Mesures biomécaniques de la peau

Introduction
C’est probablement à l’article de Tronnier en 1952 qu’il faut faire
remonter le début des tentatives pour mesurer les propriétés
biomécaniques de la peau in vivo [25]. Au cours de ces 50 années
écoulées, de très nombreuses propositions techniques ont été faites
pour décrire ces propriétés, chacune d’elles permettant d’avancer
telle ou telle hypothèse en ce qui concerne sa signification biologique
ou fonctionnelle. Après toutes ces années de tâtonnement, la
situation est bien sûr beaucoup plus favorable aujourd’hui puisque
l’on dispose d’appareillages relativement fiables, mettant en jeu des
principes bien compris et des résultats sur la peau largement
acceptés même si leur significativité, en termes de structure et de
nature des différentes couches cutanées, fait encore l’objet de
controverses.
Cet article, relativement court ne saurait énumérer les différentes
tentatives techniques qui ont jalonné ces dernières années, ni revenir
sur les diverses propositions avancées par les uns et les autres pour
interpréter leurs résultats. Il est centré principalement sur les
techniques aujourd’hui disponibles et sur les principaux résultats
qu’elles ont permis d’atteindre, particulièrement dans le domaine
du vieillissement cutané, de diverses pathologies, de leur traitement,
et de l’efficacité des cosmétiques.
Le premier paragraphe est consacré aux difficultés générales que l’on
rencontre chaque fois que l’on souhaite donner une interprétation
biologique à des mesures physiques. Dans le cas des propriétés
mécaniques de la peau, cette difficulté est particulièrement délicate
à surmonter.
Nature physique de la complexité
biologique cutanée
Les propriétés macroscopiques d’un matériau dépendent à la fois
de ses dimensions, de la nature physique intrinsèque de ses
constituants et de leur organisation. Dans le cas de la peau, nous
sommes en face d’une très grande complexité. En ce qui concerne
les épaisseurs, rappelons que l’épiderme (environ 100 μm) ne
représente au mieux qu’un dixième de l’épaisseur du derme
(environ 1 mm) et qu’à l’intérieur de l’épiderme, le stratum corneum
ne dépasse pas, sur la plupart des sites, 10 à 15 μm d’épaisseur.
Enfin, l’hypoderme, qui joue un rôle très important dans la tension
de la peau et l’amortissement des chocs, peut représenter plusieurs
fois l’épaisseur du derme.
Au-delà de ces considérations purement géométriques, les diverses
structures cutanées sont des cellules, des fibres, des liquides très
variés ayant en propre des propriétés très différentes. De plus, leur
situation, leur organisation, leur quantité relative diffèrent selon les
couches anatomiques.
Ces simples considérations pourraient laisser entendre que vouloir
interpréter des mesures biomécaniques de la peau in vivo, en termes
de structures cutanées ou même de « couches cutanées » est
totalement illusoire et irréaliste. Heureusement, ce point de vue doit
être tempéré par un certain nombre d’éléments, que des mesures in
vitro et certaines mesures in vivo ont apporté.
Le cas du stratum corneum est exemplaire. Cette couche de cellules
kératinisées est traversée par un gradient d’hydratation mais reste
assez déshydratée à sa surface (10 % environ). Son module
d’élasticité cependant (2-5 ´ 108 Nm-2 à 73 % RH [humidité relative])
est environ 100 fois plus élevé que celui de la peau entière [6]. Il en
résulte que son influence sur l’extension cutanée ne peut pas être
négligée. Des expériences de strippings et d’hydratation ont
d’ailleurs démontré qu’une méthode de torsion (cf infra), utilisée
dans des conditions particulières, pouvait permettre de mesurer ses
propriétés.
Les éléments de la structure cutanée pouvant intervenir dans la
fonction élastique (extensibilité immédiate et revenu élastique) sont
essentiellement les fibres d’élastine et de collagène. Il est souvent
fait référence à ces constituants du derme pour interpréter des
résultats de mesure in vivo par rapport à ce qui a été établi in vitro :
les premiers stades d’extension correspondraient à la déformation
de l’élastine puis, au-delà, au collagène. Une telle extrapolation est
dangereuse, dans la mesure où ce type de résultat a été démontré
sur peau excisée, donc déjà remodelée par une méthode d’extension
unidirectionnelle. Il n’en reste pas moins que certaines études
menées in vivo, sur des peaux pathologiques, ont permis
d’enregistrer des modifications notables attribuables au collagène
(cf infra).
Enfin, un autre paramètre physique, la viscosité et ses variations, est
souvent interprété par des modifications survenant dans le milieu
interfibrillaire (mélange eau et glyco-amino-glycanes [GAG]). Dans
ce cas encore, la plus grande prudence est recommandée. Les
phénomènes de viscosité apparaissent dans presque tous les
éléments biologiques de la peau. La kératine et les macromolécules
du derme présentent un tel phénomène, indépendamment du milieu
dans lequel elles se trouvent. Il est dû au phénomène de glissement
des liaisons hydrogène (rupture-reformation) existant entre les
chaînes hélicoïdales et/ou aux interfaces entre les différentes
microfibrilles qui constituent les fibres. De même, la migration de
l’eau intercellulaire à travers les membranes et les espaces
intercellulaires peut aussi être la cause d’un tel phénomène.
Ce paragraphe n’a pas pour finalité de taxer, a priori, toute
interprétation biologique d’une mesure mécanique effectuée in vivo
de fantaisiste, mais d’attirer l’attention sur la difficulté extrême de
ce type de démarche qui ne doit s’effectuer que prudemment, en
adaptant les protocoles et les conditions de la mesure à l’hypothèse
interprétationnelle que l’on souhaite tester.
Méthodes disponibles
Différents appareillages sont aujourd’hui disponibles
commercialement pour mesurer les propriétés biomécaniques de la
peau. Ce sont bien sûr ceux dont nous parlons le plus en soulignant
leurs avantages et leurs inconvénients. En ce qui concerne les autres,
ils doivent être considérés comme des prototypes pour lesquels nous
ne donnons que quelques indications et références, ce qui ne signifie
pas qu’ils ne présentent pas d’intérêt. De plus amples détails sur ces
méthodes peuvent être trouvés dans les livres relatifs aux méthodes
non invasives [13, 22].
MÉTHODES DE SUCCION
Deux appareils reposant sur le principe de « succion » de la peau
sont disponibles commercialement : le Cutometery (Courage et
Khazaka Electronic GmbH, Mathias-Bruggen Str 91, D 50829
Cologne, Allemagne) et le Dermaflexy (Cortex Technology ASP,
Textilevaenget 1, 9560 Hadsund, Danemark). Le principe est le
même : une pompe à vide applique à la surface de la peau une
dépression et la déformation de la peau qui en résulte est mesurée.
Dans le cas du Cutometery, la dépression est ajustée entre 0 et
500 mbar et s’applique à une ouverture de 2 mm de diamètre.
Ces chiffres sont de 0 à 500 mbar pour la dépression et 1 cm de
diamètre d’ouverture pour le Dermaflexy. Avec ces deux appareils,
il est possible d’examiner la déformation cutanée lorsque la
dépression est appliquée soit en une seule fois, soit plus
généralement sous forme de cycles répétitifs. Ces appareils donnent
des courbes « déformation-temps » en cycles simples ou répétés sur
un ordinateur personnel. Le Cutomètrey permet aussi d’obtenir les
caractéristiques « force-déformation ». Soulignons que l’origine de
ces appareils commerciaux remonte au prototype mis au point et
utilisé par Pierard [18].
La difficulté principale dans ce genre de mesure est de savoir quelles
parties de la peau sont sollicitées au moment de l’application de la
dépression. Cela dépend de l’amplitude de la dépression, du
diamètre d’ouverture et aussi de la possibilité de glissement de la
peau sur les bords de l’ouverture. Il a été montré, pour les grands
diamètres, lorsque la dépression était la plus élevée, que le derme et
même l’hypoderme étaient déformés [7]. Il y a donc lieu de bien
choisir les conditions d’application selon le type d’investigation que
l’on veut mener. Par exemple, l’utilisation d’une dépression faible
sur un diamètre d’ouverture faible favorise la sollicitation des
couches cutanées les plus superficielles.
MÉTHODE DE TORSION
La méthode de torsion consiste à mesurer la rotation d’un disque,
collé à la surface de la peau, consécutivement à l’application sur
l’axe du disque d’un couple de torsion. Cette méthode a été maintes
fois explorée [9, 21] depuis les années 1960 et s’est finalement
concrétisée par la mise à disposition d’un appareil commercial : le
Torquemetery
Dans cet appareil, le disque central et l’anneau de garde, qui est
solidaire du corps de l’appareil, sont collés à la surface de la peau
par un scotch double face. Les couples de torsion applicables sont
ajustables. La distance entre le disque central et la partie interne de
l’anneau de garde peut être choisie entre 1 et 5 mm. Il a été montré,
par de Rigal et al [6], qu’avec une distance de 1 mm et un couple de
torsion de 90 cm·cN, les propriétés mesurées étaient majoritairement
celles du stratum corneum.
Les courbes de déformations de la peau en réponse à l’application
d’un couple donné sont du type représenté sur la figure 1. On peut
noter la partie immédiate de l’extensibilité (UE), le revenu élastique
de la peau (UR) et la partie viscoélastique (UV) dépendant du temps.
Ces courbes ont été décrites par une expression mathématique
correspondant au modèle rhéologique de Burger (cf Agache [1] pour
de plus amples informations).
Le fait que les sollicitations cutanées soient, avec cette technique,
appliquées parallèlement au plan de la peau, minimise l’influence
du tissu sous-cutané sur les résultats obtenus.
AUTRES MÉTHODES
D’autres méthodes très intéressantes ont été proposées pour
caractériser mécaniquement le revêtement cutané. Celles que nous
allons citer brièvement ici ont en commun leur application à des
zones de la peau non limitées. Elles permettent donc une certaine
caractérisation, plus proche des appréciations cliniques que des
mesures physiques.
¦ Extensomètre (Diastron, Hampshire,
Grande-Bretagne)
Cet appareil portable est constitué de deux plaques plastiques qui
sont collées à la surface de la peau par du cyanoacrylate. Ces deux
plaques sont au départ à une distance de 10 mm et elles sont ensuite
déplacées à l’aide d’un moteur, ce qui permet d’étirer la peau
d’environ 30 %. Un capteur de force permet de tracer des courbes
force-élongation et force-temps une fois le moteur arrêté. Un tel
dispositif a permis une assez bonne caractérisation du vieillissement
cutané [19].
Angle
Torsion ou aspiration
0 60 s Temps
Temps
UR
UV
UE
1 Courbe de fluage cutané correspondant à une contrainte appliquée à la peau soit en
torsion, soit en aspiration. Le paramètreUE correspond à l’extensibilité immédiate (réponse
élastique). Le paramètre UV est l’extensibilité retardée (réponse visqueuse). UR
correspond au retour élastique.

¦ Ballistomètre
Il s’agit d’une pointe dont on peut compenser le poids d’une façon
ajustable, qui tombe librement sur la surface de la peau. Un
dispositif électronique enregistre les rebonds et leur amortissement.
Ce dispositif original a été utilisé pour illustrer la diminution de la
composante élastique de la peau en fonction de l’âge [10].
¦ « Gas bearing electrodynamometer »
La Gas bearing electrodynamometer (GBE) est un dispositif très délicat
à manipuler permettant d’enregistrer les modifications des
propriétés mécaniques du stratum corneum sous l’influence, par
exemple, des hydratants. Il est constitué d’une tige fine, munie d’un
capteur de force, qui glisse librement (sur coussin d’air) au centre
d’une bobine permettant d’imprimer à la tige, des déplacements de
va-et-vient d’amplitude de 1 à 2mm seulement. L’extrémité de la
tige est collée à la surface de la peau. La force nécessaire pour
déplacer alternativement la peau est fournie par un capteur de force
inclus dans la tige. L’enregistrement continu des cycles forceélongation
(cycles d’hystérésis) permet de tirer un paramètre de
raideur de la peau et un paramètre de viscosité [15].
Modification des propriétés
mécaniques de la peau
Si l’examen clinique peut permettre une assez bonne description des
propriétés de la peau ainsi que les modifications de celles-ci sous
l’influence des pathologies, du vieillissement ou des traitements, cet
examen est subjectif et dépend fortement du clinicien. La clinique
peut être très sensible mais n’est reproductible d’un jour à l’autre
que par utilisation d’échelles permettant de calibrer une évaluation.
Les méthodes physiques non invasives ne présentent pas en principe
ces limitations.
Elles en ont d’autres. Sans parler des imperfections techniques qui
tendent à disparaître dorénavant des appareils commercialisés, il
faut souligner la difficulté rencontrée pour interpréter en termes
cliniques, biologiques ou cosmétiques, les paramètres physiques
fournis par ces méthodes. Pendant très longtemps, la diversité des
méthodes, des conditions de mesure, ainsi que la complexité et la
variabilité des phénomènes mesurés sur les différents sites cutanés
ont expliqué le bruit informationnel généré par les chercheurs
utilisant ces méthodes. Depuis quelques années heureusement, sans
être idéale, la situation est devenue un peu plus claire.
VIEILLISSEMENT CUTANÉ
Dans ce domaine, ce sont essentiellement les sites cutanés exposés
qui ont été explorés : visage, bras, décolleté.... Dans la majorité des
cas, il s’agit donc de la description d’un phénomène intégrant le
vieillissement proprement dit et les effets des dommages accumulés
par des expositions répétées à la lumière (photovieillissement).
Sur les différents sites et quelles que soient les méthodes utilisées,
deux conclusions ressortent des études effectuées :
– il y aurait une diminution de la fonction élastique. Cela signifie
que la peau perd progressivement son aptitude à retrouver son état
d’origine après déformation. Cette baisse est d’environ 30 % entre
l’âge adulte et 80 ans [4, 8, 20] ;
– la partie visqueuse de la déformation (celle qui dépend du temps)
tendrait à augmenter relativement à la partie immédiate élastique
[2, 5, 24].
En ce qui concerne l’extensibilité de la peau, les résultats dépendent
beaucoup du fait que l’on a appliqué les contraintes ou les
déformations sur une zone de peau libre ou limitée par un anneau
ou un rectangle de garde [8]. Dans le premier cas, on note une forte
augmentation de l’extensibilité, significative d’une grande mobilité
cutanée [21]. Dans le deuxième cas, on enregistre une faible
diminution, significative d’un raidissement.
Les deux constatations expérimentales citées (cf supra) sont assez
délicates à interpréter en termes des différentes modifications de
structure décrites par les histologistes ou biologistes. La modification
du réseau d’élastine et la transformation du collagène en ce qui
concerne la perte d’élasticité, l’augmentation relative des GAG en ce
qui concerne les modifications de viscosité ont été évoquées pour
expliquer ces résultats.
Ces phénomènes ont probablement une influence sur les
modifications mécaniques décrites mais une relation directe est
extrêmement difficile à démontrer.
Maladies du tissu conjonctif
L’étude de ces diverses pathologies nécessite des mesures objectives
des propriétés mécaniques à moyen et long termes, ne serait-ce que
pour suivre l’évolution des altérations ou au contraire l’efficacité des
traitements.
Les premières approches quantitatives ont été effectuées par Pierard
et al, à l’aide d’un appareillage très simple permettant de mesurer
l’élévation de la peau soumise à une force perpendiculaire
déterminée par un poids [18].
Deux paramètres principaux suffisent à caractériser la peau :
l’extensibilité cutanée et l’élasticité biologique [17].
Sur deux axes représentant les variations relatives de ces deux
paramètres par rapport aux valeurs obtenues sur la peau normale,
sont placées les zones caractéristiques où s’inscrivent les paramètres
des différentes pathologies : Ehler-Danlos (forte extensibilité), cutis
laxa (forte extensibilité, faible élasticité), scléromyxoedème (faible
extensibilité, faible élasticité), sclérodermie (faible extensibilité, forte
élasticité).
Cette caractérisation mécanique est conforme aux impressions du
clinicien. Elle fournit pour chaque patient et pour chaque zone
cutanée une paire de coordonnées mécaniques, caractéristique
servant de référence objective pour le suivi de la maladie par le
clinicien.
Des études du même type ont été publiées sur les sclérodermies par
Serup utilisant le Dermaflext [23] et Kalis avec le Twistomètre [12].
Toutes font état d’une diminution de l’extensibilité cutanée. Selon
Kalis, ce raidissement serait dû soit à un épaississement de la peau,
soit à une véritable altération du collagène, selon le degré
d’évolution de la pathologie. En ce qui concerne les traitements,
Humbert et al ont pu démontrer, avec un Twistomètre, l’efficacité
d’une prise de 1,25 dihydroxyvitamine D3 sur l’extensibilité cutanée
de divers patients souffrant de sclérodermie généralisée et de
morphae [11].
Cas des cosmétiques
À court terme, les cosmétiques agissent principalement sur les
propriétés du stratum corneum. Bien que celui-ci ne représente
qu’un dixième environ de l’épaisseur de l’épiderme et un centième
de celle de la peau, de Rigal et al ont pu montrer que, sous certaines
conditions de mesure, il était possible de mesurer ses propriétés
d’extensibilité et d’élasticité à l’aide d’un Twistomètre. Diverses
publications ont illustré par la suite les effets qu’il était possible
d’obtenir soit après une simple application, soit à plus long terme [3].
Ce type de résultat a été confirmé dans de nombreuses autres
publications. Récemment, une étude comparant l’intérêt des divers
appareils de mesures des propriétés mécaniques de la peau, pour
quantifier l’effet des cosmétiques, a conclu que les mesures par
torsion étaient les plus sensibles [16].
Classiquement, ces résultats s’interprètent par un effet d’hydratation
de la couche cornée. Cependant, diverses études ont permis de
montrer qu’il n’y avait pas d’équivalence systématique entre les
mesures de conductance électrique sensibles à l’hydratation et
d’extensibilité et élasticité cutanée [14].

Conclusion
Les scientifiques qui s’intéressent à la peau ont aujourd’hui à leur
disposition de très nombreuses méthodes non invasives leur permettant
de mesurer directement chez l’homme la plupart de ses propriétés.
Certaines de ces méthodes permettent une caractérisation du tissu à
l’équilibre, tel qu’il est. C’est le cas, par exemple, de l’hydratation de la
surface, de la couleur, de la teneur en lipides de surface, du microrelief,
etc. On peut aussi avoir certaines informations sur l’épaisseur cutanée,
voire sur son organisation structurale, par les méthodes d’imagerie in
vivo. Les méthodes biomécaniques ont une place à part dans la mesure
où elles caractérisent les propriétés de la peau en la sollicitant. Elles
s’adressent directement à une fonction essentielle du revêtement
cutané. C’est cet aspect « fonctionnel » qui explique pourquoi ce sont
ces méthodes qui se sont montrées, jusqu’à aujourd’hui, les plus
intéressantes pour caractériser les pathologies du tissu conjonctif et le
vieillissement cutané. Elles ont aussi un très grand intérêt car les
mesures qu’elles permettent éclairent d’une façon beaucoup plus
objective les concepts cosmétiques de souplesse, de fermeté, etc, et donc
de contrôler l’efficacité des produits censés agir sur ces paramètres.
Il n’en reste pas moins vrai, comme nous l’avons signalé tout au long
de ce texte, que la plus grande prudence doit être de mise chaque fois
que l’on souhaite interpréter les paramètres enregistrés qui ne sont et ne
peuvent être que la conséquence globale de modifications multiples et
profondes de la complexité biologique, difficilement réductibles à
l’enregistrement de quelques chiffres, aussi intéressants soient-ils.
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