피부주름개선과 미백향상을 목적으로 하는 jEnhancer (rhBMPR1a-ECD) 단백질을 함유하는 기능성 소재의 개발
전 세계적으로 고령화 사회가 진행되면서 삶의 질은 현대인들의 가장 큰 화두로서 관련 시장이 급성장하고 있다. 피부노화는 나이가 들어감에 따라 필연적으로 발생하는 자연스런 현상이다. 최근에는 건강하고 아름다운 피부를 원하는 현대인들의 바램과 함께 다양한 피부미용관련 기술들이 발전함에 따라 피부노화 개선에 대한 소비자의 욕구가 더욱더 높아지고 있다. 최근에 소비자들은 화장품의 안정성 외에 약리적 효능/효과에 높은 관심을 갖고 있다. 따라서 화장품은 이전의 단순한 미용의 개념에서 진화하여 노화예방과 질병치료 개념이 도입되고 있으며, 고기능성, 다기능성을 함유한 미백, 주름개선, 자외선 차단 등을 목표로 하는 화장품 신소재 개발이 강하게 요구되고 있다. 한국에서 피부주름개선과 미백향상을 목적으로 발매되고 있는 화장품 원료들의 대부분은 이미 외국에서 개발한 제품을 도입하거나 개량해서 내수 판매가 주로 이루어지고 수출은 수입 규모에 비해 미약하다. 피부 주름개선과 미백향상을 타겟으로 하는 화장품 세계 시장은 200억 달러 이상으로 연간 10%대의 높은 성장률을 이룰 것으로 예상된다. 따라서 세계적으로 지속적으로 높은 성장율이 예상되는 피부노화 분야에서 새로운 신소재를 개발하여야 할 필요성이현재 세계적으로 상품화된 대부분의 화장품소재는 피부를 잘 투과할 수 있는 분자량이 매우 작은 소수성 합성 물질이다. Human Genome Project가 완료되면서 인간 유전자 및 질병에 대한 광대한 정보의 획득이 가능하고 유전공학 기술이 비약적으로 발전함에 따라 피부 줄기세포 복제/분화에 관여하는 단백질들이 규명되고 있다. 따라서 단백질 화장품 소재 개발 분야는 전망이 매우 밝다. 최근에 줄기세포 분야에 대한 관심 증대로 국내외에서 줄기세포 배양액을 이용한 줄기세포 화장품에 대한 관심이 높다. 하지만 줄기세포 배양액은 줄기세포 인자들이 미량 함유되어 있고 또한 안전성에 대한 우려가 있다. 대신에 피부 줄기세포의 복제와 분화를 제어할 걸로 예상되는 인자들을 유전공학 기술을 이용하여 재조합 단백질을 대량 생산하고 다양한 효력, 안전성 및 안정성 시험을 통하여 기능성 화장품 소재로 개발하는 방향으로 줄기세포 화장품 개발이 앞으로 치열하게 이루어 질 것이다. 일반적으로 단백질은 입자가 크고 안정성이 낮아서 피부흡수율이 낮다고 생각하고 있으며 아직까지 단백질의 피부전달효율과 운반체에 대해서는 세계적으로 관련연구가 학문적인 영역에서 조차도 부족한 것이 현실이다. 국내외에서 다수의 단백질들이 화장품 혹은 연고제의약품의 형태로 개발되어 사용되고 있으나 단백질들의 피부전달효율, 안정성, 그리고 효능에 대한 문제가 항상 제기되고 있다. 인지질 전달체는 사용한 인지질의 종류, 제조 방법, 그리고 전달할 단백질의 성질에 따라 형태, 크기, 전하분포 등이 다양하게 형성되고, 따라서 피부에 대한 전달효율 또한 서로 다르게 되기 마련이다. 아직까지 단백질의 피부전달효율과 운반체에 대해서는 세계적으로 관련연구가 부족한 현실이다. 최근에 단백질의 피부 전달 수송체로 나노리포좀이 일반적으로 사용되고 있다. 주관기관에서도 나노리포좀을 이용하여 단백질의 활성을 유지하면서 피부에 효율적으로 전달하는 독자적인 방법을 확립하였다. 상기 기술한 봐와 같이 단백질의 피부 전달체 소재의 빈곤으로 새로운 수송체 개발이 필요하다. 피부 줄기 세포의 복제와 분화를 조절하는 인자들 중 주요 단백질은 TGF-beta family 와 Wnt family이다. 이중에서 TGF-beta 계열 단백질은 피부 줄기 세포의 복제를 억제하고 Wnt 계열 단백질은 복제를 촉진한다. 사람이 나이가 들어서 노화가 진행되면서 피부 줄기세포 복제/분화/사멸에 이르는 turnover 기간이 증가하는데, 이는 피부 주름을 유발시키는 주요 인자에 속한다. TGF-beta 계열 단백질에 의한 세포 신호 전달을 일시적으로 억제할 것으로 예상되는 다양한 후보 물질들을 대상으로 피부 노화와 관련된 분석 방법으로 스크리닝한 결과, rhBMPR1a-ECD가 기존에 사용되고 있는 대조물질보다 훨씬 우수한 효과를 보여주었다. 에상되는 작용 메카니즘은 rhBMPR1a-ECD가 TGF-beta family 단백질에 의한 신호 전달 경로를 일시적으로 억제함으로써 피부 줄기세포의 복제를 유도하여 궁극적으로는 피부 세포의 turnover 주기를 다시 단축시켜 건강한 피부를 유지시키게 함으로써 피부 주름, 미백을 포함한 다양한 피부 상태 개선 효과를 유도한다고 생각하고 있다. 피부 조직은 우리 몸에서 제일 큰 조직으로 태어나면서 죽을 때까지 평생 동안 피부 표피에서 줄기세포가 계속 복제/분화/사멸을 반복 (turnover) 하면서 가장 활발하게 줄기세포가 활동하면서 중요한 기능을 하는 곳이다. 상기 기술한 봐와 같이 피부 줄기세포의 복제와 분화에 영향을 주는 여러 단백질 중에서 TGF-beta family와 Wnt family가 주요 인자이다. TGF-beta family는 피부 줄기세포 복제를 억제하고 Wnt family는 줄기세포 복제를 촉진한다. 노화가 진행되면서 피부 세포의 turnover 주기가 늘어남으로써 건강한 피부를 유지하지 못하는데 이는 제반 피부 노화를 유발하는 주요 원인의 하나이다. 따라서 TGF-beta pathway를 일시적으로 억제함으로써 피부 세포의 복제를 자극하여 전체적인 피부 표피의 turnover 주기를 짧게 회복시킴으로써 건강한 피부 쌍태를 유지하여 주름, 미백 등의 피부 상태를 개선한다고 생각하여 본 과제를 진행하고 있다. TGF-beta에 의한 세포 신호 전달을 억제한다고 예상되는 단백질들을 1L 규모에서 생산 정제 공정을 확립하여 샘플을 제조하여 각각의 활성을 확인하는 방법을 구축하여 확인하였다. 일례로 rhBMPR1a-ECD의 활성은 TGF-beta family의 대표적인 단백질인 BMP2의 활성 억제를 통하여 확인하였다. 단백질은 일반적으로 친수성이고 분자량이 매우 커서 피부 표피는 쉽게 통과하지 못한다. 대신에 지름이 500~2000nm인 피부 모공으로 전달하기 위해서는 소수성 전달체로 단백질을 encapsulation 하여야 한다. 피부의 원천 줄기세포는 피부 모공에 존재하고 표피의 하부에 존재하는 줄기세포들이 모공의 줄기세포와 연결되어 있다. 본 연구소에서는 리포좀을 고압균질기를 이용하여 100~200nm 크기로 제조하는 방법을 확립한 다음 단백질 각각에 대하여 활성을 유지하면서 리포좀 안으로 capsulation 되는 공정을 구축했다. 리포좀으로 capsulation된 단백질 각각의 피부 주름 효과를 소규모로 간단하게 확인했다. 일반적으로 공인된 피부 주름용 실험동물인 hairless mouse를 사용하여 UV 조사에 의한 주름을 유발하여 각각의 타겟 단백질에 의한 주름 개선 효과를 측정했다. 테스트 샘플 중에서 리포좀에 함유된 rhBMPR1a-ECD에 의하여 UV 조사에 의한 주름 생성이 현저하게 억제되었다. 현재 피부 주름 개선에 가장 우수한 효과를 보이는 것으로 알려진 Retinoic acid보다 rhBMPR1a-ECD 도포에 의해 2배 이상의 탁월한 주름개선 효과를 확인했다. 따라서 Lipo-rhBMPR1a-ECD는 탁월한 기능을 통한 경쟁력 있는 피부 주름 개선용 기능성 화장품 원료로 개발을 진행중이다.
최근에 줄기세포 화장품에 관심이 높다. 연구 초기부터 방대한 자료와 논문 분석으로 피부 줄기세포의 homeostasis를 제어하는 인자들을 선정하고 스크리닝하여 확실한 메카니즘으로 연구를 시작하여, 본 과제에 나열한 여러 실험들로 이를 증명할 것이다. 따라서 확실한 메카니즘으로 우수한 피부 주름개선과 미백효과를 나타내는 기능성 화장품을 개발하면 판매 증대와 상업적, 학문적 파급효과가 클 것이다. 유전공학기술이 도입된 이후 지난 30여년동안 유전체학, 단백질체학 등이 비약적으로 발전해왔다. 피부에서 평생동안 줄기세포들이 계속 복제하면서 새로운 피부세포를 만들어내고 기존세포는 죽어서 떨어져 나간다. 피부줄기세포 복제, 분화에 관여할 가능성이 있는 많은 단백질들이 발견되고 있다. 하지만 일반적으로 피부구조는 매우 정교하고 촘촘하게 만들어져서 친수성이고 분자량이 큰 단백질은 피부를 침투하지 못한다고 알려져 있어서 전 세계적으로 경피용 화장품이나 의약품으로 단백질들이 거의 사용되고 있지 않고 학문적으로도 연구가 부족한 실정이다. 본 과제를 통하여 피부 주름개선과 미백향상에 탁월한 효과를 나타내는 화장품을 성공적으로 개발하면 국내/국외 화장품업계에서 경피용 단백질 신소재 분야에 높은 관심을 불러일으킬 것이라 예상된다. 기존에 피부 주름과 미백을 개선하는데 사용되는 비타민류, 천연추출물, 저분자량 합성물질 등은 피부를 구성하는 콜라젠, 엘라스틴의 인테그리티를 유지하는데 주로 주안을 두고 있다. 반면에 본 과제를 통해 개발될 화장품은 피부줄기세포를 직접 자극하여 피부를 항상 건강하게 유지하는 새로운 개념의 피부노화 개선용 신소재이다. 현재까지 위에서 기술한 피부줄기세포 복제를 촉진하는 단백질 신소재에 대한 연구는 국내/국외에서 연구가 많이 이루어지지 않아서 본 과제가 성공적으로 수행되면 이 분야를 전 세계적으로 앞에서 이끌어갈 수 있다고 생각한다. 현재까지도 단백질 경피제 분야에서 아직 많은 연구가 필요한 부분이 단백질을 효과적으로 피부 안으로 전달하는 기술이다. 본 연구소에서는 리포좀을 이용하여 단백질을 피부 모동 안으로 전달하는 방법을 이미 확보하고 있으나 본 과제에서 이 부분을 더 최적화해서 관련 분야에서 기능성 화장품 뿐만 아니라 경피 치료 의약품에 적용할 수 있을 것이다. 또한 본 과제에서 피부 노화 개선과 항균 작용을 갖고 있는 천연물로부터 효과적인 피부 안으로의 단백질 전달체를 성공적으로 개발하면 이는 관련 분야에서 활용도가 높을 것이다. 현재 국내 화장품시장은 2007년 5조원 이상으로 의약품시장과 필적하는 규모라 하겠다. 또한 세계적으로 수명연장과 삶의 질을 추구하는 경향으로 화장품시장은 급속히 증가하리라 예상된다. 하지만 국내 화장품 회사들은 많은 필수 원료들을 미국을 비롯한 구미 선진국에서 수입을 하고 있기 때문에 무역불균형이 심각하다. 따라서 국내 화장품업계는 현시점에서 국제적으로 경쟁할 수 있는 화장품 원료의 개발이 필요하다. 위에서 언급한대로 본 프로젝트가 성공적으로 수행되어 제품이 개발된다면 국내뿐만 아니라 국제시장에서도 선전할 수 있는 화장품 신소재를 확보하고 무역불균형을 개선하는데도 일조할 것이라 예상한다.
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