La bio-ingénierie de la peau et des tissus élastiques

Dossier rédigé en collaboration avec Pascal Sommer (CNRS Institut de Biologie et Chimie des Protéines / Université Lyon) - Mars 2011.

La peau est un organe à part entière, formant une frontière mécanique, physique, chimique et biologique entre le milieu interne de l’organisme et son environnement.

Coupe d'une peau obtenue artificiellement par culture. On voit essentiellement l'épiderme avec une couche cornée qui se détache, phénomène de desquamation. Elle est une défense essentielle de la peau. Elle sert de barrière de protection contre les agressions physiques, chimiques et biologiques.

Coupe d'une peau obtenue artificiellement par culture. On voit essentiellement l'épiderme avec une couche cornée qui se détache, phénomène de desquamation. Elle est une défense essentielle de la peau. Elle sert de barrière de protection contre les agressions physiques, chimiques et biologiques.

Mesurant 4 mm d’épaisseur et atteignant 2 m2 de superficie chez l’adulte, la peau est composée de différentes couches (épiderme, derme, hypoderme) qui abritent de nombreuses cellules spécialisées. Ces dernières accomplissent toutes sortes de fonctions : isolation du monde extérieur, alerte immunitaire en présence de microbes, protection partielle du rayonnement solaire, régulation thermique par la sueur, sensibilité du toucher… on ne compte plus les services que nous rend la peau !

Ingénierie cutanée : un domaine en pleine expansion

Reconstitution, in vitro, d'une peau totale à huit jours de culture.

Reconstitution, in vitro, d'une peau totale à huit jours de culture.

Depuis les années 1980, l’ingénierie cutanée a fait de grands progrès. Son premier enjeu de santé publique concerne les grands brûlés (environ 5 000 hospitalisations par an) dont les lésions exigent un remplacement partiel ou quasi total de la peau. La culture de cellules (kératinocytes et/ou fibroblastes) permet d’obtenir en quelques semaines, à partir d’un prélèvement de tissu sain, plusieurs mètres carrés de tissus (épiderme ou derme) et de réaliser des autogreffes chez le patient.

Des peaux artificielles associant derme et épiderme sont également à l’étude pour la reconstruction des séquelles de brûlures, mais aussi pour les tests en dermato - cosmétique et la recherche fondamentale sur les propriétés de la peau. Il s’agit alors de construire une matrice extracellulaire qui sera colonisée par les différentes cellules cutanées afin de produire à terme un tissu parfaitement biocompatible. L’utilisation de cellules souches adultes de la peau est un domaine riche en devenir.

 

En 2010 des chercheurs de l’Université de Grenade sont parvenus pour la première fois à générer de la peau humaine artificielle avec un derme composé de biomatériaux de fibrine et d’agarose apportant la résistance, l’élasticité et la fermeté qu’on parvenait difficilement à obtenir jusqu’alors avec d’autres substituts de peau. La peau créée en laboratoire a montré des niveaux suffisants de biocompatibilité avec le récepteur (rat) et l’absence de signe de rejet ou d’infection. Pour en savoir plus

L’élasticité, c’est la vie !

Comme les autres organes, mais de manière forcément plus visible, la peau est soumise au vieillissement. Avec l’âge, elle ralentit son renouvellement cellulaire, perd de l’épaisseur, de la sensibilité et de la souplesse, se fragilise et se déshydrate. La compréhension de ce mécanisme constitue un enjeu important de la recherche actuelle. Et elle intéresse bien sûr de nombreuses industries dans le domaine de la dermato - cosmétique.

Un des aspects les plus évidents du vieillissement de la peau se manifeste par la détérioration de deux propriétés essentielles, la fermeté et l’élasticité. La première est assurée par les fibres de collagène, la seconde par les fibres d’élastine. On l’oublie trop souvent, mais l’élasticité est une condition de base de la vie : sans elle, nos artères, notre cœur, nos poumons, notre intestin, nos ligaments, nos cordes vocales et de nombreux autres tissus ou organes ne fonctionneraient tout simplement pas ! Sans parler de notre croissance et de notre développement, de la fécondation jusqu’à l’âge adulte.

Évolution de la ride de la patte d’oie avec l’âge. La peau est un marqueur évident du vieillissement, dont la dimension sociale et esthétique à nourrir un abondant développement industriel.

Évolution de la ride de la patte d’oie avec l’âge. La peau est un marqueur évident du vieillissement, dont la dimension sociale et esthétique à nourrir un abondant développement industriel.

Les tissus élastiques, qui rendent de si grands services, perdent leur propriété biomécanique avec l’âge. Les raisons en sont multiples : facteurs génétiques, mais aussi régime inapproprié (trop gras et trop sucré), stress des UV ou de la fumée de cigarette, défaut de métabolisme du cuivre, modifications hormonales de la ménopause et de l’andropause… Les conséquences sanitaires sont importantes : emphysème pulmonaire, athérosclérose et troubles vasculaires, dégénérescence maculaire, perte de mobilité voire d’autonomie. Dans le cas du vieillissement, on observe une cascade d’événements qui conduisent à la perte de l’élasticité : amincissement de l’épiderme, disparition des fibres élastiques à l’interface derme-épiderme, perte d’eau et de protéoglycanes, élargissement des fibres élastiques dans les couches profondes du derme, accroissement des fibres de collagène.

Les fibres élastiques sont constituées de réseaux spécifiques de protéines, qui comptent parmi les plus stables de l’organisme (demi-vie de 70 ans). Plus de 30 protéines différentes participent à la vie de ces fibres : élastine, fibrillines, fibulines, lysyl oxydases… Les tissus élastiques ne sont que très peu remplacés pendant la vie adulte, et il n’existe pas aujourd’hui de traitement pour les régénérer ou les réintroduire, en particulier lors des cicatrisations. D’où un enjeu important pour la bio-ingénierie cellulaire et tissulaire.

La Cutis laxa : maladie rare et modèle d’étude de la perte d’élasticité

Certaines maladies très spécifiques permettent d’étudier la perte d’élasticité et le vieillissement de la peau. C’est le cas de la cutis laxa, le syndrome de la peau relâchée.

A gauche, une peau reconstruite avec des fibroblastes et des kératinocytes normales, à droite une peau où les fibroblastes expriment la cutis laxa. Le développement de ces modèles montre, dans le cas de la cutis laxa, des troubles de formation de la matrice, une mort cellulaire importante et une croissance faible des fibroblastes.

A gauche, une peau reconstruite avec des fibroblastes et des kératinocytes normales, à droite une peau où les fibroblastes expriment la cutis laxa. Le développement de ces modèles montre, dans le cas de la cutis laxa, des troubles de formation de la matrice, une mort cellulaire importante et une croissance faible des fibroblastes.

La cutis laxa (CL) est une maladie héréditaire ou acquise du tissu conjonctif. Elle se caractérise par une peau ridée, abondante, ayant perdu son élasticité, associée à des troubles squelettiques et des anomalies du développement. La cutis laxa est très rare puisqu’on ne compte qu’environ 200 familles touchées dans le monde. Malgré cette prévalence très faible, plusieurs formes de la maladie ont été identifiées, la plupart d’origine génétique. L’étude des gènes impliqués dans la cutis laxa permet de comprendre les mécanismes moléculaires de l’élasticité et d’envisager des traitements pour les malades.

Les chercheurs ont montré que certains gènes dérégulés au niveau des fibroblastes dans la cutis laxa le sont aussi dans le processus normal de vieillissement chez l’adulte sain. Or, la recherche de substances potentiellement thérapeutiques a montré que certaines d’entre elles, comme celles contenues dans un extrait d’aneth, sont capables de réactiver l’expression de ces gènes, donc, potentiellement, de restaurer partiellement l’élasticité perdue au cours de la maladie ou du vieillissement (brevet CNRS - BASF).

Tribologie : la peau dans toutes ses dimensions

La bio-ingénierie cutanée ne concerne pas seulement la compréhension moléculaire et tissulaire des propriétés de la peau, mais aussi toutes les mesures physico-mécaniques permettant d’évaluer l’état et l’évolution du système cutané.

Le mot tribologie a été formé à partir du grec tribein, qui signifie frotter, user. Cette science des frottements étudie donc les phénomènes liés aux contacts entre des systèmes matériels. Elle trouve ses applications dans de nombreux domaines : l’archéologie (comprendre l’usage d’un outil par ses marques d’usure), la construction automobile et aérospatiale (usure des pièces et peintures), le matériel sportif (optimisation de la surface pour un meilleur glissement), etc. Quel rapport avec la peau ? Notre surface cutanée est en contact permanent avec le milieu ambiant, naturel (air, rayonnement) et artificiel (vêtements, aliments, parfums, produits cosmétiques). La tribologie appliquée à la peau va donc fournir des indications utiles sur l’état du tissu cutané et son évolution dans diverses conditions normales ou pathologiques.

Évolution des sillons primaires de la peau avec l’âge, mesurés grâce aux techniques de la tribologie. La désorganisation du relief cutané peut être due au vieillissement normal, mais aussi à des pathologies ou à des expositions trop fréquentes à des agents toxiques. On observe que l’anisotropie (orientation des plis dans toutes les directions) décline avec l’âge.

Évolution des sillons primaires de la peau avec l’âge, mesurés grâce aux techniques de la tribologie. La désorganisation du relief cutané peut être due au vieillissement normal, mais aussi à des pathologies ou à des expositions trop fréquentes à des agents toxiques. On observe que l’anisotropie (orientation des plis dans toutes les directions) décline avec l’âge.

Premier exemple : la mesure précise du relief de la peau. Ce relief cutané offre une image directe de l’état mécanique de la peau, notamment de son élasticité.

A l’origine, il est déterminé par les lignes de tension mécanique qui traversent chaque partie du corps, les lignes de Langer. Le chirurgien les connaît bien puisqu’il en tient compte dans ses incisions, afin de faciliter la cicatrisation ultérieure. Par projection de franges sur le sujet ou par empreinte directe en silicone, on peut obtenir une imagerie des sillons primaires et secondaires formant le relief de chaque partie du corps ; le nombre et la profondeur de ces sillons varient selon l’âge, la présence de pathologies, la fréquence d’exposition à des rayonnements ou des agents toxiques (soleil, tabac, etc.). La tribologie va donc permettre une mesure fine et exacte de l’état du tissu cutané, mais aussi des effets réels de traitements médicaux ou cosmétiques sur la peau.

 

Sonde tribo-acoustique

Sonde tribo-acoustique

Quand la douceur devient mesurable
Cette soie est-elle agréable au toucher ? Cet assouplissant rend-il mon linge plus doux ? La réponse à de telles questions peut désormais être objectivée grâce à la tribologie. Les sensations du toucher proviennent de mécanorécepteurs présents à la surface de la peau, notamment des doigts. On en compte par exemple plus de 2000 par cm2 dans le relief de nos empreintes digitales. En frottant le doigt contre un matériau, les vibrations de contact sont enregistrées et transmises au cerveau. Ce dernier est programmé pour interpréter les ondes de vibration et déduire qu’une surface est douce ou rugueuse, par exemple. Une approche subjective peut être développée par la mobilisation d’un panel d’experts évaluant la douceur, ce qui se fait habituellement dans certaines industries (textile, cosmétique, produits ménagers). Mais on peut désormais développer une approche objective du toucher : le CNRS a ainsi déposé un brevet international sur une sonde tribo-acoustique qui mesure l’élasticité, la raideur et la rugosité d’un contact.

 

Pour aller plus loin

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Peau neuve - Une coproduction Inserm, Universcience, Virtuel productions (2011)

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Orphanet - Cutis laxa

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