건국대학교 의료생명대학 바이오융합과학부 신동욱 교수

서론

빛(Light)은 우리의 삶과 우리 인체의 생리적인 활성 조절에 큰 영향을 끼치는 대표적인 환경적인 인자이다. 태양광은 파장에 따라서, 구분이 되는데, 눈에 보이는 가시광선(Visible light)의 파장은 400~720nm이며, 적외선(Infrared light)의 파장은 780nm 이상이고, 자외선(Ultraviolet)의 파장은 400nm 이하이다.

최근에는 발광 다이오드(Light-Emitting Diode, LED)가 우리의 일상 생활 속에 차지하는 비중이 상당히 높아 졌는데, 가정 및 사무실내 사용은 물론 신호등, 자동차의 브레이크, 하천 조명까지 다양하게 활용되고 있다. LED는 Ga(갈륨), P(인), As(비소)를 재료로 하여 만들어진 반도체로서, 다이오드의 특성을 가지고 있으며, 전류를 흐르게 하면 붉은색, 녹색, 노란색으로 빛을 발한다. 전구에 비해 수명이 길고 응답 속도(전류가 흘러서 빛을 발하기까지의 시간)가 빠르고 다양한 모양으로 만들 수 있다는 장점을 보유하고 있어서 차세대 조명으로 자리매김하고 있다. LED의 원리는 전류가 흐를 때 빛을 방출하는 반도체 광원으로서 반도체의 전자(Electron)가 전자 구멍(Electron hole)과 재결합하여 광자(Photon)의 형태로 에너지를 방출하게 된다(이 효과를 전계발광(Electroluminescence)라고 함).

이에 본 리뷰에서는 우리의 피부에 영향을 끼치는 다양한 빛의 여러 가지 효능들에 관한 최신 연구 동향을 살펴보고자 한다.

그림 1. 전자기 스펙트럼
그림 1. 전자기 스펙트럼

(1) 자외선(Ultraviolet A, and B, <400nm)

태양광에서 자외선은 약 10% 미만을 차지하고 있으나, 피부에 대한 영향을 주는 빛 중에서 가장 많이 연구되어왔기에 일반인들도 가장 많이 알고 있는 빛으로서 앞으로도 계속 연구가 진행될 빛은 자외선이다. 자외선은 크게 3가지 즉, UVC(200~290nm), UVB(290~320nm), UVA(320~400nm)로 구분되어 있다. 자외선의 특징은 파장이 짧을수록 투과력이 약한데, UVC는 파장이 짧기 때문에 오존층에 흡수되어 대기권을 통과하지 못하며, UVB는 UVA에 비하여 화상을 일으키는 강도가 1000배 정도 강하고 DNA에 손상을 일으키는 정도도 강한 반면, 지표면에 도달하는 양은 UVA가 UVB에 비하여 100배 정도 많다. UVB의 경우에는 우리 피부의 표피까지 도달하는 반면, UVA의 경우에는 우리 피부의 진피까지 도달하므로, 자외선 차단제는 위 두 가지 UVA와 UVB를 모두 방어해주는 제품으로 발라야 한다. 우리 얼굴 피부는 엉덩이 피부(내인성 노화·Intrinsic factor의 영향을 받음)와 달리 자외선에 의한 노출, 즉 외인성 노화(Extrinsic factor)에 의해 크게 영향을 받는다. 자외선은 직·간접적으로 활성 산소(Reactive Oxygen Species)를 유발하여, DNA 손상(DNA damage)을 일으키며, 궁극적으로는 광노화, 피부암, 염증 반응을 불러온다 [1-6].

자외선이 해로운 효과만 있는 것은 아니다. 자외선은 피부에 존재하는 콜레스테롤 전구 물질(Precursor)인 7-dehydrocholesterol과 만나게 되는데, 최종적으로는 비타민D로 전환이 된다[7]. 이렇게 체내에서 활성화된 비타민D는 장에서 뼈에 도움이 되는 칼슘의 흡수를 돕는다. 비타민D는 음식을 통해 섭취할 수 있는 양이 50% 밖에 안되므로, 적당한 일광욕은 건강에 필수적인 요소라고 할 수 있다. 이외에도 자외선을 이용한 광치료(Phototherapy)가 건선과 백반증 등의 피부질환을 치료하는데 효과가 있다[8].

(2) 근적외선(Infrared light, IR, >780nm)

지난 10여년동안, 근적외선은 사람 피부에 매우 유해한 것으로, 근적외선이 자외선에 유사하게 MMP-1의 활성을 증가시켜, 피부 콜라겐을 손상시킬 수 있다고 보고 되었다[9, 10]. 그러나, 연구에 사용되었던 인공적인 IR 광원들의 세기가 너무 세서, 태양광의 빛을 제대로 구현하지 못하는 문제점이 있었다고 한다 [11]. 최근 연구 결과에 따르면, 근적외선(805nm)이 MMP-1의 발현을 현저하게 감소한다고 하였으며, 또 다른 임상 연구 결과에 따르면, 약 6개월간 근적외선을 조사받은 사람들의 대부분(약 51~75%)이 피부톤이 향상되며, 피부 거칠기가 개선된다고 하였다. 근적외선(830nm)을 임상적으로 피부에 조사한 결과, 모든 실험 그룹에서 콜라겐과 엘라스틴 섬유질의 양이 현저하게 증가되었으며, 섬유아세포(Fibroblast)도 상당히 활성화되고, TIMP-1, TNF-a, ICAM-1과 같은 인자들의 발현이 증가되어 근적외선이 광재생(Photorejuvenation) 효과를 유도할 수 있다고 판단된다. 낮은 세기(Low intensity)의 근적외선은 Beta-endorphin의 진통효과를 유도하며, 특정세포의 증식을 촉진하고, 항염증 사이토카인(Cytokine)의 발현을 증가시키고, 염증성 매개인자(Mediator)들의 합성을 억제하는 데 기여한다고 관찰되었다 [12-15].

(3) 적색광(Red light, 635~700nm)

다양한 연구 결과에 따르면, 적색광(Red light)의 경우 스트레스에 의한 손상을 막아준다고 한다. 적색광(660nm)을 약 50 mW/cm² 조사할 경우, MMP-1의 발현이 감소되고, type I procollagen의 발현이 증가된다는 것이 밝혀졌었다 [15]. 저강도 적색 레이져(Low-intensity red laser) 치료시에는 자외선 및 유해 화학 물질 같은 외인성 스트레스에 의한 손상을 보호 또는 완화해준다고 관찰되었으며, 세포 증식 및 성장을 자극함으로써 섬유아세포의 상처 치유를 효과적으로 개선해준다고 규명되었다 [15, 16].

In vivo 실험 모델을 통해서 적색광은 피부 상처를 개선해주는 효과가 있다고 증명됐다. 이러한 적색광의 피부 효능에 대한 유익한 효과는 계속 밝혀지고 있으나, 적색광이 어떻게 피부에 효과가 좋은지에 대한 기전에 대한 규명은 최근 일부에서 밝혀졌다. 최근 연구 결과에 따르면, 자외선에 의해 유도된 DNA 손상에 적색광이 보호 효과를 보이는데, 적색광이 Base excision repair에 중요한 역할을 하는 단백질인 GADD45A과 Apyrimidinic endonuclease 1APE1의 물리적인 상호작용을 향상시켜, 피부를 보호한다는 것이 분자적인 기전으로 규명되었다 [17-19].

그림 2. Gamma-H2AX assay를 통한 자외선 UVB에 의한 섬유아세포의 DNA손상에 대한 적색광의 완화 효과 [17]
그림 2. Gamma-H2AX assay를 통한 자외선 UVB에 의한 섬유아세포의 DNA손상에 대한 적색광의 완화 효과 [17]

다른 연구 그룹 결과에 따르면, 피부 이식 후, 약 10일 동안 매일 적색광을 조사한 결과, Transforming growth factor betaTGF-β의 발현을 증가시키고, 콜라겐 섬유의 밀도를 현저히 증가시킴으로써 진피-표피 경계면 접합면(Dermo-epidermal junction)을 향상 시키고, 조직 재생과 관련된 단백질의 발현에도 영향을 미친다고 한다 [20].

(4) 주황색광(Yellow-Orange light, 560~635nm)

인간 섬유아세포에 주황색광(590nm)을 미리 조사를 하게 되면, 자외선 UVA에 의해 생성된 활성 산소와 인산화된 Jun N-terminal kinases, 그리고 MMP-1의 발현이 줄어들고, 콜라겐의 발현이 증가되는 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 Peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α를 활성화시켜 항산화 효소의 발현을 극대화하는 미토콘드리아의 활성에 의해 발생되는 것임을 규명했다 [21, 22]. 또한, 최근 연구 결과에 따르면, 사람의 지방 유래 줄기세포(Human adipose-derived stem cells)로부터 분화시킨 지방세포 분화 과정에서 가시 광선(각 410, 457, 505, 530, 590, 660 nm)을 조사한 결과, 흥미롭게도, 주황색광(590nm)이 특이적으로 지방세포의 소기관(Organelle)으로서 중성 지방(Triglyceride)으로 이루어진 지방구(Lipid droplet)의 크기를 현저하게 줄이는 효과를 보였다. 분자적인 기전을 살펴본바, 주황색광(590nm)이 자가포식(Autophagy)의 기전으로 중성 지방을 감소시켜준다는 점을 확인하였다 [23].

그림 3. 가시광선중에서 590nm의 지방세포에서 지방구(Oil Red O 염색, 빨강)의 감소 차이 효과 [23]
그림 3. 가시광선중에서 590nm의 지방세포에서 지방구(Oil Red O 염색, 빨강)의 감소 차이 효과 [23]

(5) 녹색광(Green light, 520~560nm)

녹색광에 대한 연구는 다른 파장의 가시광선에 비해서 거의 논문이 출판되지 않았다. 최근 연구에 따르면, 녹색광은 3도 화상의 회복 단계에 중요한 Myofibroblast 분화와 함께 혈관 형성(Angiogenesis)을 자극하는 데 도움이 된다고 관찰되었다 [24].

(6) 청색광(Blue light, 450~490nm)

청색광의 효과는 양면성을 가지고 있는데, 부정적인 효과로는 활성 산소를 유발하는 현상을 보이는 반면, 긍정적인 효과로서는 피부 톤을 향상 시켜주며, 피부 발진의 경증과 심한 아토피성 피부염, 건선 등을 치료하기 위해 사용되어왔다 [25-30].

청색광은 생쥐의 피부 및 사람의 각질형성세포에서 Glutathione을 산화시키며, 생쥐에서는 UVA 대비 약 68%, 사람 세포에서는 약 25% 정도로 활성 산소를 발생 시킨다. 청색광의 광민감인자(Photosensitizer)는 Flavin이며 생성된 활성 산소는 Superoxide이며, 자연광의 청색광은 이 Flavin을 파괴시킨다고 한다 [25-27].

보통 여드름(Acne vulgaris)은 주로 사춘기에 발생하는 피부질환으로, 사춘기 청소년의 85%에서 관찰되며, 털피지샘단위(Pilosebaceous unit)의 만성 염증질환으로 고름물집 등 다양한 병변이 일어나며, 병변 후유증으로 비대흉터(Hypertrophic scar), 오목흉터(Pitted scar)가 피부에 남게 된다. 정확한 원인은 밝혀져 있지 않으나 대표적인 발생요인으로서 피지분비 증가, 여드름균(Propionibacterium acnes, P. acnes)의 집락 형성, 염증반응 등이 있으며, 유전적, 환경적 요인 등이 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 특히, 과도하게 분비된 피지는 털집의 공기 순환을 차단하여 혐기성 세균인 P. acnes가 증식하기 좋은 환경을 만든다. 여드름균에 포르피린(Porphyrin)이 생성되는데, 빛에 민감한 물질로서 청색광을 조사하게 되면, Singlet oxygen을 생성시켜 여드름균의 화학적 대사적인 반응을 방해하여 결국에는 혐기성 세균인 여드름균을 사멸시킨다 [31-35].

(7) 보라색광(Violet light, 400~450nm)

눈에서만 존재하는 것으로 알려져 있던, 광수용체(Photoreceptors)가 사람 피부에서도 존재한다고 밝혀졌다. 광수용체 rhodopsin이 사람의 각질 형성 세포(Normal human epidermal keratinocytes)의 세포막에서 발현이 된다는 것이 밝혀졌으며, 여러 가시 광선 파장 중에서도 보라색광(410 nm)만이 rhodopsin mRNA의 발현을 증가시켰으며, keratin-1, keratin-10 같은 각질 형성 세포 분화 인자들의 발현을 현저하게 감소시켰다. 즉, 보라색광이 각질 형성 세포의 분화에 영향을 끼친다는 것을 제시해주었다[36, 37].

그림 4. 각질형성세포의 세포막에서 발현되는 Endogenous rhodopsin(사진 왼쪽), 과발현시킨 Recombinant rhodopsin(오른쪽) (DAPI, 파랑) [35]
그림 4. 각질형성세포의 세포막에서 발현되는 Endogenous rhodopsin(사진 왼쪽), 과발현시킨 Recombinant rhodopsin(오른쪽) (DAPI, 파랑) [35]

켈로이드(Keloid)란 피부 손상 후 발생하는 상처 치유과정에서 비정상적으로 섬유조직이 밀집 성장하는 질환으로 본래 상처나 염증 발생부위의 크기를 넘어서 주변으로 자라는 성질을 갖는 데, 피부 진피에 주로 콜라겐이 지나치게 발현이 되며, 기전적으로는 Transforming growth factor βTGF-β/Smad 신호 전달 체계가 관여하는 것으로 밝혀져 있다. 최근 연구 결과에 따르면, 보라색광(410nm, 24시간 간격으로 두 번(10 J/cm²))을 조사한 결과, 음성 대조군 대비 Collagen type 1의 발현을 현저히 감소시켜, 초기 켈로이드의 형성을 억제하는데 보라색광이 효율적일 수 있다고 제시되었다[38].


결론

동전이 한 면으로 되어 있지 않고, 양면으로 되어 있는 것처럼, 우리 일상 생활에 영향을 주는 여러 가지 파장의 각각의 빛도 양면성을 보유하고 있기에, 이를 어떻게 잘 활용하느냐가 중요하며, 빛의 세기, 사용 시간 등에 대해서도 영향을 크게 받는다고 할 수 있다. 자외선도 피부에 광노화 등 악영향만 있지 않고, 비타민 D 합성, 살균 효과 등 이로운 효능도 보유하고 있다. 최근 적색광 또는 근적외선을 활용한 LED 미용기기 제품이 선풍적으로 인기를 끄는데, 이들 미용기기의 차이는 크게 LED 숫자의 차이로 파악이 된다. 적색광이나 근적외선이 피부의 항노화 효과를 보이며, 그와 관련된 분자적인 기전들이 규명이 되어가고 있으나, 과유불급이라고 한 바, 적절한 광 세기 및 적절한 사용 시간 등에 대한 축적된 데이터가 중요하게 요구된다. 따라서 미용기기 업체는 오랜 기간 사용을 하며, 임상적으로 신뢰할 수 있는 데이터에 기반한 과학적 근거와 함께 피부과 의사들의 임상 경험이 축적된 미용기기가 시장의 파급효과를 크게 가져올 것이라고 판단된다.


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