Hyper-pigmenting Effects of Nicotine on the Skin Melanocytes

Abstract

Nicotine, the main toxic constituent of cigarette, is absorbed through the oral cavity, lung, bladder, gastrointestinal track, and even through the skin. Nicotine increases oxidative stress, reactive oxygen species, lipid peroxides and causes DNA damage and neuronal apoptosis. Nicotine has many adverse effects on the human body such as cardiovascular disease, cancer, abnormal fetal development and even the skin pigmentation. According to previous studies, nicotine darkens the skin tone, which was suggested from increased melanin synthesis. However, the increased production of melanin by nicotine or its underlying mechanism has not been fully established yet. Here, we investigated the effects of nicotine on melanocytes using murine melanoma cells, B16F10, human melanoma cells, MNT-1 and human 3D artificial pigmented skin tissue, MelanodermTM . In B16F10, nicotine increased the cell activation which was manifested as the increased size and tone. It was confirmed that the area of activated cells was increased by nicotine in a dose dependent manner. When MNT-1 cells were treated with nicotine, the evident pigmentation was observable. In MelanodermTM, exposure to nicotine for 14 days induced darker tissue tone and melanocyte activation were observed through histopathology. RT-PCR, western blotting, and cellular tyrosinase activity were also measured to determine the mechanisms by which nicotine increases melanin production. The level of mRNA of tyrosinase, TRP1, and TRP2, the major enzymes in melanogenesis, was increased by nicotine. The protein expression and enzyme activity of tyrosinase were also increased by nicotine suggesting that nicotine promotes melanin production by increasing the expression of tyrosinase, TRP1, and TRP2 and the activity of tyrosinase enzyme. Furthermore, we examined the effect of nicotine when melanocytes and keratinocytes were co-cultured. In the group treated with nicotine, the length and number of the dendrites of melanocytes extended to the keratinocytes were increased. This shows that nicotine also affects the process of melanosome transfer from melanocytes to keratinocytes. Collectively, this study demonstrated that nicotine induces hyper-pigmenting effects on the skin through activating melanogenesis enzymes and melanosome transfer. ;담배의 주요 독성 성분인 니코틴은 구강, 폐, 방광, 위장관 및 피부를 통해 흡수된다. 니코틴은 산화 스트레스, 활성산소 종 및 지질 과산화물을 증가시키고 DNA를 손상시키고 신경 세포를 사멸시킨다. 니코틴은 심혈관 질환, 암, 비정상 태아 발달과 같은 인체에 많은 악영향을 미친다. 이전의 연구에 따르면, 니코틴은 피부 색조를 어둡게 하며 이것은 멜라닌 생성증가로 인한 것으로 제안되었다. 그러나 니코틴에 의한 멜라닌 생성 증가 또는 그 기저의 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 그래서 본 연구에서는 마우스의 멜라닌 세포인 B16F10, 인간의 멜라닌 세포인 MNT-1 그리고 3D 인공 피부 조직인 MelanodermTM를 이용하여 니코틴에 의한 영향을 관찰하였다. B16F10 세포의 경우 니코틴은 세포 활성화를 증가시켰으며, 이는 세포의 크기와 어둡기로 나타닸다. 활성화된 세포 면적은 니코틴에 의해 농도 의존적으로 증가함을 확인하였다. 또한 MNT-1 세포에 니코틴을 처리하였을 때 명백한 색소침착이 관찰되었다. MelanodermTM에 14일 동안 니코틴을 노출한 경우, 조직 색조가 더 어두워지고 조직병리를 통해 활성화된 멜라닌 세포를 관찰하였다. 또한 멜라닌 생성 과정에서 니코틴이 어떠한 메커니즘으로 작용하는지 알아보기 위해 RT-PCR, 웨스턴블롯, 세포 티로시나제 활성도 측정을 진행하였다. RT-PCR로 멜라닌 생성에 주요한 효소인 티로시나제, TRP-1, TRP-2의 mRNA 양을 측정한 결과 니코틴에 의해 증가되었다. 또한 티로시나제의 단백질 발현 및 효소 활성도가 니코틴에 의해 증가되었다. 이로써 니코틴이 티로시나제, TRP-1, TRP-2의 발현을 증가시키고 티로시타제 효소 활성도를 증가시킴으로써 멜라닌 생성을 촉진한다는 것을 밝혀냈다. 더 나아가 멜라닌세포와 케라틴세포를 함께 배양하였을 때 니코틴이 어떤 영향을 주는지 실험하였다. 니코틴을 처리한 군에서 케라틴 세포로 뻗은 멜라닌세포의 수상돌기의 길이와 수가 증가된 모습을 관찰할 수 있었다. 이는 니코틴이 멜라닌세포에서 케라틴세포로 멜라노좀이 전달되는 과정에도 영향을 미친다는 것을 보여준다. 총체적으로 본 연구는 니코틴이 멜라닌 생성 효소 및 멜라노좀 전이를 활성하시킴으써 피부에 과색소침착을 유도한다는 것을 보여주었다.