Physicochemical Characteristics and Skin Improvement Efficacy Study of Drug in Cyclodextrin in Liposome (DCL) System

Abstract

Background and Aims: This study investigated a novel dual encapsulation liposome system called Drug in Cyclodextrin in Liposome (DCL), designed to enhance the stability and skin penetration efficacy of active ingredients. Retinal (RA), a potent anti-wrinkle agent, rapidly degrades when exposed to light, oxygen, and heat, necessitating effective stabilization methods. Additionally, the study evaluated the efficacy of Potentilla anserina extract, well-known for its anti-inflammatory and moisturizing properties, particularly crucial for addressing skin issues exacerbated by prolonged mask-wearing during the COVID-19 pandemic. The primary objective was to develop and validate the DCL system to apply active ingredients' stability and efficacy to the skin. The study aimed to stabilize the easily degradable RA to improve its delivery and effectiveness as an anti-wrinkle agent. It also aimed to investigate the physicochemical characteristics and encapsulation efficiency of the DCL system to determine its capability to stably deliver various active compounds to the skin using hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD). Furthermore, by using Potentilla anserina extract as a test substance, the study aimed to evaluate the system's ability to improve skin moisturization, barrier function, and overall skin health, especially in mitigating the adverse effects of prolonged mask-wearing. Methods: The study utilized HP-β-CD, RA, lecithin, cholesterol and Potentilla anserina. For analysis, high-performance liquid chromatography (HPLC), a homogenizer, a particle size analyzer, and a freeze dryer were employed. RA and HP-β-CD were mixed in various ratios and subjected to vacuum distillation and freeze drying to produce the RA HP-β-CD complex. This complex was then encapsulated in liposomes using a mixture of heated and homogenized lecithin and cholesterol, incorporating RA and Potentilla anserina. Encapsulation efficiency was assessed using HPLC for accurate RA measurement, and the interaction between RA and HP-β-CD was analyzed via Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy to confirm the formation of the inclusion complex. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to observe the morphology and structural integrity of the complex, ensuring proper encapsulation. Dynamic Light Scattering (DLS) measured liposome particle size and zeta potential to evaluate the stability and uniformity of the liposome formulation. Encapsulation efficiency was precisely assessed by separating encapsulated RA and quantifying it using UV-VIS spectroscopy to evaluate the DCL system's efficiency. Results: The optimal ratio of RA to HP-β-CD was determined to be 1:15 (w/w), achieving an encapsulation efficiency of approximately 95.6%. Liposomes with a higher lecithin content showed increased encapsulation efficiency, reaching up to 81.2% when the cholesterol ratio was 10%. The RA and Potentilla anserine HP-β- CD liposome formulation significantly enhanced the stability of RA, minimizing degradation under stress conditions. Clinically, testing a cream containing 0.05% RA using the DCL system on 34 healthy Korean women aged 25 to 55 showed significant wrinkle improvement and increased skin elasticity without irritation. Potentilla anserina extract encapsulated in HP-β-CD liposomes enhanced skin hydration by increasing Aquaporin-3 (AQP3) expression and significantly boosted Filaggrin (FLG) levels, improving skin barrier function and moisture retention. Additionally, the extract demonstrated potential in alleviating discomfort and irritation associated with prolonged mask-wearing by reducing the expression of itch-related cytokines. Conclusion: This study demonstrated that the development of the DCL system effectively improves the stability and skin delivery of various active compounds. The findings suggest that this dual encapsulation system offers an innovative approach to addressing skin issues by enabling the stabilization and efficient delivery of active ingredients. This technology holds significant potential for enhancing the performance of skincare products, particularly in improving skin hydration, reducing wrinkles, and alleviating skin irritation. Keywords: Drug-in-cyclodextrin-in-liposome (DCL), Skin hydration, Skin mois- tureL, Potentilla anserine, Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD), Retinal (RA)|배경과 목적: 본 연구는 활성 성분의 안정성과 피부 침투 효능을 향상시키기 위해 설계된 새로운 이중 캡슐화 리포좀 시스템인 DCL (Drug in Cyclodextrin in Liposome)을 조사했습니다. 강력한 주름 개선제인 레티날은 빛, 산소 및 열에 노출될 때 급격히 분해되므로 효과적인 안정화 방법이 필요합니다. 또한, 본 연구는 항염 및 보습 특성으로 잘 알려진 Potentilla anserina 추출물의 효능을 평가했습니다. 이는 COVID-19 팬데믹 기간 동안 장시간 마스크 착용으로 인해 악화된 피부 문제를 해결 하는 것은 특히 중요합니다. 주요 목표는 DCL 시스템을 개발하고 이를 검증하여 활성 성분의 안정성과 효능을 피부에 적용하는 것입니다. 본 연구에서는 레티날의 안정성을 개선하고 이를 통해 주름 개선제로서의 전달력과 효과를 향상시키는 것을 목표로 했습니다. 또한, HP-β-CD를 사용하여 다양한 활성 화합물을 피부에 안정적으로 전달할 수 있는 DCL 시스템의 물리화학적 특성과 캡슐화 효율을 조사하고자 했습니다. 더불어, Potentilla anserina 추출물을 시험 물질로 사용하여 장시간 마스크 착용으로 인한 부작용을 완화하는 데 있어 본 시스템의 피부 보습, 장벽 기능 및 전반적인 피부 건강 개선 능력을 평가하고자 했습니다._x000D_ <br>방법: 본 연구에서는 HP-B-CD, 레티날, 레시틴, 콜레스테롤, Potentilla anserina 를 사용했습니다. 분석을 위해 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 호모게나이저, 입자 크기 분석기 및 동결 건조기를 사용했습니다. 레티날과 HP-β-CD는 다양한 비율로 혼합하여 진공 증류 및 동결 건조를 거쳐 레티날 HP-β-CD 복합체를 생산했습니다. 이 복합체는 가열 및 호모게나이즈된 레시틴과 콜레스테롤 혼합물을 사용하여 리포좀에 캡슐화되었으며, 레티날과 Po-tentilla anserina를 포함했습니다. 캡슐화 효율은 HPLC를 사용하여 정확하게 측정했으며, 레티날과 HP-β-CD 사이의 상호 작용은 FT-IR(푸리에 변환 적외선 분광법)을 통해 분석하여 포함 복합체 형성을 확인했습니다. 주사 전자 현미경(SEM)은 복합체의 형태와 구조적 완전성을 관찰하여 적절한 캡슐화를 보장했습니다. 동적 광 산란(DLS)은 리포좀 입자 크기와 제타 전위를 측정하여 리포좀 제형의 안정성과 균일성을 평가했습니다. 캡슐화 효율은 캡슐화된 레티날을 분리하고 UV-VIS 분광법을 사용하여 정량화하여 DCL 시스템의 효율성을 평가했습니다._x000D_ <br>결과: 레티날과 HP-β-CD의 최적 비율은 1:15(w/w)로 결정되었으며, 캡슐화 효율은 약 95.6%에 달했습니다. 레시틴 함량이 높은 리포좀은 캡슐화 효율이 증가하여 콜레스테롤 비율이 10%일 때 최대 81.2%에 도달했습니다. 레티날 및 Potentilla anserine HP-β-CD 복합 리포좀 함유한 제형은 RA의 안정성을 크게 향상시켜 스트레스 조건에서의 분해를 최소화했습니다. 25세에서 55세 사이의 건강한 한국 여성 34명을 대상으로 DCL 시스템을 사용하여 0.05% 레티날를 함유한 크림을 임상 시험한 결과, 주름 개선 및 피부 탄력 증대 효과가 있었으며 자극 없이 사용되었습니다. HP-β-CD 리포좀에 캡슐화된 Po-tentilla anserina 추출물은 Aquaporin-3(AQP3) 발현을 증가시켜 피부 수분을 높였으며, Filaggrin(FLG) 수치를 크게 향상시켜 피부 장벽 기능과 수분 유지력을 향상시켰습니다. 또한, 추출물은 가려움 관련 사이토카인의 발현을 줄여 장시간 마스크 착용과 관련된 불편함과 자극을 완화하는 데 잠재력이 있음을 보여주었습니다._x000D_ <br>결론: 본 연구는 DCL 시스템의 개발이 다양한 활성 화합물의 안정성과 피부 전달을 효과적으로 개선함을 입증했습니다. 연구 결과에 따르면 이중 캡슐화 시스템은 활성 성분의 안정화 및 효율적인 전달을 가능하게 하여 피부 문제를 해결하는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다. 이 기술은 특히 피부 보습, 주름 감소 및 피부 자극 완화와 같은 피부 관리 제품의 성능을 향상시키는 데 상당한 잠재력을 지니고 있습니다._x000D_ <br>_x000D_ <br>키워드: DCL(Drug-in-cyclodextrin-in-liposome), 피부 수분, 피부 보습, Potentilla anserina, HP-β-CD(하이드록시프로필-β-사이클로덱스트린), 레티날(RA)