Ex) Article Title, Author, Keywords
Online ISSN 2288-5978
Ex) Article Title, Author, Keywords
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52(2): 203-209
Published online February 28, 2023 https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.2.203
Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.
Ji Woo Hong1 , Suh Hee Yeom1
, Ye Sol Oh1, Jae Hoon Park1, Min Ho Kang1, Yeong Hyeon Kim1, Z-hun Kim2, Kyung June Yim2, and Jin Woo Kim1
,3
1Department of Food Science, Sun Moon University
2Microbial Research Department, Nakdonggang National Institute of Biological Resources
3FlexPro Biotechnology
Correspondence to:Jin Woo Kim, Department of Food Science, Sun Moon University, 70, Sunmoon-ro 221 beon-gil, Tangjeong-myeon, Asan-si, Chungnam 31460, Korea, E-mail: kimjw1028@sunmoon.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
In this study, we investigated the effect of enhanced collagen synthesis by Mychonastes sp. 249 (a type of freshwater microalgae) extract (MSE) on skin regeneration. The effect of MSE on human dermal fibroblast (HDF) migration was studied to confirm its skin regenerative effect, and at 1.0 mg/mL MSE increased HDF cell migration by 21.2%. To study the mechanism responsible, the mRNA levels of MMP-1 (matrix metalloproteinase-1), COL1A1 (collagen type I alpha 1), and SMAD-3 (suppressor of mothers against decapentaplegic-3) were evaluated by RT-PCR. The results showed that in the concentration range 0.0 to 1.0 mg/mL, MSE dose-dependently affected mRNA expressions in HDF cells (P<0.05). LC-MS/MS analysis identified eriodictyol (a flavonoid) as the main component of MSE. These results suggest that MSE could be used as a skin regeneration agent that inhibits collagen decomposition in HDF cells.
Keywords: collagen synthesis, flavonoid, freshwater microalgae, Mychonastes sp. 249, skin regeneration
피부는 표피(epidermis), 진피(dermis) 및 피하 조직(subcutaneous tissue)으로 구성되어 있다(Kusuma 등, 2010). 표피는 3가지 핵심 지질인 세라마이드, 유리지방산 및 콜레스테롤이 각각 50, 25 및 25%로 구성되어 있는데, 이러한 지질들은 피부의 수분 손실을 최소화하고 외부 자극으로부터 물질 흡수와 미생물 감염 예방 등의 역할을 한다(Harris 등, 1997). 진피는 다당류 및 섬유성 단백질로 구성되어 있는데, 그중 콜라겐은 진피층의 90%를 차지하고 피부의 입체구조 유지 및 인장강도 부여 등 피부를 보호하는 역할을 한다(Sangle 등, 2022). 진피 조직의 탄력성과 표피 조직과의 결합 강도는 콜라겐과 같은 섬유성 단백질의 진피 내 함량에 의해 결정되는데, 피부노화가 진행되면 다양한 요인에 의해 콜라겐 함량이 감소하여 피부 주름 형성이 촉진된다(Jo 등, 2022). 콜라겐 함량은 노화에 따라 감소하게 되는데 이는 콜라게네이즈 발현이 증가하여 기질 단백질(extra cellular matrix proteins)을 분해하여 피부 주름 증가 및 탄력감소 등의 증상이 나타나게 된다고 알려져 있다(Park 등, 2021).
피부노화는 섬유아세포의 성장(proliferation) 및 이동(migration) 저하와 콜라겐 생합성 감소로 발생한다(Qin 등, 2020). 노화된 섬유아세포에서는 콜라겐 및 엘라스틴과 같은 세포외 기질(extracellular matrix)을 분해하는 matrix metalloproteinases(MMPs)의 발현량이 증가한다(Lee 등, 2019). MMPs는 피부 진피층의 세포외 기질을 분해하며 그중
식품, 화장품 및 의약품 산업에서 고부가가치 소재 연구는 주로 육상식물에 집중되었으나, 최근 육상생물 자원의 고갈 문제에 대한 대체 방안으로 생물 다양성이 풍부한 해양자원 기반 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Neri와 Choi, 2020). 미세조류(microalgae)는 광합성을 통해 세포 성장과 번식을 행하는 단세포 생물로 흔히 식물성 플랑크톤이라 불리고 전 세계적으로 약 25,000여 종이 존재하며, 바이오 연료로 활용되는 지질 외에 단백질, 탄수화물, 색소 및 생리활성 물질을 포함한 2차 대사산물을 풍부하게 함유하고 있어 식품, 화장품 및 의약품 등 다방면의 산업 소재로 활용될 수 있다(Yim 등, 2021). 특히, 자연 상태에서 특별한 양분공급 없이 광합성만을 통해 비타민, 클로로필, 카로티노이드, 피코빌린, 아스타쟌틴 및 오메가-3 등의 항산화, 항염증 및 항알레르기 기능성을 가진 생리활성 물질 생산에 관한 연구는 진행된 바 있으나 섬유아세포에서 콜라겐 합성 기전을 중심으로 한 피부재생 또는 창상 치료와 관련된 연구는 미흡한 실정이다(Lee 등, 2020). 이에 본 연구에서는 초음파 공정을 이용하여 미세조류로부터 생리활성 물질을 추출하고 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 증진 효과를 확인하여 피부재생 기전을 규명하고자 하였으며, 추출물의 주요 물질 탐색을 통해 스파이로플레아목 미코나스테스과에 속하는 담수 미세조류인 Mychonastes sp. 249 유래 추출물의 주름 개선 및 창상 치료용 고기능성 화장품 및 의약품 소재 개발에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
실험재료
초음파 추출
콜라게네이즈 활성 저해 측정
콜라게네이즈 활성 저해는 Gam 등(2021)의 방법을 변형하여 측정하였으며 0.1 M tris-HCl 완충용액(pH 7.5)에 PzPLGPR 0.125 mL와
실험군:
대조군: 증류수 첨가군
Human dermal fibroblast(HDF) 세포배양
세포독성 평가
실험군:
대조군: 증류수 첨가군
HDF 세포 재생력 측정
HDF 세포 이동성에 기반한 피부 재생력 측정을 위해 Afonso 등의 방법(2020)을 일부 변형한 wound healing assay를 수행하였다. HDF를 24-well plate에 1.0×105 cells/well로 분주하고 48시간 배양한 후 각 well의 중앙에 멸균된 피펫 팁으로 0.9 mm가량의 수직 절개부를 형성하였다. 이후
콜라겐 합성 유전자 발현 분석
Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis
Genes | Forward (5′-3′) | Reverse (5′-3′) |
---|---|---|
CCATGCTGGAACTGATGGAG | CTGAACTGTGTGACCCAGCC | |
GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTT | AAGCCCACTTCATTTCATTGGT | |
GACACCAGTTTTGCCTCCAGTA | TCCAGAGGCGGAAGTTCTGT | |
AGCACAGAGCCTCGCCTTT | CTTAATGTCACGCACGATTTCC |
1)
주요 물질분석
통계분석
모든 실험은 3회 반복 수행하고 결괏값을 평균±표준편차로 표시하였으며, GraphPad Prism Software(San Diego, CA, USA)를 사용하여 통계 처리하였고 실험군 간의 통계적 유의성을
콜라게네이즈 활성 저해 평가
콜라겐은 MMP의 일종인 콜라게네이즈에 의해 분해되고 다양한 종류의 MMP 발현은 피부 결합조직 성분인 콜라겐의 사슬절단 및 비정상적인 교차결합을 발생시켜 주름 생성을 유발하여 노화가 가속화되므로 주름 개선 및 노화 방지를 위해서는 콜라게네이즈의 활성 저해가 요구된다(Im 등, 2019). 따라서
세포독성 평가
콜라겐 합성 관련 유전자 발현 실험에 앞서
세포 재생력 평가
상처치유는 총 4단계로 나눌 수 있고 그중 증식단계에서는 HDF에서 섬유아세포에 의한 콜라겐 및 엘라스틴 등의 당단백질 생산과 성장인자를 포함한 세포외 기질을 생성한 후 3차원적 망 구조체를 형성하여 피부재생을 진행한다(Nguyen 등, 2018). 따라서 상처치유를 위해서는 섬유아세포의 증식 및 이동을 통한 피부조직 재생이 요구된다. 세포 재생력 측정을 위해 앞선 실험에서 HDF 세포 성장에 무독성이 확인된
콜라겐 합성 유전자 발현 평가
콜라겐 분해 유전자인
주요 물질분석
앞선 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 분석에서
본 연구는
세포재생 효과가 우수함이 확인되었다. 이를 바탕으로
이 연구는 환경부의 재원으로 국립낙동강생물자원관에서 지원을 받아 수행된 연구입니다(NNIBR20202109).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52(2): 203-209
Published online February 28, 2023 https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.2.203
Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.
홍지우1․염서희1․오예솔1․박제훈1․강민호1․김영현1․김지훈2․임경준2․김진우1,3
1선문대학교 건강보건대학 식품과학과
2국립낙동강생물자원관 미생물연구실
3프렉스프로 바이오테크놀로지
Ji Woo Hong1 , Suh Hee Yeom1
, Ye Sol Oh1, Jae Hoon Park1, Min Ho Kang1, Yeong Hyeon Kim1, Z-hun Kim2, Kyung June Yim2, and Jin Woo Kim1,3
1Department of Food Science, Sun Moon University
2Microbial Research Department, Nakdonggang National Institute of Biological Resources
3FlexPro Biotechnology
Correspondence to:Jin Woo Kim, Department of Food Science, Sun Moon University, 70, Sunmoon-ro 221 beon-gil, Tangjeong-myeon, Asan-si, Chungnam 31460, Korea, E-mail: kimjw1028@sunmoon.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
In this study, we investigated the effect of enhanced collagen synthesis by Mychonastes sp. 249 (a type of freshwater microalgae) extract (MSE) on skin regeneration. The effect of MSE on human dermal fibroblast (HDF) migration was studied to confirm its skin regenerative effect, and at 1.0 mg/mL MSE increased HDF cell migration by 21.2%. To study the mechanism responsible, the mRNA levels of MMP-1 (matrix metalloproteinase-1), COL1A1 (collagen type I alpha 1), and SMAD-3 (suppressor of mothers against decapentaplegic-3) were evaluated by RT-PCR. The results showed that in the concentration range 0.0 to 1.0 mg/mL, MSE dose-dependently affected mRNA expressions in HDF cells (P<0.05). LC-MS/MS analysis identified eriodictyol (a flavonoid) as the main component of MSE. These results suggest that MSE could be used as a skin regeneration agent that inhibits collagen decomposition in HDF cells.
Keywords: collagen synthesis, flavonoid, freshwater microalgae, Mychonastes sp. 249, skin regeneration
피부는 표피(epidermis), 진피(dermis) 및 피하 조직(subcutaneous tissue)으로 구성되어 있다(Kusuma 등, 2010). 표피는 3가지 핵심 지질인 세라마이드, 유리지방산 및 콜레스테롤이 각각 50, 25 및 25%로 구성되어 있는데, 이러한 지질들은 피부의 수분 손실을 최소화하고 외부 자극으로부터 물질 흡수와 미생물 감염 예방 등의 역할을 한다(Harris 등, 1997). 진피는 다당류 및 섬유성 단백질로 구성되어 있는데, 그중 콜라겐은 진피층의 90%를 차지하고 피부의 입체구조 유지 및 인장강도 부여 등 피부를 보호하는 역할을 한다(Sangle 등, 2022). 진피 조직의 탄력성과 표피 조직과의 결합 강도는 콜라겐과 같은 섬유성 단백질의 진피 내 함량에 의해 결정되는데, 피부노화가 진행되면 다양한 요인에 의해 콜라겐 함량이 감소하여 피부 주름 형성이 촉진된다(Jo 등, 2022). 콜라겐 함량은 노화에 따라 감소하게 되는데 이는 콜라게네이즈 발현이 증가하여 기질 단백질(extra cellular matrix proteins)을 분해하여 피부 주름 증가 및 탄력감소 등의 증상이 나타나게 된다고 알려져 있다(Park 등, 2021).
피부노화는 섬유아세포의 성장(proliferation) 및 이동(migration) 저하와 콜라겐 생합성 감소로 발생한다(Qin 등, 2020). 노화된 섬유아세포에서는 콜라겐 및 엘라스틴과 같은 세포외 기질(extracellular matrix)을 분해하는 matrix metalloproteinases(MMPs)의 발현량이 증가한다(Lee 등, 2019). MMPs는 피부 진피층의 세포외 기질을 분해하며 그중
식품, 화장품 및 의약품 산업에서 고부가가치 소재 연구는 주로 육상식물에 집중되었으나, 최근 육상생물 자원의 고갈 문제에 대한 대체 방안으로 생물 다양성이 풍부한 해양자원 기반 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Neri와 Choi, 2020). 미세조류(microalgae)는 광합성을 통해 세포 성장과 번식을 행하는 단세포 생물로 흔히 식물성 플랑크톤이라 불리고 전 세계적으로 약 25,000여 종이 존재하며, 바이오 연료로 활용되는 지질 외에 단백질, 탄수화물, 색소 및 생리활성 물질을 포함한 2차 대사산물을 풍부하게 함유하고 있어 식품, 화장품 및 의약품 등 다방면의 산업 소재로 활용될 수 있다(Yim 등, 2021). 특히, 자연 상태에서 특별한 양분공급 없이 광합성만을 통해 비타민, 클로로필, 카로티노이드, 피코빌린, 아스타쟌틴 및 오메가-3 등의 항산화, 항염증 및 항알레르기 기능성을 가진 생리활성 물질 생산에 관한 연구는 진행된 바 있으나 섬유아세포에서 콜라겐 합성 기전을 중심으로 한 피부재생 또는 창상 치료와 관련된 연구는 미흡한 실정이다(Lee 등, 2020). 이에 본 연구에서는 초음파 공정을 이용하여 미세조류로부터 생리활성 물질을 추출하고 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 증진 효과를 확인하여 피부재생 기전을 규명하고자 하였으며, 추출물의 주요 물질 탐색을 통해 스파이로플레아목 미코나스테스과에 속하는 담수 미세조류인 Mychonastes sp. 249 유래 추출물의 주름 개선 및 창상 치료용 고기능성 화장품 및 의약품 소재 개발에 대한 기초자료를 제공하고자 하였다.
실험재료
초음파 추출
콜라게네이즈 활성 저해 측정
콜라게네이즈 활성 저해는 Gam 등(2021)의 방법을 변형하여 측정하였으며 0.1 M tris-HCl 완충용액(pH 7.5)에 PzPLGPR 0.125 mL와
실험군:
대조군: 증류수 첨가군
Human dermal fibroblast(HDF) 세포배양
세포독성 평가
실험군:
대조군: 증류수 첨가군
HDF 세포 재생력 측정
HDF 세포 이동성에 기반한 피부 재생력 측정을 위해 Afonso 등의 방법(2020)을 일부 변형한 wound healing assay를 수행하였다. HDF를 24-well plate에 1.0×105 cells/well로 분주하고 48시간 배양한 후 각 well의 중앙에 멸균된 피펫 팁으로 0.9 mm가량의 수직 절개부를 형성하였다. 이후
콜라겐 합성 유전자 발현 분석
Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis.
Genes | Forward (5′-3′) | Reverse (5′-3′) |
---|---|---|
CCATGCTGGAACTGATGGAG | CTGAACTGTGTGACCCAGCC | |
GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTT | AAGCCCACTTCATTTCATTGGT | |
GACACCAGTTTTGCCTCCAGTA | TCCAGAGGCGGAAGTTCTGT | |
AGCACAGAGCCTCGCCTTT | CTTAATGTCACGCACGATTTCC |
1)
주요 물질분석
통계분석
모든 실험은 3회 반복 수행하고 결괏값을 평균±표준편차로 표시하였으며, GraphPad Prism Software(San Diego, CA, USA)를 사용하여 통계 처리하였고 실험군 간의 통계적 유의성을
콜라게네이즈 활성 저해 평가
콜라겐은 MMP의 일종인 콜라게네이즈에 의해 분해되고 다양한 종류의 MMP 발현은 피부 결합조직 성분인 콜라겐의 사슬절단 및 비정상적인 교차결합을 발생시켜 주름 생성을 유발하여 노화가 가속화되므로 주름 개선 및 노화 방지를 위해서는 콜라게네이즈의 활성 저해가 요구된다(Im 등, 2019). 따라서
세포독성 평가
콜라겐 합성 관련 유전자 발현 실험에 앞서
세포 재생력 평가
상처치유는 총 4단계로 나눌 수 있고 그중 증식단계에서는 HDF에서 섬유아세포에 의한 콜라겐 및 엘라스틴 등의 당단백질 생산과 성장인자를 포함한 세포외 기질을 생성한 후 3차원적 망 구조체를 형성하여 피부재생을 진행한다(Nguyen 등, 2018). 따라서 상처치유를 위해서는 섬유아세포의 증식 및 이동을 통한 피부조직 재생이 요구된다. 세포 재생력 측정을 위해 앞선 실험에서 HDF 세포 성장에 무독성이 확인된
콜라겐 합성 유전자 발현 평가
콜라겐 분해 유전자인
주요 물질분석
앞선 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 분석에서
본 연구는
세포재생 효과가 우수함이 확인되었다. 이를 바탕으로
이 연구는 환경부의 재원으로 국립낙동강생물자원관에서 지원을 받아 수행된 연구입니다(NNIBR20202109).
Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis.
Genes | Forward (5′-3′) | Reverse (5′-3′) |
---|---|---|
CCATGCTGGAACTGATGGAG | CTGAACTGTGTGACCCAGCC | |
GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTT | AAGCCCACTTCATTTCATTGGT | |
GACACCAGTTTTGCCTCCAGTA | TCCAGAGGCGGAAGTTCTGT | |
AGCACAGAGCCTCGCCTTT | CTTAATGTCACGCACGATTTCC |
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