Korean J Fam Pract 2022; 12(2): 110-115  https://doi.org/10.21215/kjfp.2022.12.2.110
Investigation of the Effect of Ultraviolet Light-Emitting Diodes Exposure Conditions on Serum Levels of 25-Hydroxyvitamin D in Female Adults with Vitamin D Insufficiency
Shinhye Lee, Jae-Heon Kang*, Cheol Hwan Kim, Eunju Sung, Ho Cheol Shin, In Young Cho, Supa Oh, Jung-Sun Lim, Hyunjoon Kang, Hyunjung Yoon
Department of Family Medicine, Kangbuk Samsung Hospital, Sungkyunkwan University School of Medicine, Seoul, Korea
Jae-Heon Kang
Tel: +82-2-2001-2797, Fax: +82-2-2001-1404
E-mail: jaeheon.kang@samsung.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5209-0824
Received: August 27, 2021; Revised: March 9, 2022; Accepted: March 24, 2022; Published online: April 20, 2022.
© The Korean Academy of Family Medicine. All rights reserved.

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted noncommercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Background: To date, no research has been published on the effects of light-emitting diode (LED) devices emitting ultraviolet B (UVB) on serum 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] levels in humans. The objective of this study was to explore the efficacy and safety of UV-LED exposure by examining its effect on serum 25(OH)D levels in female adults with vitamin D insufficiency.
Methods: Among 13 female adults who visited the outpatient clinic of the Department of Family Medicine, Kangbuk Samsung Hospital, from June to July 2021, 9 female adults were included in the final analysis. Vitamin D insufficiency is defined as a serum 25(OH)D level of <30 ng/mL. The participants received UV-LED exposure three times per week for six weeks. Adverse reactions were assessed every two weeks after the first UV-LED exposure. The primary endpoint was the difference in serum 25(OH)D levels before and after six weeks of UV-LED exposure.
Results: We found a statistically significant increase in serum 25(OH)D levels after six weeks of UV-LED exposure (P<0.001). Moreover, no severe adverse reactions were observed.
Conclusion: Based on the results obtained, the UV-LED device could be a potentially safe and effective way to treat vitamin D insufficiency.
Keywords: Vitamin D; Females; Ultraviolet Light; Pilot Study
서 론

비타민 D는 암, 고혈압, 당뇨, 골대사 질환 등과 많은 연관성이 있는 것으로 알려져 있다.1-4) 최근에는 활성형 비타민 D가 혈액뇌장벽 통과에 의해 우울증 등의 정신질환과 연관성이 제시되는 등 비타민 D의 중요성이 대두되고 있다.5,6)

혈중 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] 농도 20 ng/mL 이하를 비타민 D 부족 기준으로 하였을 때, 한국인의 비타민 D 부족 비율은 남성 47.3%, 여성 64.5%이고, 30 ng/mL을 기준으로 하면 각각 86.8%, 93.3%에 이른다.7) 특히 적은 야외 활동량, 실내 생활, 자외선 차단제, 폐경, 상대적으로 높은 체지방률 등의 이유로 남성보다 여성에서 비타민 D 부족 환자 비율이 더 높다.8) 비타민 D는 대부분 태양광선의 ultraviolet B (UVB)에 의해 만들어지며, 식품으로 섭취되는 비타민 D는 많지 않다. 우리나라의 경우 4월에서 10월 사이 태양광선 노출이 비타민 D 합성에 효과적일 수 있으나, 겨울철에는 UVB가 거의 존재하지 않기 때문에 태양광선으로 인한 합성이 어렵다. 비타민 D 보충제의 경우 종류, 용량, 칼슘과 동반 투여 여부, 개개인의 기저질환 등에 따라 다양한 결과가 보고되고 있으며, 혈중 25(OH)D 농도를 10 ng/mL 이상 올리려면 약 1,000 IU의 비타민 D3를 3개월 이상 투여해야 하므로 순응도가 떨어질 수 있다는 단점이 있다.9)

조명 장치를 이용한 비타민 D의 합성과 관련된 연구는 소수의 전향적 무작위 연구들만이 존재하며,10) UVB를 방출하는 light-emitting diode (LED) 장치의 비타민 D 합성 효과를 분석한 연구는 제한적이다. 특히 사람을 대상으로 LED 광원을 이용하여 혈중 25(OH)D 농도에 미치는 영향을 분석한 연구는 아직까지 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 비타민 D 부족 유병률이 높은 여성만을 대상으로, UV-LED device를 통해 혈중 25(OH)D 농도에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

방 법

1. 연구 대상 및 기간

2021년 6월 15일부터 2021년 7월 1일까지 강북삼성병원 방문자들 중 비타민 D 부족에 해당되는 만 20세 이상, 60세 이하 여성을 대상으로 수행되었다. 비타민 D 부족은 남녀 모두 20대에 최고 유병률을 보이고, 이후 점차 감소하는 양상을 띤다.7) 70대는 비타민 D 합성능력이 20대보다 75% 낮은 것으로 알려져 있으나, 70대의 경우 노화 자체로 인한 비타민 D 합성 능력의 저하 및 동반질환의 영향을 배제하기 힘들기 때문에, 연령 상한치를 만 60세로 설정하였다. 본 연구는 학술 목적의 초기 탐색적 예비 연구로, 대상자 수를 10명으로 설정하였으며 별도의 대조군 없이 진행하였다. 체질량지수(body mass index)가 18.5 kg/m2 이상, 30 kg/m2 미만에 해당하면서 본 연구 참여에 자발적으로 서면 동의한 자들이 최종 연구 대상자로 선정되었다. 신대체요법을 필요로 하는 말기 신부전 환자, 최근 1개월 이내에 경구 비타민 D 및 칼슘 보충제를 복용한 자, 임산부, 피부암 및 백내장 진단 이력이 있는 자, 광 과민성 피부를 가진 자, 그 외 시험책임자가 연구 대상자로 부적절하다고 판단한 경우 본 연구에서 제외되었다. 본 연구는 강북삼성병원 연구윤리심의위원회(Institutional Review Board, IRB)의 사전 승인(IRB No. 2021-04-030-004)을 획득하여 진행되었다.

2. 조사 변수 및 임상병리 검사

선별검사에서 조사 변수로 연령, 직업 등 인구학적 변수, 흡연 여부, 음주 여부, 하루 평균 태양광 노출 시간 등 생활습관 관련 변수 및 신체계측을 통한 신장, 체중, 체질량지수를 고려하였다. 또한 선별검사 시점 기준으로 최근 3년 이내의 외과적 수술력, 최근 1개월 이내의 비타민 D 및 칼슘 보충제 투약력을 포함한 병력을 조사하였다.

흡연력은 현재 흡연 여부에 따라 분류하였으며, 음주 경험 여부에 따라 일주일 동안 평균 음주량(bottle/week)을 조사 후 주 1병 미만을 No, 주 1병 이상을 Yes로 분류하였다. 혈압 측정 시 최소한 3분 이상 앉은 자세에서 휴식을 취한 후 2분 간격으로 2회 측정하고, 평균 값으로 기록하였다. 체질량지수는 체중(kg)/신장(m)2으로 계산하였다.

혈액검사는 금식여부와 관계없이 정맥에서 채취하여 전체혈구계산, 혈중요소질소, 크레아티닌, aspartate aminotransferase, alanine aminotransferase 수치와 함께 혈중 25(OH)D, 부갑상선호르몬, 칼슘, 인 농도를 확인하였고, 가임기 여성의 경우 소변 Human chorionic gonadotropin 검사를 추가로 시행하였다.

혈중 25(OH)D 농도는 competition 원리를 사용한 전기화학발광법(electrochemiluminescence)을 통해 분석하였다. UV-LED device 조사 전후의 농도 변화를 비교하기 위해, 선별검사 이후 조사 6주째 추적 검사를 시행하였다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)는 혈중 25(OH)D의 농도가 20 ng/mL 미만인 경우를 비타민 D 부족으로 정의하였고,11) 미국 Institute of Medicine (IOM)에서는 12 ng/mL 이하를 결핍, 20 ng/mL 이상을 정상으로 보고 있다.12) 이처럼 현재까지 적정 농도에 대해 일관되게 합의된 기준은 없으며, 체내 적정 농도는 약 25–80 ng/mL 로 알려져 있다.13) 본 연구에서는 혈중 25(OH)D 농도가 30 ng/mL 미만인 경우를 비타민 D 부족으로 정의하였다.

3. UV-LED device 조사 방법

본 연구는 의뢰자 주도 연구로, 햇빛 관련 조명 장치 및 LED 프로토타입 제품을 개발하는 SunnyFive (Samsung Electronics Spin-off Company, Seoul, Korea)의 지원을 받아 수행되었다. 본 연구에 사용된 단일파장(308 nm) UV-LED device는 일상생활 속 웰니스 실현 및 신체 기능의 향상을 돕는 개인용 건강관리 제품에 해당된다. 국가 인증 시험기관인 한국조명연구원(Korea Institute of Lighting & ICT, KILT)에서 광생물학적 위험이 없는(no photobiological hazard) 제외군(exempt)으로 판정되어 안전성을 확보하였다(Test report IECEN 62471).

UV-LED device는 1회당 30분, 주 3회, 6주 동안 총 18회 조사하였으며, 조사 전후의 혈중 25(OH)D 농도 변화를 분석하였다. UV-LED device의 최소 조사 간격은 2일로 하였다. 엎드린 자세로 60 cm 거리에서 30 cm×30 cm 면적의 등 부위에 조사했으며, 등 부위를 제외한 나머지 부위는 옷을 착용하고, 보안경을 착용한 상태로 조사하였다. 부득이하게 휴가 등 개인사정으로 인해 2일 미만으로 조사간격을 둘 경우, 이상반응이 지속되는 경우, 연구대상자가 원하는 경우 복부와 등에 번갈아 조사하였다. 초기에 설정된 출력량은 2대 기준으로 0.07 mW/cm2의 세기이며, 여름 정오 태양 세기의 절반 정도에 해당되었다. 그러나 연구 시작 후 첫 일주일 동안 대부분의 연구 대상자들이 조사 부위의 따가운 통증, 소양감, 발적 등을 호소하여 0.05 mW/cm2의 세기로 조정하였다. 출력량 조정 후 모든 연구대상자들의 이상반응은 호전되었다. 안전성 및 이상반응 평가는 조사 첫날을 포함하여 연구 담당자에 의해 매 2주마다 시행되었다. (주)KB손해보험과의 계약 체결을 통해 대상자가 받을 수 있는 불이익에 대비하였으며, 모든 이상반응은 증례보고서에 기록하였다.

본 연구에서 병용약물은 일체 허용되지 않았다. 연구 종료까지 기존의 야외 활동량 및 규칙적인 생활 패턴, 식이요법을 유지하도록 교육하였다. 이상반응 평가에서 연구 지속이 대상자에게 해롭다고 판단되는 경우, 연구에서 허락하지 않는 다른 치료가 추가로 필요할 경우, 임신의 경우, 기타 다른 이유로 연구가 취소되는 경우 본 연구참여는 중지되었다.

4. 통계 분석

연구 대상자에 대해 각 검사치의 평균 및 표준편차를 구하였고, 범주형 자료는 빈도 및 백분율을 계산하였다. Kolmogorov–Smirnov test, Shapiro–Wilk test를 시행한 결과 정규분포를 따른다고 가정할 수 있었다(P>0.05). 이에 device 조사 전후의 혈중 25(OH)D 농도의 변화를 비교 분석하기 위해 모수적 검정법인 paired t-test를 이용하였다. 통계 처리는 IBM SPSS Statistics ver. 24.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA) 통계 프로그램을 이용하였으며, 통계적 유의 수준은 양측검정, P-value<0.05로 하였다.

결 과

1. 연구 대상자들의 임상적 특성

본 연구는 선별검사를 시행했던 13명 중 3명을 제외한 총 10명이 연구 대상자로 등록되었다. 이들 중 1명은 UV-LED 조사 부위의 발적, 따가운 통증으로 인해 두 번째 조사 후 자의로 중도 탈락되었다. 따라서 최종 분석에는 9명의 연구 대상자가 포함되었다. 연구 대상자는 모두 실내에서 업무활동을 하는 직장인으로, 출퇴근 시간이 일정한 규칙적인 생활 패턴을 보였다. 또한 COVID-19 발병으로 인한 사적 모임 제한으로 자외선 세기가 강한 점심시간에도 야외활동 없이 사내식당을 이용하였다. 연구대상자의 평균연령은 30.22±4.58세였다. 평균 신장과 체중은 각각 167.38±5.50 cm, 60.21±5.36 kg이었다. 하루 평균 태양광 노출 시간은 64.44±45.31분에 해당되었다. 연구 대상자 9명(100%) 모두 이전 흡연 경험이 없는 비흡연자였다. 음주를 하지 않는 대상자는 8명(88.9%), 주 1병 이상 음주하는 대상자는 1명(11.1%)이었다. 혈중 25(OH)D, 칼슘, 인, 부갑상선 호르몬의 평균 농도는 각각 17.79±4.70 ng/mL, 9.38±0.34 mg/dL, 3.37±0.72 mg/dL, 28.18±16.32 pg/mL에 해당되었다(Table 1).

Table 1

Baseline characteristics of subjects

CharacteristicValue (n=9)
Age (y)30.22±4.58
Height (cm)167.38±5.50
Weight (kg)60.21±5.36
Body mass index (kg/cm2)21.56±2.79
Alcohol
Yes1 (11.1)
No8 (88.9)
Smoking
Current0 (0.0)
Never/past9 (100.0)
25(OH)D (ng/mL)17.79±4.70
Calcium (mg/dL)9.38±0.34
Phosphorus (mg/dL)3.37±0.72
Parathyroid hormone (pg/mL)28.18±16.32
Sunlight exposure (min/day)64.44±45.31

Values are presented as mean±standard deviation or number (%).

25(OH)D, 25-hydroxyvitamin D.



2. 유효성 및 안전성 평가

연구의 1차 평가변수인 혈중 25(OH)D의 평균 농도 변화를 살펴보았을 때, UV-LED 조사 전 17.79±4.70 ng/mL, 조사 6주 후 25.86±6.46 ng/mL로 통계적으로 유의하게 증가하는 결과를 보였다(P< 0.001). 이에 대한 결과는 Table 2와 같다.

Table 2

Change of serum 25(OH)D levels after UV-LED exposure

VariableWeek 0Week 6P-valuea
25(OH)D (ng/mL)17.79±4.7025.86±6.46<0.001

Values are presented as mean±standard deviation.

25(OH)D, 25-hydroxyvitamin D; UV-LED, ultraviolet-light-emitting diode.

aP-values are from paired t-test.



연구 기간 동안 발현된 이상반응을 조사한 결과, 연구 방법에서 언급한 바와 같이 대부분의 연구 대상자에서 UV-LED 조사 첫 일주일 동안 소양감(n=8), 따가운 통증(n=6), 발적(n=4), 두드러기(n=2) 등의 이상반응이 발생하였으나 출력량 조정 후(0.07→0.05 mW/cm2) 서서히 호전되는 양상을 보였으며, 기타 중대한 이상반응은 관찰되지 않았다.

고 찰

본 연구에서는 강북삼성병원에 방문한 환자를 대상으로, 비타민 D 부족에 해당하는 만 20세 이상 60세 이하의 여성에서 UV-LED device를 주 3회 조사하였을 때 혈중 25(OH)D 농도에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 조사 전과 조사 6주 후 혈중 25(OH)D 농도의 유의한 차이가 관찰되었다.

이는 이전 선행연구와 유사한 결과로, Bogh 등10)의 연구에서 비타민 D 부족 환자를 대상으로 Waldmann UV7002 cabin 제품을 이용하여 narrowband UVB를 주 3회 조사한 군이 하루에 1,600 IU의 경구 비타민 D 보충제를 복용한 군보다 효과가 있었다고 보고하였다. Waldmann UV7002 cabin은 백반증 및 건선 등의 치료목적으로 전신에 빛을 조사해야 하는 제품으로, 형광램프를 광원으로 사용하였으며 파장은 311±2 nm에 해당되었다. 그러나 본 연구에서는 형광램프가 아닌 약 308 nm의 단일파장 LED 광원을 사용했기 때문에, 선행 연구와 비교했을 때 파장, 광원, 출력량 등에서 다소 차이가 있다.

LED 광원을 활용한 비타민 D 연구는 제한적이며, 지금까지 동물 및 사람의 피부 조직을 이용한 연구만이 존재한다.14-16) Barnkob 등14)의 연구를 통해 돼지의 피부에서 최적의 비타민 D 합성에 도달하기 위한 UV-LED 노출 조건을 조사한 결과, 292 nm에서 300 nm의 파장에 해당하는 빛을 조사했을 때 비타민 D 합성이 가능함을 발견하였다. 특히 296 nm의 파장이 비타민 D 합성에 가장 효과적인 것으로 밝혀졌다. Morita 등15)의 연구에서는 비타민 D 부족에 해당하는 쥐에게 한달 간 주 2회 268 nm에서 316 nm의 파장에 해당하는 빛을 조사했을 때, 특정 파장에 관계없이 혈중 25(OH)D 농도의 유의한 상승 효과를 보였다. 또한 Kalajian 등16)의 연구에서 사람의 피부조직에 UV-LED device를 조사했을 때 비타민 D 합성 정도를 분석한 결과, 293 nm의 파장이 비타민 D 합성에 가장 효과적이었으며, 태양광선과 비교했을 때 비타민 D 생산 효율이 약 2.4배 높았다. 이는 UV-LED device가 야외 활동을 통한 실외 자외선 노출보다 비타민 D 합성을 유도하는 데 더욱 효율적임을 보여주는 결과이다.

염증성 장질환, 낭성 섬유증, 위 우회술 등으로 인해 지방 흡수 장애가 있는 환자들은 음식이나 보충제를 통한 비타민 D 합성이 어려우며, 피부를 통한 합성만이 가능하다.1,17) Koutkia 등18)의 연구에서 크론병 여성을 대상으로 태닝 침대를 통해 UVB를 조사했을 때 혈중 25(OH)D 농도의 유의한 상승을 관찰할 수 있었다. 또한 투석중인 만성콩팥병 환자들을 대상으로 시행한 Krause 등19)의 연구에서 UVB 노출이 경구 비타민 D 보충제보다 혈중 25(OH)D 농도 상승 효과가 더 높았다. 이러한 환자들에 있어서 UV-LED 장치는 비타민 D 부족을 치료할 수 있는 유용한 방법이 될 것이다.

LED 광원은 다른 광원보다 안전성 측면에서 우수하다. Ablon 등20)의 연구에서, LED 광원을 이용한 광선치료는 저온의 비침습적인 광원으로, topical photosensitizer 없이 LED 단독으로 사용되는 경우 피부 조직에 손상을 주지 않으며, 발적, 부종, 통증 등의 증상 발생 빈도가 낮다고 명시되어 있다. 본 연구에 사용된 device 또한 광생물학적 안전성이 입증된 제품으로, 연구 시작 후 첫 일주일 동안 연구 대상자들이 따가운 통증, 소양감, 발적 등을 호소하였으나 출력량 조정 후 호전되는 양상을 보였으며, 중대한 이상반응은 관찰되지 않았다.

본 연구의 제한점은 다음과 같다. 첫째, 연구 대상자가 총 9명으로, 소수만을 대상으로 연구를 진행한 점이다. 둘째, 피부 타입 별 비타민 D 합성 정도의 차이를 고려하지 못하였다. 그러나 Youn 등21)의 연구에서 한국인의 광피부형을 Fitzpatrick 분류법에 따라 분석했을 때, III형이 48.8%, IV형이 22.2%로 III, IV형이 전체의 대부분을 차지하였으며, 남녀 모두 Ⅲ형이 47.1%, 50.5%로 가장 많았다. 또한 Bogh 등22)의 연구에서 Fitzpatrick 분류법에 따라 I–IV형 및 V–VI형 두 군으로 나누어 동일하게 UVB 조사 후 비타민 D 합성 정도에 차이가 있는지 분석한 결과, 통계적으로 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 따라서 피부 타입이 연구에 미치는 영향은 적을 것으로 생각되나, 추후 대상자 개개인의 피부 타입까지 고려한 연구가 시행되어야 할 것으로 보인다. 셋째, 대조군 없이 모든 대상자들에게 동일하게 UV-LED device를 조사하였기 때문에 무작위대조군 연구에 비해서는 낮은 수준의 근거를 가진다고 볼 수 있다. 그러나 본 연구는 동물이 아닌 사람을 대상으로 UV-LED 조사가 비타민 D 합성에 미치는 영향을 조사한 첫 번째 연구라는 점에서 큰 의의가 있다. 향후 추가적인 연구들을 통해 안전성과 유효성에 대한 보다 일반적인 결과를 도출해야 할 것이다.

결론적으로, 본 연구를 통해 6주간 주 3회 UV-LED 조사 후 혈중 25(OH)D 농도의 유의한 상승 소견을 관찰할 수 있었다. 이는 UV-LED 장치가 비타민 D 부족을 치료하는 데 잠재적으로 안전하고 효과적인 방법이 될 수 있음을 시사한다. 또한 실내에서 효율적으로 비타민 D 합성을 유도할 수 있는 UV-LED device의 보급을 통해 비타민 D 부족 여성의 건강 증진을 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 유효성 및 안전성 확증을 위한 대규모의 전향적 연구가 필요할 것으로 보인다.

ACKNOWLEDGEMENTS

This study was supported by SunnyFive (Samsung Electronics Spin-off Company) in 2021.

CONFLICT OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

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