Potential mechanism for mitigating premature skin aging of sulforaphane using coculture system

Abstract

Skin aging, potentially caused by exposure to PM2.5, is characterized by wrinkling, abnormal pigmentation, and skin dryness triggered by several keratinocyte-derived paracrine factors. Sulforaphane (4-methylsulfinylbutyl isothiocyanate, SFN), commonly found in cruciferous vegetables, has diverse biological effects on skin tissue. In the present study, we have investigated whether SFN may alleviate PM2.5-induced premature skin aging. We used keratinocyte/melanocyte or keratinocyte/fibroblast coculture models of skin cells and measured the parameters of melanogenesis, collagen homeostasis and inflammation. SFN inhibited the development of reactive oxygen species in keratinocytes exposed to PM2.5. In keratinocyte/melanocyte cocultures, it significantly inhibited the upregulation of melanogenic paracrine mediators (including EDN1 and PGE2) in keratinocytes exposed to PM2.5; the synthesis of melanogenic proteins including MITF, TRP-1, and TYR; and the levels of melanin in melanocytes. SFN treatment of keratinocyte/fibroblast cocultures significantly reduced the PM2.5-induced expression of NF-κB-mediated cytokines including IL-1β, IL-6, TNF-α, and COX-2. In fibroblasts of the keratinocyte/fibroblast coculture system, the expression levels of phospho-NF-κB, CCN1, and MMP-1 were significantly decreased whereas procollagen type I synthesis was significantly increased. Collectively, our results suggest that SFN mitigates PM2.5-induced premature skin aging by suppressing melanogenesis and maintaining collagen homeostasis. It acts by regulating the release of paracrine factors from keratinocytes.

대기오염, 그중에서도 미세먼지 (Particulate matter, PM)가 여러 가지 건강에 악영향을 주는 것은 잘 알려져 있다. 피부는 이러한 대기오염에 가장 쉽게, 가장 직접적으로 노출된다. 피부가 미세먼지(PM)에 노출되면, 주름 형성, 비정상적인 색소침착, 피부건조를 특징으로 하는 피부노화가 진행된다. 미세먼지에 의한 노화징후 개선 활성 물질을 찾는 대부분의 연구는 피부의 표피층의 90% 이루고 있는 각질형성세포를 이용하여 연구되어왔다. 그러나 미세먼지에 의한 피부노화는 각질형성세포가 주위에 있는 멜라닌 형성세포, 섬유아세포, 면역세포에 신호전달을 해 피부노화의 임상징후를 나타낸다. 십자화과 채소에서 흔히 발견되는 설포라판 (4- 메틸 설피 닐 부틸 이소 티오 시아 네이트, SFN)은 여러 연구에서 피부 조직에 다양한 생물학적 작용을 갖는 것으로 알려졌다. 본 연구에서는 피부세포 공 배양 방법으로 초미세먼지(PM2.5)에 의한 피부노화 모델을 확립하여 설포라판이 초미세먼지 (PM2.5)에 의해 유도된 노화징후를 완화할 수 있는지 평가하였다. 그 기전 연구로 초미세먼지에 의해 각질형성세포에서 생성되는 파라크린 신호전달 물질을 분석하였다. 각질 세포 / 멜라닌형성세포 공배양 시스템에서 각질형성세포에만 초미세먼지를 노출 시켰을 때 활성산소종 (ROS)의 생성이 유의하게 증가하였으나 설포라판에 의해 유의하게 감소 되었다. 또 한 초미세먼지에 의해 각질형성세포에서 멜라닌 형성을 촉진하는 Endothelin 1 (EDN1) 과 Prostaglandin E2 (PGE2) 의 생성이 증가하여, 멜라닌 형성 세포에서 멜라닌 형성에 관여하는 단백질들 예를 들어 microphthalmia-associated transcription factor (MITF), tyrosinase-related protein 1(TRP-1) 와 tyrosinase (TYR) 와 같은 단백질의 발현 증가를 통해 멜라닌 형성이 증가 되었다. 설포라판은 각질형성세포에서 EDN1 과 PGE2 의 생성을 유의하게 감소시켜 멜라닌형성세포에서 멜라닌 형성을 유의하게 억제함을 확인하였다.. 각질 세포 / 섬유아세포 공배양 시스템에서 설포라판의 처리는 각질형성세포에서 초미세먼지에 의해 유도된 nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B (NF-κB) 매개성 염증인자인 interleukin-1β (IL-1β), interleukin-6 (IL-6), tumor necrosis factor α (TNF-α) 와 cyclo-oxygenase-2 (COX-2)의 분비를 유의하게 감소시켰다. 이에 따라 섬유아세포의 phospho-NF-κB, cysteine-rich protein 61(CCN1), matrix metalloproteinase-1 (MMP-1)의 발현 수준은 유의하게 감소 되었으며, procollagen type I 합성은 유의하게 증가 됨을 확인하였다. 본 연구에서는 설포라판이 초미세먼지에 의해 유도된 멜라닌 형성을 억제하였고, 세포외 기질분해 작용을 억제하였다. 이는 각질형성세포에서 분비하는 파라크린 신호전달 인자인 EDN1, PGE2, Cytokines의 분비 억제를 통해 이루어졌다. 이러한 결과는 설포라판을 표피에 바르는 것만으로도 미세먼지에 의한 피부 세포의 노화 징후가 개선될 수 있음을 시사한다. 이 결과를 바탕으로 설포라판은 초미세먼지에 의한 노화를 예방하는 활성물질로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.