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파지디스플레이를 이용한 성장인자 안정화 제형 맞춤형 피부 투과 펩타이드의 개발
Screening of Skin-permeable Peptide in Thermal Stabilizing Formulation Using Phage Display 원문보기

Microbiology and biotechnology letters = 한국미생물·생명공학회지, v.46 no.4, 2018년, pp.326 - 333  

이설훈 (동덕여자대학교 응용화학부 화장품학 전공)

초록
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본 연구에서는 성장인자, 효소, 펩타이드 등과 같은 기능성 생체 고분자를 대상으로 열에 대한 안정성 및 피부 투과성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 이들은 생체 내에서 세포를 활성화 하거나 촉매 작용을 담당하고 있다. 따라서 화장품 등의 외용제에 적용 시, 그 효능의 우수함이 예상되나 열에 대한 불안정성과 높은 분자량으로 피부 투과성이 낮은 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 먼저 열에 대한 안정성을 확보할 수 있는 조성을 탐색하였다. 그 결과, 단분자 구조의 humectant 대비 PEG의 길이가 긴 polymeric humectant를 사용한 경우 열에 대한 안정성이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 한편 이들의 피부 투과를 촉진시키기 위하여 투과 촉진 펩타이드를 phage library로부터 선별하고자 하였다. 투과 촉진 펩타이드는 성장인자, 효소, 펩타이드의 투과 촉진을 위해 공통적으로 사용할 수 있는 구조이다. 그러나 피부의 투과정도는 물질자체의 특성도 영향을 미칠 수 있으나 제형의 성분에 따라서 영향을 받을 수 있다. 본 연구에서는 성장인자를 안정화 할 수 있는 polymeric humectant 제형을 기반으로 투과 촉진 펩타이드 선별을 수행하였다. 그 결과 대조군 펩타이드 대비 투과촉진이 향상된 결과를 확인했을 뿐만 아니라 PBS를 기반으로 선별된 투과 촉진 펩타이드 보다 polymeric humectant 제형에서는 투과도가 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구의 결과는 기능성 생체고분자의 열 안정성 개선 및 피부 투과도 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we identified methods to improve heat stability and skin permeability of functional protein biopolymers, such as growth factors, enzymes, and peptides. The biopolymers participate in cellular activation and catalytic functions in vivo. Therefore, when applied to cosmetics, their effic...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 성장인자, 효소, 펩타이드 등과 같은 기능성 생체 고분자를 대상으로 열에 대한 안정성 및 피부 투과성을 향상시키는 연구를 수행하였다. 이들은 생체 내에서 세포를 활성화 하거나 촉매 작용을 담당하고 있다.
  • 본 연구에서는 우선, 성장인자를 대상으로 열 안정성을 개선할 수 있는 보습제의 구조적 특징에 대해서 선별을 진행하였다. 단분자 보습제와 함께 Poly ethylene glycol의 길이가 다른 polymeric humectant를 이용하여 성장인자의 열 안정성에 미치는 영향을 확인하였다[11].
  • 다양한 제형의 적용 측면에서는 유리한 방식일 수 있으나, 특정 제형에서의 추가적인 촉진 효과를 가져오기에는 단점이 있는 방식이다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 최종적으로 사용될 성장인자 안정화 제형에서 phage display를 수행하여 펩타이드를 발굴하는 연구를 수행하였다. 제형의 특성에 대한 분석과 예측없이도 투과 촉진 펩타이드의 개발에 유리한 선택 과정의 장점을 최종 제형에서 수행함으로써 투과개선 효율을 높을 수 있을 것이라 가정하였다.
  • 그러나 특정 성분이 피부로 투과가 잘되기 위해서는 피부 구조 속에서의 diffusion 뿐만 아니라 제형에서 피부로 partition되는 정도도 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 이점을 주목하여 screening 단계에서부터 최종 제형을 기반으로 스크리닝하여 투과 효율을 더욱 향상시키고자 하였다(Fig. 3). 이 경우 PBS에서 선별된 투과 촉진 펩타이드보다 최종 제형에서 더 우수한 투과효율을 나타낼 것으로 기대하였다.
  • 이로부터 단백질 성 효능 성분을 안정화 시키는 제형을 선정하였고, 이런 조건에서 피부투과를 더욱 촉진할 수 있는 방법을 확보하려 하였다. 이를 위해서 성장인자 안정화 제형을 기반으로 하여 피부 투과를 촉진할 수 있는 펩타이드를 phage display를 수행하여 선별하였다.
  • 한편 이들의 피부 투과를 촉진시키기 위하여 투과 촉진 펩타이드를 phage library로부터 선별하고자 하였다. 투과 촉진 펩타이드는 성장인자, 효소, 펩타이드의 투과 촉진을 위해 공통적으로 사용할 수 있는 구조이다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 최종적으로 사용될 성장인자 안정화 제형에서 phage display를 수행하여 펩타이드를 발굴하는 연구를 수행하였다. 제형의 특성에 대한 분석과 예측없이도 투과 촉진 펩타이드의 개발에 유리한 선택 과정의 장점을 최종 제형에서 수행함으로써 투과개선 효율을 높을 수 있을 것이라 가정하였다. 그 결과 본 연구 과정을 통해 선별된 펩타이드의 경우, 성장인자 안정화 제형에서는 기존의 PBS 기반 선별 펩타이드의 경우 보다 피부 투과성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
성장 인자는 어떤 기능을 하는가? 성장인자, 효소 등과 같은 단백질성 고분자 들은 생체 내에서 다양한 생리 활성을 조절하는 기능을 수행하고 있고, 이들의 기능을 피부 개선 분야에 적용하려는 다양한 시도가 진행되고 있다. 성장 인자는 생체 내에서 세포내의 신호전달[1] 및 성장과 활성을 조절하는 역할을 담당하여, 진피, 표피 조직의 성장을 촉진한다[2]. 또한 콜라겐과 같은 간극 물질의 합성에 중요한 역할을 한다[3]. 이는 건강한 피부조직의 유지 및 주름과 같은 노화현상의 개선에 중요한 작용을 할 것으로 기대된다. 한편 생체내의 촉매 작용을 하는 효소 등도 피부 미용분야에 적용되고 있다.
단백질성 고분자를 화장품과 같은 피부 외용 분야에 적용하는 데에는 어떤 단점이 있는가? 이러한 장점에도 불구하고 단백질성 고분자를 화장품과 같은 피부 외용 분야에 적용하는 데는 몇 가지 단점이 있다. 첫째 열에 대한 안정성이 부족하여 기능이 변성이 된다는 점과 둘째, 큰 분자량에 의해 피부로 전달되는데 어려움이 있다[7]. 먼저, 열에 대한 안정성의 경우, 의약품 사례인 protein drug 분야에서도 동일한 문제가 발생되고 있다.
피부의 표면이 하는 역할은 무엇인가? 한편, 피부전달의 측면에서는 피부의 구조를 먼저 이해할 필요가 있다. 피부의 표면의 역할은 피부 내부의 수분 손실을 막고 외부로부터의 이물질의 침입을 막는 것이다. 이를 위해 피부의 각질은 케라틴 단백질로 구성된 각질세포와 ceramide, fatty acid, wax 등으로 구성된 지질층이 그 사이를 메꾸는 구조로 이루어져 있다.
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참고문헌 (21)

  1. Lee SH, Choi HS, Kim H, Lee Y. 2008. ERK is a novel regulatory kinase for poly(A) polymerase. Nucl. Acids Res. 36: 803-813. 

  2. Pastore S, Mascia F, Mariani V, Girolomoni G. 2008. The epidermal growth factor receptor system in skin repair and inflammation. J. Invest. Dermatol. 128: 1365-1374. 

  3. Geesin JC, Brown LJ, Gordon JS, Berg RA. 1993. Regulation of collagen synthesis in human dermal fibroblasts in contracted collagen gels by ascorbic acid, growth factors, and inhibitors of lipid peroxidation. Exp. Cell Res. 206: 283-290. 

  4. Blasi J, Chapman ER, Link E, Binz T, Yamasaki S, De Camilli P, et al. 1993. Botulinum neurotoxin A selectively cleaves the synaptic protein SNAP-25. Nature 365: 160-163. 

  5. Borgono CA, Michael IP, Komatsu N, Jayakumar A, Kapadia R, Clayman GL, et al. 2007. A potential role for multiple tissue kallikrein serine proteases in epidermal desquamation. J. Biol. Chem. 282: 3640-3652. 

  6. Jun S-H, Lee S-H, Kim SY, Park SG, Lee C-K, Kang N-K. 2017. Physical properties of TEMPO-oxidized bacterial cellulose nanofibers on the skin surface. Cellulose 24: 5267-5274. 

  7. Wang Z, Wang Z, Lu WW, Zhen W, Yang D, Peng S. 2017. Novel biomaterial strategies for controlled growth factor delivery for biomedical applications. NPG Asia Mater. 9: e435-17. 

  8. Mensink MA, Frijlink HW, van der Voort Maarschalk K, Hinrichs WL. 2017. How sugars protect proteins in the solid state and during drying (review): Mechanisms of stabilization in relation to stress conditions. Eur. J. Pharm. Biopharm. 114: 288-295. 

  9. Moser K, Kriwet K, Naik A, Kalia YN, Guy RH. 2001. Passive skin penetration enhancement and its quantification in vitro. Eur. J. Pharm. Biopharm. 52: 103-112. 

  10. Jenning V, Gohla SH. 2001. Encapsulation of retinoids in solid lipid nanoparticles ( $SLN^{(R)}$ ). J. Microencapsul. 18: 149-158. 

  11. de Lencastre Novaes LC, Mazzola PG, Pessoa A Jr, Penna TC. 2010. Effect of polyethylene glycol on the thermal stability of green fluorescent protein. Biotechnol. Prog. 26: 252-256 

  12. Lee S-H, Kang NG, Lee S. 2013. Selection of skin-penetrating peptide using phage display. Yakhak Hoeiji 57: 125-131. 

  13. Simon GA, Maibach HI. 2000. The pig as an experimental animal model of percutaneous permeation in man: qualitative and quantitative observations--an overview. Skin Pharmacol. Appl. Skin Physiol. 13: 229-234. 

  14. Samuelsson K, Simonsson C, Jonsson CA, Westman G, Ericson MB, Karlberg AT. 2009. Accumulation of FITC near stratum corneum-visualizing epidermal distribution of a strong sensitizer using two-photon microscopy. Contact Dermatitis 61: 91-100. 

  15. Makino T, Jinnin M, Muchemwa FC, Fukushima S, Kogushi-Nishi H, Moriya C, 2009. Basic fibroblast growth factor stimulates the proliferation of human dermal fibroblasts via the ERK1/2 and JNK pathways. Br. J. Dermatol. 162: 717-723. 

  16. Chen G, Gulbranson DR, Yu P, Hou Z, Thomson JA. 2012. Thermal stability of fibroblast growth factor protein is a determinant factor in regulating self-renewal, differentiation, and reprogramming in human pluripotent stem cells. Stem Cells 30: 623-630. 

  17. Kumar S, Sahdev P, Perumal O, Tummala H. 2012. Identification of a novel skin penetration enhancement peptide by phage display peptide library screening. Mol. Pharmaceutics 9: 1320-1330. 

  18. Hsu T, Mitragotri S. 2011. Delivery of siRNA and other macromolecules into skin and cells using a peptide enhancer. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108: 15816-15821. 

  19. Boelsma E, Tanojo H, Bodde HE, Ponec M. 1996. Assessment of the potential irritancy of oleic acid on human skin: Evaluation in vitro and in vivo. Toxicol. Vitr. 10: 729-742. 

  20. van Meer G, Voelker DR, Feigenson GW. 2008. Membrane lipids: where they are and how they behave. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9: 112-124. 

  21. Eguchi A, Akuta T, Okuyama H, Senda T, Yokoi H, Inokuchi H. et al. 2001. Protein transduction domain of HIV-1 Tat protein promotes efficient delivery of DNA into mammalian cells. J. Biol. Chem. 276: 26204-26210. 

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