줄기세포 과학과 화장품
피부는 끊임없이 새로워지며, 그 중심에는 피부 줄기세포가 있습니다. 이 섹션에서는 줄기세포란 무엇인지, 피부의 어디에 존재하는지, 그리고 줄기세포 연구를 화장품에 적용하기 전에 무엇을 고려해야 하는지 설명합니다.
자기 복제와 분화가 가능한 세포
줄기세포는 스스로를 복제할 수 있을 뿐 아니라, 여러 종류의 세포나 특정 조직·기관의 세포로 분화할 수 있습니다.
이미 분화한 세포는 다른 종류의 세포로 바뀔 수 없지만, 줄기세포는 적절한 조건에서 특정 세포가 될 수 있습니다. 손상된 조직을 줄기세포로 복구할 수 있다는 발상은 21세기 재생의학의 새로운 장을 열었습니다(Nature 414:118, 2001).
분화 능력에 따른 분류
| 분화능 | 세포 | 분화 가능 범위 |
|---|---|---|
| 전능성(Totipotent) | 수정란, 초기 난할 세포 | 태반을 포함한 개체 전체 |
| 만능성(Pluripotent) | 배아줄기세포 | 배아 외 조직을 제외한 신체의 거의 모든 세포 |
| 다분화능(Multipotent) | 성체(체세포) 줄기세포, 예: 피부, 골수 | 특정 계통의 세포 |
배아줄기세포 연구는 수정란을 하나의 생명으로 볼 때 제기되는 윤리적 문제로 오랫동안 제약을 받아 왔습니다. 이후 연구자들은 분화가 끝난 뒤에도 성인의 조직과 기관에 일정 수의 줄기세포가 남아 있다는 사실을 발견했습니다. 이를 성체줄기세포(또는 체세포 줄기세포)라고 합니다.
성체줄기세포는 특정 계통의 세포로 분화할 수 있는 다분화능을 지니며, 손상된 세포를 대체하고 조직의 항상성을 유지하는 조절자 역할을 합니다. 혈액이나 피부처럼 세포가 끊임없이 교체되는 조직에서 이 일을 담당하는 것이 바로 성체줄기세포입니다.
피부 줄기세포는 어디에 있을까
피부는 바깥쪽부터 표피, 진피, 피하지방의 세 층으로 이루어져 있습니다(그림 3). 표피는 주로 각질형성세포로 구성되며, 멜라닌을 만드는 멜라닌형성세포와 면역 역할을 하는 랑게르한스세포가 함께 존재합니다. 진피는 콜라겐과 탄력섬유로 이루어진 결합조직으로, 신경, 혈관과 림프관, 모낭, 피지샘과 땀샘이 자리합니다.
이 세포들은 발생 과정에서 배아줄기세포가 분화하면서 만들어집니다. 표피, 모낭, 샘은 외배엽에서, 진피는 중배엽에서, 멜라닌형성세포는 신경능선에서 유래합니다. 일부 줄기세포는 성인의 피부에 남아 평생 피부를 새롭게 유지합니다.
두 곳의 주요 서식처(니치)
피부 줄기세포는 주로 두 곳에 존재합니다(그림 4). 첫째는 모낭과 모낭 사이의 표피인 모낭간 표피의 기저층으로, 이곳의 줄기세포는 끊임없이 분열해 표피를 채웁니다.
둘째는 모낭 팽대부(bulge)로, 모낭을 다시 만들어 내고 큰 손상 후 표피 복구에 기여합니다. 피부 줄기세포는 분열만 하는 것이 아니라, 주변 세포에 영향을 주는 활성 물질도 분비합니다(Nature 445:874, 2007).
줄기세포도 나이가 듭니다
줄기세포도 다른 세포와 동일하게 나이가 들면서 노화되어 기능이 서서히 떨어집니다. 피부 줄기세포의 활성이 줄어들면 새로 만들어지는 세포의 수가 줄고, 주변 세포와의 신호 교환도 원활하지 않게 됩니다. 그 결과 피부의 복구 능력이 떨어지고 주름, 색소 침착 같은 노화 현상이 나타나며, 상처가 아무는 시간도 길어집니다.
그래서 피부 속 젊은 줄기세포를 보호해 노화를 늦추고, 기능이 약해진 줄기세포를 다시 활성화하는 것이 피부 노화에 대응하는 가장 근본적인 방법이 될 수 있습니다. 이런 이유로 피부 줄기세포에 대한 연구는 꾸준히 지속되고 있는 것입니다.
줄기세포 연구를 화장품에 적용하는 다섯 가지 방법
넓은 의미의 줄기세포 관련 화장품은 줄기세포 기술을 직접 또는 간접적으로 활용한 화장품이며, 좁은 의미로는 줄기세포 연구에서 얻은 원료를 주성분으로 하는 화장품입니다. 줄기세포 관련 원료는 모두 규제 적합성, 윤리성, 생물학적 안전성을 평가받아야 합니다.
| 방식 | 의미 | 주요 고려 사항 |
|---|---|---|
| ① 줄기세포 직접 사용 | 배양한 줄기세포를 원료로 사용 | 공여자의 바이러스나 프리온이 검출되지 않을 수 있으며, 프리온은 열에 안정적입니다. 장기 배양은 유전적으로 불안정한 세포가 생길 가능성을 높입니다(Nature Genetics, 2005). 세포주를 교체해야 하며, 공여자 단백질이 알레르기 반응을 일으킬 수 있습니다. |
| ② 줄기세포 추출물 | 줄기세포에서 특정 성분을 추출 | 100% 순도는 불가능합니다. 순도 99.99%라도 100 g에는 여전히 10 mg의 미확인 물질이 들어 있습니다. |
| ③ 배양액 | 세포를 제거하고 배지를 원료로 사용 | 항생제가 잔류해서는 안 됩니다. 동물 혈청(예: FBS)은 배양 후 제거할 수 없습니다. 분비 물질이 완전히 규명되지 않았습니다. EU는 화장품에 사람 유래 세포, 조직 및 그 산물의 사용을 금지합니다(Reg. (EC) No 1223/2009, Annex II). |
| ④ 규명된 배양 성분 | 프로테오믹스로 규명한 단백질, 사이토카인, 펩타이드를 발효 또는 합성으로 생산 | 최종 원료에 배양액이나 세포 부산물이 없습니다. 재조합 성장인자와 기능성 펩타이드가 이 방식으로 만들어집니다. |
| ⑤ 직접 스크리닝(스템셀로 방식) | 배양 중인 줄기세포에 후보 원료를 처리하고 결과에 따라 선별 | 제품에 줄기세포나 배양액이 없으므로 감염 위험이나 윤리적 우려가 없습니다. |
① 줄기세포를 직접 넣는 방법
배양한 줄기세포를 그대로 화장품 원료로 사용하는 방법입니다. 배양 줄기세포는 현재의 기술로 완전한 안전성을 보장하기 어렵습니다. 안전성(Safety) 문제로 어느 나라에서도 허가하고 있지 않습니다.
② 줄기세포 추출물을 쓰는 방법
줄기세포를 충분히 배양한 후 그 줄기세포로부터 특정 성분만 골라 추출하는 방법입니다. 그러나 추출 과정에서 목표 물질을 100% 순수하게 얻는 것은 불가능하며, 남아 있는 미량 성분의 정체는 여전히 알 수 없습니다. 예를 들어 순도 99.99%로 추출하더라도 추출물 100 g에는 10 mg의 미확인 물질이 남습니다. 극미량으로도 문제를 일으킬 수 있는 물질이라면 이 정도 양도 사람세포로부터 유래했다면 안전성에 큰 위협이 될 수 있습니다.
③ 배양액의 적합성을 입증하기 어려운 이유
줄기세포를 배양하면 다른 세포를 활성화하는 사이토카인을 비롯해 많은 물질이 배지로 분비됩니다. 방식 ③에서는 세포를 제거하고 배지 자체를 원료로 사용하므로 세심한 관리가 필요합니다. 동물세포 배양에는 오염을 막기 위해 항생제를 첨가하는 경우가 많지만, 항생제는 화장품에 사용이 금지되어 있어 최종 원료에 잔류해서는 안 됩니다.
또한 많은 배양에서 소태아혈청 같은 동물 혈청을 사용합니다(그림 6). 혈청은 감염원의 위험을 완전히 배제하기 어렵고, 배양 후에는 제거할 수 없습니다. 줄기세포가 어떤 물질을 얼마나 분비하는지 아직 완전히 규명되지 않았기 때문에, 배지 전체의 안전성을 입증하기가 어렵습니다.
이러한 이유로 EU는 화장품에 사람 유래 세포, 조직 및 그 산물의 사용을 금지하고 있습니다. 국내에서는 식품의약품안전처(Ministry of Food and Drug Safety : MFDS)가 정한 인체 세포·조직 배양액 안전기준을 충족한 경우에만 화장품 원료로 사용할 수 있습니다.
④ 대안: 활성 성분의 규명
방식 ④는 같은 배양액에서 출발하지만 한 걸음 더 나아갑니다. 줄기세포의 분열과 활동을 뒷받침하는 단백질, 사이토카인, 펩타이드 등의 성분을 프로테오믹스로 분리·규명합니다(그림 7). 구조와 기능을 밝힌 뒤 유전공학이나 화학 합성으로 생산합니다. 최종 원료에는 배양액이나 세포 부산물이 들어 있지 않아 안전성을 입증할 수 있습니다. 에스에이치-올리고펩타이드-1(sh-Oligopeptide-1: EGF) 같은 재조합 성장인자와 많은 기능성 펩타이드가 이 방식으로 만들어집니다.
스템셀로의 방식
스템셀로 연구진이 개발한 방법으로, 줄기세포를 보호하거나 활성화하는 소재를 짧은 시간에 효율적으로 찾아낼 수 있습니다. 배양 중인 줄기세포에서 배양에 중요한 요소인 혈청을 제외하여 세포 생존력을 낮춰 세포에게는 엄청난 스트레스 조건을 부여합니다. 이런 스트레스 부여 전 혹은 부여 후에 식물추출물을 비롯한 여러 후보 물질을 처리해 세포 생존에 도움이 되는 물질을 선별해내고 이후 다양한 연구개발 과정을 거쳐 생물학적 작용기전도 세세히 살펴보게 됩니다.
이렇게 선별한 물질들은 다시 각질세포, 섬유아세포 등 여러 종류의 피부세포에 처리해 실제 피부세포에도 유익한지 확인하고, 원료화 연구와 안전성 시험을 거쳐 상용화합니다.
이 원료들은 줄기세포나 세포 배양액을 사용하지 않으므로 감염이나 윤리적 문제와 관련된 위험이 없습니다.
원료 발굴 플랫폼으로서의 줄기세포
대부분의 줄기세포 연구는 세포 치료에 초점을 맞추고 있으며, 전 세계에서 임상시험이 진행되고 있습니다. 살아 있는 세포는 완벽하게 통제하기 어렵고 분열 과정에서 유전적 오류가 생기기 때문에, 안전한 세포를 대량으로 공급하는 데에는 한계가 있습니다.
그래서 바이오스펙트럼은 줄기세포를 활성 물질 발굴을 위한 도구로 활용합니다. 정상 줄기세포를 이용하면 분화를 촉진하거나 늦추는 물질, 또는 줄기세포의 활동을 뒷받침하는 물질을 찾을 수 있습니다. 이 접근법은 기존 스크리닝에서 놓쳤던 활성을 새롭게 밝혀내고 있습니다.
피부톤 원료를 위한 MITF 리포터 스크리닝
연구소는 경기도 줄기세포연구 컨소시엄 핵심기술 과제의 일환으로, 멜라닌 합성의 핵심 조절인자인 MITF(microphthalmia-associated transcription factor)의 프로모터에 루시퍼레이스 리포터 유전자를 연결한 줄기세포주를 구축했습니다(그림 8).
이 세포가 멜라닌형성세포로 분화하는 동안 후보 원료를 처리하면, 발광량을 통해 각 원료가 MITF 발현에 어떤 영향을 주는지 알 수 있습니다. 대부분의 브라이트닝 원료는 MITF 활성을 낮추므로, 발광이 줄면 브라이트닝 원료일 가능성을 시사합니다. 발광이 늘면 태닝 원료일 가능성을 시사합니다. 이 MITF-Luc 분석법은 브라이트닝 화장품과 셀프 태닝·선케어 제품을 위한 대규모 스크리닝에 활용되며, 같은 접근법이 바디 컨투어링 화장품 원료에도 적용되고 있습니다.
관련 기술은 특허로 등록되어 있으며, 연구 결과는 꾸준히 발표되고 있습니다. 지식재산권 보기 →