Ex Vivo Human Skin Models for Transdermal Microneedle and Iontophoresis Systems: Methodological Overview and Preclinical Evaluation = 경피 마이크로니들 및 이온토포레시스도입 시스템을 위한 Ex vivo 인체 피부 모델: 방법론적 개요 및 전임상 평가

국문 초록 (Abstract)

인간 피부는 미용 및 성형외과에서 핵심적인 치료 표적이지만, 경피 전달은 각질층 장벽과 여러 기존 전임상 모델의 낮은 인간 적용성으로 인해 제약을 받습니다. 본 학위논문은 방법론적 개요로 시작하며, ex vivo 인간 피부 절편 모델을 단기간 생존이 가능한 시간 창 내에서 표준화된 기능적·조직학적·분자적 지표를 통해 장벽 기능과 조직 리모델링을 평가할 수 있는 적절한 중간 플랫폼으로 제시합니다. 또한 본 분석은 제한된 유지 기간과 관류 및 면역세포 유입의 부재 등 ex vivo 모델의 실질적 한계를 정리하여, 결과 해석과 연구 설계에 반영할 수 있도록 합니다.
피부 노화와 상처 치유를 동시에 해결하기 위해, 저희는 히알루론산과 콜라겐으로 구성된 용해성 미세침과 이온도입 기술을 통합한 신규 경피 전달 플랫폼인 CELLADEEP 패치를 개발하였습니다. 본 연구는 포괄적인 ex vivo 인간 피부 모델과 in vivo 모델을 활용하여, 피부 재생/리쥬버네이션 촉진 및 상처 치유 가속 효과를 평가하는 것을 목표로 하였습니다.
피부 리쥬버네이션 평가를 위해, ex vivo 인간 피부 조직을 무처치군, UVB 조사군, CELLADEEP 처리군으로 구분하였습니다. 평가는 피부 수분, 경피수분손실, 탄성, 조직학적 분석, 유전자 발현 프로파일링을 포함하였습니다. 상처 치유 평가를 위해서는 쥐에서 전층 상처를 유도하고 CELLADEEP 처리 유무에 따라 치료하였습니다. 치유 결과는 육안적 관찰, 조직학, 면역형광, 그리고 염증 반응·조직 리모델링·재생 표지를 표적으로 하는 생화학 분석을 통해 평가하였습니다.
처치는 ex vivo 조직에서 수분과 탄성을 유의하게 개선하고 TEWL을 감소시켰습니다. 조직학적 분석에서는 콜라겐 섬유 밀도 증가가 관찰되었고, 유전자 발현 분석에서는 COL1A1과 HAS3의 상향 조절, MMP-1과 IL-1β의 하향 조절이 확인되어 항노화 및 항염 효과를 시사하였습니다. In vivo에서 CELLADEEP 처치는 상처 폐쇄를 가속하고 상처 폭을 감소시키며, 더 두꺼운 표피 재생을 촉진하였습니다. 또한 염증 매개체인 NO, ROS, IL-6, TNF-α를 감소시키고, 대식세포 활성 지표인 CD68, MCP-1, F4/80을 감소시켰습니다. 동시에 α-SMA, vimentin, VEGF, collagen I, TGF-β1 발현 증가를 통해 섬유아세포 활성화 및 혈관신생 촉진이 확인되었습니다.
마지막 절은 박사과정 동안 구축한 광범위한 전임상-임상 연계 접근을 종합하여, 관리 가능한 위험 하에서 다양한 맥락에서도 재현 가능한 결과를 도출하고, 생물학적으로 해석 가능한 근거에 의해 뒷받침되는 연구 전략을 강조합니다. 이 맥락에서 ex vivo 인간 피부 모델은 인간 관련성이 높은 1차 스크리닝 및 조직 반응 플랫폼으로 기능하며, 동물 및 인간 연구는 안전성 파라미터를 확립하고 임상적으로 의미 있는 결과를 검증하는 데 활용됩니다. 본 방법론적 프레임워크는 엑소좀 기반 미세침 시술, CO₂ 냉동치료와 EGF 전달의 병용, 3D 바이오프린팅 기반 인간 지방유래 줄기세포 림프절 구조체, 비활성 기체 플라즈마 안전성 평가, 그리고 돌외 무작위 대조시험 등 다양한 중개연구에 적용되었습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The human skin is a crucial therapeutic target in cosmetic and plastic surgery; nevertheless, transdermal delivery is constrained by the stratum corneum barrier and the inadequate human relevance of several traditional preclinical models. This dissertation commences with a methodological overview that establishes ex vivo human skin explant models as a pertinent intermediate platform for assessing barrier function and tissue remodeling through standardized functional, histological, and molecular endpoints within a viable short-term timeframe. This analysis elucidates the practical limitations of ex vivo models, such as restricted duration and absence of perfusion immune recruitment, to inform suitable interpretation and study design.
To address both skin aging and wound repair, we developed the CELLADEEP Patch-a novel transdermal delivery platform integrating dissolvable microneedles composed of hyaluronic acid and collagen with iontophoresis technology. This study aimed to evaluate its efficacy in promoting skin rejuvenation and accelerating wound healing using comprehensive ex vivo human skin models and in vivo models.
For skin rejuvenation, ex vivo human skin tissues were divided into untreated, UVB-irradiated, and CELLADEEP-treated groups. Assessments included skin hydration, transepidermal water loss (TEWL), elasticity, histological analysis, and gene expression profiling. For wound healing, full-thickness wounds were induced in rats and treated with or without CELLADEEP. Healing outcomes were evaluated via macroscopic observation, histology, immunofluorescence, and biochemical assays targeting inflammatory response, tissue remodeling, and regenerative markers.
CELLADEEP significantly improved hydration and elasticity while reducing TEWL in ex vivo tissues. Histological analysis showed increased collagen fiber density, and gene expression revealed upregulation of COL1A1 and HAS3 and downregulation of MMP-1 and IL-1β, indicating anti-aging and anti-inflammatory effects. In vivo, CELLADEEP treatment accelerated wound closure, reduced wound width, and promoted thicker epidermal regeneration. It also decreased inflammatory mediators (NO, ROS, IL-6, TNF-α) and macrophage activity (CD68, MCP-1, F4/80), while enhancing fibroblast activation and angiogenesis, as shown by increased α-SMA, vimentin, VEGF, collagen I, and TGF-β1 expression.
The final section synthesizes the extensive preclinical-to-clinical approach established during my PhD, highlighting reproducible outcomes within managed risk, underpinned by biologically interpretable evidence across many contexts. In this context, ex vivo human skin models serve as the primary, human-relevant screening and tissue response platform, while animal and human research is employed to establish safety parameters and validate clinically significant outcomes. This methodological framework is utilized in various translational projects, encompassing exosome-enhanced microneedling, CO₂ cryotherapy combined with EGF delivery, 3D-bioprinted human adipose-derived stem cells (hADSCs) lymph node constructs, noble gas plasma safety assessment, and a randomized controlled trial of Gynostemma pentaphyllum (GP).

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Methodological Overview of Ex Vivo Human Skin Models for Translational Transdermal Research 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Ex Vivo Human Skin Models in Aesthetic and Reconstructive Dermatology 2
• 1.3 Advantages of Ex Vivo Human Skin Models 2
• 1.4 Current Applications of Ex Vivo Human Skin Models 5
• 1.5 Limitations of Ex Vivo Human Skin Models 9
• 1.6 Microneedle Patches 10
• 1.7 Iontophoresis 17
• 1.8 Synergistic Benefits of Combining Microneedling and Iontophoresis 20
• 1.9 Future Directions 21
• 1.10 Conclusion 22
• Chapter 2. Evaluation of MicroneedleIontophoresis Technologies for Skin Improvement Using Ex Vivo Human Tissue Models 23
• 2.1 Introduction 23
• 2.2 Materials and Methods 25
• 2.2.1 Materials 25
• 2.2.2 Evaluation of skin moisture content 27
• 2.2.3 Evaluation of skin water loss 27
• 2.2.4 Evaluation of skin elasticity 27
• 2.2.5 Hematoxylin and Eosin (H&E) Staining 29
• 2.2.6 Masson's trichrome (MT) staining 29
• 2.2.7 Victoria blue (VB) Staining 29
• 2.2.8 Fontana masson (FM) Staining 29
• 2.2.9 Wrinkle and inflammation related cytokines mRNA expression levels 30
• 2.2.10 Moisture related cytokine mRNA expression levels 30
• 2.2.11 Statistical analysis 31
• 2.3 Results 33
• 2.3.1 Evaluation of skin moisture content 33
• 2.3.2 Evaluation of skin water loss 35
• 2.3.3 Evaluation of skin elasticity 37
• 2.3.4 Histological staining 43
• 2.3.5 wrinkle and inflammation related mRNAexpression levels 46
• 2.3.6 Moisture related mRNA expression levels 48
• 2.4 Discussion 50
• 2.5 Summary 55
• Chapter 3. Evaluation of MicroneedleIontophoresis Technologies for Wound Healing Using In Vivo Animal Models 57
• 3.1 Introduction 57
• 3.2 Materials and Methods 60
• 3.2.1 Animal Experiment 60
• 3.2.2 Measurement of the Wound Healing Area 60
• 3.2.3 Hematoxylin and Eosin (H&E) Staining 61
• 3.2.4 Masson's Trichrome (MT) Staining 61
• 3.2.5 Immunofluorescence Staining 61
• 3.2.6 Protein Preparation 62
• 3.2.7 Western Blot 62
• 3.2.8 ELISA 63
• 3.2.9 Nitrite Assay 63
• 3.2.10 ROS Assay 63
• 3.2.11 Statistical analysis 63
• 3.3 Results 64
• 3.3.1 Macroscopic and microscopic visualization and observation of the wound healing process 64
• 3.3.2 Acceleration of the inflammatory phase and the inflammatory response during the wound healing process 67
• 3.3.3 Acceleration of the proliferation phase and remodeling alteration during the wound healing process 71
• 3.4 Discussion 75
• 3.5 Summary 83
• Chapter 4. Integrated Translational Research Led During My PhD: A Preclinical-to-Clinical Framework in Plastic Surgery and Aesthetic Medicine 84
• 4.1 Split-face Clinical Study of Exosome Plus Microneedling 85
• 4.2 Synergistic CO2 Cryotherapy and EGF Delivery for Accelerated Wound Healing 86
• 4.3 3D Bioprinted Human Adipose-Derived Stem Cells-Based Artificial Lymph Nodes in an Animal Model of Lymphedema 87
• 4.4 Safety Assessment of A Noble Gas Plasma Device 88
• 4.5 Randomized, Double-Blind, Placebo-Controlled Trial of Gynostemma pentaphyllum Extract for Hair Health 89
• Bibliography 91
• Abstract in Korean 114