Evaluation of Silicone-Based Gel for the Treatment of Hypertrophic Scarring in Rat Models

Article information

J Wound Manag Res. 2024;20(2):122-127
Publication date (electronic) : 2024 June 28
doi : https://doi.org/10.22467/jwmr.2024.02901
1College of Veterinary Medicine and Veterinary Medical Research Institute, Jeju National University, Jeju, Korea
2Seers Technology Co., Pyeongtaek, Korea
Corresponding author: Ji-Youl Jung, DVM, PhD College of Veterinary Medicine, Jeju National University, 102 Jejudaehang-ro, Jeju 54987, Korea E-mail: jungjy1982@jejunu.ac.kr
Received 2024 January 9; Revised 2024 April 4; Accepted 2024 April 7.

Abstract

Background

Hypertrophic scarring represents an aberrant response to wounds in certain individuals, manifesting with symptoms such as itching, tenderness, pain, and pigmentation. This study aimed to investigate the impact of a silicone-based gel on the healing of hypertrophic scars, particularly those originating from deep tissue wounds.

Methods

A rat model of wound healing and scarring was established, and 12 rats were randomly assigned to three groups: Dermatix Ultra group, SFG-100 silicone-gel group, and non-treated group. Rats in the treated groups (Dermatix Ultra and SFG-100 silicone-gel) received twice-daily applications for 8 weeks. Histologic analysis, including biopsy, was conducted to evaluate the scar elevation index, epidermis thickness, and the number of granulation veins.

Results

Overall, both the Dermatix Ultra and SFG-100 silicone-gel groups exhibited improvements in hypertrophic scar healing, accompanied by a significant reduction in skin pigmentation. Histopathologically, scars in both treated groups displayed a notable decrease in scar elevation index, epithelial thickness, and collagen disorganization compared to the non-treated group. However, no significant difference was observed between the Dermatix Ultra and SFG-100 silicone-gel groups.

Conclusion

The results suggest that SFG-100 silicone-gel is an effective therapeutic agent for hypertrophic scars. Further research is warranted to elucidate the mechanisms underlying its efficacy and to optimize its application for clinical use.

서론

흉터(scar)는 창상으로 발생한 조직 결손이 육아조직(granulation tissue) 형성을 거쳐 최종 결합조직으로 대체된 상태를 말한다. 비대성 흉터(hypertrophic scar)는 심한 창상 발생 후 치유되는 과정이 지연되어 흉터조직이 비정상적으로 많이 생성된 것으로, 색소침착 등의 미용상의 문제 뿐 아니라 가려움증, 통증 등의 증상이 나타날 수 있다[1]. 이러한 흉터를 완화시키기 위한 방법으로는 실리콘 겔 시트 및 연고, 코르티코스테로이드 주사, 방사선 치료, 레이저 치료 등이 보고되어 있다[2].

실리콘 겔 제품은 비대성 흉터 치료를 위해 1980년대 초부터 임상 분야에서 사용되고 있고 현재는 성형외과에서 표준 치료제로 사용되고 있다. 실리콘 겔은 공기는 투과할 수 있으나 세균은 통과할 수 없는 방어막을 형성하여, 흉터부위의 수분손실을 최소화하여 습윤환경을 유지하고, 콜라겐의 합성을 활성화하여 흉터조직이 정상화될 때까지 소요되는 시간을 줄일 수 있는 환경을 제공해준다. 여러 연구에서 실리콘 겔은 산소투과성, 발수성, 정전기적 특성이 있어 흉터를 감소시키는 것으로 판단하고 있고, 부작용이 적을 뿐 아니라 통증이 없어 소아의 흉터 치료에도 유용하게 사용되고 있다[3,4].

본 연구에서는 피부에 바르면 타제품보다 빠르게 경화하여 피부에 보호막을 형성하는 겔 타입에 비타민E를 첨가하여 흉터 치유를 더욱 촉진할 수 있는 실리콘 흉터연고를 개발하기 위한 과정으로 SFG-100 실리콘 겔 재료를 선정하였다. 또한, 이를 동물모델에 적용하여 흉터에 대한 육안 및 조직병리학적 평가를 실시하여 현재 수입 의존도가 높은 점착성투명창상피복재 의료기기 제품을 순수 국산화 기술로 대체하기 위한 신규 제품 개발에 활용하고자 하였다.

방법

시험 물질

본 연구에서는 피부 표면에서의 필름화 특성이 개선된 SFG-100 실리콘 겔(Si-Feliz Co. Ltd.)로 실험을 진행하였다. 해당 재료는 화장품 원료 중 하나인 CPX (cyclopentasiloxane)를 주성분으로 사용하고, 자체 합성한 필름화제를 첨가하여 타 재료 대비 피부 표면에서의 건조시간이 빠르며, 끈적임이 없는 것이 장점이다. 동물모델을 적용한 비임상 평가 이전에 세포독성 및 피부자극 등에 대한 생물학적 안전성 평가를 진행한 결과 무독성 및 무자극 재료로 평가되었으며, 피부 손상도 발생하지 않았다. 재료의 효능을 비교하기 위해 상품화되어 판매되고 있는 제품 중 하나인 더마틱스 울트라(Dermatix Ultra, Menarini Korea Co.)를 대조군으로 사용하였다.

동물모델

본 실험에 사용된 동물은 12마리의 7주령 특정병원체부재(specific pathogen free, SPF) Sprague-Dawley 암컷 랫드로, 기존 문헌을 참고하여 흉터모델을 제작하였다[5]. 본 실험은 동물실험윤리규정을 준수하여 실시하였으며 제주대학교의 동물실험윤리위원회의 승인을 받았다(IACUC No. 2022-0050). 랫드를 입식한 후 1주일간 동일조건으로 사육하며 순화시킨 후 시험에 공여하였다. 동물모델 제작을 위한 과정을 간략히 정리하면 다음과 같다. 일주일간 순화시킨 랫드는 이소플루레인(isoflurane)으로 호흡마취를 실시하였다. 꼬리 등쪽 피부에 펜으로 6 × 6 mm 크기의 사각형 모양을 표시한 후 요오드 및 70% 알코올로 소독을 실시하였고, 수술용 칼과 가위(iris scissor)로 피부 전층을 절제하였다. 창상부위는 지혈 후 소독된 거즈로 드레싱하였으며 드레싱이 손상되었을 경우 소독 후 재 드레싱하였다. 창상부위를 신장시키기 위해 직경 2 cm의 스테인레스강 링을 꼬리의 배 쪽 면에 장착하고 링의 모양에 맞춰 꼬리를 구부려 꼬리 등쪽 창상부위를 인위적으로 늘리는 작업을 창상부위의 재상피화가 이루어졌을 때부터 시작하였다(Fig. 1). 링은 장착시키고 2주 정도 유지한 후 제거하였다. 해당 기간 중 장착한 링이 손상되는 경우 바로 재장착시켜 실험의 오차를 최소화하고자 하였다.

Fig. 1.

Animal model of stretch-induced hypertrophic scar in rat tail.

치료제 적용

링을 제거한 후 다음 날부터 바로 치료제를 적용하였다. 12마리의 랫드는 치료제를 적용하지 않는 미처치군(non-treated group), 시험물질을 적용하는 SFG-100 실리콘 겔군(SFG-100 silicone-gel group), 그리고 기존 상용화되는 제품을 적용하는 더마틱스 울트라군의 3개의 군으로 나누었으며 군을 나눌 때는 꼬리 부위에 흉터가 생성된 정도를 고려하여 골고루 배치되게 하였다. 치료제 도포는 8주간 하루 2회, 오전과 오후로 나누어 비슷한 시간에 도포하였다.

육안 검사

치료제를 적용하는 기간 동안 날짜에 맞추어 색조 변화와 흉터의 완화 정도 등에 대해 육안 검사를 실시하였다.

조직학적 검사

각 그룹의 랫드는 실험종료 후 즉시 안락사시켰고, 꼬리의 흉터부위와 인근 정상피부를 포함하여 피부 전 층의 조직을 채취하였다. 채취한 조직은 10% 중성완충포르말린에 고정 후 일반적인 조직처리 과정을 거친 뒤 파라핀 포매하여 3–4 μm 두께로 슬라이드를 제작하였고 hematoxylin-eosin 염색과 Masson’s trichrome (MT) 염색을 실시하여 광학현미경(Olympus BX43) 하에 판독을 실시하였다. 비대성 흉터의 정도를 평가하기 위하여 흉터상승지수(scar elevation index)를 측정하였고[1], 흉터부위 표피 두께와 혈관 수를 측정하였다. 흉터부위 표피 두께는 육아조직이 형성된 부위의 표피 중 가장 두꺼운 곳 2 부위를 선정하여 이미지 분석 장치(cellSens Entry ver. 4.1, Olympus)를 활용하였고, 이 값의 평균을 결과에 활용하였다. 혈관 수 측정은 혈관을 명확히 하기 위해 면역조직화학염색을 실시하여 진행하였다. 실험에 사용된 항체는 CD31 (platelet-endothelial cell adhesion molecule-1, DAKO)과 von Willebrand factor (vWF, DAKO)였으며 염색이 끝난 후 이미지 분석장치를 활용하여 1 mm2 측정 가능한 부위를 임의로 선정하여 측정하였다[1]. 또한 MT 염색을 통해 육아조직의 양, 콜라겐의 패턴 등을 정성평가 하였다.

통계학적 분석

모든 결과의 자료처리는 SPSS ver. 24.0 (IBM Corp.)을 활용하여 기술 통계 분석을 실시하였다. 흉터상승지수, 흉터부위 표피두께, 혈관 수 등의 그룹 간 차이 비교는 일원분산분석을 실시하였고 유의한 차이가 나타날 경우 사후검정 Tukey 검사를 실시하였다. 통계적 유의확률은 α = 0.05로 설정하였다.

결과

육안 검사

랫드 꼬리피부에 창상을 낸 후 재상피화가 이뤄질 때까지는 대체로 14일 정도 소요되었고, 링을 장착한 후 2주 정도 되었을 때, 흉터조직이 형성되었다. 흉터모델 제작을 위한 2주간의 기간 동안 흉터부위는 담적색조에서 자적색조로 관찰되었다. 또한 주변의 정상피부에 비해 위로 볼록한 형태로 관찰되었다(Fig. 2). 꼬리부위에 장착했던 링을 제거할 때 흉터부위의 색조가 다소 창백해지는 양상을 보였으나, 비대성 흉터의 형태는 유지하고 있어 이 시점을 시작으로 하여 각 군에 맞는 시험 물질을 적용했다. 3개의 군, 12마리에 대해 시험 물질을 적용하면서 8주 동안 날짜별로 비대성 흉터의 색조와 흉터 감소정도에 대해 육안 검사를 실시하였고 색조 및 흉터의 크기는 군 간 큰 차이 없이 날짜가 지남에 따라 감소하는 양상을 나타내었다.

Fig. 2.

Lateral view of tail scar with elevation and hyperemia.

병리조직학적 검사

꼬리 흉터조직에 대한 치유정도를 확인하기 위해 병리조직학적 검사를 실시하였다. 모든 군에서 피부표피의 증생(hyperplasia)과 섬유아세포(fibroblast) 증생이 특징적인 진피의 육아조직(granulation tissue)이 공통으로 확인되었다(Fig. 3A, C, E). MT 염색을 통해 진피에 형성된 육아조직을 분석한 결과, 미처치군에서 두 처치군에 비해 더 많은 수의 섬유아세포가 관찰되었고, 세포외 기질의 염색패턴도 보다 다양하게 분포함을 확인할 수 있었다(Fig. 3B, D, F).

Fig. 3.

Histopathological features of hypertrophic scars. (A, B) Non-treated group, (C, D) Dermatix Ultra group, and (E, F) SFG-100 silicone-gel group. The epidermal thickness in the non-treated group was greater than that of the other groups. Scars in the non-treated group exhibited irregular and poorly demarcated collagen bundles, along with whorl-like collagen patterns, in contrast to the two treated groups. A, C, E: hematoxylin and eosin stain, scale bar=100 μm; B, D, F: Masson’s Trichrome stain, scale bar=50 μm.

정량평가는 흉터상승지수, 흉터부위의 표피의 두께, 육아조직 내 혈관의 개수에 대한 평가를 진행하였다(Table 1). 흉터상승지수를 군별로 비교한 결과, 더마틱스 울트라군과 SFG-100 실리콘 겔군에서의 수치가 미처치군에 비해 유의성 있게 낮게 확인되었다(P< 0.01). 표피의 두께는 흉터부위 조직단면 중 가장 두꺼운 두 부위를 선정하여 측정 후 평균값을 계산하였고, 육아조직 내 혈관의 개수는 흉터부위 조직단면 중 1 mm2 부위를 임의로 선정하여 측정하였다. 표피의 두께는 미처치군에서 79.7 μm, SFG-100 실리콘 겔군 68.1 μm, 더마틱스 울트라군 65.7 μm로 두 처치군이 미처치군에 비해 유의성 있게 얇은 상태로 관찰되었다(P< 0.01). 육아조직 내 혈관의 개수에 대한 평가 결과, 미처치군에서 8.5개, 두 개의 처치군에서 각각 7.25개가 관찰되었다. 통계처리 시 유의성 있는 결과는 나오지 않았으나, 혈관의 개수 역시 두 처치군에서 미처치군에 비해 비교적 적은 수로 관찰되었다.

Comparison of scar elevation index, epidermal thickness, and number of granulation blood vessels in the three groups

고찰

창상은 물리 화학적 손상 또는 세균감염 등에 의해 정상 조직의 연속성이 파괴된 것으로, 다양한 후유증을 야기할 수 있다. 일반적으로 창상의 치유과정은 4단계로 나뉘는데, 출혈이 멈추는 지혈기, 창상의 오염물질들을 제거하는 염증기, 상피와 기질성분이 증식하는 증식기, 콜라겐 성분이 기질화되어 흉터조직이 형성되는 성숙기로 구성된다[6]. 경미한 창상은 쉽게 치유되지만, 창상의 면적이 크거나 창상이 적절히 관리되지 않아 세균감염이 발생하여 치유가 지연되는 경우에는 심한 흉터가 발생할 가능성이 높다[7,8].

창상 치유 시 표피의 재생은 창상부위를 감염으로부터 보호하고, 수분의 손실을 막아 피부층을 보호하는 역할을 한다. 따라서 창상이 발생했을 때 초기 치료 및 창상부위의 보호가 흉터조직의 발생에 매우 중요하다고 할 수 있다. 정상부위와 비대성 흉터부위의 표피를 비교하였을 때 흉터부위의 표피층이 더 두꺼운데 이는 표피를 구성하는 표피상피세포의 수가 증가했기 때문이며, 진피 내 섬유아세포의 숫자 및 콜라겐의 양도 정상과 비교하여 더 증가돼 있다고 알려져 있다[7,8]. 창상 발생 후 치유과정에서 침윤되는 급성 및 만성 염증세포 모두 흉터의 생성에 영향을 끼치며 창상을 치유하기 위한 섬유아세포가 증식하면서 혈관신생도 함께 진행된다[9,10].

본 연구는 랫드의 꼬리를 이용하여 비대성 흉터모델을 제작한 후 치료제의 효능을 확인하기 위해 미처치군, 실험군, 대조군의 3개 군으로 나누어 실험을 진행하였다. 이 연구를 수행하기 위해서는 실험에 앞서 비대성 흉터모델 제작이 선행되어야 하였다. 인체 피부 창상의 치유는 보통 재생(regeneration) 대신 섬유조직으로 대체되는 과정을 거친다[11]. 반면, 인간 이외의 동물들은 피부가 매우 느슨하며 인체에는 없는 피하근막층(panniculus carnosus) 구조가 있어 창상 치유 시 전체가 흉터조직으로 대체되는 대신 창상부위 중 상당 부분은 수축해버린다[5,12]. 기존에 보고된 문헌에 따르면, 다양한 종류의 동물을 사용하는 흉터모델 중 특히 토끼 귀를 사용한 흉터모델은 사람의 피부와 비슷한 경과를 보이기 때문에 널리 사용되어 왔다[13]. Zhou 등[5]은 최근 중국에서 랫드 꼬리에 창상을 낸 후 스트레칭 링을 장착하여 창상부위에 자극을 주는 조건으로 비대성 흉터모델을 제작한 내용을 보고하였다. 본 실험에서도 실험동물센터 내 공간적인 문제로 인해 토끼를 실험동물로 사용하지 못하여, 랫드 꼬리 흉터모델 제작을 시도하였다. 그 결과, 치유된 창상부위는 융기되고 담적색조가 확인되어 비대성 흉터의 재현성은 이루어진 것으로 사료된다. 치료제 적용 8주 후 흉터에 대한 육안 검사 결과, 모든 군에서 충혈소견이 약화되었고, 융기되었던 흉터의 높이도 낮아지는 것이 확인되었다. 비대성 흉터를 수치화하여 평가하기 위한 지표로 사용되는 흉터상승지수(새로 형성된 진피 면적과 정상 진피 면적의 비율) [14,15]를 측정한 결과 미처치군에 비해 처치군이 유의하게 낮아진 것이 확인되었다. 이러한 결과는 Noscarna 등의 실리콘 겔을 흉터에 적용하였을 때 비대성 흉터에 좋은 효과가 있었다는 Lee 등[1]이 발표한 기존의 결과와 비슷하였으며, 본 실험에서 사용한 실리콘 겔 제품 역시 육안상 미관에 영향을 미치는 것으로 사료된다.

흉터조직 내의 혈관 및 섬유아세포의 수, 콜라겐 기질화 정도, 흉터상승지수는 흉터 완화 정도를 평가하는 주요 지표가 된다[1]. 본 연구에서도 흉터부위에 대한 치료제 효과를 확인하기 위해 흉터부위의 표피 두께 및 혈관의 개수 또한 비교하였다. 랫드의 피부 표피는 중층 편평상피로 구성되어 있고, 세포들은 분열증식이 비교적 잘 되는 특징을 갖고 있다. 정상과 비대성 흉터를 비교했을 때 비대성 흉터의 표피 두께가 더 두꺼운 것으로 알려져 있으나, 실험환경에서는 여러 외부요인에 의해서도 표피의 두께가 달라질 수 있으므로 표피의 두께 자체가 흉터 감소효과를 평가하기에 적합하지 않다는 주장도 있다[1,16]. 본 연구에서, 표피 두께가 각 군 간 유의하게 다름을 확인하였으며, 두 처치군에서 미처치군에 비해 두께가 얇은 것 또한 확인하였다. 이런 결과만으로 흉터 치료제로서의 효능을 확증하는 데에 한계는 있겠으나, 흉터 완화제 재료로서의 가능성은 있는 것으로 판단된다. 흉터부위에서 진피 콜라겐의 기질화 정도와 혈관의 개수 또한 비교하였다. MT 염색을 통해 두 처치군에서 미처치군에 비해 콜라겐의 양이 줄어든 것과 기질화가 더 잘 이루어졌다는 것을 확인하였다. 혈관의 개수는 두 처치군에서 미처치군에 비해 적게 관찰되어 육아조직이 보다 성숙단계에 있음을 확인하였다.

본 실험에 사용된 SFG-100 실리콘 겔은 필름화 특성을 개선하기 위해 필름화제를 첨가하여 제조한 재료이다. 본 연구는 SFG-100 실리콘 겔이 현재 국내 피부과 및 성형외과에서 주로 사용되고 있는 제품인 더마틱스 울트라와 동등수준의 효능이 있음을 확인하고, 국산 내재화 기술을 적용하여 점착성투명창상피복재 의료기기 신제품 개발에 활용하기 위한 목적으로 진행되었다. 일반적으로 흉터치료에 적용되는 실리콘 겔 제품은 다이메틸실록세인(dimethylsiloxanes)과 같은 단량체로 이루어진 합성 고분자에 각종 첨가제를 포함하고 있으나[17], SFG-100 실리콘 겔은 CPX를 주 단량체로 하고 필름화제를 첨가하여 필름 형성 속도가 향상되도록 설계되었다. 또한 흉터 개선 효과 있다고 알려진 비타민E를 첨가하여 흉터관리 재료로서의 성능향상을 도모하였다[18,19]. 흉터모델 적용을 통해 SFG-100 실리콘 겔이 미처치군에 비해 두드러지는 흉터 완화 효과가 있음을 확인하였으며, 더마틱스 울트라 제품과 비교적 동등한 성능을 구현함을 확인할 수 있었고 이를 통해 실리콘 겔 흉터 완화제로써의 가능성을 확인하였다.

Notes

이 논문에는 이해 관계 충돌의 여지가 있음. 본 연구는 씨어스테크놀로지(Seers Technology Co.)로부터 연구비를 받아 수행되었으며, 연구에 사용된 SFG-100 실리콘 겔 재료는 ㈜에스아이펠리즈(Si-Feliz Co. Ltd.)에서 개발되어 씨어스테크놀로지로부터 제공받음.

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Article information Continued

Fig. 1.

Animal model of stretch-induced hypertrophic scar in rat tail.

Fig. 2.

Lateral view of tail scar with elevation and hyperemia.

Fig. 3.

Histopathological features of hypertrophic scars. (A, B) Non-treated group, (C, D) Dermatix Ultra group, and (E, F) SFG-100 silicone-gel group. The epidermal thickness in the non-treated group was greater than that of the other groups. Scars in the non-treated group exhibited irregular and poorly demarcated collagen bundles, along with whorl-like collagen patterns, in contrast to the two treated groups. A, C, E: hematoxylin and eosin stain, scale bar=100 μm; B, D, F: Masson’s Trichrome stain, scale bar=50 μm.

Table 1.

Comparison of scar elevation index, epidermal thickness, and number of granulation blood vessels in the three groups

Variable Group Mean±SD P-value Result
Scar elevation index (1) Non-treated group 1.50±0.14 0.005 (1)>(2), (3)
(2) SFG-100 silicone-gel group 1.23±0.66
(3) Dermatix Ultra group 1.25±0.53
Epidermal thickness (μm) (1) Non-treated group 79.70±1.71 0.009 (1)>(2), (3)
(2) SFG-100 silicone-gel group 68.10±1.28
(3) Dermatix Ultra group 65.70±8.83
No. of granulation vessels (vessels/mm2 of scar tissue) (1) Non-treated group 8.50±1.73 0.518 -
(2) SFG-100 silicone-gel group 7.25±1.71
(3) Dermatix Ultra group 7.25±1.71