Comprendre l’imperméabilité cutanée : étude spectroscopique de mélanges modèles de la phase lipidique du stratum corneum

Le stratum corneum (SC), la couche la plus externe de l'épiderme des mammifères, agit comme une barrière dictant le taux d'absorption des molécules exogènes à travers la peau et empêchant la perte d'eau du corps. Le SC est principalement composé de cellules mortes aplaties et entièrement kératinisées (cornéocytes), noyées dans une matrice lipidique constituée fondamentalement de céramides, d'acides gras libres et de cholestérol. La diffusion transdermique des molécules est principalement liée aux lipides intercellulaires qui forment des membranes multilamellaires en phase solide. L'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre la relation entre la structure de la matrice lipidique et l'imperméabilité de la peau. La phase lipidique du SC comprend plus de 400 lipides différents. En raison de cette composition très complexe, des membranes modèles sont souvent utilisées pour l'étude des propriétés physico-chimiques des membranes, du comportement des lipides et de la perméabilité de différents produits chimiques. Nous avons d'abord déterminé comment la longueur des chaînes acyles d’acides gras libres influence le comportement de phase d'une matrice lipidique composée de céramide NS24, d'acide lignocérique (FFA24) ou palmitique (FFA16) et de cholestérol. Les propriétés structurales des membranes ont été examinées par 2H RMN et par spectroscopie infrarouge. Cette étude a montré que le comportement de phase de ces mélanges ternaires est fortement affecté par la longueur de l’acide gras. Nous avons trouvé que l'acide lignocérique avec le céramide NS24 et le cholestérol conduit à la formation d'un mélange plus homogène que celui qui inclut l'acide palmitique. De plus, le mélange ternaire contenant de l'acide lignocérique a montré une transition de la phase solide vers la phase gel lorsqu'il a été chauffé au-dessus de 37 °C, une caractéristique inhabituelle pour ce type de membranes modèles. La combinaison de lipides ordonnés et membranes homogènes est proposée comme un élément critique pour l’imperméabilité du SC. Deuxièmement, nous avons étudié un mélange plus complexe contenant du cholestérol, une série d'acides gras libres variant de 16 à 24 atomes de carbone et deux types de céramides : le céramide NS24 et le céramide EOS. Ce dernier est considéré comme un composant clé pour la formation de la phase de périodicité longue dans les membranes du SC native et modèles. Les résultats de spectroscopie 2H RMN, infrarouge, et Raman ont montré que l'acide gras libre et la chaîne acyle du céramide NS24 restent en phase solide à la température physiologique tandis que la chaîne oléate du céramide EOS entraîne la formation de domaines hautement désordonnés. Ces nanogouttelettes restent à l'état liquide jusqu'à -30 °C. La contrainte stérique imposée par la matrice lipidique cristalline est proposée être à l’origine de la difficulté de cristallisation des chaînes oléate des céramides EOS. Cette découverte modifie substantiellement la description structurale du SC et propose un nouveau rôle physiologique du céramide EOS, ce lipide étant un puissant modulateur de l'équilibre solide/liquide du SC. Ces travaux conduisent à réexaminer le mécanisme présentement proposé pour expliquer la perméabilité du SC, ainsi que l’effet d’agents transdermiques. Finalement, nous avons étudié l'interaction d’acides gras à très longue chaîne avec des membranes de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) afin de déterminer comment s’adaptent ces acides gras aux contraintes spatiales. Trois acides gras différents avec une chaîne acyle variant de 16 à 24 atomes de carbone ont été utilisés : l’acide palmitique (FFA16), arachidique (FFA20) et lignocérique (FFA24). L'épaisseur d’un feuillet d’une bicouche de POPC correspond à la longueur de la partie hydrophobe de FFA16, et donc inférieure à la longueur de FFA20 et FFA24. La façon dont ces acides gras s'adaptent à la bicouche de POPC a été étudiée par 2H RMN et par simulations de dynamique moléculaire. Nous avons trouvé que la partie inférieure de la chaîne acyle de FFA24 protoné est désordonnée d’une façon similaire à ce qui a été observé pour la chaîne oléate du céramide EOS, sa chaîne acyle interagit avec la partie la plus fluide du feuillet opposé. Cette interdigitation de la fin de la chaîne acyle provoque un deuxième plateau observé dans les profils d’ordre (SC-D), une caractéristique qui est inhabituelle dans les systèmes lipidiques. Dans ce cas, le groupe carboxyle protoné de FFA24 était situé légèrement sous la tête polaire de la POPC. La déprotonation du FFA24 déplace la molécule vers l'interface aqueuse. Cette translation diminue la contrainte spatiale, augmente l'ordre de la chaîne acyle et entraîne la disparition du plateau correspondant au bout de la chaîne désordonnée. Les résultats présentés dans cette thèse contribuent à mieux comprendre comment la structure de la matrice lipidique du SC dicte l'imperméabilité de la peau. Nous avons montré des preuves spectroscopiques du comportement de phase de certains lipides importants du SC et suggéré un nouveau mécanisme pour la régulation de la diffusion transdermique des molécules.

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