Biopositive effects of low-dose UVB on the epidermal permeability barrier reinforcement and anti-microbial peptides expression

Abstract

[한글]

고용량의 자외선B가 피부에 조사되면, 표피 투과장벽 기능이 손상 받게 되는데 반하여, 저용량 자외선 B 광선치료는 피부장벽 기능의 이상이 관찰되는 아토피 피부염과 건선 같은 피부질환의 치료에 효과적으로 사용되고 있다. 이를 통해 자외선이 피부에 이로운 작용을 할 수 있다는 해석이 가능하나 그 정확한 기전은 아직 밝혀지지 않았다. 또한, 최근 표피 투과장벽과 항균펩티드의 발현이 서로 유기적으로 연결되어 있다고 밝혀지고 있다. 그러나, 피부 질환 치료에 사용되는 저용량 자외선 B 조사에 의해 이러한 표피 장벽기능과 항균장벽이 어떻게 변하는지에 대해 구체적으로 밝혀진바 없다.

이에 저용량 자외선 B가 피부에 긍정적으로 항균펩티드 발현을 유도함과 동시에 피부장벽 기능을 강화시켜 아토피 피부염의 치료효과를 나타낼 수 있을 것이다라는 가설 하에 이를 확인하고자 연구를 시행하였다. 또한 이러한 기전이 작용하는데 자외선 B에 의해 피부에서 합성되는 비타민 D3가 중요한 매개체로 작용하는지 여부를 확인하고자 하였다.

무모생쥐의 피부에 하루 한번 40 mJ/cm2 (최소홍반량의 1/2 용량)의 자외선B를 3일간 조사한 후, 마지막 조사 24시간 후 표피 투과장벽 기능을 측정하고 피부를 채취하여 표피분화의 표지 단백의 발현을 면역형광검사로 확인하였다. 또한, 대표적인 항균펩티드인 mouse beta-defensin 2와 3, cathelin-related antimicrobial peptide(CRAMP)의 발현을 면역형광검사와 western blot, RT-PCR을 통해 확인하였다. 또한 자외선이 조사된 피부에서 비타민 D3 시스템의 활성을 확인하기 위해 비타민 D 수용체(VDR)와 1a-hydroxylase의 발현을, 표피지질 합성의 변화를 확인하기 위해 지질 합성의 주요 효소인 fatty acid synthase, HMG-Co A reductase, serine palmitoyl transferase의 발현도 real-time RT-PCR을 통해 확인하였다. 자외선 B를 저용량으로 3일간 조사하였을 때, 장벽 기능의 항상성 회복 능력이 향상되었고 이때 표피 분화의 표지자와 항균펩티드 발현도 동시에 증가하였다. 또한 비타민 D3 시스템과 지질 합성 효소들의 발현도 항진되었다.

비타민 D의 역할을 알아보기 위해 비타민 D의 합성을 강력히 억제하는 ketoconazole을 자외선 조사 직후에 피부에 도포하였을 때에는 표피 지질 합성 효소들의 발현이 의미 있게 감소되었고, 이때 장벽기능의 저하와 항균펩티드 발현의 감소가 관찰되었다.

결론적으로 저용량의 자외선 B는 피부장벽 기능의 항상성을 유지를 돕고 동시에 항균펩티드 발현을 증가시키는 긍정적인 효과가 있었으며, 이러한 효과는 표피에서 생성되는 비타민 D3가 매개하는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험을 통해 자외선 B와 비타민 D3, 표피 투과장벽 기능, 항균펩티드의 발현이 유기적으로 서로 연결되어 조절된다는 사실을 알 수 있으며, 이를 통해 아직까지 잘 알려지지 않았던 아토피 피부염에서 광선치료의 기전을 밝히는데도 기여할 수 있을 것으로 생각한다.

[영문]While high-dose UVB is detrimental to the epidermal permeability barrier, suberythemal doses of UVB are used to treat atopic dermatitis, which is characterized by defective permeability barrier and antimicrobial function. Because epidermal permeability barrier and antimicrobial peptides (AMP) expression are co-regulated and interdependent functions, we hypothesized that suberythemal doses of UVB exposure could regulate AMP expression in parallel with permeability barrier function.

Hairless mice were exposed to 40 mJ/cm2 UVB (about 1/2 MED) daily for 1 or 3 days. Twenty-four hours after the last exposure, epidermal barrier function was assessed and skin specimens were taken for Western blotting, immunohistochemistry, and quantitative RT-PCR for mBD2, mBD3 and CRAMP. mRNA levels of the vitamin D receptor (VDR), 1α-hydroxylase and key epidermal lipid synthetic enzymes were also quantified.

After 3-days of UVB exposure, acceleration of barrier recovery and augmentation in expression of epidermal differentiation markers (e.g., involucrin and filaggrin) occurred in parallel with increased mBD2, mBD3 and CRAMP expression at both the mRNA and protein level. VDR, 1α-hydroxylase, and the major epidermal lipid synthetic enzymes were also up-regulated. When an inhibitor of 1α, 25 dihydroxyvitamin D3 formation, ketoconazole, was applied immediately after UVB exposure, the cutaneous vitamin D system was inhibited, which in turn, blocked epidermal lipid synthesis, AMP expression, and permeability barrier homeostasis, suggesting that the beneficial effect of low-dose UVB depend, at least in part, on activation of the cutaneous vitamin D system. Our results provide new insights into the mechanisms whereby low-dose UVB comprises effective therapy for atopic dermatitis.