어리연꽃의 항염 및 보습 효능

[더케이뷰티사이언스]  한국콜마에서 자생식물인 ‘어리연꽃’의 피부 효능 연구 성과를 국제학술지 ‘Molecules’에 발표했다. 만나씨이에이·한약진흥재단과 공동연구를 통해 어리연꽃이 피부노화 및 염증완화에 우수한 효능을 가짐을 확인했으며 특히 어리연꽃에만 함유되어있는 플라보노이드 글루코사이드 계열의 성분이 피부보습 및 항염에 유의적인 효과를 보이는 것이 확인됐다. ‘어리연꽃 속 식물 추출물을 포함하는 피부 개선용·항산화용·안티폴루션용 화장료 조성물’의 각 3건을 국내 특허등록을 완료하기도 했다(등록특허 10-1802341, 10-1847854, 10-1886688).

개인적으로는 한국콜마의 연구를 통해 어리연꽃을 처음 접하게 되었는데, 코코넛 가루를 뿌린 것 같은 앙증맞은 모습에 과연 어떤 성분이 이 조그만 꽃에서 효능을 내는지 궁금해졌다. 아이디어부터 원료 및 제품 개발과정까지 약 5년이라는 시간이 걸렸다는 어리연꽃은 어떤 이야기를 담고 있을까. 이에 청주시 오창 충북테크노파크에 위치한 한국콜마의 피부과학연구소를 찾아 어리연꽃 연구를 기획하고 주도한 김유아 수석연구원과 인터뷰를 진행했다. (한국콜마의 모든 연구소는 8월 중 서울 내곡동에 새로 건립될 통합연구소로 이전할 예정이다.)

연구 시작배경이 궁금합니다.

한국콜마 피부과학연구소는 주로 천연식물을 이용해 화장품 분야의 콘셉트 소재부터 기능성 소재까지 새로운 가치를 발굴하고자 연구하고 있습니다. 저는 그중에서도 소재개발팀의 일원으로 있습니다. 어리연꽃은 매달 연구원들이 모여 아이디어 회의를 하는 과정에서 제안됐던 아이템이었습니다. 국내 및 해외학회 등 출장경험을 통해 몇 년 전부터 언급됐던 ‘지속가능성(Sustainability)’ 키워드를 바탕으로 뷰티와 헬스 부분에서 기여할 수 있는 기술이 무엇이 있을까 고민하다가 ‘아쿠아포닉스¹(Aquaponics)’라는 수중재배기법을 알게 되었지요. 한국콜마가 2012년 월드클래스300(WC300) 기술개발지원사업으로 4000여종의 자생식물을 연구하게 되었고, 그 때 가장 어려움을 겪었던 것이 바로 자생식물의 표준화연구였습니다. 식물 재배부터 개발과정까지 표준화가 이어져야하는데 원재료의 대량 확보 부분이 가장 어려웠던 것이지요. 자생식물 연구를 위해 재배농법 기초부터 공부하는 과정에서 유기농재배가 가능한 아쿠아포닉스 기법을 알게 되었고 호수 환경과 가장 비슷하고 자연생태계를 그대로 나타냈기 때문에 이 수중재배법을 응용해보고자 했습니다. 이를 위해 만나씨이에이·한약진흥재단과 함께 4~5년 전부터 공동으로 연구했고 보건복지부에서 시행하는 글로벌코스메틱연구개발사업단 과제로 연구가 확장됐습니다. 이 재배법에 어울리는 수생식물을 선별하는 과정에서 국내에서 자생하는 어리연꽃에 대한 연구가 많이 보고된 바 없는 것을 알게 되어 본격적인 연구를 시작하게 되었습니다. 참고로 글로벌코스메틱연구개발사업단의 성과로는 본 논문뿐만 아니라 어리연꽃의 종류에서 보인 각 효능에 대한 내용으로 논문 4건²을 발표한 바 있습니다.

식물의 표준화연구에 어떤 제약이 있나요?

현재 식물공장에서 재배되는 식물은 큰 나무보다 허브류에 집중되어 있습니다. 식물의 생애주기, 영양분 공급조건 등에 한계점이 있다 보니 생체주기가 짧은 초본류로 접근하기 쉬울 수밖에 없는 환경인 것이지요. 어리연꽃도 선별하게 된 이유 중 하나가 수생식물이면서 초본류에 가까운 식물이기 때문입니다.

어리연꽃에 대해 소개해주세요.

어리연꽃(Nymphoides indica) (L) Kuntze은 조름나무과(Menyanthaceae) 어리연꽃 속(Nymphoides spp).에 속하는 다년생의 부엽성 수생식물로 정원 식재 및 습지에 분포하는 대표적인 수생식물입니다. 어리연꽃은 전 세계적으로 분포되어있어 다양한 지역에서 전통 약용작물로 이용되어왔는데요. 우리나라에서는 전초를 열병, 머리아픔에 쓰여 한방에서는 금은련화(金銀蓮花)라고 불리고 있습니다. 어리연꽃 속은 50여종으로 구성되는데 우리나라에서는 3종의 어리연꽃 속으로 어리연꽃(N.indica), 노랑어리연꽃(N.peltata), 좀어리연꽃(N.coreana)이 서식하고 있으며 남부 지방을 중심으로 주로 연못, 저수지, 하천의 가장자리 등에 분포하고 있습니다.

그렇다면 우리나라에서 서식하는 어리연꽃을 연구한 것인가요?

맞습니다. 좀어리연꽃은 다른 2종에 비해 개체 수가 상대적으로 적어 자연에서 확보하기가 굉장히 어려워 과제 초반에 성분연구가 뒤늦어졌는데요. 우선적으로 개체 확보가 가능한 어리연꽃과 노랑어리연꽃에 대해서는 한국콜마에서 적용할 수 있는 모든 스크리닝(Screening) 시스템으로 항산화, 주름, 미백, 보습, 광노화 연구를 먼저 진행했습니다. 주성분이 플라보노이드 계열이어서 항산화 효과가 기본적인 효능으로 검출되었고 그 중에서도 안티에이징 관련 효과가 뛰어남을 확인하면서 멀티 효능을 확보할 수 있었습니다.

논문의 결과에서 나타난 어리연꽃의 Hydro-Q가 주성분인가요?

그렇지요. 자세히 설명 드리면 우선 어리연꽃은 전 세계적으로 분포도가 넓지만 그에 비해 연구가 활발히 진행되어오지는 않았습니다. 민간요법으로 효능이 알려진 바 있지만 어떤 성분에 어떤 효능이 있는지 구체적으로 연구되지 않았던 것이지요. 이러한 이유로 어리연꽃의 주성분부터 알아보기 위해 분석부터 분리 및 정제까지 진행하게 되었습니다. 저는 천연물 화학이 전공이다 보니 주요 화합물의 구조 동정을 확인했습니다. 이러한 과정을 거쳐 지표로 볼 수 있는 특이 성분으로 Hydro-Q(3,7-di-O-methylquercetin-4'-O-β-glucoside, QDG), 스웨로사이드(Sweroside), 이소퀘르시트린(Isoquercitrin)가 검출되었고, Hydro-Q는 그 중 하나인 것입니다(그림 2).

Hydro-Q가 어떤 결과를 보였나요?

본 논문에서는 Hydro-Q가 전염증성 사이토카인(Proinflammatory cytokine)인 TNF-α, IL-1β, IL-6, IL-8의 발현을 농도 의존적으로 억제(그림 3), UVB 과발현 조건에서 케모카인(Chemokine)인 TARC, MDC 발현 또한 농도 의존적으로 억제하는 것을 확인했습니다(그림 4). 또한 피부장벽의 개선을 위한 펩타이드 발현 및 히알루론산의 생성에서는 필라그린(Filaggrin), 인볼루크린(Involucrin), 로리크린(Loricrin)및 HAS-1(Hyaluronic acid synthase-1)의 발현율을 각각 유의적으로 증가시킴을 확인했습니다(그림 5). Hydro-Q가 수분을 유지하면서 세포 내 공간을 유지하는데 필수적인 유전자 발현을 자극해 보습을 통한 피부장벽 개선에 영향을 줄 수 있음을 확인한 것입니다. 뿐만 아니라 염증반응 관련 신호 전달경로 중 MAPKs(Mitogen-activated protein kinases)의 p38, JNK(c-Jun N-terminal kinase, ERK) 인산화를 유의적으로 저해시키는 것을 확인함에 따라 염증성 질환의 치료 가능성을 알 수 있었습니다(그림 6).

Hydro-Q를 비롯한 지표 성분의 특이점이 궁금한데요.

Hydro-Q 이외에 스웨로사이드라는 성분은 다른 식물에서도 확인되는 성분인데요. 흥미로운 점은 자연에서 채취한 시료 중 성분의 함량이 계절별, 재배 시기별에 따라 일정하지 않다는 것이었습니다. 2~3년에 걸쳐 재배 시스템 조건에 따른 비교 실험을 해보니 Hydro-Q와 스웨로사이드의 밸런스가 함께 유지되는 시점이 가장 효능이 좋음을 알게 되었지요. 그 조건으로 재배환경의 표준화를 진행했고, 원료를 개발하여 시제품으로 임상테스트까지 진행하게 되었습니다.

이번 연구를 통해 새롭게 발견한 점이 있다면?

우선 본 연구를 통해 어리연꽃의 피부 효능 및 화장품 소재로서 가치를 최초로 입증했다는 점입니다. 또한 Hydro-Q는 노랑어리연꽃에서는 나타나지 않는 어리연꽃의 고유 성분으로 현재까지 다른 식물에서 알려진 바가 없기 때문에 희소가치가 있다는 것 입니다. 이에 Hydro-Q에 관한 피부 세포독성 실험을 통해 적정농도의 범위를 설정해 진행했고, 안전한 범위 내에서 유효성을 모두 입증했습니다.

논문 이후에 추가로 진행한 연구가 있다면?

우선 완료된 연구는 어리연꽃 재배, 성분 연구, 제품 개발 및 임상시험을 완료했고 현재는 완제품 출시를 위해 고객사에 제안 중에 있습니다. 후속연구로는 노랑어리연꽃의 재배방법에 관한 연구를 진행 중입니다. 재배조건은 확립했고, 좀어리연꽃 같은 경우는 처음에 말씀드린 것과 같이 확보가 어려워 소량확보를 통해 개체를 확대하는 연구를 진행했습니다. 또 종판별 분석결과 어리연꽃과 좀어리연꽃은 가까운 친척, 노랑어리연꽃은 조금 더 먼 친척이어서 이에 따른 성분 패턴도 노랑어리연꽃에서 많이 다른 부분이 있어 성분의 차이에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

연구하면서 힘든 부분이 있었다면?

아무래도 재배는 처음 해보다 보니 연구를 시작하기 전에 기초적인 공부부터 해야 했습니다. 식물을 재배함에 있어 필요한 영양분과 그 밸런스를 얼마나 유지시켜야 좋은 조건을 가지는지 전혀 알지 못했었는데, 공동연구를 통해 많이 배우고 알게 되었습니다. 이를 계기로 현재는 스마트팜 연구를 확대해 나아가고 있습니다.

인터뷰를 마치면서.

한국콜마에서 일하는 동안 처음부터 끝까지 기획해서 주도적으로 진행한 첫 연구다보니 애착이 많이 가는 소재입니다. 정성을 굉장히 많이 들인 만큼 고객사를 만나 하루빨리 선보이고 싶네요.(웃음) 또 우리의 자생식물들이 전 세계로 수출되는 성과가 이어지기를 바라는 마음입니다. 한국콜마가 만든 제품이라고 자신 있게 내보이는 만큼 안전하니 믿고 사용해주시면 감사하겠습니다.

Anti-Inflammatory and Skin-Moisturizing Effects of a Flavonoid Glycoside Extracted from the Aquatic Plant Nymphoides indica in Human Keratinocytes

ABSTRACT

Nymphoides indica, an aquatic plant, is used as folk medicine in some countries. Our previous study demonstrated that the methanol extract of N. indica inhibited the activity of tyrosinases, tyrosine related protein (TRP)1 and TRP2, and microphthalmia-associated transcription factor, as well as the activity of protein kinase A, by effectively inhibiting cyclic adenosine monophosphate. Although the biological activities of N. indica extract have been reported, there are no reports on the skin bioactivity of the main compound(s) on human keratinocytes. This study investigated the anti-inflammatory and moisturizing effects of quercetin 3,7-dimethyl ether 40-glucoside (QDG) isolated from N. indica. In brief, ultraviolet B irradiated keratinocytes were pretreated with different concentrations of QDG, and the effects of QDG on various inflammatory markers were determined. QDG significantly inhibited inflammation-related cytokines and chemokines and enhanced the activation of skin barrier factors. Additionally, QDG also attenuated phosphorylation inhibition of the upstream cytokines and nuclear factor-B expression. These results suggest that QDG isolated from N. indica may serve as a potential source of bioactive substances for chronic inflammatory skin diseases.

KEYWORDS

Quercetin 3,7-dimethyl ether 40-glucoside; Nymphoides indica; Anti-inflammatory; Skin moisturizing

1. 아쿠아포닉스: 물고기양식(Aquaculture)+수경재배(Hydroponics)의 합성어. 물고기를 키우면서 발생되는 유기물을 이용해 식물을 수경 재배하는 순환형 시스템(출처: 박문각 시사상식사전)

2. 1) 어리연꽃 추출물이 α-MSH 유도에 의한 멜라닌 생성 억제에 미치는 영향(J Appl Biol Chem, 2017, 60(4), 327-332)

2) 세포내에서의 노랑어리연꽃 추출물 및 분획물의 주름개선 효과(J Appl Biol Chem, 2017, 60(4), 357-362 CCD-986sk)

3) 어리연꽃으로부터 분리한 Sweroside의 항노화 효과(J. Soc. Cosmet. Sci. Korea, 2018, 44(2), 103-110)

4) 어리연꽃에서 분리된 Isoquercitrin의 주름개선 효능 연구(Appl Biol Chem, 2018, 61(4), 321-325)