Study on Anti-pigmentary Effects of Natural Products, (-)-4-hydroxysattabacin and Acremonidin E

Abstract

멜라닌은 피부색을 결정짓는 주요 인자이며 멜라닌 합성 경로에 의해 생성된다. 정상 상태의 멜라닌은 자외선을 흡수 또는 산란시켜 자외선이 피부의 세포 나 조직을 손상시키는 것을 방지한다. 또한 활성 산소를 효율적으로 제거하여 유해 물질로부터 피부를 보호한다. 하지만 피부에 멜라닌이 과잉 존재하면 과 색소 침착 및 저 색소 침착과 같은 피부 질환을 유발한다. 과 색소 침착 치료제로 많은 화학 제품이 보고 되었는데, 예를 들면 하이드로퀴논, 알부틴, 코직산등이 대표적으로 알려져있다. 그러나 일부 과 색소 침착 치료제의 장기간 사용은 심각한 부작용을 일으킬 수 있다. 최근, 과 색소 침착 치료제에 대한 천연 유래 화합물의 연구는 화장품 산업의 중심 단계에 있다. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 천연 유래 화합물인 (-)- 4- 하이트록시 사타바신 ((-)-4OH-ST (1)) 과 아크레모니딘 E 가 멜라닌 합성에 미치는 영향을 보고 하였다. 알파 멜라닌 세포 자극 호르몬 (α-MSH)으로 자극된 흑생종 설치류 멜라닌세포, B16F10,와 인간 흑색 종 멜라닌세포인 MNT-1뿐만 아니라 생체 내 표피를 모방하는 인공피부조직을 이용하여 천연 유래 화합물의 항 멜라닌 생성 효과를 연구 하였다. 제1장에서는 (-)-4OH-ST (1)의 생체 활성을 소개한다. (-)-4OH-ST (1) 은 한국 광양 만에서 발견된 바실러스 집소니의 배양액에서 분리된 생체 활성 유도 물질이다. 본 연구에서 (-)-4OH-ST (1)의 적용은 최소한의 세포 독성으로 설치류의 멜라닌 세포에서 멜라닌 양을 감소시키는 것을 확인하였다. 타이로시나제, 타이로시나제 관련 유전자 1 (TRP-1), 타이로시나 제 관련 유전자 2 (TRP-2)의 유전자적 발현은 (-)-4OH-ST (1)에 의해억제 효과가 있었으나 효소 활성에는 영향을 미치지 않았다. 또한 (-)-4OH-ST (1)에 의해 단백질 수준의 타이로시나제가 억제되었으며, 인공피부조직에서 멜라닌 세포 활성이 (-)-4OH-ST (1)에 의해 억제 및 퇴화되었다. 제2장에서는 아크리모니딘 E의 생체 활성을 소개한다. 식물 내생 생물의 생합성 잠재력이 최근 많은 관심을 모으고 있는 것을 바탕으로 본 연구에서는 인삼 뿌리 유래 미생물 페니실리움 시트리늄(Penicillium citrinum) 균주에서 분리한 아크레모니딘 E의 영향을 확인하였다. 알파 멜라닌 세포 자극 호르몬 (α-MSH)으로 자극된 설치류 세포에서 아크리모니딘 E 또한 최소한의 세포독성으로 멜라닌 생합성양을 강력히 억제하였다. 아크레모니딘 E는 타이로시나제 효소 활성에는 영향을 주지 않으면서 타이로시나제와 타이로시나제 관련 유전자 1 (TRP-1)을 효과적으로 억제하였다. 아크레모니딘 E의 미백 효과를 설치류 멜라닌 세포, 인간 멜라닌 세포, 및 인간 멜라닌 세포/인간 피부 각질세포의 공배양을 통해 세포의 형태학적 변화에 대해 추가적으로 연구하였다. 생체내 상황을 모방하는 색소 성 인공 표피 피부 모델에서n아크레모니딘 E의 미백효과 또한 입증되었다. 추가적으로 면역조직학적 염색을 통하여 조직에서의 멜라닌 세포 감소 및 멜라닌양 감소를 확인하였다. 결과적으로 (-) - 4-하이드록시 사타바신과 아크레모니딘 E의 멜라닌 생성 억제 효과는 본 연구에서 처음 보고되었다. ;Melanin is the primary determinant of skin color and is produced by melanocytes via multistep process calls melanogenesis. Melanin absorbs or scatters ultraviolet light, preventing UV from damaging skin cells or tissues. It also effectively removes reactive oxygen species to protect the skin from harmful substances. However, over-activation or absence of melanin in the skin causes dermatological disorders such as hyperpigmentation and hypopigmentation. A number of chemicals, for instance hydroquinone, arbutin, kojic acid, have been reported as a therapeutic agent for hyperpigmentary disorder. However, long-term use of some depigmenting agents may cause considerable problems of adverse effects. Therefore, investigation of natural derived compounds for depigmenting agents takes center stage in cosmetic industry. Against this backdrop, I investigated the inhibitory effects of newly introduced natural compounds, (-)-4-hydroxysattabacin and acremonidin E, on melanin synthesis. The anti-melanogenic effects of both natural compounds were investigated in α-melanocyte stimulating hormone (α-MSH)-stimulated murine melanoma cell line, B16F10, and human melanoma cell line, MNT-1, as well as a pigmented three-dimensional (3D) human epidermal skin model, MelanodermTM, which mimics the in vivo situation. The bioactivity of (-)-4-Hydroxysattabacin is introduced in chapter one. Bioactivity-guided isolation of a crude extract from a culture broth of Bacillus sp., which was found in Kwangyang Bay in South Korea, has led to the isolation of (-)-4-hydroxysattabacin (1). The application of (-)-4-hydroxysattabacin reduced the amount of melanin in murine melanocyte with minimal cytotoxicity. The expressions of melanogenic genes including tyrosinase, Tyrosinase-related protein 1 (TRP-1), and Tyrosinase-related protein 2 (TRP-2) were suppressed by (-)-4-hydroxysattabacin application while enzymatic activities of tyrosinase were not affected. The protein level of tyrosinase was also suppressed by (-)-4-hydroxysattabacin. Its bioactivity was further confirmed in a pigmented 3D human epidermal skin model, MelanodermTM, and whitening and regression of melanocyte activation were observed in the tissue. As biosynthetic potentials of the endophytes are gathering more interests today, the anti-melanogenic activity of Acremonidin E is introduced in chapter two. Acremonidin E is a purified endophytic fungal metabolite from Penicillium sp., which was isolated from Panax ginseng. Melanin contents were diminished upon Acremonidin E application in α-melanocyte stimulating hormone (α-MSH)-stimulated B16F10 cells with minimal cytotoxicity. Also, Acremonidin E downregulated tyrosinase and tyrosinase-related protein 1 (TRP-1), while enzymatic activities were unaffected. The effect of Acremonidin E was further investigated upon morphological changes of various cells, including B16F10, MNT-1, and MNT-1/HaCaT co-culture system. In addition, the anti-melanogenic effects of Acremonidin E were demonstrated in a pigmented 3D human epidermal skin model, MelanodermTM. Along the application of Acremonidin E, the skin tissue appeared to be brightened and immunohistological stain confirmed the regression of melanin synthesis in the tissue. Consequently, anti-pigmentary effects of both (-)-4-hydroxysattabacin and Acremonidin E on melanogenesis are newly reported in this study.