Glycine-betaine Working at the Core of the Hair Fibre (모발 섬유소의 중심에서 작용하는 글라이신-베타인)

모발은 생명에 있어 기능적이고 필수적이지만, 완전히 형성되고 뚜렷한 섬유소는 어떠한 대사활동을 포함하지 않으며 자기교정(Self-repair)의 방법이 없다. 단백질과 경계 막(Membrane) 기능의 모든 조절은 단백질들과 지방의 최종 구성과 내부 배열에 기인하고, 모발의 모낭(Follicle) 안에서 결정된다. 따라서, 모발은 다양한 일반 환경 조성과 일상 소비자 습관과 행동의 엄격함R(igour)에서 이 단백질의 구조와 기능을 유지하기 위해 수많은 내부 구성요소와 화학반응 또는 메커니즘을 포함하고 있다고 가정해왔다. 각각의 섬유소들이 고려될 때, 모발은 긴 머리 스타일에서 동등하게 최대 3년까지 이 구조와 기능을 유지해야만 한다.

글라이신-베타인(INCI 명은 베타인)은 열 및 산화 스트레스 상황으로부터 세포와 단백질을 보호하는 삼투 억제제로서 만들어졌다. 이러한 극한 조건들은 샴푸, 탈색, 염색, 펌 그리고 열 건조와 같이 매일 화장품을 사용하는 절차와 큰 관련이 있다. 사실상 매일, 모발은 낮은 습도를 가진 환경에서 추가적인 열처리와 함께 모발 구조와 기능에 영향을 주고 변성을 시키는 것으로 알려진 계면활성제의 추가로 총 포화상태까지 그 범위가 넓을 것이다. 글라이신-베타인은 사탕무 당밀(Sugar beet molasse)로부터 크로마토그래피에 의해 추출된다. 이는 단백질에 대한 계면활성제의 손상을 줄일 수 있으며, 피부에 대한 계면활성제의 자극을 줄일 수 있는 것으로 확립되었다. 또한 피부의 보습도 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 영향은 모두 삼투 억제제의 기능과 일치한다. 따라서, 우리는 글라이신-베타인이 모발에 자연적으로 있으며, 자연 보호 메커니즘을 형성할 수 있는지? 그리고, 모발 케어 제품들을 통한 보충이 모발에게 주목할만한 효과를 줄 것인지? 에 대한 가설을 제시했다.

방법

작은(분자량 117) 수용성 분자로서 씻겨내고 제제를 남김으로 전달될 때, 모발을 관통하기 위해 이상적으로 맞춰진다. 가설을 설명하기 위해, 우리는 섬유소의 존재와 모발 내부의 전달, 모발 피질 안에서의 활동과 마지막으로 모발의 주목할말한 효과를 입증하는 것이 필요하다. 이를 위해 우리는 모발에서의 글라이신-베타인의 효과를 입증하기 위해 다음과 같은 기법들을 사용했다.

글라이신-베타인, 모발의 자연 성분

우리가 입증한 글라이신-베타인 분석을 위해 HPLC 기법을 사용했다. 온수 추출을 통해 우리는 모발에서 베타인의 주목할만한 정도를 발견했다.[1]

체내에서 진행되는(In vivo) 샴푸로부터 글라이신-베타인의 전달

샴푸와 같은 제품으로 씻겨내어 섬유소에 추가적인 글라이신-베타인을 더함으로써 가능성이 입증되었다.

10명의 사람으로부터 나온 체내 연구용 모발 샘플은 글라이신-베타인이 포함된 제품을 사용하거나 복용하지 않았다. 그들의 일반적인 모발 케어 식이요법(Regimen)의 부분으로써 임의로 사용하기 위해 모두에게 5% 글라이신-베타인이 포함된 삼푸가 주어졌다. 새로운 샘플은 6주 후에 각 개인으로부터 채취되었고, 위와 같이 준비되었다. 글라이신-베타인은 7.9배의 유의적인 증가를 보인다(Fig.1).

섬유 하부구조에 대한 글라이신-베타인의 침투

모발은 종종 성분 활용 연구로부터 결정적인 결론들을 이끌어내기 위해 도전되는 복잡하고, 다중-구획 기질(각피, 피질, 수질, CMC 등)이다. 대량 샘플 분석은 표면 증착(Deposition)과 침투(Penetration) 사이를 구별하지 않으며, 종종 어디에 재료가 있는지 정확히 파악하기 어렵다 [2]. 따라서 재료의 위치와 작용 부위를 식별할 수 있는 추가적인 방법을 사용해야한다. 라만 공초점 현미경(Raman confocal microscopy)을 사용한 결과, 글라이신-베타인은 모직 섬유(Wool fibres)에 깊숙이 침투하는 것으로 밝혀졌다; 모발과 투과 특성이 매우 유사한 구조를 가지는 섬유다. 결과는 글라이신-베타인이 각피와 피질에 존재하는 것을 나타내며 섬유의 중심(Fig.2)까지 침투했음을 보여준다.

형광 현미경 검사(Fluorescence microscopy)의 스캐닝을 사용하여(Fig. 3), 글라이신-베타인은 기존 샴푸로부터 자연 및 탈색모의 피질로 침투하는 것으로 보인다. [3] 많은 성분이 모발 섬유를 관통할 수 있지만, 단백질 구조와 그 결과로 생긴 모발의 특성에 대한 영향을 입증하는 것이 필요하다. 섬유의 인장(Tensile) 특성은 거의 없거나 각피가 관여되지 않는 피질에 의해 결정된다. 피질은 수많은 긴 피질 세포(Cortical cells)로 구성되어 있다. 각 세포는 중간섬유와 관련된 단백질들의 매트릭스에 포함되고(Fig.4) (Feughelman)에 의해 제안된 2상의(Two-phase) 모델로 잘 알려진 많은 중간섬유들이 들어있다. [4]

가령, 계면 활성제, 탈색, 열 등과 같은 많은 과정들은 IF’s와 IFAP’s 사이의 상호작용(Interaction)에 영향을 줄 수 있으며, 모발의 강도 및 모발 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

피질 단백질에 미치는 글라이신-베타인의 영향 측정

단백질 구조와 관계는 시차 열량측정법(Differential Calorimetry)을 이용하여 규명될 수 있다 [5]. 이 방법은 일반적으로 Td(Denaturation temperature), 다시 말하면, 중간섬유 단백질의 변성(Denaturation) 측정치와 IFAP’s 또는 IF 환경의 점성(Viscosity)을 측정하는 엔탈피(ΔH)의 두 가지 수치를 보고한다. 다음 연구에서 글라이신-베타인은 2분 동안 2%의 수용액으로 일반모와 탈색모에 적용되었고, Td와 엔탈피의 변성에 대한 영향이 측정되었다. 글라이신-베타인은 Td에 거의 영향을 주지 않았지만, 엔탈피 값은 특히 일반모에서 감소되었다(Fig.5).

이러한 데이터는 피질세포 안의 글라이신-베타인의 존재와 중간섬유와 그 관련된 단백질들 간의 상호작용에 영향을 미치는 것을 명확히 보여준다. 이러한 연구는 글라이신-베타인이 세정(Rinse-off)제품들로부터 모발 피질로 전달될 수 있으며(In vitro, In vivo), 그 효과는 섬유의 필수 단백질 구조에서 측정되었다. 하지만, 글라이신-베타인의 효과가 모발 특성의 대부분을 입증할 수 있을지에 대해서는 의문이다.

모발 인장(Tensile) 특성(강도)에 미치는 글라이신-베타인의 영향

인장 테스트는 오랫동안 확립된 방법이며 섬유의 경도특성(Longitudinal property)(강도)의 변화를 측정하도록 설계되었다. 하중 연신율(Load elongation)은 각피로부터 아무 연관이 없는 모발 피질에 의해 조절된다. [6] 글라이신-베타인 5%의 수용액을 15분 동안 일반 동양인 모발에 바른다. 인장 데이터는 15% 신장 지수(Elongation index)에서 탄성계수(Elastic modulus)와 탄성 변형력(Elastic stress)(힘)에서 증가함을 보여주었다 (Fig.6). 두 가지 측정은 글라이신-베타인이 피질의 특성에 직접적인 영향을 주어 결과적으로 모발 강도가 증가한다는 것을 입증한다. 두 가지 측정에서의 증가는 휨강성(Bending stiffness)이 증가하여 증가한 탄성 계수가 결과적으로 모속(Hair bundle) 또는 머리 모양(Hair style)의 몸통과 양을 개선시키는 것을 예상할 수 있다.

요약하자면, 글라이신-베타인은 모발에 수분이 함유된 전달을 위해 이상적으로 알맞은 작고 자연적인 성분이다. 이는 섬유의 자연 보호 메커니즘에 연관될 수 있고 섬유 전체에 걸쳐 증가할 수 있는 일반적으로 발생하는 성분이라고 보았다. 이를 분석한 결과 이 성분이 모발 피질을 관통하고 중간 섬유와 중간 섬유 관련 단백질들 사이의 상호작용에 대한 영향을 준다는 점을 밝혔다. 모든 모발(자연모와 처리된 모)은 뿌리에서 끝부분까지 기계적인 성질에서 꾸준한 감소로 섬유 손상을 일으키는 것으로 잘 알려져 있다. 섬유 강도를 유지하는것은 소비자들이 더 길게, 더 좋은 상태의 모발과 머리 모양의 길이를 오래 유지할 수 있도록 한다. 결과적으로 더 좋은 상태의 모발은 그 겉모습과, 바디, 모양을 유지할 것이고, 손상 가능성도 낮아져 소비자의 만족도를 높이는 결과를 가져올 것이다.

References

[1] Pulliainen, K, Nevalainen H, Väkeväinen H, Jutila K, Gummer C.L., An analytical method for the determination of betaine (trimethylglycine) from hair. International Journal of Cosmetic Science, 2009, Volume 32 (2),135–138

[2] Gummer C.L., Elucidating penetration pathways into the hair fiber using novel microscopic techniques J Cosmetic Sci. 2001 SepOct;52(5):265-80

[3] GENENCARE® OSMS BA Hair care brochure

[4] Feughelman, M. A two-phase structure for keratin fibres. Text. Res. J. 29, 223–228 (1959).

[5] Popescu C & Gummer C.L., DSC of human hair: a tool for claim support or incorrect data analysis? International Journal of Cosmetic Science, 2016, 38, 433–439

[6] GENENCARE®OSMS BA Hair care sales presentation