JCJC SVSE 5 - JCJC - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques

Descripteurs Raman qualitatifs et quantitatifs des anomalies de la peau sèche – CARE

CARE : Anomalies de l'hydratation cutanée, Evaluation par spectroscopie Raman

Evaluation par spectroscopies vibrationnelles des marqueurs moléculaires de l’hydratation cutanée : impact sur l’organisation supramoléculaire et l’ordre conformationel des lipides de la barrière cutanée et sur la structure secondaire des protéines du Stratum Corneum.

Compréhension moléculaire par spectroscopie vibrationnelle de la sécheresse cutanée

La sécheresse cutanée est un phénomène commun dans différents dysfonctionnements physiopathologiques. Grâce à ses propriétés de protection de l’organisme vis-à-vis de son environnement, le stratum corneum (SC) est considéré comme le principal élément contrôlant l’hydratation. L’ANR CARE associe des développements techniques et méthodologiques pour la mise en évidence par spectroscopie vibrationnelle Raman et IR, des mécanismes moléculaires impliqués dans les phénomènes de sécheresse cutanée. <br />Le projet visait dans un premier temps à mettre en évidence des descripteurs spectraux bien établis associés aux différents types d’eau, à savoir : eau fortement liée, eau partiellement liée et eau non liée. Dans un second temps, l’étude a porté sur l’évolution de ces différents types d’eau en fonction de l’humidité relative et leurs impacts sur l’ordre conformationnel et la compacité des lipides de la barrière cutanée ainsi que sur la structure secondaire des protéines du SC. <br />Après l’établissement des descripteurs de l’hydratation, de l’état de la barrière lipidique et de la structure secondaire des protéines, les travaux de la tâche suivante consisteront à suivre d’une part les effets du vieillissement photo-induit ; et d’autre part, l’action des différentes molécules hydratantes sur les composantes moléculaires du SC (in vitro vers l’ex vivo). <br />L’objectif final du projet est de transmettre le savoir-faire développé in vitro et ex vivo vers l’application directe in vivo.

Contrôle de l’humidité relative (HR) :
La première étape de notre travail a consisté à établir des conditions d’analyse optimales pour la reproductibilité, la fiabilité et la robustesse des mesures. Dans ce cadre, un modèle simplifié de la chambre à humidité contrôlée nous a permis d’obtenir des valeurs d’HR stables, répétables et précises.
Spectroscopies vibrationnelles Raman et infrarouge :
Les principales techniques utilisées pour étudier les structures cutanées ont été les spectroscopies Raman et infrarouge. Elles présentent l’avantage d’être non destructives et non invasives (dans le cas du Raman in vivo) et de permettre d’obtenir une information moléculaire directe sur l’échantillon étudié.
Prétraitement et traitement des données :
Le signal brut ne peut pas être directement exploité. Il nécessite un prétraitement afin de mieux cibler l’information liée directement à l’échantillon étudié. Le prétraitement consiste à corriger la ligne de base, lisser et normaliser les spectres.

Les spectres prétraités sont ensuite analysés par différentes méthodes afin d’obtenir l’information moléculaire nécessaire :
- L’état de l’ordre conformationnel et de l’organisation des lipides est obtenu par calcul des intensités relatives, largeur des pics et des bandes ainsi que les positions et les décalages de ces bandes.
- Les structures secondaires des protéines et les différents types d’eau sont étudiées grâce aux déconvolutions des bandes spectrales avec des fonction Gaussienne et Lorentzienne.
- Le suivi des molécules hydratantes, de la répartition des composantes du SC dans les images spectrales est réalisé avec des méthodes chimiométriques tel que l’analyse en composantes principales (ACP) et les méthodes de moindres carrés avec des contraintes de non-négativité (NCLS).

L’étape finale consiste toujours à une observation critique des résultats afin de pouvoir associer l’information obtenue à un état structurale, moléculaire, organisationnel ou même physiologique.

La première étude expérimentale a consisté à l’établissement des descripteurs Raman de l’hydratation ex vivo. Malgré l’abondance des données bibliographiques reposant sur des travaux en spectroscopie Raman pour l’étude de l’état d’hydratation cutanée, ce travail a eu pour objectif de poser un regard critique sur la lecture spectrale de l’hydratation cutanée tout en mettant l’accent sur l’importance des données quantitatives. Ces nouvelles analyses ex vivo ont montré que l'ultra-structure moléculaire de la peau est influencée par les conditions environnementales.
Nous avons remis à jour la notion d’eau liée et non-liée au SC, et introduit l’effet de la structure de l’eau sur le mécanisme moléculaire du SC. Ainsi, nous avons apporté de nouvelles données permettant de démontrer que l’eau partiellement liée peu considérée dans les études cutanées, est un élément majeur dans l’équilibre conformationnel et structural des lipides et protéines.
L’objectif global de la recherche sur la sécheresse cutanée étant toujours de rétablir un état d’hydratation « normal » ; nous nous sommes intéressés à étudier les effets de produits « hydratants ». Sur la base des descripteurs déjà établis lors des études précédentes, nous nous sommes intéressés à la compréhension des modes d’action de différents produits. Une étude comparative a donc permis d’introduire une nouvelle vision dans l’évaluation des effets des produits hydratants. En plus des propriétés hygroscopiques et de rétention d’eau, l’évolution de l’organisation des lipides et la pénétration des produits a conduit à une classification de ces produits dans les: occlusifs, modulateurs de la barrière lipidique, humectants et émollients, mais en s’appuyant sur des observations à l’échelle moléculaire.

En suivant les objectifs établis dès le début du projet, l’étape suivante sera d’associer l’analyse de l’hydratation au vieillissement cutané. Dans un premier temps, l’étude permettra de mettre en évidence les marqueurs du vieillissement in vitro et ex vivo. Finalement, et dans la logique de la démarche, allant du moléculaire vers le vivant, la dernière partie du projet thèse consistera à la transposition des analyses vers l’in vivo. Dans ce cadre, les mesures Raman in vivo seront réalisées sur un panel de volontaires en se basant du savoir-faire pré-acquis.

Comme indiqué précédemment, les travaux effectués dans le cadre de l’ANR CARE ont mis à jour la notion de l’eau liée et non-liée ainsi que l’impact de la structure de l’eau sur les structures cutanées. Ceci a été valorisé par la publication de 2 articles

La sécheresse cutanée est le signe clinique d’un disfonctionnement pathogène lié à la fonction barrière de la peau. Cliniquement, elle peut être définie par une peau rugueuse, écailleuse avec une sensation d’inconfort. L’apparition de peau sèche peut être associée à des facteurs extrinsèques y compris le climat, l’environnement et l’exposition à des produits chimiques ou certains médicaments. D’autres facteurs dits intrinsèques peuvent aussi avoir une contribution, à titre d’exemple la génétique, les déséquilibres hormonaux, l’âge ainsi que certaines maladies.
La problématique que représentent la sécheresse et l’hydratation cutanées prend une place prépondérante en dermatologie et dans le domaine de la recherche cutanée, ciblant principalement la fonction barrière du stratum corneum (la couche la plus superficielle de la peau).
Malgré les progrès dans la compréhension de la structure, la composition et la fonction barrière du stratum corneum au cours des dernières décennies, la sécheresse de la peau reste un désordre cutané très présent, difficile à traiter et qui, dans une autre mesure, constitue souvent un handicap social.
Les besoins en recherche médicale, pharmaceutique et cosmétique ont conduit au développement de plusieurs techniques biophysiques dans le but d’améliorer la connaissance et la compréhension des structures cutanées. Cependant, la sécheresse cutanée n’a jamais été étudiée d’une manière fiable en tant que conséquence d’une situation physiologique particulière et/ou d’un phénomène pathologique.
Les microspectroscopies infrarouge et Raman permettent une analyse directe non destructive et en temps réel in vitro et ex vivo et ne nécessitent pas de préparation ni de marquage de l’échantillon. De plus, la spectroscopie Raman peut être utilisée in vivo, elle présente l’avantage d’être non-invasive et peut donc constituer une méthode pertinente pour compléter un diagnostic ou un suivi d’activité.
De par leur haute spécificité moléculaire, les spectroscopies vibrationnelles Raman et infrarouge peuvent être utilisées non seulement pour suivre l’hydratation cutanée mais aussi pour le suivi des changements structuraux, conformationnels et organisationnels au sein des lipides du stratum corneum ainsi que les modifications de la structure secondaire des fibres de kératine. Cependant, jusqu’à aujourd’hui, aucun travail n’a été réalisé dans la perspective d’établir une relation claire et fiable entre ces différents paramètres pour une caractérisation globale, à l’échelle moléculaire, du statut de sécheresse cutanée.
Le présent projet a pour premier but d’obtenir d’une manière simultanée des informations quantitatives (liées au taux d’hydratation discriminé en eau libre et eau liée) et qualitatives (liées à l’état des lipides et des protéines). Les résultats seront validés in vitro et ex vivo afin d’être transférés vers l’analyse in vivo, qui constitue un pivot de ce travail.
Un des avantages les plus importants de la microspectroscopie Raman confocale est de pouvoir associer la résolution et localisation spatiale micrométrique à l’information moléculaire. Du point de vue théorique, le système confocal doit amener à une amélioration de la résolution axiale. Cependant, le changement d’indice de réfraction à l’interface air/peau induit des modifications et des déformations dans la valeur de la résolution et une estimation faussée de la profondeur de l’étude. Ces erreurs peuvent être lourdes de conséquences sur les interprétations physiologiques des données moléculaires.
Ainsi, le deuxième objectif de ce projet porte sur la correction de la résolution et de la profondeur de l’analyse sous la surface en s’appuyant sur les données théoriques de la physique optique.
Le projet CARE propose une vision transversale allant de la recherche fondamentale jusqu'aux aspects appliqués et même cliniques. Son aboutissement permettra de relever différents verrous dans la compréhension de la sécheresse cutanée.

Coordinateur du projet

Monsieur Ali Tfayli (Université Paris-Sud, Groupe de Chimie Analytique de Paris-Sud, ) – ali.tfayli@u-psud.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

PSUD, GCAPS Université Paris-Sud, Groupe de Chimie Analytique de Paris-Sud,

Aide de l'ANR 240 240 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2013 - 36 Mois

Liens utiles