Lipides et vieillissement cellulaire

ARTICLE

Introduction

Les lipides sont des constituants essentiels des membranes cellulaires, au sein desquelles ils exercent non seulement un rôle structural, mais également un rôle modulateur, par le biais du contrôle de la microviscosité membranaire, sur l'activité des protéines membranaires (enzymes liés aux membranes, mais aussi récepteurs, transporteurs, canaux ioniques, etc.). Ils sont impliqués dans les processus de transduction des signaux, en tant que substrats des diverses phospholipases membranaires (C, D, A₂, sphingomyélinase neutre) mises en jeu lors de l'interaction de certains ligands avec leurs récepteurs. Ils sont également précurseurs de médiateurs diffusibles de l'inflammation (prostaglandines, leucotriènes). Enfin, de façon plus spécifique, au niveau de l'épiderme, certains lipides (céramides, cholestérol) sont plus particulièrement impliqués dans la fonction de barrière hydrique de la peau. On conçoit donc aisément que les lipides jouent un rôle dans le vieillissement de la peau, et ce rôle sera évoqué essentiellement à deux niveaux. Tout d'abord, et surtout, car c'est dans ce domaine que les données sont actuellement les plus nombreuses bien que d'acquisition relativement récente, nous évoquerons le rôle de la peroxydation des lipides dans l'inflammation cutanée, le photovieillissement et la photocarcinogenèse. Ce rôle des lipides sera principalement envisagé dans le cadre de la peroxydation photosensibilisée induite par les rayonnements ultraviolets, et plus particulièrement par les ultraviolets A, dont le rôle dans le vieillissement cutané, longtemps sous-estimé, est actuellement reconnu comme majeur. Dans une seconde partie, nous évoquerons les modifications des lipides de la barrière épidermique accompagnant le vieillissement.

Peroxydation des lipides, inflammation cutanée, photovieillissement et photocarcinogenèse

Photosensibilisation cellulaire et peroxydation des lipides

Nous envisagerons essentiellement, dans ce cadre, l'effet du rayonnement ultraviolet A (320-400nm), qui est actuellement reconnu comme jouant un rôle majeur dans la peroxydation des lipides cutanés, d'une part en raison de sa situation par rapport aux spectres d'absorption des principaux chromophores cellulaires susceptibles de générer des espèces activées de l'oxygène (photosensibilisateurs endogènes [1], et d'autre part, en raison de la plus grande quantité d'ultraviolets A atteignant la surface de la terre [2] et de leur plus grande pénétration cutanée par rapport aux ultraviolets B [3]. Jusque dans les années 1980, les effets délétères de l'ultraviolet solaire, en particulier l'induction de tumeurs cutanées, ont été essentiellement attribués aux ultraviolets B (290-320nm), dont les cibles moléculaires les plus spectaculaires avaient été précocement identifiées. Les ultraviolets B réagissent en effet directement avec le matériel génétique (ADN) cellulaire, induisant la formation de dimères de thymine [4] et de produits d'addition de type pyrimidine [6-4], pyrimidone [5], des coupures de l'ADN [6], ainsi que des pontages ADN-protéines [7]. La superposition du spectre d'absorption de l'ADN et des effets mutagènes des ultraviolets B [8] suggérait, de plus, fortement que cette plage du rayonnement solaire était directement responsable de la photocarcinogenèse, et cette notion a longtemps oblitéré toute tentative d'investigation dans d'autres directions.

Ce n'est que dans les années 1986-1990 qu'un certain nombre d'études ont permis de mettre en évidence des dommages induits par les ultraviolets A au niveau de la membrane cellulaire, en particulier l'activation de phospholipases A₂ [9], entraînant la libération d'acide arachidonique, précurseur des médiateurs de l'inflammation. L'augmentation rapide de la synthèse des prostaglandines après exposition aux rayonnements ultraviolets [9, 10] est en accord avec cette observation. Par ailleurs, divers auteurs ont mis en évidence une peroxydation des lipides membranaires, en particulier des acides gras polyéthyléniques lors de l'exposition aux ultra- violets A de fibroblastes ou de kératinocytes en culture [11-13]. Ces travaux ont suscité un regain d'intérêt pour les effets cellulaires des ultraviolets A, et, au cours des cinq dernières années, de nouvelles données sont venues enrichir nos connaissances dans ce domaine, suggérant que l'ultraviolet A peut avoir des effets délétères au niveau de multiples cibles cellulaires (y compris au niveau du matériel génétique), par des mécanismes indirects dits de photosensibilisation. C'est ainsi que l'on attribue actuellement un rôle de plus en plus important aux ultraviolets A, non seulement dans le photovieillisssement de la peau, mais également dans la photocarcinogenèse, divers travaux réalisés sur des modèles animaux ayant mis en évidence un effet potentialisateur de l'ultraviolet A sur l'action carcinogenèse induite par les ultraviolets B [14, 15], et suggérant même la possibilité d'un rôle propre de l'ultraviolet A dans la photocarcinogenèse [16].

Les ultraviolets A ne sont pas absorbés par les principaux constituants cellulaires, protéines, lipides ou acides nucléiques. Leurs éventuels effets toxiques au niveau de ces cibles fondamentales ne peuvent donc être qu'indirects. Ils découlent de réactions photosensibilisées, résultant de l'absorption des ultraviolets A par différents chromophores cellulaires, dont les principaux sont les coenzymes à nicotinamide sous leur forme réduite (NADH / NADPH), les coenzymes flaviniques, et le noyau porphyrinique [1]. Les réactions photosensibilisées engendrées par les ultraviolets A peuvent être de deux types. Dans le type I, le photosensibilisateur activé va pouvoir réagir avec un substrat, déclenchant des processus de type radicalaire. Dans le type II, le photosensibilisateur activé peut passer à un état triplet, réagissant avec l'oxygène moléculaire présent dans les milieux biologiques, pour donner naissance à l'oxygène singulet (¹0₂), qui n'est pas un radical, mais néanmoins une espèce très réactive de l'oxygène, à durée de vie relativement longue en environnement hydrophobe [17]. Des études récentes ont confirmé l'implication - fortement suspectée - de l'oxygène singulet dans les dommages cellulaires induits par les ultraviolets A [18].

La peroxydation photosensibilisée des lipides cellulaires peut concerner les acides gras polyéthyléniques insérés au sein des phospholipides membranaires, mais aussi le cholestérol. En ce qui concerne les acides gras polyéthyléniques, deux types de mécanismes peuvent être envisagés. Une attaque radicalaire, débutant classiquement par l'abstraction d'un proton sous l'action du radical hydroxyle, le plus réactif des espèces actives de l'oxygène engendrées par les réactions photosensibilisées de type I. Nous ne reviendrons pas sur les mécanismes, largement décrits, de ce processus radicalaire autoamplifié de la peroxydation des acides gras polyéthyléniques [19-22], impliquant l'apparition intermédiaire de diènes conjugués (détectables directement en spectrophotométrie), puis d'hydroperoxydes (d'évaluation plus délicate), et entraînant en fin de cycle la formation de produits de dégradation, dont en particulier divers aldéhydes (malondialdéhyde ou MDA, 4-hydroxynonénal etc. [23, 24]), dont le dosage [25] est encore l'une des méthodes classiques de mise en évidence de la peroxydation des acides gras polyéthyléniques (TBARS = thiobarbituric acid reactive substances). La terminaison de la réaction peut être le fait d'un épuisement du substrat, ou bien peut être induite par différents composés donnant naissance à des produits stables : la vitamine E est l'un des plus efficaces de ces «intercepteurs», et peut être considérée comme la première barrière contre la peroxydation des acides gras polyéthyléniques [26, 27]. Il est à noter que la peroxydation des acides gras polyéthyléniques est accélérée par les métaux de transition [28], ce qui n'est pas sans importance dans la mesure où il a été montré que les ultraviolets A entraînent un relargage du fer intracellulaire, sans doute en liaison avec la photoperoxydation de la ferritine [29].

La peroxydation des acides gras polyéthyléniques peut être également déclenchée par l'oxygène singulet généré lors des réactions photosensibilisées de type II. Dans ce cas, l'attaque initiale se fait par addition de l'oxygène singulet, ou bien par «ène réaction», avec transposition allylique [21], donnant naissance à des endoperoxydes (addition) ou à des hydroperoxydes (ène réaction) qui se décomposent secondairement en présence de métaux de transition, ou bien réagissent avec l'anion radical superoxyde pour donner, dans les deux cas de figure, le radical alcoxyle susceptible d'entretenir le cycle de peroxydation déjà évoqué. Les produits terminaux sont les mêmes. L'attaque des acides gras polyéthyléniques par l'oxygène singulet est théoriquement (in vitro) beaucoup moins efficace que l'attaque par le radical hydroxyle. Toutefois, il est désormais admis que ¹0₂ joue un rôle important dans les dommages cellulaires induits par photosensibilisation [18]. Il est intéressant de remarquer que même lorsque l'attaque initiale est due à l'oxygène singulet, des réactions de type radicalaire autoamplifiées interviendront secondairement.

Le cholestérol, autre lipide membranaire insaturé, est également susceptible de subir une attaque radicalaire (là encore essentiellement par le radical hydroxyle), ou bien une attaque par l'oxygène singulet. Selon le processus considéré, les produits formés ne sont pas les mêmes : ainsi l'attaque radicalaire conduira essentiellement à des peroxydes en position 7 du cycle (7-alpha et 7-bêta-hydroxycholestérol), alors que l'attaque par l'oxygène singulet donnera spécifiquement des dérivés d'oxydation en position 5, comme le 5-alpha-hydroxycholestérol [21,30], qui est d'ailleurs considéré comme un «traceur» d'une attaque des membranes cellulaires par ¹0₂ [31].

Même dans le cadre de la photosensibilisation cellulaire, il est également intéressant de considérer le cas de la peroxydation enzymatique des lipides, qui se trouve indirectement augmentée par l'exposition aux rayonnements ultraviolets, ces derniers activant des phospholipases de type A₂ [9] libérant l'acide arachidonique, substrat de la PGH₂ synthétase («cyclo-oxygénase»). Les conséquences de cette activation sont doubles. Tout d'abord, ainsi que nous l'avons vu, les prostaglandines synthétisées par cette voie sont impliquées dans la réaction inflammatoire aux ultraviolets [9, 10, 32]. De plus, la PGH2-synthétase elle-même produit lors de sa mise en jeu des espèces activées de l'oxygène (anion superoxide, radical hydroxyle, [33]), susceptibles d'amplifier les dommages oxydatifs déclenchés par la photosensibilisation.

Il est intéressant de remarquer que l'activation des phospholipase A₂ par les ultraviolets A a été retrouvée récemment sur des préparations de membranes purifiées [34]. Les membranes cellulaires n'étant pas particulièrement riches en photosensibilisateurs connus (coenzymes à nicotinamides, coenzymes flaviniques, porphyrines etc.), on peut se poser la question de la nature du processus initialement impliqué dans cet effet particulièrement important des ultraviolets A, les protéines ou les lipides membranaires n'étant pas susceptibles d'absorber directement le rayonnement ultraviolets A. Il est probable que la peroxydation des lipides, et plus particulièrement celle des acides gras polyéthyléniques, soit à l'origine de ce processus, sans doute dans un but de réparation des dommages causés aux membranes, l'excision par une phospholipase A2 de l'acide gras peroxydé (les acides gras polyéthyléniques sont le plus souvent localisés en position 2 sur le glycérol au sein des phospholipides), suivie de la réacylation par un acide gras polyéthylénique «neuf», permettant de limiter les dommages causés aux membranes [35]. Les acides gras peroxydés ainsi libérés pourraient être pris en charge par la glutathion peroxydase, permettant leur réduction et leur détoxification [36, 37]. La peroxydation des acides gras polyéthyléniques des phospholipides semble pouvoir stimuler également une activité de type phospholipase C [38], probablement là encore dans un but de réparation de la structure des membranes. Si cette activation de phospholipase C ne conduit pas à des médiateurs de l'inflammation, elle peut avoir d'autres conséquences, les diglycérides formés activant la protéine kinase C [39], impliquée de façon générale dans la stimulation de la prolifération cellulaire [40], par exemple des fibroblastes au niveau du derme, pouvant ainsi participer à l'épaississement et à la perte d'élasticité de la peau liés à une exposition répétées aux rayonnements ultraviolets. Une stimulation de la production de diglycérides sous l'effet des ultraviolets a effectivement été observée [41, 42], ainsi qu'une activation de la protéine kinase C [43]. Ce processus pourrait être également impliqué dans la photocarcinogenèse liée à l'exposition aux rayonnements ultraviolets.

Les dommages cellulaires liés à l'apparition des produits de peroxydation des lipides

Quel que soit le mécanisme de photosensibilisation mis en jeu, il pourra aboutir à deux types de dommages :

­ Les dommages directs, résultant de l'attaque des constituants cellulaires par les espèces actives de l'oxygène (radical hydroxyle ou oxygène singulet) : oxydation de résidus sensibles des protéines comme l'histidine, le tryptophane, la tyrosine, la cystéine, la méthionine, et donc inactivation de nombreuses protéines cellulaires: enzymes, transporteurs, canaux ioniques, protéines du cytosquelette, récepteurs etc. ; oxydation des acides nucléiques, oxydation des lipides, notamment des acides gras polyéthyléniques de haut degré d'insaturation.

­ Les dommages indirects, liés notamment à l'interaction covalente des produits terminaux de la peroxydation des lipides (aldéhydes, et notamment le malondialdéhyde) avec des résidus aminés de protéines (résidus lysine par exemple) ou de bases nucléiques, pouvant former des pontages covalents intra ou interchaînes, voir mixtes (protéines-acides nucléiques). Il est clair que, dans ce cas, la peroxydation des lipides cellulaires joue un rôle de relais et d'amplification des dommages directement causés par les espèces actives de l'oxygène produites primitivement lors des réactions de photosensibilisation.

On pourra également distinguer, dans le cadre des dommages «indirects» liés à la génération de produits de peroxydation des lipides, les dommages «primaires» et les dommages «secondaires». Les dommages primaires peuvent être considérés comme directement reliés à l'altération des lipides membranaires (essentiellement phospholipides et cholestérol), induisant des perturbations dans la structure et la composition des membranes cellulaires. Il peut en résulter des modifications de la fonction de barrière des membranes, ainsi que des modifications de l'activité de divers systèmes enzymatiques, transporteurs, récepteurs, systèmes de transduction, liés aux membranes. Ainsi, une augmentation de la microviscosité des liposomes ou des membranes est observée après exposition à un stress oxydant [44]. Sachant que de nombreux enzymes, transporteurs, canaux ioniques, récepteurs, sont sensibles à de fines modifications de leur microenvironnement membranaire, notamment en relation avec des modifications de la composition de la phase lipidique, il apparaît intuitivement évident que l'altération des phospholipides membranaires résultant de la peroxydation des acides gras polyéthyléniques peut avoir des répercussions directes et rapides sur l'activité de nombreuses protéines incluses de façon permanente ou temporaire dans la bicouche lipidique, ainsi que sur le mouvement latéral ou transmembranaire de diverses molécules. L'une des conséquences les plus classiques de l'exposition de cellules en culture ou de liposomes à divers stress oxydants, est une perturbation des flux calciques [45-47], dont on conçoit les conséquences en termes de perturbation de l'activité des nombreux systèmes enzymatiques calcium-dépendants [48]. Ainsi, les perturbations importantes de l'organisation du cytosquelette observées dans les kératinocytes humains exposés aux ultraviolets A [49] pourraient être liées à la génération des produits d'oxydation des lipides et aux perturbations du taux de calcium intracellulaire induites par ces derniers [50]. Une élévation importante du taux intracellulaire du calcium est également impliquée dans le déclenchement de la mort cellulaire par apoptose [51, 52]. La déstabilisation des membranes lysosomiales, avec relargage dans le cytosol d'hydrolases acides hautement toxiques, pourrait également participer aux dommages cellulaires induits par des photosensibilisateurs exogènes [53]. Il est intéressant de noter que l'inhibition de la synthèse endogène du cholestérol rend les kératinocytes en culture plus sensibles aux dommages induits par les ultraviolets A, et que cet effet est prévenu par l'addition d'inhibiteurs des protéases lysosomiales [54], ce qui suggère fortement la participation des lysosomes dans la mort cellulaire induite par les ultraviolets A dans ce modèle expérimental (donc un processus de nécrose plutôt qu'une apoptose). Cette observation souligne de plus le rôle du cholestérol dans la résistance des kératinocytes au stress oxydant induit par les ultra- violets A.

À côté de ces dommages «primaires» résultant des perturbations de la structure des membranes cellulaires, on peut considérer les dommages liés à la réaction secondaire des produits de la peroxydation des lipides avec les protéines et les acides nucléiques, pouvant influer, dans la mesure où ils ne seraient pas d'emblée létaux, sur la régulation de l'ensemble de la machinerie cellulaire. Les produits de peroxydation des acides gras polyéthyléniques les mieux étudiés en ce qui concerne leur interaction avec les protéines et les acides nucléiques sont les dérivés aldéhydiques, en particulier le malondialdéhyde et le 4-hydroxynonénal [23, 24]. D'une façon générale, à fortes doses, la plupart de ces composés sont cytotoxiques [24, 55, 56]. À plus faibles doses, en absence d'effet létal, on observe une inhibition de la synthèse des protéines et un ralentissement de la prolifération cellulaire [24, 55-57]. Beaucoup d'enzymes du métabolisme intermédiaire (glycolyse, chaîne respiratoire etc.) sont inhibés [24, 55, 56, 58, 59]. L'interaction de ces aldéhydes avec l'ADN et leur effet mutagène (potentiellement carcinogène) est largement documenté [55, 56, 60-62]. Par ailleurs, certains hydroperoxydes sont susceptibles d'entraîner des coupures au niveau de l'ADN (clastogenic factor, [63, 64]), pouvant là encore être impliqués dans l'action pro-carcinogène des produits de peroxydation des lipides [65]. On remarquera dans ce dernier cas que l'activation par les ultraviolets de la «cascade» de l'acide arachidonique [10, 32] pourrait également participer au processus de photocarcinogenèse.

Au total, la peroxydation photosensibilisée des lipides peut être à l'évidence impliquée dans les principales conséquences de l'exposition de la peau aux rayonnements ultraviolets : processus inflammatoires (érythème solaire), épaississement de la peau et perte de l'élasticité cutanée, apparition de cancers cutanés. Les produits terminaux de la peroxydation des lipides générés par les réactions photosensibilisées, ainsi que les intermédiaires de la cascade de l'acide arachidonique, pourraient en particulier être impliqués dans les coupures simple ou double-brin de l'ADN et les pontages ADN-protéines observés dans les cellules exposées aux ultraviolets A [66, 67], et donc dans le vieillissement cutané. Bien que la peau possède des défenses antioxydantes, enzymatiques : superoxyde dismutase, catalase, glutathion peroxydase, hème oxygénase, et non enzymatiques : vitamine E, bêta-carotène, glutathion, vitamine C [68], il n'en demeure pas moins que l'altération des lipides constitutifs des membranes cellulaires, la perturbation des processus de transduction des signaux et les multiples effets intracellulaires (membranaires, cytosoliques et nu-cléaires) des produits terminaux de la peroxydation des lipides, jouent à terme un rôle important dans le vieillissement cutané. L'efficacité du recours à des préparations topiques antioxydantes (en particulier à base de vitamine E ou de superoxyde dismutase) reste à démontrer. Par ailleurs, la nature des vecteurs utilisés en cosmétologie, et notamment leur composition en lipides (par exemple dans le cas de liposomes), doit être considérée avec circonspection. Nous avons en effet pu démontrer que l'enrichissement de kératinocytes humains en acides gras insaturés de la série n-6 entraîne une augmentation de l'effet photocytotoxique des ultra- violets A proportionnelle au degré d'insaturation de l'acide gras ajouté, le taux des produits terminaux de la peroxydation des acides gras polyéthyléniques (TBARS) étant corrélativement augmenté [69]. Enfin, il n'est pas exclu de pouvoir influer sur la réponse de la peau aux rayonnements ultraviolets par une simple action diététique : ainsi, l'enrichissement du régime en huiles de poissons, riches en acides gras de la série n-3, semble entraîner une réduction de la réponse inflammatoire aux ultraviolets B et aux ultraviolets A [70], sans doute en relation avec la compétition entre acides gras des séries n-3 et n-6 au niveau de la cascade de l'acide arachidonique [71].

Vieillissement et lipides de la barrière cutanée

Un autre aspect, malheureusement beaucoup moins documenté, de la relation entre lipides et vieillissement cutané, est celui de l'évolution de la fonction de barrière hydrique de la peau en relation avec la composition en lipides de l'épiderme. On sait que cette fonction de barrière hydrique de la peau, capitale pour maintenir une hydratation normale de l'organisme, est assurée, au niveau du stratum corneum, par des structures extracellulaires en multifeuillets, au sein desquelles certains lipides (céramides, cholestérol, acides gras libres) jouent un rôle essentiel [72-77].

Des études récentes ont mis en évidence des perturbations de la perméabilité de la peau du sujet âgé vis-à-vis de différentes molécules [78]. Par ailleurs, le nombre de feuillets lipidiques présents au niveau du stratum corneum, ainsi que la quantité de lipides, diminuent avec l'âge [79]. Il semble en outre que la capacité de restauration de la barrière lipidique soit également réduite chez le sujet âgé, chez lequel on observe en particulier une diminution des granulations lamellaires au niveau du stratum granulosum [79]. Il est intéressant de remarquer que la principale anomalie métabolique constatée chez le sujet âgé est une réduction de la synthèse endogène des stérols, alors que le niveau est sensiblement normal en ce qui concerne les acides gras et les sphingolipides [80]. Cette réduction de la biosynthèse des stérols est attribuable essentiellement à un déficit de l'activité basale de l'hydroxy-méthylglutaryl coenzyme A réductase (HMG-CoA réductase), enzyme clef de la voie de synthèse du cholestérol, mais aussi à une réduction de ses possibilités d'induction en cas de sollicitation aiguë de la barrière cutanée [80]. Une normalisation de la fonction de barrière de la peau peut être obtenue par application topique de cholestérol, ce qui confirme que le déficit, chez le sujet âgé, est essentiellement lié à un abaissement de la synthèse de ce lipide avec l'âge [80].

Ce rôle particulier du cholestérol dans la fonction de barrière hydrique de la peau est confirmé par une étude récente montrant que chez la souris dont la peau est traitée par un solvant organique (acétone) réduisant fortement la fonction de barrière hydrique, l'application topique d'acylcéramides seuls augmente plutôt le temps de récupération, alors que le mélange d'acylcéramides et de cholestérol, dans des proportions adéquates, accélère très fortement la restauration de la fonction de barrière hydrique [81]. Ces observations intéressantes montrent qu'un équilibre particulier dans la composition des lipides du stratum corneum est nécessaire à une fonction de barrière hydrique efficace, et d'autre part suggèrent qu'une supplémentation topique par des mixtures lipidiques adéquates pourraient peut-être être utilisées pour corriger les anomalies liées à l'âge ou observées dans certaines dermatoses.

CONCLUSION

En conclusion, le vieillissement de la peau est sans doute en grande partie lié, comme beaucoup d'autres processus dégénératifs, à la production d'espèces activées de l'oxygène (en l'occurrence dans le cas de la peau, aux espèces produites par l'action photodynamique de la lumière absorbée par les chromophores des cellules cutanées), ces espèces activées de l'oxygène attaquant les principaux constituants cellulaires, dont en particulier les lipides, dont les produits d'oxydation accélèrent et amplifient les dommages causés à la peau. Ce rôle aggravant de la peroxydation lipidique suscitée notamment par le rayonnement ultraviolet A doit être plus spécialement pris en compte pour la mise au point de nouvelles stratégies visant à ralentir le vieillissement cutané. Par ailleurs, l'âge s'accompagne d'un fléchissement de la fonction de barrière hydrique de la peau, lié en particulier à une diminution de la capacité de synthèse du cholestérol par les cellules cutanées. Cette altération de la barrière lipidique n'apparaît pas inéluctable, dans la mesure où une supplémentation topique à l'aide de mixtures lipidiques de composition et de proportions adéquates semble pouvoir restaurer une barrière hydrique sensiblement normale.

Remerciements

Nous remercions tout particulièrement la Ligue Nationale Contre le Cancer (Comité de Picardie), le Conseil Régional de Picardie et l'Université de Picardie-Jules Verne (UPJV) pour leur soutien financier.

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