Whitening and moisturization efficacy of mannosylerythritol lipids in three-dimensional human skin equivalent and human skin cells

Abstract

Mannosylerythritol lipids (MELs)은 Pseudozyma 속의 다양한 효모 균주들 의해 주로 생산되는 세포 외 당지질의 한 종류이다. 현재까지 MELs은 생체 적합성을 띈 바이오 계면 활성제로서 원래의 사용 용도 외에도 몇 가지 생화학적 성질을 가지고 있다고 보고되어 왔다. 또한, MELs을 적용 가능한 산업 분야가 확장됨에 따라 아직 알려지지 않은 MELs의 생물학적 잠재 효능을 발견하기 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 이번 연구에서, 나는 인간 피부 세포 및 3차원 인간 피부 모사체를 사용하여 지금까지 보고되지 않았던 MELs의 피부 미백 및 보습과 관련된 신규 효능과 작용 메커니즘을 입증했다. MELs을 이용한 피부 미백 효능 실험에서 MELs은 정상 인간 멜라닌 형성세포와 알파-멜라닌 형성세포 자극 호르몬을 처리한 B16 마우스 흑색종 세포 모두에서 멜라닌 함량을 유의하게 감소시켰다. 또한 MELs 처리는 멜라닌 형성세포를 함유한 사람의 인간 피부 모사체에서 색을 밝게 하고 표피의 멜라닌 함량을 감소시키며 미백 효과를 나타내었다. Fontana Masson 염색을 이용한 조직학적 분석에서 멜라닌 형성세포 내 멜라닌 함량은 현저하게 감소된 것으로 관찰되었다. Two-photon excitation microscopy를 사용하여 검출된 멜라닌의 자가 형광 신호 강도는 MELs을 처리한 피부 모사체에서 대조군보다 유의하게 적었다. MELs 처리에 의해 유발된 멜라닌 생성 억제 효과의 근본적인 메카니즘은 타이로시네이즈, 타이로시네이즈 관련 단백질-1 및 타이로시네이즈 관련 단백질-2를 포함하는 필수 멜라닌 생성 효소의 mRNA 발현 수준을 억제하는 ERK/CREB/MITF 신호 전달 경로의 억제와 관련이 있었다. 이어진 MELs의 피부 보습 효능 실험에서, 긴 파장 자외선 조사에 의해 현저히 감소된 aquaporin-3 (AQP3) 발현이 MELs 처리에 의해 인간 각질형성세포주(HaCaT 세포)의 단백질 및 mRNA 수준이 모두 완화되었음을 입증했다. 그리고 MAPK 억제제를 이용하여 JNK 인산화가 긴 파장 자외선에 의한 AQP3 하향 조절에 매개한다는 것과 MELs 처리가 긴 파장 자외선에 의해 유도되는 JNK 인산화를 유의하게 저해한다는 것을 밝혀냈다. 또한 PPAR-γ mRNA 발현이 긴 파장 자외선에 조사 된 HaCaT 세포에서 하향 조절된다는 것을 발견했는데 이러한 현상은 JNK 억제제 또는 MELs의 처리를 통해 현저하게 완화되었다. 이러한 결과는 MELs이 JNK 활성화 억제를 통해 PPAR-γ의 하향조절을 막아 긴 파장 자외선 조사에 의한 AQP3 감소를 완화시킬 수 있다는 것을 제시한다.

상기 결과들을 종합해 볼 때, 나는 이번 일련의 연구들에서 MELs이 멜라닌 형성세포에서 멜라닌 생성과정 억제를 통한 미백 효과와 각질형성세포에서 긴 파장 자외선 조사에 의해 유발되는 AQP3 감소를 억제하는 새로운 효능이 있음을 처음으로 밝혀 보고 하였다. 이를 통해 향후 피부에 안전하고 효과적으로 적용될 수 있는 의약품 또는 화장품에 첨가될 수 있는 기능성 성분으로서의 MELs의 활용 가능성을 기대해 볼 수 있다.

Mannosylerythritol lipids (MELs) are a type of extracellular glycolipids that are mostly produced by the yeast strains of genus Pseudozyma. MELs have been reported to have a few biochemical properties besides their original use as biocompatible biosurfactants to date. As the possible applications of MELs expand, many attempts are being made to find out yet-unknown biological potentials of MELs. In the present study, I demonstrated the yet-unreported biological efficacies of MELs composed of 85% di-acylated MEL-B and 15% tri-acylated MEL and their underlying mechanisms associated with skin whitening and moisturizing using in vitro human skin cells and a three-dimensional human skin equivalent. In MELs skin whitening efficacy experiment, MELs significantly decreased melanin contents both in normal primary human melanocytes (NHMs) and α-melanocyte-stimulating hormone-stimulated B16 murine melanoma cells. MELs treatment exhibited whitening effect in a human skin equivalent containing melanocytes, lightening the color and reducing the melanin content in the epidermis. Histologic analysis using Fontana Masson staining showed significant reduction of melanin content in the melanocytes. The autofluorescence signal intensity of melanin detected using two-photon excitation microscopy was significantly less in MELs-treated skin equivalents than in controls. The molecular mechanism underlying the anti-melanogenic effect induced by MELs treatment was associated with the inhibition of the ERK/CREB/MITF signaling pathway, which suppressed gene expression levels of key melanogenic enzymes including tyrosinase, tyrosinase-related protein-1, and tyrosinase-related protein-2 in NHMs. In the subsequent skin moisturizing efficacy experiment of MELs, I demonstrated that aquaporin-3 (AQP3) expression markedly reduced by UVA irradiation was alleviated by MELs treatment at both the protein and mRNA levels in culture human keratinocytes (HaCaT cells). MAPK inhibitor assay revealed that phosphorylation of JNK mediates UVA-induced downregulation of AQP3, and that MELs treatment significantly inhibits UVA-induced phosphorylation of JNK. I additionally confirmed MELs suppressed the UVA-induced phosphorylation of JNK. I also found that PPAR-γ mRNA expression was downregulated in UVA-irradiated HaCaT cells, which was markedly counteracted by treatment with a JNK inhibitor or MELs. These findings suggest that MELs ameliorate UVA-induced AQP3 downregulation in HaCaT cells by suppressing JNK activation to block the decrease of PPAR-γ. Taken together, the present data herein demonstrate for the first time the new efficacy of MELs to exert a whitening effect by inhibiting melanogenesis in melanocytes and to mitigate UVA-induced AQP3 downregulation in keratinocytes. In addition, my findings support the potential development of MELs for pharmaceutical and/or cosmeceutical ingredient in human skin.