Rôle et prévention du « stress carbonyle » au cours du vieillissement de la peau

Role and prevention of carbonyl stress during skin aging

• Auteur / Autrice : Pauline Larroque-Cardoso
• Direction : Anne Nègre-Salvayre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Innovation pharmacologique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement ultraviolet

Élastine

Vieillissement de la peau

Mots clés libres

Vieillissement

Elastine

Uv-a

Stress carbonyle

4-hne

Résumé

Le vieillissement est un phénomène naturel, lent et complexe, caractérisé par une perte progressive des fonctions physiologiques et des capacités physiques et mentales des êtres vivants, en particulier chez l'homme. Le vieillissement est au cœur des préoccupations de chaque société, de par ses conséquences biologiques, psychologiques et sociétales. Une meilleure connaissance des processus physiologiques impliqués dans le vieillissement permettrait de mettre en place des approches thérapeutiques permettant de ralentir l'apparition de certains effets du vieillissement. Sur un plan biologique, le stress oxydant joue un rôle important dans les mécanismes impliqués dans le vieillissement tissulaire et cellulaire. Parmi les conséquences du stress oxydant, la peroxydation des acides gras polyinsaturés génère des produits d'oxydation lipidique, de type aldéhyde, qui s'accumulent dans les tissus âgés et photoexposés. Ces aldéhydes forment des adduits sur les protéines tissulaires, ce qui entraine une perte progressive de leur propriétés (stress carbonyle). L'implication du stress carbonyle dans le mécanisme du vieillissement tissulaire n'est pas clarifiée, mais pourrait participer aux processus de dégénérescence. Notre travail de thèse a été axé sur l'implication du stress carbonyle dans le mécanisme du vieillissement physiologique et du photovieillissement de la peau. Dans la première partie de ce travail nous montrons que l'exposition chronique de souris hairless à des UVA (modèle animal de vieillissement cutané accéléré), s'accompagne d'une accumulation de matériel élastotique (élastine anormale), en partie modifié par les aldéhydes (4-hydroxynonénal ou 4-HNE, acroléine). Le taux de ces aldéhydes, normalement très peu présents dans la peau non exposée, est fortement augmenté après exposition aux UVA. L'application chronique d'un piégeur de carbonyle, la L-carnosine, utilisée à 1% dans du propylène-glycol, permet de réverser l'accumulation des aldéhydes et de restaurer un matériel élastique normal dans les peaux. Nous avons mis en évidence que l'élastine soluble ou insoluble modifiée in vitro par l'acroléine n'est progressivement plus dégradée par l'élastase, ce qui peut contribuer à l'accumulation de matériel élastotique dans le derme. La carnosine permet de réverser in vitro et in vivo la modification de l'élastine par l'acroléine. Ces résultats nous permettent de confirmer le rôle important des produits de peroxydation lipidique dans le photovieillissement. Dans la deuxième partie de ce travail, nous étudions l'impact du stress carbonyle sur la signalisation du TGF-β dans le cadre du vieillissement chronologique. Nous avons montré, que le vieillissement chronologique conduit à une augmentation de 4-HNE, dans la peau et les artères. Cet aldéhyde altère le renouvellement d'élastine induite par le TGF-β, en modifiant et activant la voie EGFR/ERK/TGIF. Enfin des résultats précédemment publiés par le laboratoire ainsi que d'autres expérimentations nous ont permis de montrer que le 4-HNE, inhibe la prolifération des fibroblastes, les cellules responsables de la synthèse de matrice extracellulaire. L'ensemble de nos résultats nous permet de dire que le vieillissement physiologique et le photovieillissement s'accompagnent de la génération de produits de peroxydation lipidique. Ces aldéhydes agissent sur la matrice extracellulaire en inhibant d'une part la prolifération des fibroblastes, en formant des adduits sur l'élastine empêchant ainsi sa dégradation et favorisant son accumulation sous forme fragmentée, et en inhibant son renouvellement par l'activation de la voie EGFR/ERK/TGIF. L'ensemble de ces mécanismes conduit à une perte de fonction progressive de l'élastine participant aux effets classiquement observés au cours du vieillissement.

Aging is a complex and multifactorial process characterized by physical, psychological, and social changes. The place of aging in all human societies is very important because it reflects the biological, cultural and societal conventions as well, while it is also the largest known risk factor for most human diseases. The aging process is characterized by a progressive loss of biological functions and abilities to manage metabolic, functional and esthetic changes. These changes may result from both intrinsic genetically progammed processes and from environmental factors. Among these extrinsic factors involved in aging, the continuous exposure to ultraviolet solar radiations generates the characteristic modifications of the skin, also called photoaging. Because of the general importance of aging, it is important to investigate and understand the physiological mechanisms involved in this natural process, in order to develop new approaches allowing to slow down the onset of some aging's effects. Oxidative stress plays an important role in the mechanisms involved in cellular and tissular aging. Among the consequences of oxidative stress, lipid peroxidation of polyunsaturated fatty acids generates lipid oxidation products, aldehydes, which accumulate in aged and photoexposed tissues. These aldehydes form adducts on proteins, which causes a progressive loss of their properties (carbonyl stress). The involvement of carbonyl stress in aging is not well clarified, but could contribute to the process of cell degeneration. This thesis is focused on the role of carbonyl stress in some aspects of physiological and skin photoaging. In the first part of this work we show that the chronic exposure of hairless mice to UVA radiations, generates an accumulation of elastotic material (abnormal elastin), partly modified by aldehydes (4-hydroxynonenal, acrolein). The presence of these aldehydes, in the unexposed skin is usually low, but it is greatly increased upon exposure to UVA. We show that elastin modified in vitro by acrolein becomes progressively resistant to leukocyte elastase, which could contribute to the accumulation of elastotic material in the dermis. A daily topical application of a carbonyl scavenger, L-carnosine, used at 1% in propylene glycol, protects against the accumulation of aldehydes on elastin, and restores a normal elastic material in skins. We show that L-carnosine also reverses in vitro the modification of elastin by acrolein. These results highlight a role for aldehydes in photoaging. In the second part of this work, we show that carbonyl stress (4-HNE) exerts an inhibitory effect on the elastogenic activity of TGF-ß signaling, leading to tropoelastin synthesis. This effect involves the formation of 4-HNE adducts on the EGF receptor (EGFR) which, once activated, stimulates the EGFR/ERK/TGIF signaling which inhibits the TGF-ß-induced expression of tropoelastin messengers. That chronological aging in C57/BL6 mice, is correlated with a strong increase in 4-HNE adducts formation in vessels and in unexposed skin, as well as an overexpression and increased modification of EGFR by 4-HNE. Furthermore, we show that 4-HNE inhibits the proliferation of fibroblasts, which secrete the extracellular matrix in the dermis, via a modification of both EGFR and the PDGF receptor. All these results indicate that lipid peroxidation products are generated during physiological aging and are strongly increased during photoaging. These aldehydes alter the composition of the extracellular matrix in the skin i/ by inhibiting the proliferation of fibroblasts, ii/by forming adducts on elastin, thereby preventing its degradation by elastase, that contributes to the accumulation of elastotic material, and iii/ by inhibiting elastin renewal via the activation of the EGFR/ERK/TGIF pathway, which inhibits TGF-β signaling. All of these effects may contribute to the progressive loss of elastin properties, a key-event in the process of aging.