계절과 탈모 중증도에 따른 두피 마이크로바이옴의 생태계 교란 = Perturbation of scalp microbiome in alopecia according to grade and season

국문 초록 (Abstract)

인간 피부는 병원균 침입 및 외부 위협으로부터 1차 방어벽 역할을 하는 인체에서 가장 큰 기관이다. 두피 피부 마이크로바이옴은 두피의 항상성 유지에 중추적인 역할을 하고, 세포 및 국소 면역 반응에도 관련이 있다. 두피 마이크로바이옴의 불균형은 유전적 혹은 호르몬 변동을 비롯한 다양한 외부 요인으로 발생되며, 이러한 변화는 다양한 피부 질환들과 연관성이 입증되고 있다. 안드로겐성 탈모는 대표적인 두피 질환으로 선행 연구에서 탈모 유무에 따른 두피 마이크로바이옴 차이는 보고되었으나, 두피 마이크로바이옴 생태계 변화를 일으키는 외부 요인과 탈모 중증도의 복합적인 영향성을 평가한 연구는 보고되지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 두피 마이크로바이옴 생태계 변화에 미치는 인자를 규명하고, 탈모 중증도와 연관성을 평가하고자 하였다. 추가적으로 선행 연구를 통해 인간 두피 피부 시료에서 채취한 항균 기능을 가진 두 가지 펩타이드를 선별하여 탈모 개선 효과 검증을 수행하였다. 두피 마이크로바이옴 생태계 연구를 위해 총 166 명의 피험자 (비탈모 = 81 명; 탈모 = 85 명)를 모집하였고, 각 피험자들의 생리학적 특성 (두피 수분량과 두피 유분량, 경피수분손실량, 두피 각질량)을 측정하였다. 또한, 두피 피부 마이크로바이옴에 영향을 미치는 다양한 인자 (성별과 계절, 연령)들도 확인하였다. 탈모 개선 펩타이드 효능은 두 가지 방법으로 검증하였다. 첫번째, 두피 유래 핵심 세균 consortium을 제작하여, 펩타이드 처리 전, 후 생존률의 변화를 비교하였고, 두번째, 총 48 명의 여성 안드로겐성 탈모 환자를 대상으로 탈모 개선 펩타이드를 첨가한 헤어 제품을 12 주 동안 사용한 그룹 (n = 24)과 제품 사용을 하지 않은 그룹 (n = 24)의 두피 피부 마이크로바이옴 변화를 비교 분석하였다. 두피 피부 마이크로바이오타는 탈모 유무에 따른 세균 다양성 (P > 0.05)과 군집 구성 (r2 = 0.009, P = 0.078), 그리고 종 (Species) 수준에서 유의미한 차이를 보이지 않는다. 반면, 두피 마이크로바이오타는 계절에 의해 세균 다양성 (P < 0.001)과 군집 구성 (r2 = 0.046, P = 0.001), 종, 그리고 기능성 유전자에서 명확한 차이를 보였다. 계절을 고려한 탈모 중증도에 따른 차이를 비교한 결과, 탈모 유무에 의한 차이보다 유의미한 변화를 확인되었다. 계절 내 탈모 악화의 원인을 분석하기 위해 두피 마이크로바이옴 통합 분석을 진행한 결과, 여름철은 세균의 변화로 인한 기능성 유전자의 변화가 탈모 악화의 원인으로 작용하는 것을 확인하였다. 피부 마이크로바이옴은 생장과 생존을 위해 열 발생이 가속화되고, 이는 초기 탈모의 주요 원인으로 파악되었다. 이후 생태계 불균형은 인간의 호르몬 변화와 초기 면역반응에 관여하여 탈모를 악화시킨다. 반면, 겨울철은 세균의 직접적인 변화가 초기 탈모의 원인으로 작용할 뿐만 아니라, 탈모의 악화에도 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었다. 여름철과 동일하게 인간의 호르몬 변화와 면역 반응이 탈모 악화의 주된 원인으로 확인되었고, 비교적 낮은 온도에서 환경에 적응하기 위한 대사적 변화도 확인되었다. 탈모 개선 펩타이드 효능 검증 결과, consortium에서 특정 탈모 개선 펩타이드 (Peptide 1)는 일정 농도 (3 µg/µl) 이상을 첨가할 때, 탈모 피험자 유래 핵심 세균 (Cutibacterium granulosum과 Moraxella osloensis)들의 수를 감소시켰다. 추가적으로 탈모 개선 펩타이드의 인체 적용 시험 평과 결과, 12 주 동안 세균 다양성과 군집 구성의 유의미한 변화는 확인되지 않았으나, 처리 기간이 지남에 따라, 탈모 개선 펩타이드를 처리한 그룹에서 Staphylococcus epidermidis가 유의미하게 증가되는 것을 확인하였다. 또한, 기간이 지남에 따라 피험자의 모발 수가 탈모 개선 펩타이드를 처리한 그룹에서 증가되었다. 본 연구 결과는 계절 간 탈모의 발병과 악화의 원인을 두피 마이크로바이옴 변화를 통해 최초로 규명하였다. 또한, 인체 피부 유래 펩타이드를 통한 탈모 개선 효능 검증을 통해 새로운 탈모 개선 치료법의 가능성을 제시하며, 개인의 두피 마이크로바이옴 특성을 고려한 개별 맞춤형 탈모 치료도 가능할 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The human skin, the body’s largest organ, functions as a vital barrier against pathogenic invasion and environmental stressors. Within this protective interface, the
scalp skin microbiome plays an essential role in maintaining local homeostasis and orchestrating immune responses. Disruptions to the scalp microbiota, driven by
intrinsic factors such as genetics and hormonal fluctuations, or extrinsic variables such as environmental exposures, have been linked to various dermatological
conditions. Among these, androgenetic alopecia (AGA) is one of the most common and socially impactful scalp disorders. Although previous studies have documented differences in microbial composition between individuals with and without alopecia, the combined influence of external factors on scalp microbiome dynamics and alopecia severity has not yet been systematically elucidated. This study aimed to investigate the multifactorial influences on scalp microbiome composition and to clarify the association between microbiome alterations and alopecia severity. Furthermore, the therapeutic potential of scalp-derived antimicrobial peptides was explored to assess their role in modulating the scalp microbiome and alleviating alopecia. A total of 166 participants (non-alopecia = 81; alopecia = 85) were enrolled and assessed for physiological scalp characteristics including moisture levels and oil content (Sebum), transepidermal water loss (TEWL), and keratinization (Corneum). Additionally, external factors such as sex and season, age were evaluated for their impact on microbiome composition. Analysis of microbiome was conducted through high-throughput metagenome shotgun sequencing, and peptide efficacy was tested using two complementary approaches. First, a defined core scalp bacterial consortium was exposed to peptide treatments to assess bacterial survival rates. Second, a 12-week clinical trial involving 48 female alopecia patients (treatment group = 24; control group = 24) was conducted to evaluate the in vivo effects of peptide application through hair products. Comparative analysis revealed no significant differences in bacterial diversity (P > 0.05) and microbiota composition (r² = 0.009, P =0.078), or species-level composition between alopecia and non-alopecia groups. In contrast, seasonal variation emerged as a significant determinant of microbiota composition, influencing bacterial diversity (P < 0.001) and microbiota composition (r²= 0.046, P = 0.001), species abundance and functional pathway. Notably, when stratified by season, the relationship between microbiome alterations and alopecia severity became more evident. During summer, functional pathway changes associated with bacterial heat adaptation were implicated in early-stage alopecia progression, compounded by host hormonal and immune responses. In winter, direct microbial shifts, metabolic adaptation to cold, and host-related factors similarly contributed to alopecia exacerbation. In peptide efficacy testing, Peptide 1 demonstrated selective antimicrobial activity, reducing the abundance of key alopecia-associated taxa (Cutibacterium granulosum and Moraxella osloensis) at concentrations above 3 µg/µL in vitro. In the clinical trial, peptide application did not significantly alter overall microbial diversity but resulted in a marked increase in Staphylococcus epidermidis levels and a statistically significant improvement in hair count in treated individuals. This study reveals that seasonal microbiome fluctuations, coupled with host physiological responses, play critical roles in the onset and progression of alopecia. Moreover, the data suggest that microbiome-targeted peptides, such as Peptide 1, may offer a novel and effective therapeutic strategy for mitigating alopecia without disrupting microbial diversity. These findings advance our understanding of the complex interplay between scalp microbiota and alopecia and provide a foundation for future development of microbiome-based interventions aimed at promoting scalp health and preventing hair loss.

Keywords: Human scalp skin, Skin microbiome, Androgenetic alopecia, Alopecia improvement peptide

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1-1. 인간 피부의 특징 1
• 1-2. 두피 마이크로바이옴의 특징 4
• 1-3. 탈모의 특징과 치료 및 개선 방법 6
• 제 2 장 연구 재료 및 방법 9
• 2-1. 환자 정보 및 시료 수집 9
• 2-2. 메타게놈 DNA 추출 및 메타게놈 샷건 시퀀싱 14
• 2-3. 메타게놈 샷건 분석 18
• 2-4. 세균 consortium 최적화 및 탈모 개선 펩타이드 효능 평가 24
• 2-5. 통계 분석 28
• 제 3 장 연구 결과 및 토의 32
• 3-1. 두피 피부 마이크로바이옴 특성과 탈모 중증도에 따른 차이 비교 분석 32
• a. 연령이 두피 마이크로바이오타에 미치는 영향 32
• b. 온도 변화가 두피 마이크로바이오타에 미치는 영향 43
• c. 탈모 중증도에 따른 두피 마이크로바이오타 비교 분석 53
• d. 두피 마이크로바이옴 통합 분석을 이용한 탈모 악화의 원인 규명 63
• e. 토의 88
• 3-2. 탈모 개선 펩타이드 효능 검증을 위한 세균 consortium 및 인체 적용 임상
• 시험 평가를 통한 두피 마이크로바이옴 개선 효과 비교 분석 92
• a. Consortium 제작 및 탈모 개선 펩타이드 처리 효과 분석 92
• b. 두피 마이크로바이오타 분석을 활용한 탈모 개선 펩타이드 개선 효과 검증 108
• c. 토의 119
• 제 4 장 참고문헌 122
• Abstract· 135