Biocompatibility of Fillers Following Application of Hyaluronic acid at Different Anatomic Injection Sites

Abstract

히알루론산은 D-글루루콘산과 N-아세틸 글루코사민의 반복 이당류 단위로 구성된 음이온 글리코사미노글리칸으로 조직 부피와 수분 공급을 제공하는 살아있는 유기체의 천연 고분자입니다. 히알루론산은 조직 복구, 형태 형성, 세포 증식 및 이동과 같은 다양한 생리학적 과정에서 중요한 역할을 합니다. 히알루론산은 조직 합성 및 매트릭스 리모델링을 촉진하여 조직 부피를 제공하고 피부를 보호하는 점탄성 세포내 매트릭스의 중요한 구성 요소가 됩니다. 물 분자를 결합하고 유지하는 능력은 피부 필러에 사용될 때 조직의 수분을 유지하고 매끄럽고 자연스러운 외관에 기여합니다. 섬유아세포와 세포외기질(ECM) 사이의 상호 작용은 세포 기능에 매우 중요합니다. 가교된 HA 투여가 섬유아세포 증식을 유도하여 I형 콜라겐을 자극한다는 여러 연구 결과가 보고되었으며, 섬유아세포의 활성 능력을 조절하는 ECM 미세 환경의 중요성이 강조되어 왔습니다. 콜라겐은 조직에 힘과 지지를 제공하는 주요 구조 단백질입니다. 섬유아세포에 의한 콜라겐 합성은 Smad 전사 인자와 같은 다운스트림 이펙터 단백질을 활성화시키는 TGF-β (transforming growth factor-beta) 경로에 의해 조절됩니다. TGF-β는 MAPK 및 PI3K/AKT 경로를 활성화하여 콜라겐 합성에 기여할 수 있습니다. 더말 필러의 생체적합성은 숙주 조직 반응과 이식된 물질의 특성에 영향을 받기 때문에 매우 중요하며, 이러한 상호 작용은 필러의 장기적인 효능과 안전성을 손상시킬 수 있는 반응을 유도합니다. 따라서 투여 물질에 대한 조직 반응을 평가하고 안전성과 효능을 보장하려면 적절한 조직학적 평가가 필요합니다. 히알루론산 필러를 포함한 더말 필러는 잔주름 교정, 얼굴 볼륨 증가, 피부 질 개선을 위한 심미적 회춘에 사용되며 목적에 맞는 해부학적 부위에 적용됩니다. 필러 주입을 위한 해부학적 부위의 선택은 주입할 피부 층과 해당 부위의 피부 두께를 고려해야 합니다. 그러나 해부학적 부위에 초점을 맞춘 생체 적합성 연구는 아직까지 연구되지 않았습니다. 본 연구에서는 피부 두께를 기준으로 임상에서 눈꺼풀과 코끝의 대표적인 부위로 마우스의 등(Back) 및 옆구리(Flank)를 선정하였습니다. 필러의 생체적합성과 해부학적 주사 부위에 따른 콜라겐 합성의 차이를 평가하기 위해 조직학적 검사를 수행하였습니다. 이후 해부학적 투여 부위 간의 콜라겐 합성 미세환경 차이를 비교하여 새로운 필러 제품을 임상에 도입할 때 필러 종류에 따른 투여 부위의 해부학적 구조의 적합성을 평가하였습니다. MRI 이미지 분석 결과, 히알루론산 투여에 의한 볼륨 증가는 Flank에서 더 많이 발생되는 것을 관찰하였으며 면역조직화학염색(IHC), Masson’s trichrome 및 Sirius red 염색을 통해 Flank에서 콜라겐 합성이 더 잘 일어나는 것을 관찰하였습니다. 또한 콜라겐 합성 미세환경 차이를 평가하기 위해 수행한 Western blot 및 CD31 IHC를 통해 Flank에서 피하지방이 많고 혈관이 많이 분포되어 있으며 섬유아세포가 활발하게 분화된 것을 관찰하였습니다. 따라서 히알루론산 투여에 의한 볼륨 증가 및 콜라겐 합성은 피하지방과 섬유아세포가 많은 Flank에서 더 잘 일어났습니다. 본 연구에서는 필러 투여의 조직학적 검사뿐만 아니라 영상의학(MRI) 및 분자생물학(Western blot)과 같은 다양한 평가 방식을 사용하여 생체적합성을 평가하였습니다. 또한 필러의 목적에 맞는 부위를 고려하여 해부학적 부위를 선정하고 차이를 비교함으로써 임상적 사용에 대한 통찰력을 제공하였습니다. | Hyaluronic acid (HA) is an anionic glycosaminoglycan composed of repeating disaccharide units of D-gluconic acid and N-acetyl glucosamine. It is a natural polymer in living organisms that provides tissue volume and hydration. HA plays a significant role in various physiological processes such as tissue repair, morphogenesis, and cell proliferation and migration. HA promotes tissue synthesis and matrix remodeling, making it an essential component of the viscoelastic intracellular matrix that provides tissue volume and protects the skin. Its ability to bind and retain water molecules helps keep tissues hydrated and contributes to a smooth and natural appearance when used in dermal fillers. Interactions between fibroblasts and extracellular matrix (ECM) are critical for cell function. Several studies have reported that cross-linked HA injection stimulates type I collagen by inducing fibroblast proliferation. The importance of the ECM microenvironment in regulating the active ability of fibroblasts has been emphasized. Collagen is a major structural protein that provides strength and support to tissues. Collagen synthesis by fibroblasts is regulated by the transforming growth factor-beta (TGF-β) pathway, which activates downstream effector proteins such as the Smad transcription factor. TGF-β can contribute to collagen synthesis by activating the MAPK and PI3K/AKT pathways. Biocompatibility of dermal filler is critically important as it is affected by the host tissue response and the properties of the implanted material. Interactions of implanted materials with cells induce reactions that impair the filler’s long-term efficacy and safety. Therefore, proper histological evaluation is required to evaluate tissue reactions to implanted materials and to ensure safety and efficacy. Dermal fillers, including HA fillers, are commonly used for aesthetic rejuvenation to correct fine lines, increase facial volume, and improve skin quality. Dermal fillers are applied to anatomical areas according to the purpose. The choice of anatomical site for filler injection should consider the injected layer and the skin thickness in that area. However, thorough biocompatibility studies focused on anatomical areas have not been studied yet. In this study, the Back and Flank of mouse were selected as representative areas of the “eyelid” and “nasal tip” in clinical based on skin thickness. Histological examination was performed to evaluate the biocompatibility of the filler and the difference in collagen synthesis according to the anatomical injection site. Then, differences in the collagen synthesis microenvironment between anatomical injection sites were compared to evaluate the suitability of the anatomical structure of the injection site according to the type of filler when introducing a new filler product for clinical use. As a result of the MRI, it was observed that the volume increase caused by HA injection occurred more in the Flank, and collagen synthesis was observed to occur better in the Flank through immunohistochemical (IHC) staining, Masson’s trichrome and Sirius red staining. In addition, western blot and CD31 IHC were performed to evaluate the difference in the collagen synthesis microenvironment. It was observed that the Flank had a lot of subcutaneous fat, blood vessels, and active differentiation of fibroblasts. Therefore, volume increase and collagen synthesis by HA injection occurred better in the Flank with many subcutaneous fat and fibroblasts. In this study, biocompatibility was evaluated using various evaluation methods such as radiology (MRI) and molecular biology (western blot) as well as a histological examination of filler injection. In addition, it provided insight into clinical use by selecting an anatomical area in consideration of the site suitable for the filler and comparing the difference.