BALB/c 마우스에서 DNCB-유도 아토피 피부염 유사병변에 대한 Curcumin 투여와 630 nm LED 광치료의 병용 효과

The Combined Effects of Curcumin Administration and 630 nm LED Phototherapy against DNCB-induced Atopic Dermatitis-like Skin Lesions in BALB/c Mice

Article information

Korean J Clin Lab Sci. 2017;49(2):150-160
Publication date ( electronic ) : 2017 June 30
doi : https://doi.org/10.15324/kjcls.2017.49.2.150
제갈승주1, 박미숙2 and 김대중3
1 원광보건대학교 임상병리과
1 Department of Clinical Laboratory Science, Wokkwang Health Science University, Iksan, Korea
2 광양보건대학교 임상병리과
2 Department of Clinical Pathology, Gwangyang Health Science University, Gwangyang, Korea
3 분당제생병원 진단검사의학과
3 Department of Laboratory Medicine, Budang Jesaeng Hospital, Seongnam, Korea
Corresponding author: Seung-Joo Jekal Department of Clinical Laboratory Science, Wonkwang Health Science University, 514 Iksan-daero, Iksan 54538, Korea Tel: 82-63-840-1215 Fax: 82-63-840-1219 E-mail: sjjei@wu.ac.kr
received : 2017 April 18, rev-recd : 2017 April 24, accepted : 2017 April 24.

Abstract

Atopic dermatitis (AD) is a chronic inflammatory skin disease. It is characterized by eczematous lesions, skin dryness, and pruritus. The existing treatment drugs for AD have side effects, especially if the drugs are taken for extended periods. Therefore, new alternative therapies are necessary. The aim of this study was to investigate the combined effects of curcumin administration and LED irradiation on AD. AD-like lesions were induced in BALB/c mice by repeated application of 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (DNCB) to the shaved skin of the ear and neck. Thirty male BALB/c mice were divided into five groups: vehicle, DNCB, curcumin, LED, and curcumin+LED groups. Curcumin (0.1 g/kg/day) was administrated repeatedly during a period of 14 days (experimental period) and 630 nm LED irradiation (5 J/cm2/day) was performed in the acryl box once a day for 10 days, after inducing AD-like lesions via DNCB application. The severity of AD-like lesions was evaluated during the experimental period, using a modified SCORAD index. Both ear and neck skin tissues were examined histologically for epidermal thickness, mast cell, eosinophil counting, and dermal collagen density. Epidermal cell proliferation and apoptosis were detected using immunohistochemistry and TUNEL, respectively. These were all reduced in SCORAD index, epidermal thickness, collagen density, number of mast cell and eosinophil in dermis, and number of proliferating cell and apoptotic cell in epidermis by curcumin administration and 630 nm LED irradiation. Moreover, all parameters were significantly lower in the curcumin+LED group compared with the curcumin group and LED group. These results suggest that the combined therapy of curcumin and LED is more effective than a single treatment. We recommend that this can be a feasible alternative therapy to manage AD.

서론

아토피피부염은 만성 재발성 염증성 피부질환으로 심한 가려움증, 홍반, 부종 및 표피 과각화를 동반하며, 그 원인으로는 유전적, 면역학적, 환경적 요인 등이 거론되고 있다[1,2]. 이 질환은 기관지 천식, 알러지성 비염과 더불어 대표적인 알러지성 질환으로 어린이에서는 15∼30%, 어른에서는 2∼10%가 발생되는 것으로 추정하고 있으며, 최근 그 비율이 급격히 증가하고 있는 추세이다[3]. 아토피 피부염은 T 림프구의 활성화, 표피 랑게르한스세포(Langerhans cell)의 자극 증가, 사이토카인(cytokines) 체계의 이상, IgE의 증가 등에 의해 유발하며, 피부 염증부위에는 T 림프구, 대식세포, 호산구, 비만세포 등의 염증세포가 침윤되어 있다[4,5].

일반적으로 아토피 피부염의 치료에는 현재 코티코스테로이드(corticosteroid), 항히스타민, 항생제, 사이클로스포린, 인터페론 등이 흔히 사용되고 있는데, 이들 대부분은 가려움증이나 2차염증의 발생을 방지하는 목적으로 사용되며 큰 효과가 없으며 오히려 불필요한 부작용 때문에 사용이 제한되고 있다. 특히 코티코스테로이드는 아토피 피부염의 가장 효과적인 치료제로 대부분의 나라에서 크림이나 연고 형태로 사용되고 있는데, 이러한 도포 형 코티코스테로이드는 얇고 예민한 피부 부위에 효과적이긴 하지만 피부의 두께가 더 얇아지고 피부장벽을 손상시키는 역효과가 문제가 되고 있다[6,7]. 따라서 최근 이러한 부작용을 줄이기 위해 여러 식품이나 curcumin 및 광선을 이용한 다양한 치료법들이 시도 되고 있으며 치료효과도 있는 것으로 보고 되고 있다[8,9].

Curcumin은 생강 과에 속하는 강황(Curcuma longa)의 주요성분으로 폴리페놀(polyphenol)을 함유하고 있어서 항염 기능과 함께 대식세포 내의 유도성 산화질소(iNOS)를 억제시켜 항암 작용이 있으며[10], 기니아픽을 이용한 알러지 실험에서 항알러지 효과가 있는 것으로 보고하였다[11].

한편 광치료(phototherapy)는 이미 오래전부터 피부질환 치료에 많이 활용되어 왔다. 광치료로 흔히 사용되고 있는 레이저는 빛이 국소에 집중되는 한계가 있는데 반해, 발광다이오드(light emitting diode, LED)를 이용한 광치료는 적절한 광 출력으로 상처의 넓은 부위를 효과적으로 치료 할 수 있어서 점차 사용이 늘고 있는 추세이다[12]. 최근 다양한 파장을 사용한 LED 광치료가 피부질환에 여러 생물학적 효과가 있음이 알려지면서 아토피피부염 치료에 사용이 증가하고 있다[13,14]. LED에 의한 광치료 원리는 광원의 광자가 세포나 조직 내의 발색단이나 사이토크롬 C 산화효소(cytochrome C oxidase)와 같은 광수용체에 흡수되어 세포의 대사활성을 촉진하는데 기초한다[15]. 상처치료에는 630 nm의 파장의 LED가 효과적이며 피부에 1∼6 mm까지 침투하는 것으로 알려져 있다[16]. 우리의 이전 연구에서도 630 nm LED 조사가 당뇨 유도 마우스 실험 모델을 사용한 상처 치유 실험에서 상처치유를 촉진 할 수 있음을 확인하였고[17], 840 nm LED 조사가 뼈관절염 유도 마우스 실험 모델에서 항염 작용이 있음도 보고하였다[18]. 뿐만 아니라 LED 광 치료에 있어서 수조(water bath)를 함께 사용하면 LED 광치료를 단독으로 사용하는 것보다 훨씬 더 치료효율을 높일 수 있는 시너지 효과가 있다는 보고도 있다[19].

본 연구는 BALB/c 마우스의 피부에 DNCB (1-chloro-2,4-dinitrobenzene)를 도포하여 아토피 피부염 유사병변을 유도한 후 강황의 주성분인 curcumin을 경구 투여하면서 근래 피부 염증질환 치료에 사용되고 있는 630 nm LED를 피부에 조사하여 귀와 목 부위에서 표피 두께의 변화, 비만세포와 탈과립 비만세포 및 호산구의 수적 변화, 진피 콜라겐의 밀도변화, 표피세포 증식성 및 세포자멸사에 미치는 병용 치료효과를 조직병리학적으로 평가하기 위하여 시도하였다.

재료 및 방법

1. 실험동물

생후 6주령의 특정병원균 부재 BALB/c 수컷 마우스를 KOATECH (Pyungtaek, Korea)으로부터 구입하여 사용하였다. 마우스의 취급과 관리는 실험동물 관리 및 이용에 관한 지침에 따라 수행하였다. 실험기간 동안 마우스는 고형사료(Cargill Agri Purina, Korea)와 물은 자유롭게 공급하면서 사육하였다. 동물 사육실의 온도는 23±1°C, 상대습도 50±2%를 유지하였으며, 명암주기는 12시간 간격으로 사육하면서 일주일간 적응 시킨 후 실험에 사용하였다.적응시킨 30마리를 각각 무작위로 6마리씩 vehicle군, DNCB군, curcumin군, LED군, curcumin+LED군으로 나누어 실험하였다.

2. 실험설계

귀와 목 부위의 피부를 제모한 후 vehicle군은 피부에 acetone-olive oil (AOO) (3:1)을 도포하고 0.5% caboxymethyl cellulose (CMC)를 경구투여하였고, DNCB군은 AOO에 녹인 1%와 4% DNCB를 피부에 도포하고 0.5% CMC를 경구투여하였다. Curcumin군은 curcumin 분말을 CMC (0.1 g/kg)에 녹여 DNCB를 도포하면서 14일간 경구투여하였으며, LED군은 DNCB를 피부에 도포하여 아토피 피부염을 일으킨 후 5일부터 5 J/cm2의 에너지의 630 nm LED를 10일간 조사하였다. Curcumin-LED군은 curcumin 투여와 630 nm LED군의 조사를 병행하였다(Figure 1).

Figure 1

Experimental protocol for induction of atopic dermatitis, curcumin administration and 630 nm LED irradiation. For DNCBsensitization, a 1 cm2 shaving area in the ear and neck skin wasapplied 400 μL of 1% DNCB on day 1. And the following challengeprocess, the sensitized area in the ear and neck skin was appliedwith 400 μL of 0.4% DNCB on day 3 and 300 μL of 0.4% DNCB3 times for 7 days, respectively. The mice were sacrificed on day14 to evaluate the effects of DNCB, curcumin administration and630 nm LED irradiation.

3. Curcumin 제조 및 투여

Curcumin (Sigma Chemical, St. Louis, MO, USA)을 0.5% carboxymethyl cellulose (Yakuri Pure Chemicals, LTD, Kyoto, Japan)에 부유시켜 녹인 다음 마우스에 체중 kg당 0.1 g을 녹여 존대를 사용하여 구강으로 투여하였다.

4. LED 조사

광원은 LED를 자체 제작하여 사용하였다. 사용된 LED는 5Φ의 원통모양으로 2000 mcd의 광도를 가지며, 가로 120 mm×세로 180 mm로 총 384 (16×24)개의 LED를장착하였다. LED의 회로 연결은 직렬과 병렬을 병합하여 사용하였고, 직류 전원을 사용하였다. LED의 수명 연장과 손상을 방지하기 위하여 안정적으로 저항을 150 Ω으로 하였다. LED 판넬의 광량은 전원 공급장치(Hanil, Seoul, Korea)의 전류를 조절하여 8.3 mW/cm2가 되도록 하여 실험에 사용하였다. LED 조사군은 이 에너지의 빛을 DNCB 처리 후 아토피피부염 증상이 나타나기 시작한 5일 이후부터 하루에 마리당 매일 10분간 총 5 J/cm2의 에너지를 조사하였다. 에너지 밀도는 Power Max R (Coherent, Portland, USA)을 사용하여 구하였다.

5. 피부병변의 육안 관찰

제모한 귀와 목 부위의 피부병변 유발 정도를 비교하기 위해 실험 시작 후 0일, 3일, 7일, 10일, 14일 때의 피부의 변화를 육안으로 관찰하여 피부에 나타나는 홍반, 부종, 가피, 찰과상, 태선화(lichenification), 건조 등 증상의 정도에 따라 임상적으로 사용하는 SCORAD index 평가방법[20]을 약간 변형하여 없음(0), 경도(1), 중등도(2), 고도(3)의 4 등급으로 나누어 판정하였으며, 각 군별로 평균치를 구하여 분석하였다.

6. 체중 및 장기무게 측정

마우스의 체중은 실험 종료 후 측정하였고, 장기의 무게는 부검 후 가슴샘, 지라, 림프절을 적출한 후 화학저울(AND HR200, Japan)을 이용하여 측정하고 평균값을 구하였다.

7. 조직병리학적 분석

귀와 목 부위의 피부조직을 채취하여 10% neutral buffered formalin (NBF) 용액에 고정한 다음 조직학적 검사를 위해 파라핀절편을 제작한 후 hematoxylin-eosin 염색을 비롯하여 비만세포 수를 측정하기 위해 toluidine blue 염색과 진피 콜라겐 면적 측정을 위해 Masson trichrome 염색을 하였다. 그 과정을 간략히 기술하면 파라핀절편을 탈파라핀한 후, 비만세포 염색은 Enerback [21]의 방법을 약간 수정하여 0.5% toluidine blue (0.5 N HCl에 용해한 후 농염산으로 pH 0.5로 조정) (Sigma, St. Louis, MO, USA)에 옮겨 1시간 30분간 염색한 다음 증류수에 5분간 세척한 후 nuclear fast red용액에 대조염색 하였고, 콜라겐 염색은 Bouin용액에서 60°C에서 1시간 2차 고정한 다음 Weigert iron hematoxylin용액을 사용하여 핵을 염색하고 biebrich scarlet-acid fuchsin과 aniline blue용액을 사용하여 콜라겐과 배경염색을 하여 현미경(Olympus Optical, Tokyo, Japan)으로 확인하였다. 완성된 염색표본은 영상분석을 위해 컴퓨터 영상분석 프로그램(Image-Pro Plus ver 4.5, Media Cyberbetics, Georgia, USA)을 사용하여 시행하였다.

8. 면역조직화학염색

피부 표피세포의 증식능을 보기 위해 Ultravision Detection System kit (Thermo Scientific, Fremont, USA)을 사용하여 PCNA-면역염색을 수행하였다. 그 과정은 4 μm 두께의 파라핀 절편을 제작하여 POLYSINE™슬라이드(Thermo Scientific, USA)에 붙이고 58°C의 슬라이드 건조기에서 충분히 건조시킨 후 자일렌에 탈파라핀, 하강 계열알코올에 함수한 다음 면역조직화학염색을 습윤챔버를 사용하여 수기로 시행하였다. 그 과정을 간단히 요약하면 절편을 수세 후 Hydrogen peroxidase block에 10분간 처리하여 내인성 과산화효소의 활성을 차단하였고, Tris-buffer saline (Thermo Scientific, Fremont, USA)으로 세척한 다음 Ultra V block을 사용하여 5분간 두어 비특이적 배경염색을 억제시켰다. 이어 일차 항체로 anti-F4/80 antibody [Cl:A3-1] (1:200; Abcam, Cambridge, UK)를 30분간 반응시킨 다음 Tris-buffer saline로 세척하고 Primary antibody enhancer를 5분간 처리한 후 HRP-polymer를 사용하여 15분간 반응시켰다. 그 후 DAB로 5분간 발색시킨 후 Gill’s hematoxylin으로 대조염색하여 현미경으로 확인한 후, 컴퓨터 영상프로그램을 사용하여 PCNA-양성세포 수를 산출하였다.

9. TUNEL 검사

피부표피의 자멸세포(apoptotic cells) 수를 측정하기 위해 ApopTag Peroxidase In Situ Detection kit (Millipore, Billerica, MA, USA)를 사용하여 제조사 매뉴얼을 따라 시행하였다. 그 과정을 간단히 설명하면 파라핀절편을 탈파라핀하여 함수한 후 H2O2-methanol을 사용하여 내인성 과산화효소 활성을 차단하였고 proteinase K (Dako, Carpinteria, USA)를 실온에서 15분간 전처리한 다음 equilibration buffer로 10초간 처리하였고 이어 terminal deoxynucleotidyl transferase에서 1시간 반응시켰다. 이 절편은 anti-digoxigenin conjugate에 반응시킨 후 diaminobenzidine으로 발색한 다음 Gill hematoxylin으로 대조염색하여 현미경으로 확인한 후, 컴퓨터 영상프로그램을 사용하여 PCNA-양성세포 수를 산출하였다.

10. 통계분석

통계분석은 One-Way ANOVA test와 Kruskal-Wallis test를 사용하였고 p값이 0.05 이하일 때 유의성이 있는 것으로 판정하였다

결과

1. 피부병변의 육안 변화

피부병변의 SCORAD 점수는 4군 모두 3일부터 14일까지 vehicle군에 뚜렷하게 증가하였으나, 7일째에는 DNCB-군에 비해 curcumin군과 LED군에서 점수가 약간 감소한 반면(p<0.05), curcumin+LED군에서는 뚜렷한 감소를 나타내었다(p<0.01). 10일째에는 DNCB군의 점수는 큰 변화가 없었으나 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군에서 DNCB군에 비해 뚜렷하게 감소하였다(p<0.01). 14일째에는 DNCB군의 경우 여전히 피부병변에 큰 변화가 없었으나 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군 모두 DNCB군에 비해 점수가 매우 뚜렷하게 감소하는 경향을 보였다(p<0.001), 그러나 14일째에는 점수가 감소한 3군간에는 육안적으로 구분할만한 차이를 발견할 수 없었다(Figure 2).

Figure 2

Effect of curcumin administration and LED irradiation on AD-like skin lesions induced by DNCB treatment in BALB/c mice. (A)Photographs showing skin lesions in the different groups of experimental mice. (B) The severity of clinical symptoms of the skin lesionswas evaluated macroscopically and expressed as the dermatitis score (maximum score, 12) which was defined as a sum of individualscores (0, no symptom; 1, mild; 2, moderate; 3, severe) for the following four symptoms: erythema/hemorrhage, edema, erosion anddryness. Data shown are the mean±SE. ***p<0.01 compared with the vehicle group, #p<0.05, ##p<0.01, ###p<0.001 compared withthe DNCB control group and ¦p<0.05 compared with the curcumin and LED group (N=6).

2. 체중 및 장기 무게의 변화

14일간의 실험종료 후 체중을 측정한 결과, vehicle군에 비해 DNCB군에서만 뚜렷한 체중 감소를 나타내었고, LED군에서는 약간 감소하는 경향을 보였으나 통계학적 의의는 없었으며, curcumin군과 curcumin+LED군에서는 의미 있는 체중 감소가 나타나지 않았다(Figure 3). 아토피-유사 피부염이 체내 면역장기인 지라, 림프절, 가슴샘에 미치는 영향을 보기 위해 각 장기의 무게를 측정한 결과, vehicle군에 비해 DNCB군에서 지라, 림프절, 가슴샘의 무게는 각각 매우 뚜렷하게 증가하였다(p<0.001, p<0.001). 이에 대해 DNCB군에 비해, 지라, 림프절, 가슴샘의 무게가 curcumin군, LED군, curcumin+LED군에서 모두 의미 있게 감소하였다(p<0.001, p<0.01). 그러나 curcumin군, LED군, curcumin+LED군 사이에는 통계학적으로 의미 있는 차이는 없었다.이 결과는 아토피피부염에 curcumin 투여와 LED조사가 면역장기에 직간접적으로 영향을 미친 결과로 해석된다.

Figure 3

Effect of curcumin administration and LED irradiation onbody and lymphoid organ weight of DNCB-induced AD-like skin lesion in BALB/c mice. Data shown are themean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 comparedwith the vehicle group, and #p<0.05, #p<0.01, ###p<0.001 comparedwith the DNCB group (N=6).

3. 표피두께 및 진피 콜라겐 밀도의 변화

귀와 목에서 표피두께의 변화를 보기 위해 측정한 결과, vehicle군에 비해 DNCB군의 귀와 목부위의 표피두께가 의미 있게 증가하였으며, 귀보다 목 부위에서 매우 뚜렷한 증가를 보였다(Figure 4A,B). 이에 대해 DNCB군에 비해 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 모두 표피의 두께가 뚜렷하게 감소하였다(p<0.01, p<0.001). 이 중 특히 curcumin+LED군의 경우 curcumin군과 LED군에 비해 귀와 목 부위에서 의미 있는 감소를 나타내었다(Figure 4B). 귀와 목 부위의 콜라겐 밀도 변화를 측정한 결과, vehicle군에 비해 DNCB군에서 콜라겐 밀도가 매우 뚜렷하게 증가하였다(Figure 4A,C). 이에 대해 DNCB군에 비해 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 모두 콜라겐 밀도가 매우 뚜렷하게 감소하였다(p<0.001). 이에 대해 DNCB군에 비해 비해 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 모두 콜라겐 밀도가 뚜렷하게 감소하였다(p<0.001). 이 중 특히 curcumin+LED군의 경우 curcumin군과 LED군에 비해서도 귀와 목 부위에서 의미 있게 감소하였다(p<0.01).

Figure 4

Effect of curcumin administration and LED irradiation on ear thickness and epidermal thickness of DNCB-induced AD-like skinlesion in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thickness) were stained with hematoxylin and eosin and Masson trichrome. (B, C) Datashown are the mean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 compared with the vehicle group, ##p<0.01, ###p<0.001 compared with the DNCBgroup, and ¦p<0.05, ¦¦p<0.01, ¦¦¦p<0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).

4. 비만세포 및 호산구 수의 변화

비만세포는 vehicle군을 제외한 4군 모두에서 진피의 하층부보다 상층부에서 많이 출현하였고 그 대부분은 난원형으로 혈관 가까이에 분포하였으며 과립형과 탈과립형의 두 형태로 관찰되었다(Figure 5). 세포의 총 수는 vehicle군에 비해 DNCB군에서 귀와 목 부위에서 매우 뚜렷하게 증가하였으며(p<0.001), DNCB군에 비해 curcumin군, LED군 및curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 매우 뚜렷하게 감소하였다(p<0.001). 이 중 탈과립 비만세포 수도 귀 부위에서 curcumin과 LED 단독 처치군에 비해curcumin+LED에서 매우 뚜렷한 감소를 보인(p<0.001) 반면, 목 부위에서는 감소하는 경향을 보였지만 통계학적으로 의미 있는 감소를 나타나지 않았다(Figure 5B, 5C).

Figure 5

Effect of curcumin administration and LED irradiation on mast cell number of DNCB-induced AD-like skin lesions in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thickness) were stained with toluidine blue. Inset indicates a degranulated mast cell. (B, C) Data shown are the mean±SE. **p<0.01 compared with the vehicle group, #p<0.05, ##p<0.01 compared with the DNCB group, and §p<0.05, §§p<0.01, §§§p<0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).

호산구 수는 vehicle군에 비해 DNCB군의 귀와 목에서 매우 뚜렷하게 증가하였으며(p<0.001, p<0.001), DNCB군에 비해 curcumin군, LED군 및curcumin+LED군에서 귀와 목 부위에서 뚜렷한 감소를 보였다(Figure 6). 그러나curcumin+LED군의 경우curcumin군, LED군에 비해 귀와 목 부위 모두에서 통계학적으로 의미 있는 변화가 나타나지 않았다.

Figure 6

Effect of curcumin administration and LED irradiation on eosinophil number of DNCB-induced AD-like skin lesions in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thick) were stained with hematoxylin and eosin. (B) Data shown are the mean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 compared with the vehicle group, and ##p<0.01, ###p<0.001 compared with the DNCB group (N=6).

5. 피부표피의 PCNA-양성세포 수 및 자멸세포 수의 변화

표피세포의 증식능과 자멸세포 수의 변화를 보기 위해 PCNA 면역염색과 TUNEL 염색을 한 결과, PCNA-양성세포의 수는 vehicle군에 비해 DNCB군의 귀와 목 부위에서 모두 매우 뚜렷하게 증가하였다(Figure 7A, 7B). 이에 대해 DNCB 군에 비해 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 매우 뚜렷한 감소를 보여(p<0.001), curcumin 투여와 LED 조사가 표피세포의 과다한 증식을 억제하는 효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 curcumin 과 LED 단독 처치군에 비해 curcumin+LED 군에서 표피세포 증식능의 감소가 좀 더 뚜렷한 것으로 관찰되었다(p<0.05). TUNEL-양성세포의 수는 vehicle군에 비해 DNCB군의 귀와 목 부위에서 모두 매우 뚜렷하게 증가하였다(p<0.001, p<0.001). 이에 대해 DNCB 군에 비해 curcumin군, LED군 및 curcumin+LED군의 귀와 목 부위에서 매우 뚜렷한 감소를 보여(p<0.001) curcumin 투여와 LED 조사가 표피세포의 자멸사를 억제하는 효과가 있었으며, 특히 curcumin+LED군의 자멸세포의 수는 curcumin 단독 투여군이나 LED 단독 조사군에 비해 좀 더 의미 있게 감소하였다(Figure 7A, 7C). 이러한 결과는 curcumin 투여와 LED 조사가 DNCB 유도에 의한 아토피-유사병변에서 표피세포의 증식능과 세포의 자멸사를 억제시키는 두 가지 효과를 함께 가지고 있으며 curcumin 투여와 LED 조사를 병용할 경우 더 효과적인 것을 알 수 있었다.

Figure 7

Effect of curcumin administration and LED irradiation on the epidermal cell proliferation in AD-like skin lesions induced by DNCB treatment in BALB/c mice. (A) PCNA- and TUNEL-positive cells in the epidermis of each group, stained by immunohistochmical staining and TUNEL methods, respectively. (B, C) Data shown are the mean±SE. ***p<0.001 compared with the vehicle group, ###p<0.001 compared with the DNCB group, and §p0.05, §§p0.01, §§§p0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).

고찰

아토피피부염은 여러 요인에 의해 발생하지만 최근 대부분의 정보는 면역학적 특성에 기초하여 보고되고 있다.면역학적으로 아토피피부염은 T-세포, 랑게르한스세포, 비만세포, 호산구, 각질세포 등을 포함한 여러 세포들 사이의 상호작용에 의해 유발된다고 알려져 있다.

아토피피부염은 피부에 존재하는 수지상세포가 알러젠 처리과정에서 림프절로 이주하면서 시작하여, 발생 부위 표피에서의 보호장벽 붕괴와 각질세포의 뚜렷한 병리학적 변화로 발생한다[22]. 동시에 표피의 각질세포는 피부조직에서 특수하게 분화된 상피세포들로서 아토피피부염의 염증과정에서 시작과 유지에 기여하며 여러 염증성 중개물의 생성과 반응에 관여하는 진정한 선천면역세포로서 각질세포로부터 생성된 몇 종류의 염증성 중개물질을 분비하여 국소 부위나 멀리 떨어진 부위까지 영향을 미친다[23]. 아토피피부염에서 나타나는 피부 비후 현상은 이들 각질세포들의 세포자멸사(apoptosis) 조절 이상으로 상피구조가 붕괴되어 가시세포증(acanthosis)을 형성하면서 생기는 해면화(spongiosis), 세포사이 부종 및 육안적으로 볼 수 있는 인설(lichenified plaques)로 인해 발생한 것으로 보고 있다[24].

본 실험의 경우 DNCB-유도 BALB/c 마우스의 아토피피부염에서 피부병변의 중증도를 육안적으로 평가한 SCORAD 점수와 표피 두께를 측정한 결과 DNCB 처리군에서 SCORAD 점수와 표피 두께가 크게 증가하였으나 curcumin 투여군과 LED 조사군에서 SCORAD 점수와 표피 두께가 모두 감소하였으며 curcumin 투여와 LED조사를 병합한 처리군에서는 단독 처치군에 비해 특히 표피의 두께가 의미 있게 감소한 것으로 나타났다. 이는 curcumin투여와 LED조사가 아토피피부염 피부의 각질세포 활성과 세포자멸사를 억제하는 효과가 있는 것으로 추정한다.

세포자멸사는 선천면역과 후천면역의 확립과 유지에 필수적인 생리현상으로, 천식과 아토피피부염과 같은 염증성 및 면역성 질환에서도 활발하게 참여하는 것으로 알려져 있다[25]. 각질세포의 세포자멸사는 아토피피부염 환자의 습진 피부병변부위에서 흔히 관찰되며, 이로 인해 아토피피부염의 조직학적 특징의 하나인 해면화의 일어난다[26]. 또한 T-세포 매개 각질세포의 자멸사는 세포간 접착분자인 E-cadherin의 발현을 저하시킬 뿐만 아니라 화학주성인자를 방출하여 표피 내로 T-세포의 침윤을 촉진한다[25,26]. 따라서 curcumin 투여와 LED 조사는 각질세포에 작용하여 항염효과를 발휘할 것으로 가정한다. 특히 LED 조사는 마우스를 이용한 monosodium iodoacetate-유도 무릎 뼈관절염에 대한 실험에서 항염증 작용과 함께 염증세포의 수를 감소시키고 연골세포의 세포자멸사를 억제하는 효과가 있다는 보고가 있어 이 가정을 뒷받침한다[18].

아토피피부염에서 나타나는 특징적인 임상증상들은 가장 중요한 염증성 중개물의 하나인 히스타민의 수치 상승과 관련이 있다[27,28]. 히스타민은 비만세포의 IgE중재로 인한 탈과립에 의해 발생하며, 비만세포의 탈과립에 필요한 IgE는 피부병변에 출현하는 비만세포, T-세포, 호산구에서 생성된 Th2 사이토카인에 의해 많이 생산되고 있다[29].

우리의 DNCB-유도 BALB/c 마우스의 아토피피부염에서도 비만세포와 호산구 수가 뚜렷이 증가하였고, 탈과립 비만세포도 크게 증가한 반면, curcumin투여와 630 nm LED 조사에서는 비만세포와 호산구의 수가 뚜렷이 감소하였고 탈과립 비만세포도 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이는 curcumin 투여와 630 nm LED 조사에 의해 아토피피부염의 염증을 억제할 뿐만 아니라 비만세포의 탈과립에 관여하는 IgE와 히스타민 방출과 같은 면역학적 경로를 억제시킴으로써 DNCB-유도 아토피피부염의 증상을 완화시킨 것으로 생각된다[19]. 또한 curcumin 투여와 630 nm LED조사가 각각 단독 처치만으로도 아토피피부염의 항염 작용을 통한 치료효과가 있음을 확인하였으며, 이 두 병용 처치를 통하여 아토피피부염에 치료효과를 상승시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 이외에도 curcumin은 비면역적으로 유도한 아토피피부염과 같은 비만세포 중재성 질환에서 비만세포의 안정제로서의 잠재성을 보고하였으며[30], 630 nm와 830 nm LED 조사가 진드기인 Dermatophagoidesfarinae 추출물이 함유된 연고로 유도한 NC/Nga 마우스 아토피피부염 모형에서 아토피 증상을 크게 완화시켰고, 염증세포의 수도 감소하였고 염증성 사이토카인들도 감소하는 항염효과가 있음도 확인하였다[9]. 문 등[31]도 CD4+ T-세포를 Th2 세포로 분화시키는 사이토카인의 하나인 TSLP (thymic stromal lymphopoietin)가 표피의 각질세포와 비만세포에서도 발현되는 것을 확인하였고, curcumin이 비만세포에서 생성되는 TSLP를 억제함으로써 아토피피부염을 치료할 것으로 추정하였다. 또한 김 등[19]도 sodium dodecyl sulfate로 유발한 NC/Nga 마우스 아토피피부염 모델에서 수조(water bath)에 넣어 저출력 850 nm LED 조사를 병행하여 치료한 결과 마우스의 아토피피부염 증상을 억제시키는데 이는 IgE, nitric oxide, histamine을 포함하는 면역경로를 억제함으로써 이루어지며, 이 병합 치료는 피부병변에서 TSLP의 유도와 염증세포의 침윤을 감소시킨다고 하였다. 비만세포에서의 TSLP의 생성은 NF-kB에 의해 조절되며, curcumin은 마우스에서 NF-kB 결합능을 억제시키고, 비만세포에서 NF-kB의 활성을 억제한다고 하였다[31,32]. NF-kB는 비만세포 외에 각질세포와 섬유모세포에서도 활성을 나타내는 일반적인 전사인자로서 사람 mRNA TSLP의 발현에 관여하고 있다고 알려져 있다[33,34].

따라서 우리의 DNCB-유도아토피피부염 실험에서 LED-조사와 curcumin 투여에 의해 DNCB 처리군에 비해 피부의 표피층의 두께와 진피층의 콜라겐이 밀도가 크게 감소한 것은 LED-조사와curcumin 투여가 각질세포와 섬유모세포의 NK-kB 활성을 억제시켜 비만세포의 TSLP 생성을 억제시킴으로써 이들 세포의 증식과 콜라겐 생성을 억제시킨 결과로 추정한다. 그리고 LED 단독 조사나 curcumin 단독 투여에 비해 630 nm LED와 curcumin 투여의 병용 치료가 비만세포, 호산구 수의 감소 및 비만세포의 탈과립을 억제함으로써 아토피 증상을 완화시키는데 훨씬 더 효과적임을 확인하였다. 또한 curcumin은 마우스를 사용한 CCl4-유도 간섬유화 실험에서 비만세포와 대식세포의 수를 감소시키는 반면 간성상세포의 자멸을 증가시켜 콜라겐 생성을 감소시키는 것으로 나타났다[35]. 본 실험에서도 아토피 피부염에 curcumin 투여와 LED 조사할 경우 비만세포와 호산구 수를 감소시키고 비만세포의 탈과립을 억제하여 히스타민 방출로 인한 아토피 피부염의 증상을 완화시키고 섬유모세포를 활성화 시키는 TGF-β의 분비를 억제하여 콜라겐의 생성을 감소시킨 것으로 해석된다.

마지막으로 본 실험의 DNCB를 처리한 군에서 1차림프기관인 가슴샘과 2차 림프기관인 지라와 림프절의 무게가 크게 증가하였다가 curcumin과 630 nm LED 조사에 의해 이들 장기의 무게가 감소하였는데, 이는 curcumin 투여와 LED 조사가 면역장기에도 직간접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 최근 보고[36]에서 아토피피부염 증상을 가진 마우스로부터 분리한 가슴샘 유래 Tregs 세포가 Th2세포와 같은 특성을 나타내며, 가슴샘 유래 Tregs 세포의 증가가 아토피 증상을 촉진하는데, 가슴샘 유래 Tregs세포의 증가에는 피부 유래 수지상세포와 랑게르한스세포들이 관여함으로써 가슴샘을 비롯한 지라, 림프절에 영향을 미친다는 결과와도 일치하는 소견이다.

이상의 결과를 종합해 볼 때, DNCB로 유도한 BALB/c 마우스의 아토피 피부염 모델에서 curcumin 경구 투여와 630 nm LED 조사가 각각 아토피 피부염의 증상을 억제하는 효과가 있음을 확인하였고, curcumin 투여와 630 nm LED 조사를 함께 사용할 경우 아토피 피부염의 치료효과를 좀 더 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었다. 이 결과는 curcumin의 투여에 의한 항염, 항산화 작용과 함께 아토피 피부에 630 nm LED 광이 직접 작용함으로써 비만세포와 호산구의 수를 감소시키고 비만세포의 탈과립을 억제시킴으로써 아토피 피부염의 증상을 완화시킬 뿐만 아니라 비만세포 탈과립에 의한 섬유모세포의 활성도 억제되어 진피의 콜라겐 침착도 감소한다는 것을 알 수 있었다. 또한 curcumin 투여와 630 nm LED 조사가 DNCB에 의한 표피기저층의 각질세포의 증식을 억제함과 동시에 각질세포의 자멸을 유도하여 피부의 과증식과 각질 탈락으로 인해 발생하는 인설을 방지하는 효과가 있다는 것도 확인하였다. 따라서 이후 사람에게 사용하기 위한 임상연구와 함께 분자수준에서의 효과를 규명하기 위한 연구의 필요성을 제안한다.

요약

아토피피부염은 만성 염증성 피부질환으로 습진성병변, 피부건조 및 가려움증의 특징적 증상을 보이는 질환이다.현재 사용되고 있는 아토피피부염 치료약제들은 오래 사용시 여러 부작용이 있어서 이를 대신할 새로운 대체 치료법의 개발이 요구되고 있다. Curcumin은 항염, 항알러지와 같은 효과를 나타내는 천연 폴리페놀(polyphenol)이며, 발광다이오드(light emitting diode, LED) 광치료는 아토피피부염과 상처치유에 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 DNCB로 유도한BALB/c 마우스의 아토피피부염에서 curcumin 투여와 630 nm LED 조사를 병용하여 그 치료 효과를 높일 수 있는가를 조사하기 위해 시도하였다. 아토피피부염의 치료 효과를 조사하기 위해 modified SCORAD 지수, 조직병리학적 분석, 면역조직화학염색 및 TUNEL 검사를 사용하였다. 그 결과 curcumin 투여와 630 nm LED 조사가 각각 SCORAD 지수, 비만세포 및 탈과립세포의 수, 호산구 수, 표피세포의 증식능 및 자멸세포의 수를 의미 있게 감소시키고, 비만세포의 탈과립을 억제하여 섬유모세포에 의한 콜라겐 생성을 의미 있게 감소시켰으며, curcumin 투여와 LED 조사를 병용하였을 경우 단일 처리군에 비해 이들 수치가 의미 있게 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 아토피피부염 치료에 curcumin 투여와 LED 조사가 각각 효과가 있음을 의미하며, 병용 치료 시 그 효과가 좀 더 향상된다는 것을 의미하는 것으로, 아토피피부염의 대체치료 전략으로 curcumin 투여와 630 nm 조사의 병용 치료를 제안한다.

Acknowledgements

None

References

1. Hartmann B, Riedel R, Jörβ K, Loddenkemper C, Steinmeyer A, Zügel U, Babina M, et al. Vitamin D receptor activation improves allergen-triggered eczema in mice. J Invest Dermatol 2012;132(2):330–336.
2. Boguniewicz M, Leung DY. Atopic dermatitis: a disease of altered skin barrier and immune dysregulation. Immunol Rev 2011;242(1):233–246.
3. Bieber T. Atopic dermatitis. Ann Dermatol 2010;22(2):125–137.
4. Dubois GR, Bruijnzeel PL. IL-4-induced migration of eosinophils in allergic inflammation. Ann N Y Acad Sci 1994;725:268–273.
5. Incorvaia C, Frati F, Verna N, D’Alo S, Motolese A, Pucci S. Allergy and the skin. Clin Exp Immunol 2008;153(1):27–29.
6. Joo YH, Won CH, Kim JY, Cho KH, Min KU, Kim KH. Developing an atopic dermatitis model and the effects of actinidia extract on dermatitis in NC/Nga mice. Korean J Dermatol 2009;47(10):1105–1112.
7. Smuith CH. New approaches to topical therapy. Clin Exp Dermatol 2000;25(7):567–574.
8. Lee JH, Kim JW, Ko NY, Mun SH, Her E, Kim BK, et al. Curcumin, a constituent of curry, suppresses IgE-mediated allergic response and mast cell activation at the level of Syk. J Allergy Clin Immunol 2008;121(5):1225–1231.
9. Kim CH, Cheong KA, Lee AY. 850nm light-emitting-diode phototherapy plus low-dose tacrolimus (FK-506) as combination therapy in the treatment of Dermatophagoides farinae-induced atopic dermatitis-like skin lesions in NC/Nga mice. J Dermatol Sci 2013;72(2):142–148.
10. Brouet I, Ohshima H. Curcumin, an anti-tumour promoter and anti-inflammatory agent, inhibits induction of nitric oxide synthase in activated macrophages. Biochem Biophys Res Commun 1995;206(2):533–540.
11. Ram A, Das M, Ghosh B. Curcumin attenuates allergen-induced airway hyperresponsiveness in sensitized guinea pigs. Biol Pharm Bull 2003;26(7):1021–1024.
12. Dall Agnol MA, Nicolau RA, de Lima CJ, Munin E. Comparative analysis of coherent light action (laser) versus non-coherent light (light-emitting diode) for tissue repair in diabetic rats. Lasers Med Sci 2009;24(8):909–916.
13. Barolet D. Light-emitting diodes (LEDs) in dermatology. Semin Cutan Med Surg 2008;27(4):227–238.
14. Lim YY, Jang WS, Kim HM, Kim IS, Lee JW, Kim MN, et al. Therapeutic effects of light emitting diode on atopic dermatitis-like lesions in NC/Nga mice. Korean J Asthma Allergy Clin Immunol 2011;3(3):207–214.
15. Kalka K, Merk H, Mukhtar H. Photodynamic therapy in dermatology. J Am Acad Dermatol 2000;42(3):389–413.
16. Simpson CR, Kohl M, Essenpreis M, Cope M. Near-infrared optical properties of ex vivo human skin and subcutaneous tissues measured using the Monte Carlo inversion technique. Phys Med Biol 1998;43(9):2465–2478.
17. Jekal SJ, Kwon PS, Kim JK. Effect of 630 nm light emitting diode (LED) irradiation on wound healing in streptozotocin-induced diabetic rats. J Exp Biomed Sci 2010;16(4):1–12.
18. Jekal SJ, Kwon PS, Kim JK, Lee JH. Effect of 840 nm light-emitting diode (LED) irradiation on monosodium iodoacetate-induced osteoarthritis in rats. J Korean Soc Phys Med 2014;9(2):151–159.
19. Kim CH, Cheong KA, Lim WS, Park HM, Lee AY. Effect of low-dose light-emitting-diode therapy in combination with water bath for atopic dermatitis in NC/Nga mice. Photodermatol Photoimmunol Photomed 2016;32(1):34–43.
20. Kim JY, Jeong MS, Choi SE, Kim JY, Park KY, Park KH, et al. The effects of acer ginnala leaves extraction on the atopic dermatitis-like skin lesions in NC/Nga mice. Korean J Dermatol 2010;48(11):913–918.
21. Enerback L. Mast cells in rat gastrointestinal tract: Effect of fixation. Acta Pathol Microbiol Scand 1966;66:289–302.
22. Holgate ST. The epithelium takes centre stage in asthma and atopic dermatitis. Trends Immunol 2007;28(6):248–251.
23. Esche C, De Benedetto A, Beck LA. Keratinocytes in atopic dermatitis: inflammatory signals. Curr Allergy and Asthma Rep 2004;4(4):276–284.
24. Wu Z, Uchi H, Morino-Koga S, Shi W, Furue M. Resveratrol inhibition of human keratinocyte proliferation via SIRT1/ARNT/ERK dependent downregulation of aquaporin 3. J Dermatol Sci 2014;75(1):16–23.
25. Trautmann A, Akdis M, Kleemann D, Altznauer F, Simon HU, Graeve T, et al. T cell-mediated Fas-induced keratinocyte apoptosis plays a key pathogenetic role in eczematous dermatitis. J Clin Invest 2000;106(1):25–35.
26. Rebane A, Zimmermann M, Aab A, Baurecht H, Koreck A, Karelson M, et al. Mechanisms of IFN-gamma-induced apoptosis of human skin keratinocytes in patients with atopic dermatitis. J Allergy Clin Immunol 2012;129(5):1297–1306.
27. Stander S, Steinhoff M. Pathophysiology of pruritis on atopic dermatitis: an overview. Exp Dermatol 2002;11(1):12–24.
28. Caglayan Sozmen S, Karaman M, Cilaker Micili S, Isik S, Arikan Ayyildiz Z, Bagriyanik A, et al. Resveratrol ameliorates2,4-dinitrofluorobenzene-induced atopic dermatitis-like lesions through effects on the epithelium. Peer J 2016;31:4e1889.
29. Vercelli D, Geha RS. Regulation of isotype switching. Curr Opin Immunol 1992;4(6):794–797.
30. Subhashini Chauhan PS, SKumari S, Dash D, Singh R. Curcumin inhibits compound 48/80 induced systemic anaphylaxis. American Journal of Life Sciences 2013;1(4):165–170.
31. Moon PD, Jeong HJ, Kim HM. Down-regulation of thymic stromal lymphopoietin by curcumin. Pharmacol Rep 2013;65(2):525–531.
32. Wakade C, King MD, Laird MD, Alleyne Jr CH, Dhandapani KM. Curcumin attenuates vascular inflammationand cerebral vasospasm after subarachnoid hemorrhage in mice. Antioxid Redox Signal 2009;11(1):35–45.
33. Lee HC, Headley MB, Iseki M, Ikuta K, Ziegler SF. Cutting edge: Inhibition of NF-kB-mediated TSLP expressionby retinoid X receptor. J Immunol 2008;181(8):5189–5193.
34. Lee HC, Ziegler SF. Inducible expression of the proallergic cytokine thymic stromallymphopoietin in airway epithelial cells is controlled by NFkB. Proc Natl AcadSci USA 2007;104(3):914–919.
35. Jekal SJ, Min BW, Park H. Protective effects of curcumin on CCl4-induced hepatic fibrosis with high fat diet in C57BL/6 mice. Korean J Clin Lab Sci 2015;47(4):251–258.
36. Moosbrugger-Martinz V, Tripp CH, Clausen BE, Schmuth M, Dubrac S. Atopic dermatitis induces the expansion of thymus-derived regulatory T cells exhibiting a Th2-like phenotype in mice. J Cell Mol Med 2016;20(5):930–938.

Notes

Funding: 이 논문은 2016 학년도 원광보건대학교 교내학술 연구비 지원에 의해 수행한 연구임.

Conflict of interest: None

Article information Continued

Figure 1

Experimental protocol for induction of atopic dermatitis, curcumin administration and 630 nm LED irradiation. For DNCBsensitization, a 1 cm2 shaving area in the ear and neck skin wasapplied 400 μL of 1% DNCB on day 1. And the following challengeprocess, the sensitized area in the ear and neck skin was appliedwith 400 μL of 0.4% DNCB on day 3 and 300 μL of 0.4% DNCB3 times for 7 days, respectively. The mice were sacrificed on day14 to evaluate the effects of DNCB, curcumin administration and630 nm LED irradiation.

Figure 2

Effect of curcumin administration and LED irradiation on AD-like skin lesions induced by DNCB treatment in BALB/c mice. (A)Photographs showing skin lesions in the different groups of experimental mice. (B) The severity of clinical symptoms of the skin lesionswas evaluated macroscopically and expressed as the dermatitis score (maximum score, 12) which was defined as a sum of individualscores (0, no symptom; 1, mild; 2, moderate; 3, severe) for the following four symptoms: erythema/hemorrhage, edema, erosion anddryness. Data shown are the mean±SE. ***p<0.01 compared with the vehicle group, #p<0.05, ##p<0.01, ###p<0.001 compared withthe DNCB control group and ¦p<0.05 compared with the curcumin and LED group (N=6).

Figure 3

Effect of curcumin administration and LED irradiation onbody and lymphoid organ weight of DNCB-induced AD-like skin lesion in BALB/c mice. Data shown are themean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 comparedwith the vehicle group, and #p<0.05, #p<0.01, ###p<0.001 comparedwith the DNCB group (N=6).

Figure 4

Effect of curcumin administration and LED irradiation on ear thickness and epidermal thickness of DNCB-induced AD-like skinlesion in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thickness) were stained with hematoxylin and eosin and Masson trichrome. (B, C) Datashown are the mean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 compared with the vehicle group, ##p<0.01, ###p<0.001 compared with the DNCBgroup, and ¦p<0.05, ¦¦p<0.01, ¦¦¦p<0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).

Figure 5

Effect of curcumin administration and LED irradiation on mast cell number of DNCB-induced AD-like skin lesions in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thickness) were stained with toluidine blue. Inset indicates a degranulated mast cell. (B, C) Data shown are the mean±SE. **p<0.01 compared with the vehicle group, #p<0.05, ##p<0.01 compared with the DNCB group, and §p<0.05, §§p<0.01, §§§p<0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).

Figure 6

Effect of curcumin administration and LED irradiation on eosinophil number of DNCB-induced AD-like skin lesions in BALB/c mice. (A) Skin sections (4 μm thick) were stained with hematoxylin and eosin. (B) Data shown are the mean±SE. **p<0.01, ***p<0.001 compared with the vehicle group, and ##p<0.01, ###p<0.001 compared with the DNCB group (N=6).

Figure 7

Effect of curcumin administration and LED irradiation on the epidermal cell proliferation in AD-like skin lesions induced by DNCB treatment in BALB/c mice. (A) PCNA- and TUNEL-positive cells in the epidermis of each group, stained by immunohistochmical staining and TUNEL methods, respectively. (B, C) Data shown are the mean±SE. ***p<0.001 compared with the vehicle group, ###p<0.001 compared with the DNCB group, and §p0.05, §§p0.01, §§§p0.001 compared with the curcumin and LED group (N=6).