자외선 차단을 넘어 태양광선의 차단까지

일광 차단의 필요성 Importance of Sun Protection

고대부터 태양은 빛과 에너지의 원천으로 인간의 숭배를 받아왔다. 태양광선의 에너지를 이용하여 식물과 녹조류는 광합성으로 생물체가 이용할 수 있는 탄수화물과 산소를 생산한다. 따라서, 태양광선은 지구상에 존재하는 모든 생물체에 에너지를 공급하는 원천이다. 그러나, 지난 세기 동안 인간이 발명한 전기와 전구 및 LED 조명으로 태양의 절대 가치는 도전을 받게 되었다. 피부과학 연구가 지속되면서 태양광선(일광)이 피부에 미치는 해로운 영향이 밝혀지게 되었고, 피부노화의 주 원인으로서 일광 차단의 필요성이 과학적 증거와 함께 제시되었다.

태양광선은 지구의 자기장과 대기의 오존층에 의해 생물체에 치명적인 파장은 차단되고 자 외선(Ultraviolet rays; UV), 가시광선(Visible light) 그리고 적외선(Infrared ray) 파장이 지표면에 도달한다. 지표면에 도달하는 태양광선 중 약 5%가 자외선이며, 가시광선은 약 50%, 적외선은 약 45%를 차지한다. [그림 1]

자외선은 파장 200-400nm 사이의 광선이며 파장의 길이에 따라 UVC(200-290nm), UVB(290-320nm), UVA(320-400nm)로 세분한다. 대기의 오존층이 파장이 짧은 UVC를 차단하고 지표면에 UVB와 UVA 파장이 도달한다. UVB는 에너지가 크므로 피부에 일광화상(Sun burn)과 일광흑화(Sun tan) 등 즉각적인 손상(Acute Effect)을 유발하지만 피부의 표피층(Epidermis)까지 투과된다. 반면 상대적으로 파장이 긴 UVA는 피부의 진피층(Dermis)까지 투과하지만 에너지가 약하여 즉각적인 손상보다는 광노화와 피부암과 같은 만성적인 손상(Chronic Effect)을 유발하는 것으로 알려져 있다. [1, 2]

피부는 노화가 진행되면서 표피층의 수분 함유량이 감소하고 건조해지며, 피부 표면이 거칠어지고 주름이 생성된다. 기미(Melasma), 흑자(Lentigines), 검버섯(Seborrheic Keratosis) 등 멜라닌(Melanin) 색소가 과도하게 침착되는 색소 질환으로 피부 색상이 불균일해지며 투명도가 감소하게 된다. 진피층에서는 콜라겐(Collagen)과 엘라스틴(Elastin)과 같은 구조 단백질이 파괴되어 피부의 탄력이 감소하게 된다. 이러한 모든 피부 노화에 따른 변화는 일광의 노출에 의해 가속되므로 이를 특히 광노화(Photoaging)라 부른다. [3, 4]

자외선보다 파장이 긴 가시광선과 적외선은 피부의 진피 하층부까지 투과된다. 자외선만큼 즉각적인 피부 손상을 유발하지는 않지만, 최근 연구들은 가시광선의 파란색 파장(Blue light; 블루라이트)과 적외선 역시 자외선과 유사한 기전을 통해 피부 노화를 유발한다고 보고하고 있다. [5, 6]

자외선에 의한 즉각적인 피부 손상과 광노화로부터 피부를 보호할 목적으로 자외선차단제가 사용된다. 그러나, 피부의 광노화는 자외선 파장에 의해서만 유발되는 것은 아니므로 자외선 뿐만 아니라 적외선과 블루라이트까지 넓은 파장 영역의 일광 차단이 필요하다. 자외선차단제의 효과는 자외선차단지수(Sun protection factor; SPF)로 표시한다. 과학과 기술의 발전으로 UVA 차단효과가 향상된 자외선차단제가 개발되고 있으며, 최근에는 적외선과 블루라이트를 차단하는 화장품이 개발되고 있으며, 자외선차단지수처럼 적외선과 블루라이트 차단효과를 표시하는 지수들도 연구되고 있다.

자외선이 피부 노화에 미치는 영향 Harmful Effect of UV on the Skin

자외선에 의한 피부 손상은 홍반(Erythema), 일광화상(Sun burn), 염증 후 색소침착(Post inflammatory), 일광흑화(Sun tan)와 활성산소(Rreactive oxygen species; ROS) 생성 등의 즉각적 손상과 면역 억제(Immune suppression), 색소 침착 질환 발생, 광노화, 피부암 등의 만성적 손상이 있다. 즉각적 손상 중에서 홍반은 주로 UVB 파장에 의하여 발생하며, UVA 파장 영역은 홍반 유발에 대한 기여도가 UVB 파장에 비하여 100-1000배 정도 약하다. 자외선에 노출된 피부 조직에 활성산소가 발생하며, 세포들은 ILs, TNF-α, PG, histamin 등 염증 매개 단백질을 생산하며, 혈관이 확장되고 혈류량이 증가된다. 면역 세포가 해당 조직으로 침투하는 염증 현상이 발생한다. [7] 홍반 반응이 심해지면 피부 조직이 괴사하고 수포가 발생하는 등 일광화상이 된다. 염증 반응은 일반적으로 자외선에 노출된 후 16-24시간 사이 최대가 되었다가 시간이 경과하면서 점차 완화된다. 자외선에 노출된 피부세포가 생산하는 염증매개 단백질은 피부세포의 수용체(receptor)와 결합하여 세포 내부에서 mitogen-activated protein kinase(MAPK) 신호전달 체계를 통해 전사인자 AP1의 활성을 증가시킨다. 결과적으로 결합조직을 분해하는 효소인 matrix-metalloproteinase(MMPs) 생산이 증가되고, MMPs는 피부 진 피의 구조 단백질인 콜라젠과 엘라스틴 등을 분해하여 피부 탄력을 감소시키고 주름을 생성시킨다. [그림 2] [3, 4]

자외선에 노출된 피부세포는 SCF, ET, αMSH 등의 신호전달 단백질을 생산한다. 이들 신호전달 단백질은 멜라닌생성세포 표면의 수용체와 결합하여, 멜라닌생성세포 내부의 MAPK, PKA, PKC 등 세포내 신호전달체계를 통해 전사인자인 MITF의 활성을 증가시킨다. 결과적으로 멜라닌생성 기전의 주요 효소인 Tyrosinase 활성이 증가되어 멜라닌 생성이 증가하게 된다. [8-11] 일반적으로 자외선에 노출된 피부의 멜라닌생성세포(melanocytes)의 활성이 증가하여 과량 생산된 멜라닌 색소가 축적되면 피부색이 검게 변화하며, 자외선에 노출된 후 약 3-7일 사이에 피부가 검게 변화되는 흑화 현상이 발생한다. 이를 염증 후 색소 침착이라 하며, 장기간 멜라닌색소 활성이 증가된 상태로 색소침착이 지속적으로 유지되면 기미 또는 흑자와 같은 색소침착질환으로 발전한다. [그림 3] [12-14]

자외선 차단지수 Sun Protection Factor

자외선차단제는 해로운 자외선을 차단하는 목적으로 사용되는 경피도포제이다. 화장품, 일반의약품(OTC drug), 기능성화장품, 특수용도화장품 등 국가마다 법률적 관리 기준이 다르다. 자외선차단제의 자외선차단 효능을 표시하는 방법으로서 자외선차단지수 표기법이 전 세계적으로 통용된다. [15] 자외선차단지수를 결정하는 방법은 미국 FDA에서 1979년 제시한 임상시험법이 근간이나 각 국가마다 세부 시험방법과 라벨링 규정은 차이가 있다. [16, 17] 임상시험에서 자외선차단제를 도포한 피부에서 홍반을 유발하는 최소 자외선량(Minimal erythemal dose of protected skin; MEDp)을 자외선차단제를 도포하지 않은 피부에서 홍반을 유발하는 최소 자외선량(Minimal erythema dose of unprotected skin; MEDu)을 구하고, 두 값을 나누어 SPF를 결정한다 [SPF = MEDp / MEDu]. 즉, SPF 값이 높을수록 자외선 차단효과는 증가한다.

UVB와 달리 UVA는 즉각적인 피부 손상을 유발하지는 않는다. 반면, 피부 투과력이 높고 멜라닌 색소 생산과 연관성이 높아 피부 흑화 반응을 유발한다. UVA 파장이라도 장기간 만성적으로 노출될 경우 피부 면역기능 약화, 피부암, 피부 노화를 유발하는 것으로 알려져 있다. 홍반 반응을 판정 지표로 사용하는 SPF 지수는 UVB 파장의 차단효과를 표시하지만 UVA 차단효과를 정확하게 반영하기 어렵다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 1995년 일본화장품공헙협회(JCIA)에서 제안한 UVA 차단지수 표기법이 사용되고 있다. UVA 차단지수는 UVA 파장의 자외선을 피부에 조사하였을 때 발생하는 흑화 반응을 판정 지표로 사용한다. 자외선차단제를 도포한 피부에 흑화 반응을 유발하는 최소 UVA량(MPPDDp)을 자외선차단제를 도포하지 않은 피부에 흑화 반응을 유발하는 최소 UVA량(MPPDDu)으로 나누어 PFA(Protection factor of UVA)를 산출하고, 산출된 PFA의 값 구간에 따라 PA(protection grade of UVA) 등급을 결정한다. PA 등급은 “+” 개수로 표시하며, “+” 한 개부터 세 개까지 등급으로 표시하여 왔으나, 2016년부터 네 개까지 표시 구간이 확장되었다. 유럽에서는 PFA값이 SPF값의 1/3 이상인 경우 UVA 차단효과를 표시할 수 있도록 법률적으로 제한하고 있다

적외선이 피부에 미치는 영향 Infrared Radiation: a Friend or Foe

적외선은 피장 760nm부터 1mm까지의 광선이며, 파장에 따라 근적외선(Near infrared; IRA; 760-1400nm), 중적외선(Mid infrared; IRB; 1400-3000nm), 원적외선(Far infrared; IRC; 3000nm-1mm)으로 세분한다. 적외선은 지표면에 도달하는 태양 에너지의 1/3을 차지하며 특히 IRA는 피하 조직층까지 투과하여, 자외선이나 가시광선과 유사하게 활성산소를 생성시키는 것으로 알려져 있다. [18, 19] IRA를 배양된 섬유아세포(fibroblasts)에 조사하였을 때 조사량에 비례하여 MMPs 발현이 증가하는 것이 보고되었다. 적외선도 자외선과 유사한 기전으로 광노화를 유발시키는 것으로 알려져 있다. [20, 21]

적외선 차단 지수 Infrared Protection Factor: IPF

장파장을 반사 또는 산란시킬 수 있는 TiO2 또는 ZnO를 함유한 자외선차단제는 적외선에 의한 피부 손상을 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 적외선 차단효과를 평가하는 기법으로서 적외선 투과율을 측정하는 in vitro 시험방법과 Electron paramagnetic resonance spectroscopy 기술로 Radical protection factor(RPF)를 측정하는 ex vivo 시험법이 제안된 바 있다. [22-24] 그러나, 실험 방법이 복잡하거나 동물의 조직을 사용해야 하는 등 어려움으로 화장품의 적외선차단효과를 평가하는데 활용되지 못하였다. 최근에 보고된 spectroscopic reflectance를 측정하는 in vivo 시험방법은 기존의 시험법보다 신속하고 빠르게 실제 적외선차단제를 사용하는 임상 환경에서의 차단효과를 평가할 수 있는 방법이다. 적외선차단제를 도포한 피부와 도포하지 않은 피부에서 각각 적외선 반사율을 측정하여 그 비율로서 적외선차단지수(infrared protection factor; IPF)를 결정하는 방법으로 피부에 홍반이나 흑화 반응을 유발하지 않고 적외선차단지수를 측정할 수 있다. [25]

블루라이트가 피부에 미치는 영향 Blue Light: a New Concern of the Skin

블루라이트는 가시광선 중 파란색으로 인지되는 파장 450-500nm 사이의 광선이다. TV, 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰 등 전자 기기의 사용 시간이 증가하면서 이들 전자기기로부터 방출되는 블루라이트에 의한 피부 손상에 대한 관심이 증가하고 있다. 블루라이트에 반복적으로 노출되었을 경우 숙면에 방해를 받는다는 보고가 있다. 피부에는 Riboflavin, Melanin, Porphyrin, Oxyhemoglobin 등 블루라이트를 흡수하는 여러가지 발색단이 존재한다. 이들 발색단에 흡수된 블루라이트는 피부에서 활성산소와 활성질소(Reactive nitrogen species; RNS)를 생성시키며, 피부 장벽기능을 저해하고 MMP-1 활성을 증가시켜 진피의 구조 단백질 파괴를 촉진시킨다. 블루라이트는 opsin-3 단백질의 신호전달 과정을 통해 피부의 멜라닌 생성을 증가시키며, UVA와 동등한 수준으로 피부의 흑화 반응을 유발시킨다. [26-29]

블루라이트 차단 지수 Blue Light Protection Factor

블루라이트는 피부에 흑화 반응을 유발시키므로 UVA 차단지수 측정방법과 동일하게 흑화 반응을 지표로 블루라이트 차단효과를 측정할 수 있다. 아직 표준화된 블루라이트 조사장치가 개발되지 않아 표준화된 임상시험 방법도 보고된 바 없으나 최근 LED 광원을 이용한 블루라이트 조사장치가 개발되면서 활발히 연구가 진행되고 있다. 적외선차단지수와 마찬가지로 블루라이트 차단지수를 측정하는 표준화된 임상시험 기법이 조만간 개발될 것으로 예상된다.

결론 Conclusion

태양광선은 인류의 삶에 필수적이지만, 반복적이고 만성적인 태양광선의 노출은 특히 피부에 해로운 영향을 미친다. 과거에는 특히 피부에 즉각적인 손상을 유발하는 자외선의 차단을 위한 연구와 화장품 개발이 이뤄져 왔으나, 과학과 기술의 발전으로 자외선 이외의 적외선과 블루라이트가 피부에 미치는 해로운 영향도 밝혀지고 있다. 따라서, 자외선 뿐만 아니라 적외선과 블루라이트도 차단하는 화장품이 필요하며, 자외선차단지수와 마찬가지로 적외선차단효과와 블루라이트차단효과를 객관적으로 표시할 수 있는 지수를 결정할 수 있는 실험법이 개발될 것이다. 수년내 적외선차단지수와 블루라이트차단지수를 표시하는 화장품이 판매될 것으로 기대된다.

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