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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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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.

Enhancement of Collagen Synthesis through the Regulations of MMP-1, COL1A1, and SMAD-3 by Extract of the Freshwater Microalgae Mychonastes sp. 249

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

Received: September 23, 2022; Revised: December 30, 2022; Accepted: January 4, 2023

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 MMP-1은 콜라겐을 1차로 분해하고 조각화된 콜라겐의 분해를 촉진해 주름 생성을 유발하여 피부노화에 주요한 역할을 한다(Jin 등, 2021). 피부노화 예방을 위해서는 콜라겐 합성이 필수적으로 요구되는데 섬유아세포 표면의 transforming growth factor-β(TGF-β) 수용체와 TGF-β가 결합하면 suppressor of mothers against decapentaplegic-2(SMAD-2)와 SMAD-3가 활성화되어 핵으로 신호가 전달되고 전사인자 활성화를 통해 콜라겐이 합성된다(Rong 등, 2022). 따라서 피부노화를 예방하기 위해서는 콜라겐 합성 촉진과 함께 세포외 기질 분해 효소인 MMP 발현을 저해하는 것이 중요한 전략으로 인식되고 있다.

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

Mychonastes sp. 249는 국립낙동강생물자원관(Sangju, Korea)에서 동결건조 분말로 제공받아 본 연구에 사용하였다. 이화학 분석에 사용된 콜라게네이즈(C0130)와 4-phenylazobenzyloxycarbonyl-Pro-Leu-Gly-Pro-D(PzPLGPR, 89064)는 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 세포배양에 사용된 Dulbecco’s modified Eagle’s medium(DMEM), fetal bovine serum(FBS), penicillin과 trypsin-EDTA는 Thermo Fisher(Waltham, MA, USA)의 제품을 사용하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질 분석을 위한 LC-MS/MS의 이동상인 아세토니트릴과 포름산은 Sigma-Aldrich의 HPLC 등급을 사용하였다.

초음파 추출

Mychonastes sp. 249로부터 생리활성 물질 추출을 위해 초음파 추출을 이용했으며 시료 1.0 g에 증류수 20.0 mL를 첨가하여 초음파 추출기(SD-250H, Mujigae Co., Seoul, Korea)로 60°C에서 30분간 추출을 진행하였다. 추출물은 원심분리기(Labogene 1236R, Gyrozen, Daejeon, Korea)를 이용하여 5,000 rpm에서 10분간 고액 분리한 후 상등액을 회수하여 분석실험에 사용하였다.

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 Mychonastes sp. 249 추출물 0.05 mL를 혼합한 후 콜라게네이즈 0.075 mL를 첨가하여 37°C에서 30분간 반응을 진행하였다. 반응 후 20.0% 시트릭산 0.5 mL를 가하여 반응을 정지시킨 후 에틸아세테이트 1.5 mL를 혼합하고 상등액을 취해 분광광도계(Optizen 2120 UV, Mecasys Co., Daejeon, Korea)로 320 nm에서 흡광도를 측정하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라게네이즈 활성 저해는 아래의 식을 이용해 백분율로 나타내었다.

%=1 ×100

실험군: Mychonastes sp. 249 추출물 첨가군

대조군: 증류수 첨가군

Human dermal fibroblast(HDF) 세포배양

Mychonastes sp. 249 추출물의 세포 안전성과 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 평가를 위한 HDF 세포주는 Cell Applications(San Diego, CA, USA)에서 분양받아 사용하였다. 세포는 37°C와 5.0% 이산화탄소로 유지되는 동물세포 배양기(Panasonic, Osaka, Japan)에서 10.0% FBS와 1.0% penicillin이 포함된 DMEM으로 배양하였다. 계대배양은 T-50 cell culture flask에 HDF를 1.5×105 cells/mL로 분주하여 48시간 주기로 진행하였다.

세포독성 평가

Mychonastes sp. 249 추출물의 세포독성 평가를 위해 HDF에 추출물을 농도별로 처리하고 세포 생존율을 3-(4, 5-dimethylthiazole-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide(MTT)법으로 측정하였다. 세포를 96-well plate에 5.0×104 cells/mL로 분주하여 24시간 배양한 후 추출물을 농도별(0.0~4.0 mg/mL)로 처리하여 72시간 배양하며 세포 성장을 비교하였다. 배지 제거 후 0.25 mg/mL MTT를 0.1 mL 가하여 3시간 반응하고 생성된 포르마잔(formazan)을 dimethyl sulfoxide로 용해해 마이크로 플레이트 리더기(AMR-100, Allsheng, Seoul, Korea)를 이용하여 540 nm에서 흡광도를 측정했으며, 추출물 처리에 따른 HDF 세포독성은 아래의 식에 따라 백분율(%)로 산출하였다.

%=1 ×100

실험군: Mychonastes sp. 249 추출물 첨가군

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 Mychonastes sp. 249 추출물을 0.0~1.0 mg/mL 처리한 다음 절개부에서 세포 성장에 따른 이동을 도립현미경(Benulux, Breda, Netherlands)으로 12시간 간격으로 관찰하고 Image J(National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA) 소프트웨어로 이미지화하여 절개부의 면적 감소를 비교하였다. 세포 재생력은 대조군인 0시간의 절개부 면적을 기준으로 추출물을 처리한 후 시간별로 감소한 면적을 백분율로 비교하였다.

콜라겐 합성 유전자 발현 분석

Mychonastes sp. 249 추출물을 농도별(0.0~1.0 mg/mL)로 처리한 HDF를 인산 완충용액으로 세척한 후 Accu Prep® universal RNA extraction kit(Bioneer, Daejeon, Korea)으로 total RNA를 추출한 다음 cDNA의 합성은 MgCl2, dNTP, MMLV 유래의 RTase를 혼합하여 역전사를 수행하고 cDNA를 주형으로 MMP-1, COL1A1SMAD-3을 증폭하였다(Table 1). 유전자 증폭을 위한 reverse transcription-polymerase chain reaction(RT-PCR) 조건은 95°C 10분간 초기 변성 후 95°C에서 15초간 변성반응, 62°C에서 3초간 결합반응 및 72°C에서 25초간 연장반응으로 구성하였으며, 증폭 과정은 총 40회 수행하였다. 각 RT-PCR 산물들은 GelRed® nucleic acid gel stain(Komabiotech, Seoul, Korea)으로 염색된 1.5% 아가로스 겔에서 전기영동 후 Image J(National Institutes of Health) 프로그램을 이용하여 발색도를 수치화하여 비교하였다.

Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis

GenesForward (5′-3′)Reverse (5′-3′)
MMP-11)CCATGCTGGAACTGATGGAGCTGAACTGTGTGACCCAGCC
COL1A12)GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTTAAGCCCACTTCATTTCATTGGT
SMAD-33)GACACCAGTTTTGCCTCCAGTATCCAGAGGCGGAAGTTCTGT
β-ActinAGCACAGAGCCTCGCCTTTCTTAATGTCACGCACGATTTCC

1)MMP-1: matrix metalloproteinase-1. 2)COL1A1: collagen type I alpha 1. 3)SMAD-3: suppressor of mothers against decapentaplegic-3.



주요 물질분석

Mychonastes sp. 249 추출물 주요 물질의 정성분석을 위해 추출물을 0.22 μm 시린지 필터(Hyundai Micro Co., Seoul, Korea)로 여과한 후 ROC C18 컬럼(3.0×150 mm, Restek Ltd., Windsor, UK)이 장착된 LC-MS/MS(Finnigan TSQ Quantum, Thermo Fisher Scientific, Seattle, WA, USA)를 이용하여 분석하였다. 질량분석기에서 분자의 기화에 따른 이온화를 위해 전자분무 이온화(electrospray ionization, ESI) 방법으로 운전조건을 설정하였고 50~800 m/z에서 전체 스캔 모드를 통해 질량 스펙트럼 정보를 수집하였다. 분석을 위해 추출물 20.0 μL를 주입하고 이동상의 유속을 0.2 mL/분으로 고정하여 20분간 분석을 진행하였다. 컬럼 온도를 30°C로 설정하였고 이동상 A(1.0% 포름산/증류수)와 이동상 B(1.0% 포름산/99.9% 아세토니트릴)를 0~11분: 95.0→0.0% A, 11~14분: 0.0→0.0% A, 14~15분: 0.0→95.0% A, 15~20분: 95.0%→95.0% A로 혼합비율을 변경하여 분석을 수행하였다.

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 P<0.05를 기준으로 분석하였다.

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 Mychonastes sp. 249 추출물의 주름 개선 효과를 평가하기 위해 콜라게네이즈 활성 저해를 측정한 결과, 67.0±1.72%로 확인되었다. 이는 Oh 등(2018)의 녹차와 백차 추출물의 피부 주름형성 및 착색 저해 효과에 관한 연구에서 추출물의 콜라게네이즈 저해 활성이 30.4%와 49.3%로 나타난 결과에 비해 약 1.3배 높은 결과를 보인다. 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물은 피부 진피층 내에서 콜라게네이즈의 활성을 효과적으로 억제하여 콜라겐의 사슬절단 및 비정상적인 교차결합을 저해시켜 피부 교원질 분해를 억제함에 따라 주름 개선을 위한 기능성 화장품 소재로써 활용 가능할 것으로 사료된다.

세포독성 평가

콜라겐 합성 관련 유전자 발현 실험에 앞서 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF 생존에 미치는 영향과 향후 실험에 적용할 한계농도 결정을 위해 세포독성을 평가하였다(Fig. 1). 추출물을 농도별(0.0~4.0 mg/mL)로 처리한 후 세포 생존율을 측정했을 때 추출물 2.0 mg/mL 이상에서 세포 생존율이 유의하게 감소하여 추출물이 세포 성장에 영향을 주는 인자임이 확인되었다(P<0.05). 대조군 대비 추출물 2.0과 4.0 mg/mL 처리 시 세포 생존율이 83.7%(P=0.0004)와 59.7%(P=0.0003)로 세포 성장이 유의하게 감소함이 확인됐지만, 1.0 mg/mL 처리 시 세포 생존율이 93.9%(P=0.0910)로 나타나 1.0 mg/mL 이하에서 HDF 세포 성장을 저해하지 않는 것으로 확인되어 2.0 mg/mL가 세포독성 농도로 결정되었다. 이는 청미래덩굴 추출물을 HDF에 1.0 mg/mL로 처리했을 때 세포 생존율이 70%로 보고된 결과와 비교해보면 동일 농도에서 93.9% 생존율을 보여 Mychonastes sp. 249 추출물의 섬유아세포에 대한 높은 안전성을 확인시켜주는 결과로 Mychonastes sp. 249가 주름 방지를 위한 화장품 원료로 사용 가능하다고 사료된다(Lee와 Lee, 2013). 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물은 1.0 mg/mL 이하의 농도에서 HDF에 대한 무독성이 확인되어 향후 세포 이동성 측정 및 유전자 발현 실험에서 HDF 세포 성장을 저해하지 않는 한계농도로 설정하여 HDF 세포의 콜라겐 합성 발현 관련 유전자 실험에 해당 농도를 적용하였다.

Fig. 1. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the cytotoxicity of HDF cell. The values were calculated as a percentage based on relative comparison with the control group. Bars represent the mean±standard deviation of three independent experiments and asterisks indicate significant differences from the control (*P<0.05).

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 Mychonastes sp. 249 추출물(0.0~1.0 mg/mL)을 48시간 배양된 HDF에 처리하여 12시간 간격으로 세포 이동성을 측정했을 때, 추출물의 농도 증가에 비례하여 절개부에서 세포 이동성이 증가하여 추출물이 세포 이동을 증진시킴을 확인하였다(Fig. 2). 추출물 0~0.25 mg/mL에서는 세포 이동성이 대조군 대비 유의적으로 증가하지 않아 해당 농도에서는 창상 치유 효과가 미비했다. 추출물 1.0 mg/mL를 36시간 처리했을 때 무첨가군 대비 21.2% 세포 이동이 증가하였는데(P<0.05), 이는 Kim 등(2016)의 벼 추출물의 창상 치유 효능 연구에서 추출물 1.0 mg/mL를 처리했을 때 세포 이동이 8.0% 증가함이 확인되었다는 결과 대비 우수한 재생력으로 본 연구를 통해 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF의 이동을 증가시켜 피부 세포재생에 효과가 있음을 입증할 수 있었다. 콜라겐 합성 증진을 통한 세포재생에 대한 기존 Park 등(2018)의 연구에서 클로렐라 추출물이 HDF 증식과 콜라겐 합성 촉진 효과를 밝혔으며, Syarina 등(2015)은 스피루리나 추출물의 HDF 증식 및 이동 증가 효과를 보고하여 미세조류가 피부재생 효과가 있음을 밝힌 선행연구와 일치하는 결과이다. 이처럼 Mychonastes sp. 249 추출물이 피부재생 과정에 있어 콜라겐 합성을 증진시켜 HDF의 증식 및 이동 증가에 따른 세포재생 효과를 나타내는 것으로 사료된다.

Fig. 2. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the HDF cells migration. Migration rates were quantitatively analyzed by calculating the difference between wound area of Mychonastes sp. 249 extract treated and control group at 0, 12, 24, and 36 h.

콜라겐 합성 유전자 발현 평가

콜라겐 분해 유전자인 MMP-1은 제Ⅰ형 및 Ⅲ형 콜라겐을 기질로 하고 전구체인 pro MMP-1을 활성화하여 기저막의 제Ⅳ형 콜라겐을 분해한다(Jun 등, 2020). 따라서 콜라겐 분해 억제를 통한 피부 노화 예방을 위해서는 MMP-1 발현 저해가 필수적이다. Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 합성 유전자 발현에 미치는 영향을 확인하기 위해 HDF에 추출물을 농도별(0.0~1.0 mg/mL)로 처리한 후 유전자 발현을 비교하였다(Fig. 3). Mychonastes sp. 249 추출물은 MMP-1의 발현을 농도 의존적으로 저해하는 것을 확인했으며, 특히 1.0 mg/mL 처리군에서 대조군 대비 57.2%로 발현이 억제되었다. 이는 HDF에 불가사리 추출물 1.0 mg/mL를 처리했을 때 MMP-1 발현이 46.3%로 저해된 Kwon 등(2007)의 결과에 비해 높은 저해율로 Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 분해를 효과적으로 억제함을 확인할 수 있었다. 콜라겐 합성 핵심 유전자인 COL1A1SMAD-3 발현은 농도 의존적으로 증가했으며 대조군 대비 1.0 mg/mL 처리군에서 COL1A1SMAD-3 발현이 각각 35.9%와 23.7%로 유의적으로 증가하여 콜라겐 합성 증진 효과를 확인하였다(P<0.05). 이상의 결과를 통해 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF에서 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가로 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과를 가짐을 확인하였다. 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물의 함유 물질 중 콜라겐 합성을 통한 피부재생에 관여하는 주요 물질 규명에 대한 물질분석이 추가로 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 3. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on mRNA expressions levels of MMP-1, SMAD-3, and COL1A1 mRNA in HDF cells.

주요 물질분석

앞선 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 분석에서 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가를 통한 피부재생 효과를 확인했으며, 이에 Mychonastes sp. 249 추출물 내 콜라겐 합성 증진에 영향을 미치는 주요 물질을 탐색하고자 LC-MS/MS를 이용하여 추출물의 주요 물질분석을 진행하였다. 추출물의 분자량 분포를 비교한 결과, RT 10.3분에서 양이온 모드의 m/z 기준 289.2와 163.5 두 개의 피크가 검출되었다(Fig. 4). 양이온 모드로 LC-MS/MS를 측정하면 양성자(proton) 하나가 추가된 형태의 m/z가 측정되는데, 이에 m/z 289.2로 분리된 것은 eriodictyol(MW 288)에서 수소 원자 한 개가 추가된 형태로 예측되었다. 주요 물질로 확인된 eriodictyol은 섬유아세포에서 eriodictyol의 피부세포 증식 효과에 대한 Nisar 등(2022)의 연구에서 콜라겐 합성 핵심 유전자인 COL1A1mmp-1 발현을 대조군 대비 각각 12% 증가 및 10% 저해함을 보고하여 eriodictyol에 의한 콜라겐 합성 증진 효과를 확인하였다. 이는 Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질인 eriodictyol이 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과에 기인한 것으로 사료되며 Mychonastes sp. 249는 콜라겐 합성 소재뿐만 아니라 주름 개선, 창상 치료 및 피부재생 소재로써 활용 가치가 높을 것으로 판단된다.

Fig. 4. Spectrum of LC-MS/MS fragmentation pattern of main substance, eriodictyol (MW 288.2) from Mychonastes sp. 249 extract (full scan in positive ion mode).

본 연구는 Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과를 검증하고자 콜라게네이즈 활성저해 효과와 HDF에서 피부 세포재생 효과를 평가하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라게네이즈 활성 저해는 67.0%로 확인되어 콜라겐 분해 방지를 통한 주름 개선 효과를 확인하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 세포재생 효과를 확인하기 위해 HDF에 무독한 농도인 1.0 mg/mL로 추출물을 처리했을 때 세포의 이동성을 21.2%로 증가시켜 추출물의

세포재생 효과가 우수함이 확인되었다. 이를 바탕으로 Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 합성 핵심 유전자인 MMP-1, COL1A1SMAD-3 발현에 미치는 영향을 평가했을 때 전사인자의 발현이 대조군 대비 각 57.2%로 유의적으로 감소하고 35.9%와 23.7%로 증가함이 확인되어 추출물이 콜라겐 분해 핵심 유전자인 MMP-1 발현을 현저히 저해함으로써 콜라겐 합성 증진을 통한 HDF에서의 피부재생 효과를 입증하였다. 또한, LC-MS/MS 분석 결과 eriodictyol이 Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질로 확인되었다. 이에 따라 주요 물질인 eriodictyol이 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가를 통한 콜라겐 합성 효과에 기인한 것으로 사료된다. 따라서 Mychonastes sp. 249로부터 주름 개선 및 피부재생 화장품 원료로 활용 가능성이 확인되어 기존 육상식물 유래 기능성 화장품 및 의약품 소재를 대체할 신규 해양 소재로써의 적용 가능성을 높일 수 있을 것이다.

이 연구는 환경부의 재원으로 국립낙동강생물자원관에서 지원을 받아 수행된 연구입니다(NNIBR20202109).

  1. Afonso AM, Gonçalves J, Luís A, et al. Evaluation of the in vitro wound-healing activity and phytochemical characterization of propolis and honey. Appl Sci. 2020. 10:1845. https://doi.org/10.3390/app10051845
    CrossRef
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Article

Article

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.

담수 미세조류 Mychonastes sp. 249 추출물의 MMP-1, COL1A1SMAD-3 발현 조절을 통한 콜라겐 합성 증진 효과

홍지우1․염서희1․오예솔1․박제훈1․강민호1․김영현1․김지훈2․임경준2․김진우1,3

1선문대학교 건강보건대학 식품과학과
2국립낙동강생물자원관 미생물연구실
3프렉스프로 바이오테크놀로지

Received: September 23, 2022; Revised: December 30, 2022; Accepted: January 4, 2023

Enhancement of Collagen Synthesis through the Regulations of MMP-1, COL1A1, and SMAD-3 by Extract of the Freshwater Microalgae Mychonastes sp. 249

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

Received: September 23, 2022; Revised: December 30, 2022; Accepted: January 4, 2023

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.

Abstract

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

서 론

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 MMP-1은 콜라겐을 1차로 분해하고 조각화된 콜라겐의 분해를 촉진해 주름 생성을 유발하여 피부노화에 주요한 역할을 한다(Jin 등, 2021). 피부노화 예방을 위해서는 콜라겐 합성이 필수적으로 요구되는데 섬유아세포 표면의 transforming growth factor-β(TGF-β) 수용체와 TGF-β가 결합하면 suppressor of mothers against decapentaplegic-2(SMAD-2)와 SMAD-3가 활성화되어 핵으로 신호가 전달되고 전사인자 활성화를 통해 콜라겐이 합성된다(Rong 등, 2022). 따라서 피부노화를 예방하기 위해서는 콜라겐 합성 촉진과 함께 세포외 기질 분해 효소인 MMP 발현을 저해하는 것이 중요한 전략으로 인식되고 있다.

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.

재료 및 방법

실험재료

Mychonastes sp. 249는 국립낙동강생물자원관(Sangju, Korea)에서 동결건조 분말로 제공받아 본 연구에 사용하였다. 이화학 분석에 사용된 콜라게네이즈(C0130)와 4-phenylazobenzyloxycarbonyl-Pro-Leu-Gly-Pro-D(PzPLGPR, 89064)는 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하였다. 세포배양에 사용된 Dulbecco’s modified Eagle’s medium(DMEM), fetal bovine serum(FBS), penicillin과 trypsin-EDTA는 Thermo Fisher(Waltham, MA, USA)의 제품을 사용하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질 분석을 위한 LC-MS/MS의 이동상인 아세토니트릴과 포름산은 Sigma-Aldrich의 HPLC 등급을 사용하였다.

초음파 추출

Mychonastes sp. 249로부터 생리활성 물질 추출을 위해 초음파 추출을 이용했으며 시료 1.0 g에 증류수 20.0 mL를 첨가하여 초음파 추출기(SD-250H, Mujigae Co., Seoul, Korea)로 60°C에서 30분간 추출을 진행하였다. 추출물은 원심분리기(Labogene 1236R, Gyrozen, Daejeon, Korea)를 이용하여 5,000 rpm에서 10분간 고액 분리한 후 상등액을 회수하여 분석실험에 사용하였다.

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 Mychonastes sp. 249 추출물 0.05 mL를 혼합한 후 콜라게네이즈 0.075 mL를 첨가하여 37°C에서 30분간 반응을 진행하였다. 반응 후 20.0% 시트릭산 0.5 mL를 가하여 반응을 정지시킨 후 에틸아세테이트 1.5 mL를 혼합하고 상등액을 취해 분광광도계(Optizen 2120 UV, Mecasys Co., Daejeon, Korea)로 320 nm에서 흡광도를 측정하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라게네이즈 활성 저해는 아래의 식을 이용해 백분율로 나타내었다.

%=1 ×100

실험군: Mychonastes sp. 249 추출물 첨가군

대조군: 증류수 첨가군

Human dermal fibroblast(HDF) 세포배양

Mychonastes sp. 249 추출물의 세포 안전성과 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 평가를 위한 HDF 세포주는 Cell Applications(San Diego, CA, USA)에서 분양받아 사용하였다. 세포는 37°C와 5.0% 이산화탄소로 유지되는 동물세포 배양기(Panasonic, Osaka, Japan)에서 10.0% FBS와 1.0% penicillin이 포함된 DMEM으로 배양하였다. 계대배양은 T-50 cell culture flask에 HDF를 1.5×105 cells/mL로 분주하여 48시간 주기로 진행하였다.

세포독성 평가

Mychonastes sp. 249 추출물의 세포독성 평가를 위해 HDF에 추출물을 농도별로 처리하고 세포 생존율을 3-(4, 5-dimethylthiazole-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide(MTT)법으로 측정하였다. 세포를 96-well plate에 5.0×104 cells/mL로 분주하여 24시간 배양한 후 추출물을 농도별(0.0~4.0 mg/mL)로 처리하여 72시간 배양하며 세포 성장을 비교하였다. 배지 제거 후 0.25 mg/mL MTT를 0.1 mL 가하여 3시간 반응하고 생성된 포르마잔(formazan)을 dimethyl sulfoxide로 용해해 마이크로 플레이트 리더기(AMR-100, Allsheng, Seoul, Korea)를 이용하여 540 nm에서 흡광도를 측정했으며, 추출물 처리에 따른 HDF 세포독성은 아래의 식에 따라 백분율(%)로 산출하였다.

%=1 ×100

실험군: Mychonastes sp. 249 추출물 첨가군

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 Mychonastes sp. 249 추출물을 0.0~1.0 mg/mL 처리한 다음 절개부에서 세포 성장에 따른 이동을 도립현미경(Benulux, Breda, Netherlands)으로 12시간 간격으로 관찰하고 Image J(National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA) 소프트웨어로 이미지화하여 절개부의 면적 감소를 비교하였다. 세포 재생력은 대조군인 0시간의 절개부 면적을 기준으로 추출물을 처리한 후 시간별로 감소한 면적을 백분율로 비교하였다.

콜라겐 합성 유전자 발현 분석

Mychonastes sp. 249 추출물을 농도별(0.0~1.0 mg/mL)로 처리한 HDF를 인산 완충용액으로 세척한 후 Accu Prep® universal RNA extraction kit(Bioneer, Daejeon, Korea)으로 total RNA를 추출한 다음 cDNA의 합성은 MgCl2, dNTP, MMLV 유래의 RTase를 혼합하여 역전사를 수행하고 cDNA를 주형으로 MMP-1, COL1A1SMAD-3을 증폭하였다(Table 1). 유전자 증폭을 위한 reverse transcription-polymerase chain reaction(RT-PCR) 조건은 95°C 10분간 초기 변성 후 95°C에서 15초간 변성반응, 62°C에서 3초간 결합반응 및 72°C에서 25초간 연장반응으로 구성하였으며, 증폭 과정은 총 40회 수행하였다. 각 RT-PCR 산물들은 GelRed® nucleic acid gel stain(Komabiotech, Seoul, Korea)으로 염색된 1.5% 아가로스 겔에서 전기영동 후 Image J(National Institutes of Health) 프로그램을 이용하여 발색도를 수치화하여 비교하였다.

Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis.

GenesForward (5′-3′)Reverse (5′-3′)
MMP-11)CCATGCTGGAACTGATGGAGCTGAACTGTGTGACCCAGCC
COL1A12)GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTTAAGCCCACTTCATTTCATTGGT
SMAD-33)GACACCAGTTTTGCCTCCAGTATCCAGAGGCGGAAGTTCTGT
β-ActinAGCACAGAGCCTCGCCTTTCTTAATGTCACGCACGATTTCC

1)MMP-1: matrix metalloproteinase-1. 2)COL1A1: collagen type I alpha 1. 3)SMAD-3: suppressor of mothers against decapentaplegic-3..



주요 물질분석

Mychonastes sp. 249 추출물 주요 물질의 정성분석을 위해 추출물을 0.22 μm 시린지 필터(Hyundai Micro Co., Seoul, Korea)로 여과한 후 ROC C18 컬럼(3.0×150 mm, Restek Ltd., Windsor, UK)이 장착된 LC-MS/MS(Finnigan TSQ Quantum, Thermo Fisher Scientific, Seattle, WA, USA)를 이용하여 분석하였다. 질량분석기에서 분자의 기화에 따른 이온화를 위해 전자분무 이온화(electrospray ionization, ESI) 방법으로 운전조건을 설정하였고 50~800 m/z에서 전체 스캔 모드를 통해 질량 스펙트럼 정보를 수집하였다. 분석을 위해 추출물 20.0 μL를 주입하고 이동상의 유속을 0.2 mL/분으로 고정하여 20분간 분석을 진행하였다. 컬럼 온도를 30°C로 설정하였고 이동상 A(1.0% 포름산/증류수)와 이동상 B(1.0% 포름산/99.9% 아세토니트릴)를 0~11분: 95.0→0.0% A, 11~14분: 0.0→0.0% A, 14~15분: 0.0→95.0% A, 15~20분: 95.0%→95.0% A로 혼합비율을 변경하여 분석을 수행하였다.

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 P<0.05를 기준으로 분석하였다.

결과 및 고찰

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 Mychonastes sp. 249 추출물의 주름 개선 효과를 평가하기 위해 콜라게네이즈 활성 저해를 측정한 결과, 67.0±1.72%로 확인되었다. 이는 Oh 등(2018)의 녹차와 백차 추출물의 피부 주름형성 및 착색 저해 효과에 관한 연구에서 추출물의 콜라게네이즈 저해 활성이 30.4%와 49.3%로 나타난 결과에 비해 약 1.3배 높은 결과를 보인다. 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물은 피부 진피층 내에서 콜라게네이즈의 활성을 효과적으로 억제하여 콜라겐의 사슬절단 및 비정상적인 교차결합을 저해시켜 피부 교원질 분해를 억제함에 따라 주름 개선을 위한 기능성 화장품 소재로써 활용 가능할 것으로 사료된다.

세포독성 평가

콜라겐 합성 관련 유전자 발현 실험에 앞서 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF 생존에 미치는 영향과 향후 실험에 적용할 한계농도 결정을 위해 세포독성을 평가하였다(Fig. 1). 추출물을 농도별(0.0~4.0 mg/mL)로 처리한 후 세포 생존율을 측정했을 때 추출물 2.0 mg/mL 이상에서 세포 생존율이 유의하게 감소하여 추출물이 세포 성장에 영향을 주는 인자임이 확인되었다(P<0.05). 대조군 대비 추출물 2.0과 4.0 mg/mL 처리 시 세포 생존율이 83.7%(P=0.0004)와 59.7%(P=0.0003)로 세포 성장이 유의하게 감소함이 확인됐지만, 1.0 mg/mL 처리 시 세포 생존율이 93.9%(P=0.0910)로 나타나 1.0 mg/mL 이하에서 HDF 세포 성장을 저해하지 않는 것으로 확인되어 2.0 mg/mL가 세포독성 농도로 결정되었다. 이는 청미래덩굴 추출물을 HDF에 1.0 mg/mL로 처리했을 때 세포 생존율이 70%로 보고된 결과와 비교해보면 동일 농도에서 93.9% 생존율을 보여 Mychonastes sp. 249 추출물의 섬유아세포에 대한 높은 안전성을 확인시켜주는 결과로 Mychonastes sp. 249가 주름 방지를 위한 화장품 원료로 사용 가능하다고 사료된다(Lee와 Lee, 2013). 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물은 1.0 mg/mL 이하의 농도에서 HDF에 대한 무독성이 확인되어 향후 세포 이동성 측정 및 유전자 발현 실험에서 HDF 세포 성장을 저해하지 않는 한계농도로 설정하여 HDF 세포의 콜라겐 합성 발현 관련 유전자 실험에 해당 농도를 적용하였다.

Fig 1. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the cytotoxicity of HDF cell. The values were calculated as a percentage based on relative comparison with the control group. Bars represent the mean±standard deviation of three independent experiments and asterisks indicate significant differences from the control (*P<0.05).

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 Mychonastes sp. 249 추출물(0.0~1.0 mg/mL)을 48시간 배양된 HDF에 처리하여 12시간 간격으로 세포 이동성을 측정했을 때, 추출물의 농도 증가에 비례하여 절개부에서 세포 이동성이 증가하여 추출물이 세포 이동을 증진시킴을 확인하였다(Fig. 2). 추출물 0~0.25 mg/mL에서는 세포 이동성이 대조군 대비 유의적으로 증가하지 않아 해당 농도에서는 창상 치유 효과가 미비했다. 추출물 1.0 mg/mL를 36시간 처리했을 때 무첨가군 대비 21.2% 세포 이동이 증가하였는데(P<0.05), 이는 Kim 등(2016)의 벼 추출물의 창상 치유 효능 연구에서 추출물 1.0 mg/mL를 처리했을 때 세포 이동이 8.0% 증가함이 확인되었다는 결과 대비 우수한 재생력으로 본 연구를 통해 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF의 이동을 증가시켜 피부 세포재생에 효과가 있음을 입증할 수 있었다. 콜라겐 합성 증진을 통한 세포재생에 대한 기존 Park 등(2018)의 연구에서 클로렐라 추출물이 HDF 증식과 콜라겐 합성 촉진 효과를 밝혔으며, Syarina 등(2015)은 스피루리나 추출물의 HDF 증식 및 이동 증가 효과를 보고하여 미세조류가 피부재생 효과가 있음을 밝힌 선행연구와 일치하는 결과이다. 이처럼 Mychonastes sp. 249 추출물이 피부재생 과정에 있어 콜라겐 합성을 증진시켜 HDF의 증식 및 이동 증가에 따른 세포재생 효과를 나타내는 것으로 사료된다.

Fig 2. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the HDF cells migration. Migration rates were quantitatively analyzed by calculating the difference between wound area of Mychonastes sp. 249 extract treated and control group at 0, 12, 24, and 36 h.

콜라겐 합성 유전자 발현 평가

콜라겐 분해 유전자인 MMP-1은 제Ⅰ형 및 Ⅲ형 콜라겐을 기질로 하고 전구체인 pro MMP-1을 활성화하여 기저막의 제Ⅳ형 콜라겐을 분해한다(Jun 등, 2020). 따라서 콜라겐 분해 억제를 통한 피부 노화 예방을 위해서는 MMP-1 발현 저해가 필수적이다. Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 합성 유전자 발현에 미치는 영향을 확인하기 위해 HDF에 추출물을 농도별(0.0~1.0 mg/mL)로 처리한 후 유전자 발현을 비교하였다(Fig. 3). Mychonastes sp. 249 추출물은 MMP-1의 발현을 농도 의존적으로 저해하는 것을 확인했으며, 특히 1.0 mg/mL 처리군에서 대조군 대비 57.2%로 발현이 억제되었다. 이는 HDF에 불가사리 추출물 1.0 mg/mL를 처리했을 때 MMP-1 발현이 46.3%로 저해된 Kwon 등(2007)의 결과에 비해 높은 저해율로 Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 분해를 효과적으로 억제함을 확인할 수 있었다. 콜라겐 합성 핵심 유전자인 COL1A1SMAD-3 발현은 농도 의존적으로 증가했으며 대조군 대비 1.0 mg/mL 처리군에서 COL1A1SMAD-3 발현이 각각 35.9%와 23.7%로 유의적으로 증가하여 콜라겐 합성 증진 효과를 확인하였다(P<0.05). 이상의 결과를 통해 Mychonastes sp. 249 추출물이 HDF에서 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가로 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과를 가짐을 확인하였다. 따라서 Mychonastes sp. 249 추출물의 함유 물질 중 콜라겐 합성을 통한 피부재생에 관여하는 주요 물질 규명에 대한 물질분석이 추가로 필요할 것으로 사료된다.

Fig 3. Effect of Mychonastes sp. 249 extract on mRNA expressions levels of MMP-1, SMAD-3, and COL1A1 mRNA in HDF cells.

주요 물질분석

앞선 콜라겐 합성 관련 유전자 발현 분석에서 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가를 통한 피부재생 효과를 확인했으며, 이에 Mychonastes sp. 249 추출물 내 콜라겐 합성 증진에 영향을 미치는 주요 물질을 탐색하고자 LC-MS/MS를 이용하여 추출물의 주요 물질분석을 진행하였다. 추출물의 분자량 분포를 비교한 결과, RT 10.3분에서 양이온 모드의 m/z 기준 289.2와 163.5 두 개의 피크가 검출되었다(Fig. 4). 양이온 모드로 LC-MS/MS를 측정하면 양성자(proton) 하나가 추가된 형태의 m/z가 측정되는데, 이에 m/z 289.2로 분리된 것은 eriodictyol(MW 288)에서 수소 원자 한 개가 추가된 형태로 예측되었다. 주요 물질로 확인된 eriodictyol은 섬유아세포에서 eriodictyol의 피부세포 증식 효과에 대한 Nisar 등(2022)의 연구에서 콜라겐 합성 핵심 유전자인 COL1A1mmp-1 발현을 대조군 대비 각각 12% 증가 및 10% 저해함을 보고하여 eriodictyol에 의한 콜라겐 합성 증진 효과를 확인하였다. 이는 Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질인 eriodictyol이 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과에 기인한 것으로 사료되며 Mychonastes sp. 249는 콜라겐 합성 소재뿐만 아니라 주름 개선, 창상 치료 및 피부재생 소재로써 활용 가치가 높을 것으로 판단된다.

Fig 4. Spectrum of LC-MS/MS fragmentation pattern of main substance, eriodictyol (MW 288.2) from Mychonastes sp. 249 extract (full scan in positive ion mode).

요 약

본 연구는 Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라겐 합성 증진을 통한 피부재생 효과를 검증하고자 콜라게네이즈 활성저해 효과와 HDF에서 피부 세포재생 효과를 평가하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 콜라게네이즈 활성 저해는 67.0%로 확인되어 콜라겐 분해 방지를 통한 주름 개선 효과를 확인하였다. Mychonastes sp. 249 추출물의 세포재생 효과를 확인하기 위해 HDF에 무독한 농도인 1.0 mg/mL로 추출물을 처리했을 때 세포의 이동성을 21.2%로 증가시켜 추출물의

세포재생 효과가 우수함이 확인되었다. 이를 바탕으로 Mychonastes sp. 249 추출물이 콜라겐 합성 핵심 유전자인 MMP-1, COL1A1SMAD-3 발현에 미치는 영향을 평가했을 때 전사인자의 발현이 대조군 대비 각 57.2%로 유의적으로 감소하고 35.9%와 23.7%로 증가함이 확인되어 추출물이 콜라겐 분해 핵심 유전자인 MMP-1 발현을 현저히 저해함으로써 콜라겐 합성 증진을 통한 HDF에서의 피부재생 효과를 입증하였다. 또한, LC-MS/MS 분석 결과 eriodictyol이 Mychonastes sp. 249 추출물의 주요 물질로 확인되었다. 이에 따라 주요 물질인 eriodictyol이 MMP-1 발현 저해와 COL1A1SMAD-3 발현 증가를 통한 콜라겐 합성 효과에 기인한 것으로 사료된다. 따라서 Mychonastes sp. 249로부터 주름 개선 및 피부재생 화장품 원료로 활용 가능성이 확인되어 기존 육상식물 유래 기능성 화장품 및 의약품 소재를 대체할 신규 해양 소재로써의 적용 가능성을 높일 수 있을 것이다.

감사의 글

이 연구는 환경부의 재원으로 국립낙동강생물자원관에서 지원을 받아 수행된 연구입니다(NNIBR20202109).

Fig 1.

Fig 1.Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the cytotoxicity of HDF cell. The values were calculated as a percentage based on relative comparison with the control group. Bars represent the mean±standard deviation of three independent experiments and asterisks indicate significant differences from the control (*P<0.05).
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2023; 52: 203-209https://doi.org/10.3746/jkfn.2023.52.2.203

Fig 2.

Fig 2.Effect of Mychonastes sp. 249 extract on the HDF cells migration. Migration rates were quantitatively analyzed by calculating the difference between wound area of Mychonastes sp. 249 extract treated and control group at 0, 12, 24, and 36 h.
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Fig 3.

Fig 3.Effect of Mychonastes sp. 249 extract on mRNA expressions levels of MMP-1, SMAD-3, and COL1A1 mRNA in HDF cells.
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Fig 4.

Fig 4.Spectrum of LC-MS/MS fragmentation pattern of main substance, eriodictyol (MW 288.2) from Mychonastes sp. 249 extract (full scan in positive ion mode).
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Fig 5.

Fig 5.f1
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Table 1 . Primer sequences used in reverse transcription-polymerase chain reaction of major genes related to collagen synthesis.

GenesForward (5′-3′)Reverse (5′-3′)
MMP-11)CCATGCTGGAACTGATGGAGCTGAACTGTGTGACCCAGCC
COL1A12)GGTTTAGGGATGTTTGGGTTTTAAGCCCACTTCATTTCATTGGT
SMAD-33)GACACCAGTTTTGCCTCCAGTATCCAGAGGCGGAAGTTCTGT
β-ActinAGCACAGAGCCTCGCCTTTCTTAATGTCACGCACGATTTCC

1)MMP-1: matrix metalloproteinase-1. 2)COL1A1: collagen type I alpha 1. 3)SMAD-3: suppressor of mothers against decapentaplegic-3..


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