최신 피부건강 개선 천연물 발굴법

피부는 표피층(epidermis), 진피층(dermis), 피하지방층(subcutaneous fat)로 크게 나뉜다(14). 표피층 세포는 바깥쪽으로 가면서 세포가 점점 죽어가면서 각질층을 형성하고, 우리 몸을 보호하는 장벽이 된다. 각질과 각질 세포 간 지질의 벽돌 구조로 되어 있기 때문에 외부에 물질이 체내로 들어오지 못하고 체내의 수분 등도 외부로 빠져나가지 못하게 한다(3). 세라마이드(ceramide)가 세포와 세포 사이를 메꾸어 빈틈을 없애고 있기 때문이다(15, 16). 피부에 수분을 보호하는 천연보습인자(natural moisture factor, NMF)를 가지고 각질 세포에 있는 천연보습인자는 아미노산, 히알루논산(hyaluronic acid). 젖산 등의 성분으로 구성된다. 히알루논산은 동물의 피부뿐만 아니라, 양수, 탯줄, 관절액 등에 많이 존재하는 물질이다. 수산화기(−OH)가 많기 때문에 친수성 물질이며, 동물 등의 피부에서 보습 작용의 역할을 한다(16). 히알루론산은 자신의 무게보다 약 6,000배나 되는 물을 품고 있을 수 있어, 삼투압을 이겨내고 피부가 수분을 많이 가질 수 있게 하는 주요 물질이다(3). 각질 세포 사이를 메우고 있는 세포 간 지질은 일종의 지방층인데, 50% 이상이 세라마이드와 콜레스테롤로 이뤄진다. 이러한 천연보습인자와 세포 간 지질층은 평소엔 스펀지처럼 수분을 머금고 있다가, 피부가 건조한 환경에 노출됐을 때 수분이 빠져나가는 것을 막아주는 역할을 한다(16). 피부표면 상태를 결정짓는 기저층(stratum basale)은 표피의 가장 아래에 위치하여 진피와 경계를 이루며 단층의 세포로 구성되어 있다. 물결모양이 있어 그 표면적이 넓은 경우에 표피로 영양공급과 노폐물 배출이 원활한데, 노화가 진행되면 표면적이 낮아져 물질이동이 적어진다(3). 진피층은 콜라겐 섬유와 엘라스틴 섬유 등의 기질이 세포 사이를 채우고 있어서 탄탄한 피부를 유지하고 있게 된다(4). 노화로 인해서 콜라겐 섬유와 엘라스틴 섬유 등이 줄어들게 되면 표피층이 무너져서 주름이 생성되게 된다. 보통 자외선에 의해 신체를 보호하기 위해 주름을 만들지만, 사회적 통념상 많은 사람들은 주름이 없는 피부가 아름답고 건강한 피부로 인식하고 있다(3).

피부노화는 시간이 지나가면 자연스럽게 신체 내 모든 세포들의 노화와 함께 일어난다. 이를 ‘내인성 노화(intrinsic aging)’라 부른다. 일반적으로 옷에 가려 외부노출이 적은 피부에서 생기는 노화를 보면 내인성 노화가 어느 정도 진행되었는지 알 수 있다(1). 이러한 시간이 지남에 따라 생기는 자연스러운 노화인 내인성 노화와 달리 피부가 외부와 노출되는 곳에 있는 얼굴, 손 등의 피부에는 자외선이나 환경오염물질 등에 의해 노화가 생기는 외인성 노화(extrinsic aging)가 생긴다(7). 결국 외부에 보이는 얼굴의 노화는 내인성 노화와 외인성 노화의 합이다. 가장 중요한 외인성 노화의 원인은 자외선(ultraviolet ray)이다(17). 자외선은 파장에 따라 400∼320 nm를 UVA, 파장 320∼280 nm를 UVB, 파장 280~200 nm를 UVC로 명명한다(18). 자연계에서 UVC는 대기중에서 거의 흡수되지만, 인공적으로 발생하는 자외선에는 이 파장 영역의 자외선을 포함하고 있는 것이 많다. 자외선 살균 등은 대부분이 살균작용이 강한 254 nm를 중심으로 한 UVC가 사용되고 있다(19). 보통 오존층을 지나 지상까지 도달하여 인체의 피부에 영향을 미치는 자외선은 UVB와 UVA이다. UVB의 경우에도 대부분이 오존층 등의 대기권에서 흡수되는데, 지상에 도달되는 자외선의 약 5% 정도가 UVB다. UVA는 에너지는 낮지만 파장이 길어 투과율이 높다. 지상까지 내려오는 UV의 약 95%는 UVA이다(18). 이러한 자외선이 피부에 도달하면 세포 내에서 활성산소(reactive oxygen species, ROS)를 생성하고, 이 활성산소에 의해 신호전달체계 그중에서도 mitogen activated protein kinase(MAPK) 와 phosphoinositide 3-kinase(PI3K) 신호전달 경로를 활성화시키고, 전사 인자인 activated protein(AP)-1을 활성화시켜 콜라겐을 분해하는데 주요한 역할을 하는 요소인 matrix metalloprotein kinase(MMP)-1을 발현시킨다(20). 이 단백질은 세포 밖으로 나와 콜라겐을 분해하여 피부주름을 만드는데 중요한 역할을 한다(3). 자외선이 피부에서 가장 강력하게 ROS를 생성하는 요소이지만, 최근에는 환경오염에 의해 생기는 다양한 물질들에도 주목하고 있다(3). 특히 미세먼지 농도가 높아지면서 미세먼지에 포함된 다양한 화학물질들이 ROS를 일으키고, 이들이 자외선과 비슷한 방법으로 피부노화를 일으키는 주요 요인으로 대두되고 있다(1).

피부의 건강에 주요한 요인 중에 하나로 피부가 가지고 있는 수분량을 들 수 있다. 건강하지 못한 피부는 수분이 많이 밖으로 빠져나가 거친 피부가 된다(16). 이를 경피수분손실(trans epidermal water loss, TEWL)이라고 하는데, 이 수치가 높아서 많은 물이 외부로 빠져나가는 경우에 피부는 좋지 못한 상태가 된다(15). 피부의 물이 많이 빠져나가지 못하게 하기 위하여 세라마이드와 같이 세포와 세포사이의 공간을 막을 수도 있고, 히알루논산과 같이 수분을 보유할 수 있는 물질을 피부 내에 다량 존재할 수 있도록 하는 방법이 있다(16). 그래서 직접 세라마이드를 공급하는 화장품이 시장에서 많이 공급되고 있다. 또한 히알루논산을 생성하는 Hyaluronic acid synthase(HAS)나 히알루논산을 파괴하는 Hyaluronic acid lyase를 조절하여 히알루논산의 양을 많게 만드는 소재들을 보습 소재로 개발하고 있다(15). 히알루논산을 직접 바르거나 먹는 제품도 다수 시장에서 팔리고 있지만, 소화 흡수나 경피 흡수를 생각할 때 큰 효과를 기대하기는 어렵다(16).

피부노화 소재를 개발하기 위해서 가장 중요하게 많이 활용되는 바이오 마커는 MMP-1이다(21). 직접적으로 콜라겐을 분해하여 노화를 일으키는 핵심효소이기 때문이다. 과거에는 이 효소의 직접적인 활성을 막는 것으로 소재를 screening을 하였지만, 이렇게 하려면 높은 농도의 물질이 필요로 하고, 다른 MMP들에 대한 특이성을 가지기도 어려웠기 때문에 부작용이 생길 확률이 높았다(19, 21, 22). 그래서 MMP-1의 발현을 막는 전략이 많이 쓰였는데, MMP-1의 단백질 발현을 보기 위해 western blot이나 enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)의 방법으로 직접 단백질을 측정하는 방법을 많이 사용하였다. Western blot은 정확한 방법이지만 실험 시 노동력이 많이 필요하고, 많은 수의 실험을 하기 어렵다. ELISA는 다수의 실험을 한꺼번에 할 수 있지만, kit의 가격이 고가인 문제가 있다. 이 때문에 단백질을 직접 측정하는 방법으로는 대규모 screening은 어렵고 screening 이후에 이를 확인하는 방법으로 사용하는 것이 적절하다.

대규모 screening을 위해서는 속도가 빠르고 노동력이 상대적으로 적게 들며 비용이 적게 들어야 한다. 또한 민감하여 효능평가가 쉽게 가능하여야 한다(23). 이러한 조건을 만족하기 위하여 최근에는 reporter gene assay를 많이 사용한다(24). 주름에는 중요한 마커인 MMP-1을 보습에는 HAS2를 전사하는 promoter를 luciferase나 형광단백질 앞에 클로닝하여 MMP-1이나 HAS2의 발현이 유도되면 luciferase나 형광단백질이 발현되도록 유전자를 설계한다(1, 3). Virus vector를 활용하여 HaCaT 등의 피부 세포주에 transduce하여 stable cell line을 만들어 사용한다. 그리고 MMP-1이나 다른 피부 염증을 일으키는 단백질을 전사하는 중요 전사인자인 AP-1의 활성도를 같은 방법으로 확인할 수 있다(25–27). 과거에는 Reporter gene으로 luciferase를 많이 사용하였다. Luciferase는 민감한 실험이 가능하기 때문에 좋은 결과를 얻을 수 있는데, 실험 시 효소의 기질이 고가이기 때문에 비용이 많이 소비된다. 최근에는 bioimaging 장비가 발전하여 간단히 형광단백질의 발현 정도를 측정할 수 있고, 이를 384 well에서 신속하게 측정할 수 있기 때문에 luciferase보다 형광단백질을 쓰는 것을 선호한다(28). 한번 stable cell line을 제작하면 추가 비용없이 screening을 할 수 있는 장점이 있다. 단점은 이를 측정하는 장비가 고가여서 초기비용이 많이 소모되는 데 있다. 이렇게 screening method가 적립되면 빠른 속도로 소재를 검색할 수 있다. 효능이 검색된 소재를 western blot을 통해 다시 확인하여 screening한 결과가 직접적인 효능으로 이어져 확인해야 한다. 대규모 screening을 할 경우에는 False positive and false negative error가 생길 확률이 있기 때문에 결과가 제대로 나왔는지 확인은 반드시 필요하다(29). 효능이 있는 소재를 찾았을 때는 안전성 시험이 필요하다. 본 논문에서 다루기에는 또 다른 파트이기 때문에 줄이지만 안전성이 확보되지 않는 소재는 의미가 없다. (30, 31). 천연물 소재의 효능과 안전성이 규명되면 이를 인체 적용시험으로 이어가 인간에서 실제 효능을 가지는지를 확인할 수 있다면, 피부 건강을 개선할 수 있는 좋은 소재가 될 수 있고, 이는 고부가가치 소재로 활용할 수 있다.