히알루론산을 생산하는 2가지 방법과 그 용도

소개

히알루로난이라고도 불리는히알루론산 (HA)은 1918년 칼 마이어와 존 팔머가 발견한 선형 다당류입니다[1]. 지금도 HA는 과학자들에게 상상하지 못했던 많은 결과를 가져다주고 있습니다. 이 글에서는 히알루론산이 무엇인지, 어떻게 생산되는지, 어디에 사용되는지에 대해 간략하게 소개합니다.

히알루론산이란 무엇인가요?

히알루론산(HA)은 글루쿠론산-N-아세틸글루코사민의 반복 이당류로 구성된 선형 글리코사미노글리칸(GAG)입니다. 그림 1을 참조하세요. 일반적인 HA는 그림 1의 구조를 10000번 이상 반복할 수 있습니다[2].

그림 1: 히알루론산 모노머의 구조: 글루쿠론산은 왼쪽에, N-아세틸글루코사민은 오른쪽에 있습니다.

HA는 척추동물의 상피, 신경 및 결합 조직의 세포 외 기질에서 흔히 발견됩니다. 또한 연쇄상구균과 같은 일부 미생물에서도 세포 외 캡슐의 한 부분으로 발견됩니다. 여기서 HA는 보호자이자 접착제 역할을 할 뿐만 아니라 감염 과정에서 숙주의 면역 체계를 '속이는' 변장자 역할도 합니다[2].

히알루론산은 높은 수분 보유력과 우수한 생체 적합성으로 인해 생물의약품, 화장품 및 임상 연구의 여러 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어 히알루로난은 다량의 수분을 흡수하여 관절과 결합 조직에서 윤활제 및 충격 흡수제 역할을 할 수 있습니다. 히알루론산은 반복 구조 화합물이기 때문에 반복 횟수에 따라 히알루론산의 특성이 달라지며, 이는 HA가 더 다양한 응용 분야와 용도를 가질 수 있음을 의미합니다. 응용 분야가 증가함에 따라 HA에 대한 수요는 발견 이후 지금까지 지속적으로 증가하고 있습니다. 사람들은 보다 효율적이고 경제적으로 히알루론산을 얻을 수 있는 두 가지 방법을 찾습니다.

히알루론산은 어떻게 생산되나요?

오늘날 히알루론산을 생산하는 두 가지 주요 공급원은 동물과 박테리아입니다. 먼저 동물에서 생산되는 히알루론산에 대해 이야기해 보겠습니다.

동물성 원료에서 생산되는 히알루론산

히알루론산은 1934년 마이어와 팔머에 의해 소의 유리체액에서 처음 분리되었습니다. 그 후 닭의 빗살, 인간의 탯줄, 소의 활액 등 다양한 동물 조직에서 히알루론산을 추출하는 데 사용됩니다. 전체 공정에는 동물 조직 균질화, 추출, 정제 및 최종 제품 준비가 포함됩니다 [1]. 공급 원료와 히알루론산 최종 제품의 등급에 따라 추출 및 정제 방법이 다릅니다. 여기서는 의료용 고순도 HA를 예로 들어보겠습니다.

세척: 추출하기 전에 에탄올과 클로로포름의 혼합물 또는 물, 아세톤, 에탄올을 사용하여 동물 조직을 "세척"해야 합니다. 수탉 빗과 같은 동물 조직을 채취하여 클로로포름으로 포화시킨 95% 에탄올로 하루 동안 처리합니다. 세척액이 투명하고 무색이 될 때까지 세척 단계를 여러 번 반복합니다. 이는 철, 구리, 인산염 이온과 같은 "나쁜" 성분이 HA를 산화 또는 분해할 수 있기 때문에 이를 모두 씻어내기 위한 것입니다.

추출: 그런 다음 물과 클로로포름(20:1) 혼합물을 사용하여 이미 전처리된 동물 조직을 추출하고 조직에서 가능한 많은 HA 성분을 추출하기 위해 최소 2번 이상 저어줍니다. 추출 용액을 4~25℃에서 최소 24시간 동안 방치합니다. 혼합 용액을 여과하고 염화물과 클로로포름(1:1)을 첨가한 후 4~25℃에서 3~5시간 동안 교반합니다.

정제: HA는 동물 조직에서 추출되기 때문에 단백질, 지질, 펩타이드 또는 저분자량 전구체와 같은 많은 불순물이 추출물에 존재합니다. 일부 HA는 단백질이나 펩티드와 공유 결합을 가질 수도 있습니다. 단순한 유기 용매 세척만으로는 충분하지 않습니다. 여기에서 추출 용액에 단백질 분해 효소를 자연 pH로 첨가하고 실온에서 5일간 저어줍니다. 수성층을 얻고 테프론 필터를 사용하여 용액을 멸균합니다. 다당류를 침전시키기 위해 3량의 에탄올을 사용합니다. 마지막으로 에탄올과 아세톤을 사용하여 다당류를 다시 침전시키고 아세톤으로 멸균한 후 진공 상태에서 건조시킵니다[1].

HA 최종 제품은 분자 질량이 750000 Da보다 큽니다. 생산 효율은 1kg의 수탉 빗에서 약 0.8g의 히알루론산을 얻을 수 있습니다.

박테리아 소스에서 생산되는 히알루론산

박테리아에서 생산되는 히알루론산은 지난 20년 동안 급속도로 발전했습니다. 히알루론산을 만드는 데 사용할 수 있는 연쇄상구균이나 파스튜렐라와 같은 그람 양성 박테리아는 몇 가지가 있으며 일반적으로 다음 요건을 충족해야 합니다.

• 이러한 박테리아는 무독성 또는 인체에 해롭지 않아야 하며 용혈 작용을 하지 않아야 합니다.
• 이러한 박테리아는 HA에 히알루로니다제 활성을 보이지 않아야 합니다[1]. HA는 복제가 매우 간단한 장쇄 화합물입니다. HA는 기계적, 열적, 화학적, 효소적 교란에 의해 쉽게 "파손"되고 영향을 받습니다.
• 높은 효율 또한 고려해야 할 중요한 측면입니다.

그룹 A와 C 연쇄상구균은 높은 수율로 인해 HA 생산에 가장 인기 있고 적합한 균주입니다. 그러나 일반적인 연쇄상구균 그룹은 독소를 생성합니다. 좋은 소식은 HA 생합성 경로에 사용되는 유전자 코드를 발견함으로써 해당 유전자 코드를 발현하고 HA를 생산할 수 있는 많은 박테리아(바실러스, 아그로박테리움, 대장균, 락토코커스)를 변형할 수 있다는 것입니다. 즉, 먼저 비혈액분해성 및 히알루로니다제 음성 박테리아를 선택한 다음 일부 코드를 변경하여 HA를 생산할 수 있습니다 [2].

박테리아에서 히알루론산을 얻는 전체 과정은 매우 복잡합니다. 그림 5는 박테리아 대장균에 의해 HA가 어떻게 생성되는지 보여줍니다 [2].

그림 5: 히알루론산 생산을 위한 대장균의 생합성 경로 개요 [2]

히알루론산의 응용 분야

히알루론산의 용도는 크기에 따라 대분자(약 1000~1500kDa), 중분자(약 200~800kDa), 소분자(약 5~200kDa)로 나뉩니다.

대분자 히알루론산(HMW-HA) 은 피부 표면에 수분을 공급하기 위해 스킨케어 제품에 자주 사용됩니다. 분자 크기가 크기 때문에 피부 깊숙이 침투하지 못하고 대신 피부 표면에 막을 형성하여 수분 손실을 방지하고 피부를 촉촉하게 유지하는 데 도움을 줍니다. 이러한 유형의 HA는 보습제, 시트 마스크 및 기타 보습 스킨케어 제품에서 흔히 볼 수 있습니다.

반면저분자 히알루론산(LMW-HA)은 피부 깊숙이 침투할 수 있습니다. 따라서 콜라겐 생성을 촉진하고 피부의 전반적인 질감과 외관을 개선하는 데 도움이 되는 안티에이징 스킨케어 제품에 유용합니다. 또한 피부에 빠르게 흡수되도록 설계된 세럼 및 기타 가벼운 제형에도 일반적으로 사용됩니다.

자세히 읽어보세요: 고분자 VS. 저분자 히알루론산

중간 분자량 히알루론산(MMW-HA)은 이름에서 알 수 있듯이 분자 크기 면에서 중간 정도에 속합니다. 이 유형의 HA는 스킨케어 제품에 덜 일반적으로 사용되지만 표면 수준의 수분 공급과 피부 깊숙이 침투하는 데 모두 이점이 있는 것으로 알려져 있습니다. 피부에 즉각적이고 장기적인 수분 공급을 목표로 하는 제형에 유용할 수 있습니다.

히알루론산은 스킨케어 제품에 사용되는 것 외에도 피부 필러와 같은 주사 치료에도 사용됩니다. 이러한 필터는 일반적으로 큰 분자 및 작은 분자 히알루론산의 조합을 사용하여 피부에 즉각적인 탱탱함과 수분을 공급할 뿐만 아니라 오래 지속되는 볼륨 효과를 제공합니다.

전반적으로 히알루론산의 다양한 용도는 분자 크기와 해결하고자 하는 특정 스킨케어 고민에 따라 달라집니다. 큰 분자 HA는 표면 수분 공급에, 작은 분자 HA는 노화 방지 및 콜라겐 생성에, 중간 분자 HA는 덜 일반적으로 사용되지만 표면 및 심층 수분 공급에 모두 이점이 있을 수 있습니다.

결론

결론적으로 히알루론산은 동물성 원료와 박테리아 원료에서 추출할 수 있습니다. 그리고 다양한 크기의 HA 제품은 스킨케어 영역에서 다양한 용도로 사용됩니다.

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈 컴퍼니는 고분자, 중분자, 저분자 히알루론산의 제조 및 판매에 풍부한 경험을 보유하고 있습니다. 최상의 결과를 얻으려면 자신의 특정 스킨케어 니즈에 적합하고 잘 배합된 제품을 선택하는 것이 중요합니다. 자세한 내용은 홈페이지를 참조하세요.

참고 문헌

1. Polyak, F., Khabarov, V. N., Boykov, P. Y., & Selyanin, M. A. (2015). 히알루 론산: 생산, 특성, 생물학 및 의학에서의 응용. 존 와일리 & 아들, 통합.
2. Sze, J. H., Brownlie, J. C., & Love, C. A. (2016). 히알루 론산의 생명 공학 생산 : 미니 리뷰. 3 Biotech, 6(1), 67. https://doi.org/10.1007/s13205-016-0379-9