Alterations in epidermal barrier induced by long term exposure of suberythemal dose ultraviolet light in hairless mice

Abstract

[한글]

자외선 조사는 피부의 물리적, 생화학적 성상의 변화를 초래하여 홍반의 발생, 표피세포의 증식, 과색소 침착, DNA 손상 등을 일으킨다. 또한 이러한 반응은 자외선의 파장과 용량에 따라 차이가 있음이 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 본 연구에서 무모 생쥐의 정상 피부에 홍반을 일으키지 않는 저용량(suberythemal dose)의 자외선 A 와 B를 1주에 3회씩 15주간 반복 조사함으로써 지속적인 장기간의 자외선 조사가 피부장벽에 미치는 영향을 관찰하고자 하고자 3주 간격으로 피부 장벽의 기능과 구조적인 변화를 측정하였다.자외선 조사 3주 경부터 육안적인 주름이 생기고 조사기간이 증가함에 따라 점점 심해지는 양상을 보였다. 경표피수분 손실량은 증가하는 경향을 보이고 각질층 피부 함유량은 조사기간에 비례하여 감소하였다. 조직병리학적 검사소견상 표피와 진피의 두께는 시간에 따라 증가하였고 각질형성세포 분화의 표지자에 해당하는 involucrin, loricrin, filaggrin, K5, K10, K16에 대한 면역조직화학 염색상 과발현 되거나 비정상적인 표현이 관찰되어 표피증식과 분화이상을 관찰하였다. 표피에서 칼슘 이온의 분포는 자외선 조사기간이 길어질 수록 칼슘 이온 농도의 기울기가 정상에서 벗어나 왜곡되어 있음이 관찰되었다. 전자현미경 소견에 의하면 각질층의 각질세포간 지질막구조가 불완전하고 열공이 확장되어 가는 것을 관찰하였다. 지질 생성의 주요 효소인 serine palmitoyl transferase, HMG CoA reductase, fatty acid synthase의 mRNA에 대한 real time RT-PCR상 6주까지 점차 증가되어 있다가 9주부터 감소하는 경향을 보였고 특히 세라마이드의 생성에 중요한 역할을 하는 serine palmitoyl transferase의 mRNA가 현저하게 감소하였다. 각질층 지질의 주요 성분인 세라마이드, 콜레스테롤, 지방산에 대한 지질분석상 6주부터 감소하는 경향을 보였으며 특히 세라마이드의 뚜렷한 감소가 관찰되었다.결론적으로 일상 생활에서 흔히 접할 수 있는 저용량의 자외선일지라도 반복적으로 장기간 노출되면 피부장벽의 기능적이고 구조적인 변화를 초래하여 손상을 줄 수 있음을 알 수 있었다. 특히 장기간의 자외선 조사 후에 각질세포간 지질막 조성의 변화를 동반하는 세라마이드의 두드러진 감소의 발견은 향후 예방 및 치료제 개발에 이용할 수 있다.

[영문]Background Exposure of ultraviolet (UV) radiation induces various cutaneous changes including erythema and pigmentation as well as thickening of the epidermis. UV radiation on mammalian skin produces dose- and wavelength dependent changes of skin barrier including compromised integrity of the epidermal permeability barrier with an increased TEWL (transepidermal water loss). Although several studies have reported on the biological effects of UV radiation, there have been no reports on the changes in epidermal structure, skin barrier function and epidermal lipids of murine skin following long term UV irradiation at suberythemal doses.Objectives To investigate the changes of functions, morphological structures and epidermal lipid properties of the skin barrier after long term UV radiation at suberythemal dose (SED).Methods Hairless mice were irradiated 3 times weekly for 15 weeks at a SED of UV (UVB: 20 mJ/cm2; UVA:14 J/cm2). Every three weeks, visible skin changes and epidermal barrier function were assessed and skin specimens were taken, and then hematoxylin & eosin stain, immunohistochemical stain and calcium ion capture cytochemistry were done. The morphological alterations of stratum corneum (SC) lipid lamellae were examined by electron microscopy (EM) using ruthenium tetroxide postfixation. Activities of three key enzymes for mRNA of serine palmitoyl transferase, fatty acid synthase and HMG Co A reductase were analyzed with real time RT-PCR. I analyzed the activity of three key enzymes with real time RT-PCR for mRNA of serine palmitoyl transferase, fatty acid synthase and HMG Co A reductase. I also measured the amount of ceramide, cholesterol sulfate and free fatty acid in the SC by high performance thin layer chromatography (HPTLC) with exposed time.Results Visible fine wrinkles were found since 3 weeks to irradiation, and progressively worsened in proportion to the duration of irradiation. There were significant increases in epidermal and dermal thickness and the epidermal differentiation markers including involucrin, loricrin, filaggrin and K5/10/16. These changes were accompanied with alteration of epidermal calcium gradient and SC intercellular lamellae in EM findings. TEWL was increased up to 12 weeks. SC hydration was gradually decreased in proportion to exposure time. mRNA of three key lipid synthesis rate limiting enzymes were increased until 6 weeks of UV-irradiation and decreased thereafter. However three major lipids gradually decreased throughout exposed period with a notable decrease in ceramide.Conclusions In conclusion, long term UV irradiation even with SED to which people are usually exposed during their life time influences skin barrier function and structure. Notable ceramide decreases in SC intercellular lipid after long term UV irradiation can be implicated in the treatment or prevention of photoaging.