‘울릉도’의 가치를 더욱 높여준 화장품 소재 ‘돌외’

다른 나라의 유전자원 접근시 사전 허가 및 이용에 따른 이익 공유 의무 등을 정한 나고야의정서가 2014년 정식 발효되고, 우리나라도 2017년 8월 발효되면서 국내 자원에 대한 관심이 높아졌다. ‘아름다운 신비의 섬 울릉도’의 가치도 더 높아졌다. 이 가운데 애경산업이 울릉도의 돌외^{Gynostemma pentaphyllum} 잎으로부터 화장품 소재를 연구한 결과를 내놓았다. 연구 결과는 대한화장품학회지^{Journal of the Society of Cosmetic Scientists of Korea} 2021년 47권에 실렸다. 논문명은 ‘돌외 캘러스 추출물의 항염, 항알러지 및 S. aureus에 의한 각질세포 손상 완화 효능^{Effects of Gynostemma pentaphyllum Callus Extract on Anti-inflammation, Anti-allergy, and Alleviation of Keratinocyte Damage Caused by S. aureus}’.

김한영 애경산업 중앙연구소 혁신팀장에게 이번 연구 내용을 서면으로 들었다. 그는 “이번 과제를 진행하면서 피부 마이크로바이옴의 피부건강에 대한 중요성을 조금 더 알게 되었다”고 밝혔다. 또 공동연구기관인 차의과대학교 분당차병원 신정우 교수팀, 에이치이엠파마, 바이오에프디엔씨에도 감사 인사를 전했다. 

김 팀장은 서울대학교에서 학·석·박사 학위를 받았고, 2005년부터 애경산업 중앙연구소에서 화장품 소재를 연구하고 있다. 2017년 3월부터 건국대학교 시스템생명공학과에서 산학 겸임교수로 활동하고 있다.

논문의 주요 내용부터 설명해 주세요.

이 연구는 울릉도 돌외^{Gynostemma pentaphyllum} 잎으로부터 캘러스 유도 및 추출 후, 피부장벽 기능과 관련된 항염증, 항알러지, 각질세포외막 형성, S. aureus에 의한 각질형성세포 손상 완화 효능을 확인하고자 수행되었습니다.

돌외 캘러스 추출물의 피부에 대한 항염증 효능을 확인하기 위해, PAR-2 agonist로 활성화된 human epidermal keratinocyte에서 염증성 사이토카인들의 발현을 확인한 결과, 돌외 캘러스 추출물은 IL-8, IL-25, TSLP 발현을 저해하는 효능이 있는 것을 확인하였습니다.

RBL-2H3 세포를 이용한 β-hexosaminidase assay 시험을 통해 항알러지 효능을 확인한 결과, β-hexosaminidase 방출을 억제하는 효과를 보였습니다.

또한, 돌외 캘러스 추출물은 HaCaT 세포에서 각질세포외막 형성 효과가 있음을 확인하였고, HaCaT 세포와 S. aureus 공배양 실험을 통해 S. aureus에 의한 각질형성세포 생존율 감소를 완화하는 효능이 있음을 확인하였습니다.

이번 연구를 통해 울릉도 돌외 캘러스 추출물은 항염, 항알러지, 각질세포 손상 완화 효능에 유효한 소재임을 확인하였고, 피부장벽 개선을 위한 화장품 소재로서 활용 가치가 있음을 밝혀냈습니다.

돌외라는 식물은 조금 생소한데요.

애경산업㈜은 ㈜바이오에프디엔씨, 차의과대학교 분당차병원 신정우 교수팀, ㈜에이치이엠파마와 공동연구로, 2020년 4월 1일부터 보건복지부 피부과학 응용소재‧선도기술개발사업의 ‘울릉도 자생식물 캘러스를 이용한 피부장벽 강화 화장품의 개발’ 국책과제에 참여하고 있습니다.

국책과제를 기획하면서 울릉도에서 서식하는 식물 13종을 확보하여 캘러스 유도를 하였고, 캘러스 추출물들에 대한 다양한 피부장벽 개선 효능 시험을 진행하였습니다. 이러한 연구를 통해 이번 논문에서와 같이 돌외 캘러스 추출물의 우수한 효능을 확인할 수 있었습니다. 

돌외는 박목 박과의 쌍떡잎식물로, 한국에서는 주로 제주도 및 울릉도의 산이나 들의 숲 속에서 자랍니다. 예로부터 강장, 강정, 이뇨, 소염 및 건위 효과가 있는 약용식물로 알려져 있습니다. 돌외의 유효성분은 다양한 지페노사이드^gypenoside를 포함하는 담마란^{dammarane type}계 사포닌으로 알려져 있으며 항염, 항산화 작용 및 혈관내피세포 보호 작용, 심혈관 기능 개선 작용 및 콜레스테롤 저하 작용 등을 가지는 것으로 보고되고 있습니다.

‘PAR-2 agonist’는 어떤 수용체인가요?

PAR-2^{Protease-activated receptor 2}는 G 단백결합 수용체^{G protein-coupled receptor}로서, trypsin과 비만세포의 tryptase와 같은 serine protease에 의해 활성화되는 수용체입니다. 피부장벽이 손상되면 외부로부터 침투한 각종 알레르겐에 의해 쉽게 노출이 되는데, 손상된 피부장벽을 가지는 피부는 피부 pH가 증가하여 serine protease 활성이 증가하게 되고, 이는 각질형성세포의 PAR-2를 활성화시킵니다. PAR-2가 활성화 되면 각질형성세포는 IL-25, IL-33, thymic stromal lymphopoietin TSLP를 세포 밖으로 분비합니다. 이러한 인자들은 Th2 면역세포를 활성화시켜 아토피 피부염 등 염증반응을 악화시키는 것으로 알려져 있습니다. 이렇듯 피부장벽 기능과 관련하여 PAR-2 활성화는 매우 밀접한 관계가 있는 것으로 보고되고 있으며, PAR-2는 가려움증과 통증을 매개한다는 사실도 알려져 있습니다.

PAR-2를 활성화시키는 방법은 효소적 방법과 비효소적 방법이 있습니다. Trypsin, tryptase 등의 serine protease는 PAR-2의 세포외 N-말단에 위치하고 있는 특이적 효소 부위를 절단시켜 새로운 N-말단 부위(마우스 PAR-2는 NH2-SLIGRL, 사람 PAR-2는 NH2-SLIGKV)를 노출시킵니다. 이렇게 형성된 새로운 N-말단 부위가 세포막에 있는 PAR-2 수용체에 다시 결합하여 수용체를 활성화시키는 것이 효소적 활성화입니다.

비효소적 활성화는 serine protease에 의해 절단되어 노출되는 N-말단 부위와 같은 배열로 합성된 5~6개의 아미노산으로 이루어진 활성펩타이드, 즉 SLIGRL-amide 또는 SLIGKV-amide^SLIGKV-NH₂를 넣어주어 세포막에 있는 PAR-2 수용체에 직접 결합하여 수용체를 활성화시키는 방법입니다. 연구팀은 비효소적 활성화 방법으로 PAR-2의 활성화를 유도하였으며, 이때 SLIGKV-NH2를 PAR-2 agonist로서 사용하였습니다.

이 연구에서는 각질형성세포에서 PAR-2 활성화에 따른 돌외 캘러스 추출물의 항염 효과를 확인하기 위해 human epidermal keratinocyte에 PAR-2 agonist로서 SLIGKV-NH2를 처리하여 활성화시킨 뒤, 돌외 캘러스 추출물을 처리하여 IL-8, IL-25 및 TSLP 생성 억제 효과를 측정하였습니다. 그 결과, 돌외 캘러스 추출물은 IL-8 생성량을 39%, IL-25 생성량을 46%, TSLP 생성량을 59% 감소시키는 것을 확인하였습니다.

β-Hexosaminidase를 이용한 항알러지 실험은 무엇인지요.

피부장벽이 손상되면 염증, 가려움증이 동반되어 피부의 물리적 손상을 초래하고, 이는 피부장벽 손상을 더욱 악화시키게 됩니다. 아토피 피부염 등에서 면역학적 이상으로 인해 IgE가 증가하고, IgE에 감작된 비만세포^{mast cell}가 알레르겐과 반응을 하면, 탈과립화로 β-hexosaminidase, 히스타민^histamine, 염증 매개인자 등이 방출됩니다. 이러한 인자들은 염증 및 가려움증을 유발할 수 있습니다. 따라서, 알러지 반응이 일어날 때 탈과립의 지표로서 β-hexosaminidase 분비량을 측정하여 확인하는 것입니다.

돌외 캘러스 추출물의 항알러지 효능 관련 β -hexosaminidase secretion 실험은 RBL-2H3 세포를 이용하여 실험을 하였습니다. RBL-2H3 세포는 점막형 비만세포의 특징을 나타내고 세포막 표면에 IgE 수용체를 발현하고 있어, IgE에 감작된 후 항원에 반응하여 β-hexosaminidase를 분비하는 특성을 가지고 있습니다. 

RBL-2H3 세포를 DNP-IgE로 감작시킨 후, DNP-BSA^allergen를 처리하여 β-hexosaminidase 방출을 유도하였습니다. 동시에 돌외 캘러스 추출물을 처리하여 β-hexosaminidase 억제 효과를 확인한 결과, 돌외 캘러스 추출물은 β-hexosaminidase 방출 억제 효과가 있음을 확인했습니다. 

세포 실험에서의 농도와 실제 제품 등으로 

적용되는 농도는 차이가 있을 것 같은데, 

실제 적용하는 농도를 결정하는 방법이 있나요? 

세포 실험 후 실제 제품 사용 농도를 결정하기 위해 다양한 변수를 고려하고 있습니다. Franz diffusion cell을 이용한 피부흡수율 연구, 인체첩포시험 등 피부에 대한 안전성 시험, 다양한 농도에서의 인체적용시험, 화장품 제형에 적용 후 제형 안정성 시험 등을 통해 최종 제품 적용 농도를 결정하고 있습니다. 

실험 과정 중에 어려운 점도 많았겠습니다. 

연구과제에 필요한 울릉도 식물의 채집을 위해 2020년 6월 19일 울릉도에 방문하고 울릉군수님 과 직접 미팅을 통해 식물의 채집을 허가 받고 2일 동안 추가로 머물면서 소개해 주신 군청 산하 기관 들과 함께 식물을 채집하였습니다. 

울릉도는 아직 공항이 없어서 배를 이용해 가야 합 니다.(미팅 당시 군수님께서는 공항을 만드는 중이 라고 하시기는 했는데, 시간은 좀 오래 걸릴 수 있 다고 설명했습니다.) 저는 포항의 항구에서 출발해 서 울릉도로 향했는데요. 약 4시간 거리였습니다. 울릉도로 가는 길이 처음이라 원래 이렇게 배가 롤러코스터처럼 움직이는 것인지는 몰랐지만 처음 뱃멀미를 경험해 보았습니다. 울릉도가 시야에 들 어왔을 때 이제 살았구나 하는 느낌이 들 정도였습 니다. 나중에 군수님 미팅 때에 알게 되었는데 이날 파고가 기록적이어서 매우 힘들었을 것이라고 하 면서 원래 이렇지는 않다고 하셨고, 실제로 돌아오 는 길의 배에서는 편안하게 잠이 들 정도였습니다. 

가이드라인이 나오지 않아 어려움도 있었습니다. 2016년 식약처에서 기능성화장품의 범위를 넓혀주면서 새로 추가된 기능성 중의 하나인 ‘피부장벽의 기능을 회복하여 가려움 등의 개선에 도움을 주는 화장품’이 이번 과제의 최종 목표인데, 해당 기능을 규명하기 위한 가이드라인이 오랜 기간 동안 확정되지 않아서 많은 어려움이 있었습니다. 다행히 올해 6월 18일 해당 기능성에 대한 민원인 안내서가 식약처에서 발표되었습니다. 가이드라인에 피험자의 테스트 부위를 포함하여 여러가지 제한적인 요소가 있어서 기능의 구현에 제약 사항이 있지만 공동연구기관인 ㈜바이오에프디엔씨, 차의과대학교 분당차병원 신정우 교수팀, ㈜에이치이엠파마와 함께 잘 진행해 보려고 합니다. 

실험 결과는 어떻게 활용될 예정인지요. 

우리 연구진은 울릉도 자생식물 캘러스를 이용한 피부장벽 강화 화장품의 개발을 목표로 하고 있습니다. 이 목표의 구현을 위하여 돌외를 포함한 다양한 울릉도 자생식물을 채집해 캘러스를 개발하였으며 공동연구기관이며 캘러스 연구 전문기관인 ㈜바이오에프디엔씨의 독자기술을 활용해 추출물의 효능을 향상시키는 연구를 함께 진행하고 있습니다. 다양한 세포시험과 인공피부를 활용한 시험을 통하여 주요한 후보를 결정할 예정이며, 선정된 추출물의 효능 성분을 규명하는 연구, 화장품 제형 적용 연구, 소재의 안전성 시험, 피부장벽 개선 인체적용시험 등을 진행해 최종적으로는 피부 장벽 개선 기능성 화장품 소재로서 발전시키는 연구를 진행할 예정입니다.