RESEARCH ARTICLE 측백나무추출물의 Tyrosinase 활성저해및 Melanin 생성저해 모정희 1, 오수정 2 * 1 송원대학교뷰티예술학과, 2 조선이공대학교뷰티아트과 Tyrosinase Inhibitory Activity and Melanin Production Inhibitory Activity of Extract of Thuja orientalic Jeong-Hee Mo 1, Su-Jeong Oh 2 * 1 Department of Beauty Art, Song won University 2 Department of Beauty Arts, Chosun College of Science & Technology Abstract This study was to investigate the extract of Thuja orientalic on tyrosinase activity and melanogenesis. As a result of measuring its tyrosinase inhibitory activity in vitro, it exhibited good inhibitory rates depending on concentration. Thuja orientalic extract is in a concentration of up to 5 μg /ml do not show toxicity was determined 5 μg /ml in an appropriate concentration. In addition we tested tyrosinase inhibition activity and melanin contents on SK-MEL-2 melanoma. SK-Mel-2 melanoma cell was treated by such sample as 5, 1, and 5 μg/ml for 48 hr and tyrosinase inhibition was tested. Tyrosinase activity of dose dependant and about 55.9% at concentration of 5 μg /ml. Thuja orientalic extract reduced melanin contents of SK- MEL-2 melanoma cells in adose dependant manner and decreased to about 65% at acocentration of 5 μg /ml. Thuja orientalic extract was also found to control tyrosinase inhibition and melanin biosynthesis more successfully than α-msh ( nm). There results suggest that extract of Thuja orientalic may be suitable for development as a natural whitening cosmeceutical. Keywords: Thuja orientalic, SK-MEL-2, Whitening, Tyrosinase, Melanin 오늘날사람들은사회활동의증가, 각종오염물질과환경오 염에따른오존층파괴로인하여유해자외선에장기노출인 한멜라닌침착과다현상으로피부흑화, 색소침착, 피부암등 피부건강뿐만아니라미적측면에서도크게영향을받고있다 (Hwang et al., 13). 멜라닌은아미노산으로부터형성이되며, 단백질성유기색 소로인간의머리카락과피부색에큰관련이있다 (Yan et al., 1). 멜라닌은검은색과갈색계열 eumelanin 과노란색과 붉은계열 pheomelanin 으로구분되며, 생물체에널리분포 *Corresponding author: Su-Jeong Oh, Department of Beauty Arts, Chosun College of Science & Technology, 39-1, Pilmundaero, Dong-gu, Gwangju 51-744, Republic of Korea Fax: +82 62 23 8895, E-mail: library3827@hanmail.net Received February 13, 15; Revised March 3, 15; Accepted April 8, 15; Published April 3, 15 되어있는색소로, 피부속기저층에존재하는 melanocyte에서생성되는단백질복합체이다. 멜라닌의합성은 Tyrosinase, Tyrosinase related protein-1 (TRP-1), Tyrosinase related protein-2 (TRP-2) 등에의해조절되고 (Jung & Ku, 9), Tyrosinase는멜라닌생합성의 rate-limiting 효소로서 L-tyrosine을 3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) 으로 L-DOPA를 DOPAquinone으로변환하여멜라닌을생합성한다 (Jeon et al., 13). 현재식약처고시제9-166호에고시된미백기능성화장품의주성분은닥나무추출물, 알부틴, 에칠아스코빌에텔, 유용성감초추출물, 아스코빌글루코사이드, 마크네슘아스코빌포스페이트, 아스코빌테트라이소팔미테이트의 9종 (Choe & Choe, 14) 등이있으며, 최근에는천연물을대상으로하는미백기능성소재에대한다양한연구가활발히진행되고있다 (Choe & Choe, 14; Oh & Mo, 11; Kim et al., 13; Mo & Oh, 13; Han et al., 14; Bang et al., 8; Park & Jeong, 12; Oh et al., 13). www.kosac.or.kr 189
예로부터민간및한방에서는위나식도등의소화관내에서많은양의출혈이발생하여피를토하는토혈 ( 吐血 ), 코출혈흔히코피라고불리는비출혈 ( 鼻出血 ), 고혈압 ( 高血壓 ) 등다양한질병에대한치료제로측백나무 (Thujaorientalis) 를널리사용해왔다. 측백나무는상록침엽교목으로, 특히잎과어린가지는한방에서치료제로많이사용하였다 (Park, 11). 토혈, 비출혈에대한지혈제로써의효능을측백나무잎에서확인할수있었고 (Youm & Lim, 1), 씨는신경쇠약, 불면증, 심장병등에많이이용되었다 (Kang, 1994). 이러한효능이있는우리나라측백나무는설악산이북이나고산지대에주로분포하고 (Ahn et al., 11), 높이약 25 m, 지름약 1 m로매우크게자라는식물에속한다 (Lee et al., 2). 측백나무정유성분의정량분석 (Jo & Kim, 4) 과항균성등은이미널리알려져있고, 또한연구가활발히진행되고있다 (Oh et al., 6). 측백나무의항산화활성은열매보다는잎추출물에서높으며 (Ahn et al., 11), 잎은높은살균활성효과를가지고있는히노키티올물질을함유하고있다. 또한거친피부를위한목욕제로민간에서사용되었으며옴의치료에도쓰이기도하였다 (Lee et al., 8). 지금까지측백나무추출물을이용한선행연구에서는피부색소침착에대한연구에대해서는보고된바가없으므로, 본연구결과에서는측백나무추출물의 Tyrosinase 활성과 Melanin 활성을알아보고측백나무추출물의기능성미백화장품소재로이용가능성을확인하고자한다. 또한측백나무추출물을함유한기능성미백화장품을개발한다면천연물을이용한보다안전한미백화장품을개발할수있을것이라고사료된다. 1. 시료조제측백나무잎 g에 1배용량의 8% 에탄올을가하여침지한뒤 2회반복하여환류추출하였다. 추출액은여과지 (Whatman No.2, Whatman Ltd., Kent, UK) 를사용하여여과를하였고, 감압농축기 (EYELA, Tokyo, Japan) 를이용하여감압농축한후에동결건조하여냉동보관하였다. 활성검증을위한에탄올추출물을 dimethyl sulfoxide (DMSO) 에희석하여사용하였다. 2. 세포주및세포배양본실험에사용한세포는인간유래악성흑색종세포주인 SK-MEL-2 (malignant melanoma, metastasis to skin of thigh) 로세포는한국세포주연구재단 (Seoul, Korea) 에서구입하였다. SK-MEL-2 세포는 RPMI 16 배지로각각 1% Fetal Bovine Serum (FBS) 와항생제 (Antibiotic antimycotic) 를첨가하였다. 세포는 37, 5% CO 2 의습윤화된 incubator 에서적응시켜서배양하였다. 세포는 2~3일마다 culture dish 의 8~9% 정도자랐을때 PBS로세척하여 Trypsin-EDTA (GibCo/BRL, USA) 을처리하여계대배양하였다. 3. In vitro tyrosinase 저해활성측정 Tyrosinase 저해활성측정은 Yagi등의방법에따라측정하였다 (Yagi et al., 1986). 반응구는,175 M sodium phosphate buffer (ph 6.8).5 ml에 1 mm L-DOPA.2 ml및시료용액.1 ml의혼합액에 mushroom tyrosinase (11 U/ ml ).2 ml을첨가하여 37 에서 2 min간반응시켜서반응액중에생성된 DOPAchrome 475 nm파장에서측정하였다. Tyrosinase 저해활성은시료용액의첨가구와무첨가구의흡광도감소율로나타내었다. 시료첨가구의흡광도저해율 (%) = ( 1 - ) 무첨가구의흡광도 4. MTT assay MTT assay법은 MTT[3-(4,5-dimethylthizol-2-yl)-2,5- diphenyl tetrazolium bromide] 시약이세포내로흡수된후미토콘드리아의 succinate dehydrogenase에의해 formazan을형성하는데이물질의세포내축적은미토콘드리아의활성, 넓게는세포의활성을의미하는것으로써세포의생장율을측정하는대표적인방법이다 (Ko & Kim, 1). 본실험에사용한세포는인간유래악성흑색종세포주인 SK-MEL-2 세포를이용해 MTT assay를통한추출물에대한세포성장억제활성효과를확인하였다. 96 well에 3 1 4 cell/ ml의농도로접종하여 37, 5% CO 2 배양기에서 24 h동안배양시킨후 25~8 μg /ml의농도로처리하여 24 h동안배양하였다. 그후 MTT를처리하여 MTT가생존세포의효소작용에의해환원되도록 4 h을배양하였다. 그후배양액을제거하고각 well에생성된 formazan결정을 DMSO를첨가하여녹인후 5 nm에서흡광도를측정하여 Cell의생존율을구하였다. 5. SK-MEL-2 세포의 Tyrosinase 저해활성측정 SK-MEL-2 세포주의 tyrosinase 활성은 Martinez- Esparza et al. (1998) 의방법을사용하였다. 세포를배양하여 24 well plate에각 well당세포를 1 1 5 cells/well로seeding 하고, 각각의추출물을처리한후 48 h동안배양하였다. 48 h 배양한후각 well을 1 mm PBS로세척하였으며, 1% Triton X-을함유한 1mM PBS μl에현탁시켰다. 현탁된이액을 vortexing 한후 rpm에서 5 min간원심분리하 19 www.kosac.or.kr
측백나무추출물의미백활성 1 Inhibitory effect of tyrosinase activity(%) 5 3 1 여상층액을활성측정효소액으로사용하였다. 96 well plate 에 이효소액을 μl넣고기질인 L-dopa (2 mg / ml ) μl를첨 가하였다. 37 에서 1 h 동안반응을진행시킨뒤, microplate reader (Molecular Devices, USA) 를이용하여 5 nm 에서흡 광도를측정하였다. Tyrosinase 의활성도는대조군의흡광도 에대한백분율로계산하였다. 6. SK-MEL-2 세포의 Melanin 생합성저해율측정 SK-MEL-2 세포의 Melanin 생성량측정은 Hosoi et al. (1985) 의방법을변형하여사용하였다. SK-MEL-2 세포를배 양하여 24 well plate 에각 well 당세포를 1 1 5 cells/well 로 seeding 하고, 각각의추출물을처리한후 48 h 동안배양하였 다. 48 h 배양한후각 well 을 PBS 로세척하였다. 세척후.2N NaOH 용액 μl를첨가하고 6 에서 1 h 동안용해하였으 며, micro plate reader 를이용하여 5nm 에서흡광도를측정 하였다, 51 1 7. α-msh 유도에의한 Tyrosinase 저해활성도및 Melanin 생성량에미치는영향측정 외부자극에따라서 SK-MEL-2 세포내 tyrosinase 의활성 과 melanin 의생성이얼마나영향을미치는지알아보기위해 외부자극제로 α-msh ( nm) 를사용하였다. Tyrosinase 저해활성도측정과멜라닌생성량측정방법은 5, 6 번의방법 과동일하게진행하였으며, 농도별로제조한추출물을전처리 하고 1 h 후 α-msh ( nm) 를세포에처리하고 48 h 배양 하여실험을진행하였다. 5 Concentration (µg/ml) Figure 1. Inhibitory effect of Thuja orientalic extract against tyrosinase activity. Results are expressed as mean±sd of data obtained from three independent experiments. Cell viability(%) 8 6 1. In vitro tyrosinase 저해활성 Tyrosinase 는피부의표피기정층에존재하는멜라노사이 트에서 tyrosine 을산화시켜멜라닌의생성을촉진시키는효소 로서이들의활성억제는피부미백과노화방지에매우중요하 다 (Choe et al., 11). 측백나무에탄올추출물의 tyrosinase 활성저해효과를측정한결과농도의존적으로 tyrosinase 활 성을저해하는것으로나타났다 (Figure 1). 즉측백나무에탄올 추출물을 5~ μg /ml 농도로처리한결과 tyrosinase 활성 저해는각각 8.75, 15.1, 29.1, 31.2, 36.9, 39.2, 45.1% 로나 타났다. control 51 2. 세포생존율분석 1 MTT 를이용하여 SK-MEL-2 세포에대한측백나무에탄 올추출물의세포독성을확인하였다. 그래프에표기되어있는 농도별 (5, 1,, 5,,, μg /ml) 로 SK-MEL-2 세포에측백나무에탄올추출물을처리한결과 Figure 2 와같 이농도의존적인세포사멸을나타내었다. 측백나무에탄올추 출물을처리하지않은세포를 % 로하였을때 μg /ml 에 서는 88.49% 의세포생존률을보였으며, 5 μg /ml 이하의농 도에서는독성이나타나지않아이결과를바탕으로측백나무 에탄올추출물은 SK-MEL-2 세포에대해서 5 μg /ml 이하 의농도적정농도로판단하였다. 5 Concentration(µg/ml) Figure 2. Effect of Thuja orientalic extract on viability of SK- MEL-2cells. Cells were treated with indicated concentration of extracts. Cell viability was measured using the MTTassay. The viability of untreated control cells was defined as %. The value represents mean±sd of three different experiments. 8. 통계분석본연구모든실험의결과는 3회이상반복하여실시하여평균값으로나타내었다. 대조군과실험군의통계학적유의성검정은 one-way ANOVA 검정을적용하였으며 p<.5 수준에서유의성검정을실시하였다. 3. SK-MEL-2 세포의 Tyrosinase 저해활성및 Melanin 생합성저해율측정 Tyrosinase에의해 tyrosine이 dopaquinone으로산화되면서피부에서는색소침착이일어난다 (Lee & Sim, 12). 이렇게피부를검게만드는 tyrosinase에대해측백나무추출물이 www.kosac.or.kr 191
1 25 Tyrosinase activity(%) 8 6 Tyrosinase activity(%) 15 5 Figure 3. Inhibitory effect of Thuja orientalic extract on tyrosinase activity in SK-MEL-2 cells. mean±sd of three different experiments. Melanin Content(%) 1 8 6 control5 51 control5 51 Concentration(µg/ml) Concentration(µg/ml) 1 5 1 5 Figure 4. Inhibitory effect of Thuja orientalic extract on melanin production in SK-MEL-2 cells. 억제효과를갖는지확인하기위해 SK-MEL-2 세포에독성 이없는농도범위에서측백나무에탄올추출물을처리한후, tyrosinase 저해활성을측정하였다. 측백나무에탄올추출물을 5, 1,, 5 μg /ml 농도로처리한후 tyrosinase 저해활성 을측정한결과는 Figure 3 에나타내었다. 측백나무에탄올추 출물을 5 μg /ml 의농도로 SK-MEL-2 세포에처리하였을때 tyrosinase 의활성은 86% 로저해되었고, 1,, 5 μg /ml 의농도에서는각각 79, 69.3, 55.9% 로농도의존적으로저해 되었다. 다른천연물질 tyrosinase 저해활성과비교하여볼 때, 상백피추출물 5 μg /ml 에서 97.4% (Ryu, 11), 호장근 추출물은 μg /ml 에서 59.3% (Kim & Ryu, 12), 마황추 출물은 1 μg /ml 에서 97% (Jeong & Oh, 14) 로나타나, 측 백나무추출물 tyrosinase 저해활성은상백피와마황추출물 보다낮고, 호장근추출물보다높다는것을알수있었다. 피부는자외선에노출되면 tyrosine 에서출발하여일련 에산화중합반응을거쳐생성된 melanin 에의해기미, 노인 성홍반등을유발하며피부노화가촉진된다 (Chang et al., 7). 이과정에서중요하게작용하는효소가 tyrosinase 이며, tyrosinase 효소의억제는멜라닌생합성을억제할수있는것 Figure 5. Inhibitory effect of Thuja orientalic extract and α-msh ( nm) on the tyrosinase activity. Melanin content (%) 으로알려져있다 (Kim et al., 1). 직접적으로인간의피부 색을결정하는 melanin 을 (Im & Lee, 11) 억제시키는측백 나무에탄올추출물의효능을알아보고자 SK-MEL-2 세포에 측백나무추출물을처리하여 Melenin assay 를진행하였다. 측 백나무에탄올추출물을 5, 1,, 5 μg /ml 농도로처리한 후 SK-MEL-2 세포의멜라닌합성저해능력을측정한결과, 측백나무추출물은각농도별로 89.2, 85.9, 74, 65% 까지멜 라닌합성을억제하였다. 이결과는 Tyrosinase 저해활성과마 찬가지로농도의존적인양상을보였다. 호장근추출물의경우 μg /ml 에서 69% (Kim & Ryu, 12), 마황추출물은 1 μg /ml 에서 84% (Jeong & Oh, 14) 로나타나, 상백피추출물 은 5 μg /ml 에서 92% (Ryu, 11) 으로나타났다. 따라서측 백나무추출물의 melanin 생성저해는상백피추출물보다낮 고호장근추출물과마황추출물보다높다는것을확인할수 있었다. control α -MSH 5 1 5 α -MSH - + + + + + 15 5 control α -MSH 5 1 5 α -MSH - + + + + + Figure 6. Inhibitory effect of Thuja orientalic extract and α-msh ( nm) on melanin production in SK-MEL-2 cells. 따라서측백나무추출물은 tyrosinase 활성을억제시킴으로 서피부색소침착등을방어할수있는미백기능성화장품의 소재로서활용이가능할것이라사료된다. 4. α-msh 유도에의한 Tyrosinase 저해활성도측정및 Melanin 생성량에미치는영향측정 외부자극에의한 SK-MEL-2 세포의과색소침착에대해측 백나무에탄올추출물이영향을미치는지확인하기위하여 α -MSH( nm) 를함께처리하여실험을진행하였다. α-msh 192 www.kosac.or.kr
측백나무추출물의미백활성 를처리하지않은세포를 % 로보았을때, α-msh를단독으로처리한세포에서는 Tyrosinase의활성이 191.47% 로증가하였고측백나무에탄올추출물 5, 1,, 5 μg /ml의농도를처리한세포에서는각각 175.9, 1.7, 16.5, 73.4% 로 Tyrosinase의활성은점점감소하였다. 측백나무에탄올추출물 5 μg /ml 의농도에서는 α-msh를처리하지않은세포와비교하였을때훨씬낮은 tyrosinase의활성을나타내었다. α-msh 처리에의한 Melanin 합성은 α-msh를처리하지않은세포를 % 로보았을때, α-msh를단독으로처리한세포에서는멜라닌의합성이 155.7% 로증가하였다. 측백나무추출물 5, 1,, 5 μg /ml의농도를처리한세포에서는멜라닌의합성량이각각 141.9, 1.8, 115.3, 14.2% 로점점감소하였다. 측백나무에탄올추출물 5 μg /ml 의농도에서는 α-msh 를처리하지않은세포와거의비슷한수치로감소되었다. 따라서 SK-MEL-2 세포에 α-msh ( nm) 를처리하여 tyrosinase assay와 melanin assay를측정한결과 tyrosinase 와멜라닌의생합성을억제하는효과를확인할수있었다. 본연구는측백나무추출물이 tyrosinase 억제효과와 melanin 생합성억제효과를이용하여기능성미백화장품소재로의개발가능성을확인하고자인간유래악성흑색종세포주인 SK-MEL-2 세포를이용하여 MTT assay, tyrosinase assay, melanin assay를확인하였다. In vitro에서 tyrosinase의활성을측정한결과측백나무에탄올추출물이 tyrosinase의활성을억제함으로써멜라닌생성을억제할것으로사료된다. MTT를이용하여측백나무에탄올추출물의세포독성을확인한결과, 5 μg /ml 이하의농도에서는독성이나타나지않았다. Tyrosinase assay를통해 tyrosinase가얼마나억제되는지확인한결과, 측백나무에탄올추출물의 5 μg /ml 농도처리에서 55.9% tyrosinase의활성은감소하였다. Tyrosinase의활성이감소함에따라멜라닌의합성억제에도효과가있는지확인하기위하여 Melanin assay를진행한결과, 측백나무에탄올추출물의 5 μg /ml 농도처리에서 65% melanin의합성은감소하였다. Tyrosinase assay의결과와마찬가지로측백나무에탄올추출물의농도가높아질수록 melanin의합성은감소하였다. α-msh 자극에의한멜라닌합성억제효과를확인하기위하여 SK-MEL-2 세포에 α-msh 를처리하여 tyrosinase assay와 melanin assay 를측정한결과에서도마찬가지로 tyrosinase와멜라닌의생합성을억제하는효과를확인할수있었다. 이러한결과를통하여측백나무추출물의미백효과가있다 고판단되며, 측백나무추출물은웰빙시대에맞춘기능성미백화장품소재로써활용가치를높게평가할수있다는결론을얻었다. Ahn HY, Heo SJ, Kang MJ, Lee JH, Cha JY, Cho YS. Antioxidative Activity and Chemical Characteristics of Leaf and Fruit Extracts from Thuja orientalis. J. Life Sci., 21: 746-752. 11. Bang CY, Won EK, Park KW, Lee GW, Choung SY. Antioxidant Activities and Whitening Effect from Lindera obtusiloba BL. Extract. Yakhak Hoeji, 52: 355-36, 8. Chang Ms, Kim HM, Yang WM, Kim DR, Park EH, Ko EB, Choi MJ, Kim HY, Oh JH, Shim KY, Yoon JW, Park SK. Inhibitory effects of Nelumbo nucifera on tyrosinase activity and femelanogeneis in clone M-3 melanocyte cells. Kor. J. Herbology, 22: 87-94, 7. Choe YS, Choe TB. Melanogenesis inhibitory effects of Allium hookeri extract in B16F1 mouse melanoma cell. 12: 163-168, 14. Choi JH, Kim JS, Jo BS, Kin J, Park HJ, An BJ, Kim M, Cho YJ. Biological activity in functional cosmetic purple sweet potato extracts. Kor. J. Food Presery, 18: 414-422, 11. Han NK, Park CM, Kwon JC, Joung MS, Cho JW. Whitening effect of Fagopyrum tataricum extract. J. Soc. Cosmet. Scientists Korea, : 179-186, 14. Hwang JY, Park TS, Son JH. Whitening effect of extracts and fractions from Diospyros kaki calyx. J. Life Sci., 23: 383-388, 13. Hosoi J, Abe E, Suda T, Kuroki T. Regulation of melanin synthesis of B16 mouse melanoma cells by 1α,25- dihydroxyvitamin D3 and retinoic acid. Cancer Res., 45: 1474-1478, 1985. Im DY, Lee KI. Tyrosinase inhibitory activity and melanin production inhibitory activity of the extract and fractions from Paeoniae radix.. Kor. J. Pharmacogn., 42: 323-328, 11. Jeon YS, Jung YJ, Youm JK, Kim YK, Kim SN. Inhibitory effect of Endarachne binghamiae extract on melanin www.kosac.or.kr 193
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