[한국대학신문 이정환 기자] 연세대학교 생명공학과 노영훈 교수와 강릉원주대 최기영 교수 공동연구팀이 피부 전달율과 체내 지속성을 획기적으로 개선한 콜라겐 미세 캡슐 개발에 성공했다. 이번 연구로 콜라겐의 섭취는 최소화하면서 피부 개선 효과는 최대화할 수 있는 제품 개발이 기대된다.

최근 지속적인 미적 의식 증가로 인해 몸속을 건강하게 채워 아름다움을 가꾸는 ‘이너뷰티(먹는 화장품)’ 시장이 빠르게 성장하고 있다. 국내 이너뷰티 시장은 연평균 성장률 18% 이상을 보이며, 2025년에는 2조 원에 달할 전망(출처: 신한금융투자 리서치센터)이다. 이에 맞춰 먹는 콜라겐을 포함해 다양한 이너뷰티 제품들이 건강기능식품 및 건강보조식품의 형태로 출시·판매되고 있다.

사람의 피부는 콜라겐, 히알루론산, 엘라스틴으로 구성돼 있는데, 콜라겐의 경우 20대 중반부터 1년에 1%씩 콜라겐 합성 양이 감소하기 시작해 40대 이후부터는 급격하게 감소한다.

피부 노화를 방지하기 위해 외부에서 콜라겐을 섭취해 공급할 수 있다. 그래서 최근에는 고분자(~300kDa)형태의 콜라겐을 가수분해해 초저분자(500Da 미만) 형태의 콜라겐 펩타이드로 제조하고, 콜라겐의 주성분인 GPH(Glycine-Proline-Hydroxyproline) 함량을 높여 체내 흡수 및 피부 전달율을 더욱 증가시키는 기술이 개발됐다. 그러나 피부에 전달된 콜라겐 펩타이드는 피부 탄력 유지와 피부 보습 등 피부 개선에 도움을 줄 수 있지만, 경구 투여 후 짧은 소화관 내 체류시간으로 인해 많은 양이 제대로 흡수되지 못하고 배출되는 한계가 있다.

본 연구에서는 이러한 전달 한계점을 개선하기 위해 기존 먹는 콜라겐 펩타이드를 이온성 겔화 반응(Ionic Gelation)과 정전기 압출(Electrostatic Extrusion)을 통해 하이드로겔 내에 탑재 가능한 미세 캡슐에 적용했다. 이온성 겔화 반응을 통한 키토산 캡슐은 간편하고 경제적으로 합성할 수 있으며, 소화관에서 캡슐의 점막 접착, 서방형 방출, 밀착연접 개방 등을 통해 소장 부위에서 지속적으로 방출을 유도해 체내 흡수율을 높일 수 있는 장점이 있다. 그러나 콜라겐 펩타이드처럼 매우 낮은 분자량 및 높은 수용성의 물성을 지니는 물질은 제조공정 시 안정적으로 탑재하는데 한계가 있었다.

본 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 기존의 이온성 가교제인 트리폴리인산나트륨(Sodium Tripolyphosphate)보다 더 빠르고 강한 이온성 가교제인 피틴산(Phytic Acid)을 활용해 콜라겐 미세 캡슐을 합성했다.

캡슐 합성 조건인 키토산 농도, 콜라겐 농도, 피틴산 농도, 피틴산 용액의 pH 등을 최적화함으로써 고함량(70% 이상의 탑재 효율)의 콜라겐 펩타이드를 안정적으로 탑재했고, 캡슐의 이온 가교도를 조절해 이에 따른 미세 캡슐의 크기, 모양, 밀도, 공극에 변화를 줬다.

연구팀은 콜라겐 미세 캡슐의 키토산 농도에 따른 체내 흡수율 및 지속성 변화를 확인하기 위해 두 가지 키토산 농도의 캡슐을 선정하고, 이에 따른 콜라겐 펩타이드의 방출 거동, 약물 동태, 소화관 내 체류시간을 분석했다.

그 결과, 두 캡슐 모두 소화 환경에서 점막 접착성으로 인해 콜라겐 펩타이드 원물보다 소화관에 오래 머물렀다. 또한 키토산 농도에 비례해 콜라겐 펩타이드의 서방형 방출을 유도했으며, 캡슐의 구성 성분인 키토산이 장 상피세포의 밀착연접을 개방함으로써 최대 8배까지 체내 지속성이 증가됨을 보였다. 또한 콜라겐 미세 캡슐은 원물 대비 혈중농도지속시간(AUC), 최고혈중농도(Cmax), 최고혈중농도 도달시간(tmax)이 각각 1.5, 3.4, 8.0배까지 증가했다.

추가로 캡슐의 점막 접착성 및 서방형 방출로 인한 체내 흡수율 및 지속성 증가 기작을 규명하기 위해 미세 캡슐에 형광 추적 물질을 탑재한 후 동물 모델에 경구 투여했다. 추적 결과, 미세 캡슐 형태로 경구 투여 시, 원물보다 소장에 더 오래 머무르면서 체외 배출이 지연되는 것을 관측했다.

새롭게 개발한 콜라겐 미세 캡슐 내에 탑재된 콜라겐 펩타이드는 인공 소화액과 혈청 환경에서 구조적으로 분해되지 않았고, 생리활성 기능도 유지했다. 또한 이 캡슐은 장 상피세포와 피부 세포에 유의미한 독성을 일으키지 않으면서 원물 대비 증가된 UVB에 의한 광노화 억제 효과와 항산화 효과를 보였다.

결과적으로 콜라겐 미세 캡슐은 증가된 체내 흡수율만큼 더 많은 양의 콜라겐 펩타이드가 피부로 전달돼 광노화 방지, 항산화 효능, 피부 탄력 유지, 피부 보습 등 피부 개선에 많은 도움을 줄 수 있다. 특히 캡슐의 키토산 농도 변화를 통해 콜라겐 펩타이드의 서방형 방출 및 체내 흡수율 증가 정도를 쉽게 조절함으로써 이에 따른 권장 섭취량 및 섭취 주기를 설정할 수 있을 것으로 기대된다.

연세대 노영훈 교수는 “이번 연구는 먹는 콜라겐 펩타이드의 소화관 내 체류시간 증대와 이를 통한 체내 흡수율 및 피부전달 효과를 획기적으로 증대시킨 연구”라며, “개발된 콜라겐 미세 캡슐은 분말, 정제, 액상, 젤리 등 다양한 형태로 대량생산과 제품화가 가능하고 다양한 건강기능식품에도 적용할 수 있어 바이오헬스 및 이너뷰티 분야에 산업적으로 적용 가능할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

또한 연세유업 유원규 연구소장은 “현재 콜라겐 미세 캡슐 제품화 단계가 진행 중이며, 2024년 상반기 피부 기능성 건강 발효유 출시 예정”이라고 밝혔다.

본 연구는 그 우수성과 독창성을 인정받아 약학 및 약리학 분야의 국제 학술 권위지 〈저널 오브 컨트롤드 릴리즈(Journal of Controlled Release, IF 11, JCR 약학 분야 상위 3%)〉 2024년도 1월호에 출간된다.

한편, 연구에는 연세대 양경직 연구원과 강릉원주대 한화승 박사가 공동 제1저자로, 연세대 안승환 학생, 박경훈 학생, 남건욱 박사, 황신하 학생, 이유연 연구원, 조성연 연구원, 김태형 박사, 경북대 최덕영 교수, 연세유업 김상원 연구원, 유원규 연구소장, 동양미래대 이현아 교수, 뉴트렉스테크놀러지 박지용 연구소장, 강릉원주대 유상권 교수가 공저자로, 성균관대 조동규 교수, 박재형 교수, 강릉원주대 최기영 교수, 연세대 노영훈 교수가 교신저자로 참여했다.