1) pissn 1226-2587 J. Soc. Cosmet. Sci. Korea eissn 2288-9507 Vol. 42, No. 4, December 2016, 343-349 http://dx.doi.org/10.15230/scsk.2016.42.4.343 제주용암해수의피부보습효과연구 이성훈 배일홍 민대진 김형준 박녹현 최지예 신진섭 김은주 이해광 ( 주 ) 아모레퍼시픽기술연구원 (2016년 9월 12일접수, 2016년 11월 24일수정, 2016년 12월 19일채택 ) Skin Hydration Effect of Jeju Lava Sea Water Sung Hoon Lee, Il-Hong Bae, Dae Jin Min, Hyoung-June Kim, Nok Hyun Park, Ji Hae Choi, Jin Seob Shin, Eun Ju Kim, and Hae Kwang Lee Amorepacific Corporation R&D Center, 314-1 Bora-dong, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do 17074, Korea (Received September 12, 2016; Revised November 24, 2016; Accepted December 19, 2016) 요약 : 제주용암해수는미네랄과영양염류가풍부한물로제주만이보유한지하수자원이다. 본연구의목적은제주용암해수의피부보습효과를확인하기위한것이다. 피부의건조함을막고수분을유지하기위해서는표피층의장벽기능이정상적으로기능하고, 표피층내수분의유지와이동이원활히이루어져야한다. 제주용암해수를각질형성세포에처리한결과표피층의분화과정과 natural moisturizing factor (NMF) 생성과정에관여하는유전자인필라그린과 caspase-14 유전자의발현양이증가되는것을확인할수있었다. 또한막관통단백질로수분의이동을조절하는 aquaporin 3 (AQP3) 유전자발현양과단백질발현양도제주용암해수처리에의해증가하였다. 인공피부를이용한실험에서제주용암해수를배지에처리하고배양한결과 hyaluronic acid (HA) 의수용체인 CD44 의발현양이증가하였다. 본연구를통해제주용암해수는피부보습과관련된인자들의발현양을증가시켜피부의보습기능에도움을주는것으로사료되었다. Abstract: Many minerals and nutrient salts are abundant in Jeju lava sea water. The objective of this study was to evaluate the skin hydration effects of Jeju lava sea water. The skin barrier serves as a protective barrier that prevents the loss of moisture. The water holding capacity and water transport of the epidermis have been proposed to be important determinants of skin hydration. Jeju lava sea water increased the mrna expression of filaggrin and caspase-14 which is related to natural moisturizing factor (NMF) formation. Aquaporins 3 (AQP3) are proteins that facilitate the transport of water across cell membranes. Jeju lava sea water increased the mrna expression and protein expression of AQP3. We employed a skin equivalent model to assess the efficacy of Jeju lava sea water. In a skin equivalent model, Jeju lava sea water increased the CD44 (hyaluronic acid receptor) which is related to skin hydration. From these results, we found out Jeju lava sea water maybe help to skin hydration. Keywords: Jeju lava water, skin hydration, NMF, AQP3, skin equivalent 주저자 (e-mail: imstrong20@amorepacific.com) call: 031)899-2683 343
344 이성훈 배일홍 민대진 김형준 박녹현 최지예 신진섭 김은주 이해광 1. 서론피부는체내에서지나친수분방출을막고화학물질, 미생물과같이해로운물질이우리몸안으로들어오는것을막아준다 [1]. 피부를건강하게유지하기위해서는각질층에약 30% 정도의수분이함유되어있어야한다 [2]. 각질층에서수분을유지하기위해서는피부장벽기능이정상적으로작동해야하고, 수분보유력이뛰어난 NMF가생성되어야한다. NMF는필라그린의분해산물로 urea, pyrrolidone carboxylic acid, glutamic acid와아미노산등으로구성되어있으며각질층건조중량의 20 30% 를차지한다 [3]. 표피층의각질형성세포는일련의분화과정과각질화과정을거쳐각질층을형성하게된다. 각질층은물리적, 화학적으로물질의이동을통제하여실제적인피부장벽의역할을수행하게된다. 필라그린은각질형성세포가생성하는단백질로, 피부장벽의생성과유지에중요한역할을하여각질형성세포의분화와피부장벽기능을관찰하는주요마커로사용되고있다 [4-6]. 또한필라그린은 NMF로분해되어각질층의수분유지에중요한역할을담당한다 [7]. 필라그린이 NMF로분해되는과정에는여러가지단백질분해효소들이관여하며 caspase-14는필라그린단위체를필라그린조각으로분해하는효소로 caspase-14 유전자의발현이억제된쥐모델에서는필라그린의분해가정상적으로일어나지않아 NMF 생성량이감소하였다 [8]. Aquaporins (AQPs) 는세포막에존재하는수분의이동통로로현재까지사람에서는 13개의 aquaporins (AQP0 AQP12) 이발견되었다 [9]. 피부표피층에서주로발현되는 aquaporin은 AQP3이며기저층과가시층에서주로발현되고각질층에서는 AQP3의발현이관찰되지않는다 [10]. AQP3 은세포와세포사이의수분과글리세롤의이동을조절하는단백질로, AQP3 유전자의발현이억제된쥐모델에서표피층수분유지과정에문제가발생하는것이보고되었다 [11]. 나이가들면 AQP3의발현이감소하는데 AQP3 발현양감소가피부건조함을일으키는원인중하나로생각되고있다 [12]. CD44는세포막에존재하는막관통당단백질로수분보유력이뛰어난 HA의수용체이며세포의증식과이동에관여한다 [13-16]. 사람피부에서 CD44와 HA의발현위치는유사하며 HA 생성량이증가하면 CD44의 Table 1. Component Analysis of Jeju Lava Sea Water 시험항목 (mg/l) Na 11100 Mg 1410 Ca 399 K 398 Br 67.2 Si 22.6 Sr 7.47 B 3.95 Mo 0.005 V 0.01 Se 0.01 이하 Ge 0.001 이하 Mn 0.001 이하 Cu 0.002 Cl - 21100 SO4 2-2400 F - 0.64 양도증가하는것이보고되었다 [17-19]. 또한 CD44는밀착연접의구성과장벽기능에도중요한기능을하고있다 [20]. 미네랄은피부장벽보호기능이있다고알려져있다. Denda 그룹에서는칼슘과마그네슘등의미네랄성분이피부장벽보호기능이있다는연구결과를발표하였다. 테이프스트리핑으로쥐의피부장벽을손상시키고염화마그네슘과염화칼슘을도포하였더니손상된장벽의회복속도가빨라졌다 [21]. 마그네슘이함유된사해염용액으로목욕을했을때피부장벽기능이강화되고피부수분량이증가하는결과도보고되었다 [22]. 이와같은기존의연구결과를바탕으로본연구에서는각종미네랄이다량함유된제주용암해수의피부보습효과를확인해보았다. 2. 재료및실험 2.1. 제주용암해수처리제주용암해수는바이오랜드에서수급하여실험에사용하였으며한국화학시험연구원의성분분석결과는 Table 1에기재하였다. 제주용암해수는세포독성이없 대한화장품학회지, 제 42 권제 4 호, 2016
제주용암해수의피부보습효과연구 345 었던농도인 150, 300, 600 ppm 으로각질형성세포에처리하였고인공피부에는 300 ppm 농도로처리하였다. 각질형성세포를이용한실험에서는제주용암해수를 48 h 처리하였으며, 인공피부를이용한실험에서는 5일간의공기노출배양뒤, 제주용암해수가포함된배지에서추가로 6일간배양하였다. 번씩배지를교환하며일주일동안배양했다. 각 well 당 2.5 10 5 개의각질형성세포를분주하고 7일동안배양했다. 이렇게제작한인공피부를 5일동안공기노출배양을진행한후실험에사용하였다. 배양후면역형광염색을위해 OCT (tissue-tek OCT, Sakura, USA) 용액을이용하여냉동표본을제작하였다. 2.2. 세포배양신생아유래진피섬유아세포 (human neonatal dermal fibroblast, invitrogen, USA) 와신생아유래표피각질형성세포 (human neonatal epidermal keratinocyte, invitrogen, USA) 는 invitrogen에서구매하여사용하였다. 섬유아세포는 low serum growth supplement (LSGS, Gibco, USA) 와 penicillin-streptomycin (Lonza, USA) 이함유된 106 배지 (M106, Gibco, USA) 에서배양하였다. 섬유아세포는계대배양을진행하여실험을진행하였고계대수 4 8 사이의세포를실험에사용하였다. 각질형성세포는 human keratinocyte growth supplement (HKGS, Gibco, USA) 와 penicillin-streptomycin 이함유된 Epilife 배지 (Gibco, USA) 에서배양하였다. 각질형성세포는계대배양을진행하여계대수가 2인세포를실험에사용하였다. 세포들은 37, 5% CO 2 조건에서배양하였다. 2.4. 유전자발현평가 (Quantitative Real-time PCR) 각질형성세포는각 well 당 3 10 5 개로 6-well 플레이트 (Falcon, USA) 에분주하였다. 제주용암해수를농도별로 48 h 동안각질형성세포에처리하였다. 배양이끝난세포를 PBS로세척하고 RNeasy kit (Qiagen, Germany) 를이용하여세포에서 RNA를추출한다. 추출한 RNA를 Superscript III kit (Invitrogen, USA) 을이용하여 cdna를합성한다. 합성한 cdna를 DW, Taqman universal PCR master mix, primer와혼합한후 7500 fast real-time PCR machine을이용하여유전자의발현변화를측정하였다. PCR과관련된시약과장치는모두 Applied biosystems (Life technoligies, USA) 제품을사용하였으며, kit과 PCR 방법은제조사가제공한프로토콜을따랐다. 유전자발현평가에사용한 primer 는다음과같다. AQP3 : Hs00185020_m1, filaggrin : Hs00856927_g1, caspase-14 : Hs00201637_m1 *. 2.3. 인공피부제작인공피부는진피층위에각질형성세포를분주하고배양하면서분화를유도한후공기노출배양을통해각질층을형성한다. 먼저섬유아세포가들어있지않은진피층과섬유아세포가들어있는진피층을제작하였다. 섬유아세포가포함되지않는진피층은 type I collagen solution (Sigma, USA) 과 Dulbecco s modified Eagle medium (DMEM, Welgene, Korea), Ham s F-12 (Gibco, USA), NaHCO 3 (Sigma, USA) 를섞고 NaOH (Sigma, USA) 로중화시켜제작하였다. 혼합액을 12-well culture insert (Corning, USA) 에분주하고 1 h 동안 37 배양기에넣고중합시켰다. 섬유아세포가포함된진피층은섬유아세포가들어있지않은진피층에서사용된혼합액에각 well 당 2 10 4 개의세포가들어갈수있도록세포를넣고섬유아세포가포함되지않은진피층위에분주하여 37 배양기에넣고 2 h 동안중합시켰다. 중합을마친진피층에 106 배지를넣어주고이틀에한 2.5. 면역형광염색 (Immunofluorescence) 각질형성세포는각 well 당 3 10 4 개로 µ-slide 8-well 챔버 (ibidi, Germany) 에분주하였다. 제주용암해수를농도별로각질형성세포에 48 h 동안처리하였다. 각질형성세포는 4% 포름알데하이드수용액 (EMS, USA) 을이용하여 10 min 동안고정하였으며, 고정이끝난후세척액 (0.05% Tween-20 in phosphate buffered saline, PBS) 으로두번세척하여포름알데하이드를제거하였다. 고정된세포는 permeabilization buffer (0.1% Triton X-100 in PBS) 를 10 min 동안처리하여세포막의투과성을확보하고, blocking solution (1% bovine serum albumin, BSA in PBS) 을 30 min 동안처리하여항체의비특이적결합을막았다. 이와같은방법으로처리된세포내의 AQP3 단백질은 anti-aqp3 항체 (Santa Cruz, USA) 를이용하여표지하였으며, AQP3 단백질은 Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit IgG (invitrogen, USA) 항체로표지하였다. 시료는공초점현미경 (LSM 510, J. Soc. Cosmet. Sci. Korea, Vol. 42, No. 4, 2016
346 이성훈 배일홍 민대진 김형준 박녹현 최지예 신진섭 김은주 이해광 Carl-Zeiss, Germany) 을이용하여관찰하였다. OCT로냉동표본을제작한인공피부는 6 µm 두께로동결절편을제작한뒤에면역형광염색을진행하였다. 동결절편을 24 h 동안실온에서건조시킨후 PBS로 FSC 용액을세척하여제거했다. Blocking solution (1% BSA in PBS) 을 1 h 동안처리하여항체의비특이적결합을방지하였다. 인공피부동결절편에서 CD44 단백질을관찰하기위해 anti-cd44 항체 (Santa Cruz, USA) 를이용하였다. 2차항체로 HRP conjugated antibody (Abcam, USA) 를사용하였으며광학현미경 (Bx-53, Olympus, Japan) 을이용하여관찰하였다. A 3. 결과및고찰 3.1. 제주용암해수처리에의한필라그린, Caspase-14 유전자발현양증가제주용암해수의피부보습효과를확인하기위해각질형성세포에제주용암해수를처리하고 NMF 생성에관여하는필라그린과 caspase-14 유전자의발현양을비교하였다. 필라그린은피부장벽을구성하는구조단백질로서의기능뿐만아니라필라그린의분해산물인 NMF는피부의수분유지에중요한기능을담당하고있다 [7]. Caspase-14 는필라그린단위체를필라그린조각으로분해하는효소로 NMF 생성과정에관여하는효소이다 [8]. 제주용암해수를각질형성세포에 48 h 처리한결과필라그린유전자의발현양과 caspase-14 유전자의발현양이제주용암해수처리농도에따라농도의존적으로증가하는것을확인할수있었다 (Figure 1). 이를통해제주용암해수가각질형성세포에서 NMF 생성을증가시킬수있음을확인할수있었다. 3.2. 제주용암해수처리에의한 AQP3 발현양증가피부세포간수분이동채널인 AQP3의발현양변화를확인하기위해각질형성세포에제주용암해수를처리하고 AQP3 유전자발현양과세포내단백질생성량의변화를관찰하였다. 제주용암해수를각질형성세포에 48 h 처리한결과 AQP3 유전자발현양이농도의존적으로증가하는것을확인할수있었고, 각질형성세포에 300 ppm 농도로제주용암해수를처리한결과면역형광염색을통해 AQP3 단백질생성량이증가하는것을확인하였다 (Figure 2). B Figure 1. Jeju lava sea water increased filaggrin and caspase-14 mrna expression. Normal human keratinocytes were treated with 150, 300 and 600 ppm of Jeju lava sea water for 48 h ( ** p < 0.01). 3.3. 제주용암해수처리에의한 CD44 발현양증가 인공피부는사람피부와유사한구조를가지고있으며, 진피층위에서배양된각질형성세포가증식과분화과정을통해각질층을형성한다. 인공피부의이런특징을이용하여제주용암해수의보습효과를확인하기위해실험을진행하였다. HA는표피층세포에서수분보유력이뛰어난물질로피부보습력을평가하는데사용되는중요한바이오마커이다. CD44는 HA의수용체로 HA 생성량이증가하면 CD44의양도증가하는것이보고되었다. 인공피부모델에서공기노출배양을 5 일간진행한뒤제주용암해수가함유된배지에서 6일동안공기노출배양을추가로진행하였다. 실험을종료하고면역형광염색을통해 HA 수용체인 CD44의발현양을인공피부에서확인하였다. 대조군대비제주용 대한화장품학회지, 제 42 권제 4 호, 2016
제주용암해수의 피부 보습 효과 연구 A B Figure 2. Jeju lava sea water increased aquaporin 3 expression. (A) mrna expression of AQP3 (B) immunofluorescence staining of AQP3. Scale bar = 50 µm (*p < 0.05, **p < 0.01). 암해수를 처리한 인공피부 모델에서 CD44의 생성량이 증가되어 있는 것을 확인하였다(Figure 3). 또한 제주용 암해수를 처리한 인공피부 모델에서 대조군 대비 각질 층의 두께가 증가하여 피부 장벽기능이 강화된 것을 관찰할 수 있었다. 4. 결 론 본 연구는 다양한 미네랄이 함유된 제주용암해수의 피부 보습 효과를 확인하기 위해 진행되었다. 피부 보 습을 유지하기 위해서는 피부 장벽의 발달과 함께 표 피층 내 수분의 유지와 이동이 원활이 이루어져야 한다. 필라그린은 피부의 구조를 이루는 단백질일 뿐만 아 니라 필라그린의 분해산물인 NMF는 피부의 수분유지 에 필수적인 요소이다. 필라그린은 피부 장벽의 생성 과 유지에 중요한 역할을 담당하며, 필라그린이 피부 장벽, 피부 보습에 미치는 영향에 대한 연구는 많이 발 347 Figure 3. Jeju lava sea water increased CD44 (HA receptor) expression in a skin equivalent model. Skin equivalent model was treated with 300 ppm of Jeju lava sea water for 6 days after 5 days of air-liquid interface culture. The arrow bar indicates CD44 staining region. Scale bar = 50 µm. 표되었다[4-6]. 최근에는 필라그린을 NMF로 분해하는 과정에 관여하는 효소들과 피부 보습에 대한 연구도 이루어지고 있다[8]. 필라그린을 분해하는 효소에는 caspase-14, bleomycin hydrolase, calpain-1가 보고되어 있으며 각각의 기능 연구 및 피부 보습과의 연관성도 보고되고 있다[23,24]. 제주용암해수를 각질형성세포 에 처리한 결과 필라그린과 필라그린 분해과정에 참여 하는 caspase-14의 발현양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 피부 표피층에 위치한 수분 이동통로인 AQP3는 수 분뿐만 아니라 세포 내 글리세롤의 이동도 조절하며 표피층의 증식과 분화에도 영향을 미친다[11]. AQP3는 수분의 이동통로로 세포막에 위치하고 있으며 나이가 들면 발현양이 감소하여 나이가 듦에 따라 일어나는 피부 수분감소의 한 원인으로 생각되고 있다[12]. 제주 용암해수가 수분 이동 채널인 AQP3의 발현양에 미치 는 영향을 확인하기 위해 각질형성세포에 처리한 결과 AQP3 유전자 발현양과 단백질 발현양이 증가하는 것 을 확인할 수 있었다. 진피층과 표피층을 가지고 있어 사람피부와 유사한 인공피부를 이용한 실험에서 제주용암해수 처리에 의 해 수분 보유력이 뛰어난 HA의 수용체인 CD44의 발 현양이 증가되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 제주용암해수는 각질형성세포를 이용한 실험에서 필라그린과 caspase-14 유전자의 발현양을 증가시켜 피 부 장벽기능 강화와 수분 보유력을 향상시킬 수 있고, AQP3의 발현을 증가시켜 표피층 세포 간의 수분이동 조절을 통해 피부 보습에 도움을 줄 수 있음을 확인하 였다. 또한 인공피부에 제주용암해수 처리시 CD44의 발현양을 증가시켜 피부 보습효과를 확인할 수 있었 J. Soc. Cosmet. Sci. Korea, Vol. 42, No. 4, 2016
348 이성훈 배일홍 민대진 김형준 박녹현 최지예 신진섭 김은주 이해광 다. 실제로사람피부에서보습효과를확인하기위해제주용암해수를이용한화장품제형을제작하여임상실험을통해제주용암해수의피부보습효과를확인하는실험을추가적으로진행할예정이다. Reference 1. J. M. Brandner, S. Kief, C. Grund, M. Rendl, P. Houdek, C. Kuhn, E. E. Tschachler, W. W. Franke, and I. Moll, Organization and formation of the tight junction system in human epidermis and cultured keratinocytes, Eur. J. Cell Biol., 81(5), 253 (2002). 2. P. J. Caspers, G. W. Lucassen, E. A. Carter, H. A. Bruining, and G. J. Puppels, In vivo confocal Raman microspectroscopy of the skin: noninvasive determination of molecular concentration profiles, J. Invest. Dermatol., 116(3), 434 (2001). 3. A. V. Rawlings and C. R. Harding, Moisturization and skin barrier function, Dermatol. Ther., 17(s1), 43 (2004). 4. B. A. Dale, K. A. Resing, and J. D. Lonsdale-Eccles, Filaggrin: a keratin filament associated protein, Ann. N. Y. Acad. Sci., 455(1), 330 (1985). 5. A. Sandilands, C. Sutherland, A. D. Irvine, and W. H. McLean, Filaggrin in the frontline: role in skin barrier function and disease, J. Cell Sci., 122(9), 1285 (2009). 6. J. A. McGrath and J. Uitto, The filaggrin story: novel insights into skin-barrier function and disease, Trends. Mol. Med., 14(1), 20 (2008). 7. Y. Jokura, S. Ishikawa, H. Tokuda, and G. Imokawa, Molecular analysis of elastic properties of the stratum corneum by solid-state 13C-nuclear magnetic resonance spectroscopy, J. Invest. Dermatol., 104(5), 806 (1995). 8. E. Hoste, P. Kemperman, M. Devos, G. Denecker, S. Kezic, N. Yau, B. Gilbert, S. Lippens, P. De Groote, R. Roelandt, P. Van Damme, K. Gevaert, R. B. Presland, H. Takahara, G. Puppels, P. Caspers, P. Vandenabeele, and W. Declercq, Caspase-14 is required for filaggrin degradation to natural moisturizing factors in the skin, J. Invest. Dermatol., 131(11), 2233 (2011). 9. M. Borgnia, S. Nielsen, A. Engel, and P. Agre, Cellular and molecular biology of the aquaporin water channels, Annu. Rev. Biochem., 68(1), 425 (1999). 10. M. Boury-Jamot, R. Sougrat, M. Tailhardat, B. Le Varlet, F. Bonte, M. Dumas, and J. M. Verbavatz, Expression and function of aquaporins in human skin: is aquaporin-3 just a glycerol transporter?, Biochim. Biophys. Acta, 1758(8), 1034 (2006). 11. T. Ma, M. Hara, R. Sougrat, J. M. Verbavatz, and A. S. Verkman, Impaired stratum corneum hydration in mice lacking epidermal water channel aquaporin-3, J. Biol. Chem., 277(19), 17147 (2002). 12. J. Li, H. Tang, X. Hu, M. Chen, and H. Xie, Aquaporin-3 gene and protein expression in sun-protected human skin decreases with skin ageing, Australas. J. Dermatol., 51(2), 106 (2010). 13. W. Knudson, D. J. Aguiar, Q. Hua, and C. B. Knudson, CD44-anchored hyaluronan-rich pericellular matrices: an ultrastructural and biochemical analysis, Exp. Cell Res., 228(2), 216 (1996). 14. B. P. Toole, Hyaluronan: from extracellular glue to pericellular cue, Nat. Rev. Cancer, 4(7), 528 (2004). 15. R. F. Thorne, J. W. Legg, and C. M. Isacke, The role of the CD44 transmembrane and cytoplasmic domains in coordinating adhesive and signalling events, J. Cell Sci., 117(3), 373 (2004). 16. P. Heldin, E. Karousou, B. Bernert, H. Porsch, K. Nishitsuka, and S. S. Skandalis, Importance of hyaluronan-cd44 interactions in inflammation and tumorigenesis, Connect. Tissue Res., 49(3), 215 (2008). 17. C. Wang, M. Tammi, and R. Tammi, Distribution of hyaluronan and its CD44 receptor in the epithelia of human skin appendages, Histochemistry, 98(2), 105 (1992). 18. R. Tammi, U. M. Agren, A. L. Tuhkanen, and M. Tammi, Hyaluronan metabolism in skin, Prog. Histochem. Cytochem., 29(2), 1 (1994). 19. S. Karvinen, V. M. Kosma, M. I. Tammi, and R. Tammi, Hyaluronan, CD44 and versican in epidermal 대한화장품학회지, 제 42 권제 4 호, 2016
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