 이각질형성세포는정상상태에서는 major histo-compatibility complex(mhc) I을발현하고있으나염증이발생했을경우에는 MHC II 발현한다. Kinetic & thermal trauma, ultraviolet radiation, cytokines and neuropeptides 등과같은자극에대해 cytokines(il-1α, TNF) 의생산과다른세포유래의 cytokines에대한반응, 항균펩타이드분비등을통해피부면역반응에참여한다. - Langerhans cell(lc): 표피층에존재하며항원제시세포 (antigen presenting cell; APC) 로서 dendritic cell (DC) 에속한다. 항원을포획하여 T 세포에제시하여면역반응을유도하고, IL-1β를분비한다. 염증자극시표피를떠나림프관통해인접림프절 (lymph node) 로이동하여면역반응신호를신체전체에확산시킨다. - Dermal Mast cells: 진피층에존재하며 high-affinity IgE receptor 발현하고있어 IgE 매개성알러지반응유발한다. 신경펩타이드, 보체등의자극에의해다양한 mediator를분비한다. - Dermal Dendritic cells: 진피층에존재하면서 class II MHC 발현, 혈관주변에위치하면서혈액에존재하는면역세포들이동및활성을초래한다. LC처럼림프절로이동하여신체의면역활성을유도한다. - Dermal Fibroblasts( 섬유아세포 ): 진피층의주요세포로서각질형성세포와연합해 cytokine network을형성한다. - Microvascular Endothelial cells( 모세혈관내피세포 ): INF-g에의해 MHC II를발현, 강력한항원제시기능을가진다. 이들세포에서발현되는 adhesion 단백질에혈액내면역세포들이결합, 면역세포들이피부로들어오는혈관외누출 (extravasation) 과정이조절된다. - 이외에도 Dendritic Epidermal T cells(γδ T cells), 피부감각신경 (C-fiber, Aδ-fiber) 유래 Neuropeptides(Substance P, CGRP, N1KA, VIP etc.), Dermal microvascular unit(t cells, mast cells, DDCs, monocytes, macrophages가모여있음 ), 혈관내피세포와림프구의결합을중개하는부착단백질들 (immunoglobulin, integrin, selectin등 ) 도피부면역을매개하는중요한구성요소들이다. 웹진 2015 ㅣ 4 02
피부면역관련질환들피부면역을담당하는피부세포들의기능이과활성되어특정면역인자들을과량으로분비하거나, 그기능을제대로수행하지못할경우다양한피부질환을야기하게된다. 피부면역관련대표적질환들의특성과개선방법들에대해살펴보면다음과같다. - Psoriasis( 건선 ): 상당히흔한만성피부질환으로 1970에서 2010년까지의피부질환관련연구에서건선에대한연구는점차증가하고있는추세이다 [1]. 건선의특징은각질형성세포의과증식, T 세포와 neutrophil의과도한유입, 혈관확장및혈관내피세포의과증식으로나타내어지나, 각질형성세포의과증식현상은유입된 T 세포에서분비된 type I cytokine 들 (pro-inflammatory IFN-γ, TNF-α, IL-1, IL-2) 에의한이차적특성으로파악된다. 건선부위에는 type II cytokine인 IL-4와 IL-10의발현이낮아져있어, 이러한 anti-inflammatory cytokine(il-4, -10, -11) 을높혀주는것이하나의건선치료방법으로제시되고있다. 이외에, 직접적으로 T 세포를죽이거나 (IL-2 toxin, IL-2R antibody, anti-cd4 antibody, alefacept), T 세포유입시필요한세포부착을막아 (anti-cd11a antibody) 건선을치료하는새로운방법들이제시되어오고있다 [2, 3]. - Allergic Contact Dermatitis(ACD, 알레르기성접속성피부염 ): 낮은분자량의유기화학물질혹은금속이온등과같은항원에대해림프구 (CD4 +-, CD8 +- T cells) 가매개하는과민성면역반응으로, T h 1 유래의 cytokine(ifn-γ, TNF, IL-2) 들이주로분비되어있다. 최근의연구결과에의하면림프구외 natural killer T(NKT) cells, natural killer cells, mast cells, neutrophil도 ACD에관여한다 [4]. 급성 ACD의경우홍반을동반한수포들이형성되나, 만성의경우피부가두꺼워지고 (thickening), 비닐형태의가죽화 (lichenification) 가진행된다. ACD의최적의치료방법은항원을피하는방법이므로, 정확한 allergen 파악에 기반한진단이필수적이다. - Atopic Dermatitis( 아토피피부염 ): 아토피는주로어린시절부터시작, 나이가듦에따라개선되는양상을보이나, 재발성이강하다. 보통비염, 천식질환과의유관성이높으며비정상적으로 T h 2에편향된면역반응에의해초래된다. 결과적으로아토피환자의혈액내에는 T h 2 세포유래의 cytokine(il-4, -5, -10, -13), IgE, 그리고 eosinophil의수가증가되어있다. 반대로 T h 1 유래의 cytokine인 IFN-γ와 IL-15은감소되어있다. 아토피치료를위해서는가려움증의완화, 피부장벽기능의회복, 외부환경인자의제거, 염증반응의약화가필요하다. FK-506에결합, IL-2의발현을저해함으로써 T 세포기능을억제하는약물 (Tacrolimus, pimecrolimus) 은가격은비싸나, corticosteroid가갖는위험성을보이지는않는다. 아토피병변부위로부터쉽게 Staphylococcus aureus가분리배양되는것으로보아, 이균을죽이는항생제가아토피를치료하는하나의방법으로제시되기도한다. 또한면역억제효과를내기위해 UV(UVB, psoralen plus UVA) 가사용되기도하며, phosphodiesterase(pde) inhibitor (Ro 20-1724) 들을사용하여 T h 2 유래 cytokine인 IL-10의발현을낮추거나, T h 1 유래 cytokine인 IFNγ를직접공급해주므로써 Th1 과 Th2간균형을맞춰주는게임상적으로좋은효과를내고있다. T h 2 유래 cytokine인 IL-4, -5, 그리고 IgE를타깃으로하는약물혹은 eosinophil이나 T h 2 세포들을리쿠르트하는 chemokines을타깃으로하는약물개발도가능할것으로여겨진다 [2, 3]. - Vitiligo( 백반증 ): 후천적색소결핍질환으로, 멜란닌형성세포가죽거나제기능을못하므로써멜라닌생성이억제, 색소가없는피부영역들이나타난다. 탈색양상에다라 segmental 과 non-segmental (symmetrical, generalized) 로나뉘어지고, 후자가일반적인양상이다. 자가면역, 유전적결함, 산화스트레스, 신경학적문제, 바이러스감염등다양한원인들에의해발병할수있으나 [5], 결국은면역세포들 03 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter (CD8 + T cells) 이관여하여멜라닌형성세포를죽이거나 (tyrosinase를 autoantigene으로인식, 멜라닌형성세포를공격 ), cytokine(ifn-γ, TNF-α) 분비함으로써멜라닌형성세포의기능을억제함으로써색소생성을저해하게된다. 백반증치료는스테로이드약물 (glucocorticoid) 혹은 calcineurin 저해제를이용, 면역기능을우선적으로억제하는것으로진행된다. 두번째로는 UV(UVB, psoralen plus UVA) 를이용하는광치료제가적용되며, 이외병변부가정상부보다넓을경우, 역으로신체를 de-pigmenting 하는방법들이사용되기도한다. 피부면역인자들의피부세포영향위에서살펴본것처럼, 피부는 1차방어기관으로서유해한환경에노출혹은항원의침입시다양한면역인자들 (cytokines, chemokines) 을분비하므로써세포간커뮤니케이션을유도, 필요한기능들을수행하게한다. 이러한면 역인자들은면역반응유도외에도피부를구성하는피부세포들의생리에도영향을미치고있다. 대표적피부세포들중하나인멜라닌형성세포는표피에서 10% 미만을차지, 표피층과진피층사이의기저막위에존재하면서하나당대략 36개정도의각질형성세포와연합하여 epidermalmelanin unit[6, 7] 을형성, 멜라닌을생성 / 분포시켜대표적유해한환경인 UV로부터피부를직접적으로보호하는중요한역할을담당하고있다. 멜라닌생성의신호전달들은각질형성세포유래의인자들에의해활성화됨이잘알려져있듯이 ( 그림2)[8, 9], 인접세포들에의해영향을특히많이받고있다. 피부세포혹은피부면역세포들이분비하는면역인자들은직 / 간접적으로각질형성세포의증식과분화에영향을미치고 [10] 더불어멜라닌형성세포의증식, 분화, 그리고멜라닌생성속도도조절하는것으로알려져왔다 [8, 11-13]. 면역인자들의피부내발현은 UV, 아토피, 건선등과같은피부질환상태에따라다르고 [12, 14], UV를포함하는다양한자극으로초래된염증후의과색소침착은임상적으로자주보여지는현상이다. 대표적으로 IL-1α, 2.. 그림은 Hirobe, T. (2005) [8] 와 Cichorek, M. et al., (2013) [9] 두논문을참고하여조정하였다. 웹진 2015 ㅣ 4 04
endothelin-1, stem cell factor는멜라닌형성세포를자극하여멜라닌생성을촉진하는것으로알려져있다 [15, 16]. 이와같이, 면역인자들은면역반응이외에, 피부세포들고유의기능들을조절할것으로여겨는바, 면역인자들이각질형성세포또는멜라닌형성세포의고유한기능들을어떻게조절하고있는지, 본연구실에서규명한대표적면역인자들중심으로살펴보고자한다. - IL-6: 각질형성세포혹은피부 3D 모델에처리시각질분화마커들의발현이현저히떨어지며이러한효과는 STAT3 활성을통해일어난다. IL-6 분비를증가시켜표피분화를억제하는주요한자극으로는 Staphylococcus aureus(s. aureus), Retinoic acid, UV등이있다 [17]. 멜라닌억제물질로알려진 kojic acid는단독배양하는멜라닌형성세포에는특정효과가없고, 각질형성세포와의공배양에서만멜라닌억제효과를보인다. 이는각질형성세포에서 IL-6를분비하고, 분비된 IL-6가멜라닌형성세포에작용, 멜라닌생성관련된단백질들의발현을억제시킨다 [18]. 또다른면역인자인 IFN-γ를멜라닌형성세포에처리시 IL-6의분비증가가관찰되나, IFN-γ에의한멜라닌생성억제효과는보이지않고, 멜라닌형성세포의 senescence가유도된다 [19]. 이는면역인자들간특이적으로멜라닌생성조절기능을의미한다. - IL-4: 대표적인 CD4 + T 세포유래면역인자로, 멜라닌형성세포에처리시 JAK2-STAT6 시그널링을통해직접적으로멜라닌생성관련단백질들의발현을저해, 멜라닌생성을조절한다 [20]. - IL-13: epidermal γδ T cells 유래의면역인자로서, 인삼효능성분중의하나인 Ginsenoside F1(GF1) 의임상효과를매개한다. GF1에의해활성화된 γδ T cell 이 IL-13을분비, 분비된 IL-13이멜라닌형성세포의 tyrosinase와 DCT 발현을억제하므로써멜라닌생성저해효과를나타낸다 [21]. - SDF1(CXCL12): 멜라닌형성세포의전구세포 (Melanoblast) 는발생과정에서적극적으로이동하는특성을보유하고있고, 이에관한연구는 c-kit, endothelin signaling, 그리고 SDF1를중심으로규명되어왔다 [22-24]. 인간의피부에존재하는성숙한멜라닌형성세포는세포분열을위한 retraction 그리고최적화된 epidermal-melanin unit 형성에필요한재배치, 그리고특정자극에대한반응 (solar lentigo, melasma) 를위해선이동성을보유할것으로여겨진다. 일부연구에선 FK506 혹은 PPARγ agonist가멜라닌형성세포의이동을증진시키므로백반증의치료제로제안하기도한다 [25, 26]. 성숙한인간멜라닌형성세포에 chemokine인 SDF1을처리시 CXCR7과 β -arrestin 의존적으로세포의 chemotaxis가유도된다 [27]. 맺음말지금까지피부면역계종류, 피부면역계를구성하는인자들, 피부면역관련질환들, 피부면역인자들에의한피부생리조절측면을간단히살펴보았다. 피부는외부환경에직접적으로노출되어있으므로, 이에대한반응체계들이다른기관들보다조직적이고효율적으로운영될것으로여겨진다. 피부는신체내부를외부환경과격리하는 1차적물리적장벽으로기능하는것외에, 1,2차면역반응을유도, 적극적으로유해환경을제거하기위한액션들을취한다. 외부유해인자들에대항해최적의면역효과를구현하기위해선선행적으로방어하는체계, 염증지속에의한 2차방어체계의활성화가순차적으로일어나야하고, 이를위해선면역인자들간잘정립된 cascade와, 이를통한세포들간긴밀한의사소통이필수적이다. 노출되는피부환경에따라면역인자들의 profile이달라지므로, 특정환경을대변하는특정면역인자들은당연하게도주변피부세포들에다르게영향을미쳐, 그기능을조절할수있게된다. 피부가처한환경, 이런환경에서분비되는면역인자들에대한분석, 분석된면역인자들에의한피부세포들의기능조절연구들을체계적으로진행함으로써, 피부면역질환들에대한이해도를높이고이에기반한맞춤형솔루션확보에도움이될수있으리라생각한다. 또한피부생리조절을면역인자측면에서고 05 분자세포생물학뉴스레터
molecular and cellular Biology Newsletter 려할경우, 기존의전형적피부세포들대상의연구로인해해석이어려웠던피부현상들에대한이해와, 특정소재 / 물질 /ingredient들이피부에나타내는효과에대한해석의범위가확대될수있을것으로기대한다. [ ] 1. Choi, Y.M. and J.J. Wu, Trends in the frequency of original research in acne vulgaris, rosacea, dermatitis, psoriasis, skin cancer, and skin infections, 1970-2010. Perm J, 2015. 19(1): p. 44-7. 2. Blauvelt, A., S.T. Hwang, and M.C. Udey, 11. Allergic and immunologic diseases of the skin. J Allergy Clin Immunol, 2003. 111(2 Suppl): p. S560-70. 3. Guttman-Yassky, E., K.E. Nograles, and J.G. Krueger, Contrasting pathogenesis of atopic dermatitis and psoriasis--part I: clinical and pathologic concepts. J Allergy Clin Immunol, 2011. 127(5): p. 1110-8. 4. Martin, S.F., Immunological mechanisms in allergic contact dermatitis. Curr Opin Allergy Clin Immunol, 2015. 5. Halder, R.M. and J.L. Chappell, Vitiligo update. Semin Cutan Med Surg, 2009. 28(2): p. 86-92. 6. Fitzpatrick, T.B. and A.S. Breathnach, [the Epidermal Melanin Unit System]. Dermatol Wochenschr, 1963. 147: p. 481-9. 7. Nordlund, J.J., The melanocyte and the epidermal melanin unit: an expanded concept. Dermatol Clin, 2007. 25(3): p. 271-81, vii. 8. Hirobe, T., Role of keratinocyte-derived factors involved in regulating the proliferation and differentiation of mammalian epidermal melanocytes. Pigment Cell Res, 2005. 18(1): p. 2-12. 9. Cichorek, M., et al., Skin melanocytes: biology and development. Postepy Dermatol Alergol, 2013. 30(1): p. 30-41. 10. Gutowska-Owsiak, D. and G.S. Ogg, Cytokine regulation of the epidermal barrier. Clin Exp Allergy, 2013. 43(6): p. 586-98. 11. Imokawa, G., Autocrine and paracrine regulation of melanocytes in human skin and in pigmentary disorders. Pigment Cell Res, 2004. 17(2): p. 96-110. 12. Slominski, A., et al., Melanin pigmentation in mammalian skin and its hormonal regulation. Physiol Rev, 2004. 84(4): p. 1155-228. 13. Kurata, R., et al., Inhibition of the CXCR3- mediated pathway suppresses ultraviolet B-induced pigmentation and erythema in skin. Br J Dermatol, 2010. 163(3): p. 593-602. 14. Dessinioti, C., et al., A review of genetic disorders of hypopigmentation: lessons learned from the biology of melanocytes. Exp Dermatol, 2009. 18(9): p. 741-9. 15. Ortonne, J.P. and D.L. Bissett, Latest insights into skin hyperpigmentation. J Investig Dermatol Symp Proc, 2008. 13(1): p. 10-4. 16. Okazaki, M., et al., Correlation between age and the secretions of melanocyte-stimulating cytokines in cultured keratinocytes and fibroblasts. Br J Dermatol, 2005. 153 Suppl 2: p. 23-9. 17. Son, E.D., et al., Staphylococcus aureus inhibits terminal differentiation of normal human keratinocytes by stimulating interleukin-6 secretion. J Dermatol Sci, 2014. 74(1): p. 64-71. 18. Choi, H., et al., Kojic acid-induced IL-6 production in human keratinocytes plays a role in its anti-melanogenic activity in skin. J Dermatol 웹진 2015 ㅣ 4 06
Sci, 2012. 66(3): p. 207-15. 19. Wang, S., et al., Interferon-gamma induces senescence in normal human melanocytes. PLoS One, 2014. 9(3): p. e93232. 20. Choi, H., et al., IL-4 inhibits the melanogenesis of normal human melanocytes through the JAK2- STAT6 signaling pathway. J Invest Dermatol, 2013. 133(2): p. 528-36. 21. Han, J., et al., Role of epidermal gammadelta T-cell-derived interleukin 13 in the skinwhitening effect of Ginsenoside F1. Exp Dermatol, 2014. 23(11): p. 860-2. 22. Nishikawa, S., et al., In utero manipulation of coat color formation by a monoclonal anti-c-kit antibody: two distinct waves of c-kit-dependency during melanocyte development. EMBO J, 1991. 10(8): p. 2111-8. 23. Saldana-Caboverde, A. and L. Kos, Roles of endothelin signaling in melanocyte development and melanoma. Pigment Cell Melanoma Res, 2010. 23(2): p. 160-70. 24. Belmadani, A., et al., The chemokine SDF-1/ CXCL12 regulates the migration of melanocyte progenitors in mouse hair follicles. Differentiation, 2009. 77(4): p. 395-411. 25. Kang, H.Y. and Y.M. Choi, FK506 increases pigmentation and migration of human melanocytes. Br J Dermatol, 2006. 155(5): p. 1037-40. 26. Lee, Y., et al., High-dose prednisolone and psoralen ultraviolet A combination therapy in 36 patients with vitiligo. Clin Exp Dermatol, 2007. 32(5): p. 499-501. 27. Lee, E., et al., CXCR7 mediates SDF1-induced melanocyte migration. Pigment Cell Melanoma Res, 2013. 26(1): p. 58-66 저 자 약 력 조은경 1992-1996 서울대학교농업생명과학대학, 학사 1996-1998 광주과학기술원생명과학과, 석사 1998-2002 서울대학교자연과학대학, 박사 2005-2010 Sanford-Burnham Medical Research Institute, USA, 박사후과정 2010-2011 아모레퍼시픽기술연구원수석연구원 2011- 현재 아모레퍼시픽기술연구원팀장 07 분자세포생물학뉴스레터