Applications en cosmétique
Analyse de la composition chimique d’échantillons par imagerie moléculaire vibrationnelle
Contexte
Les biomolécules peuvent être visualisées directement en microscopie optique en exploitant le fait qu’elles possèdent des fréquences spécifiques pour lesquelles elles tournent ou vibrent en correspondance avec des niveaux d'énergie discrets appelés modes vibratoires. Ces modes vibratoires absorbent dans le domaine du proche et lointain infrarouge et sont utilisés comme une véritable signature moléculaire, et ceci y compris lorsque les molécules d’intérêt sont incluses dans des environnements complexes comme les cellules et les tissus.
Néanmoins, les techniques de spectrocopie vibrationnelle les plus connues (spectroscopie infra-rouge, diffusion Raman) souffrent d’inconvénients importants lorsqu’on cherche à les appliquer dans les sciences du vivant : la forte absorption de l’eau pour la spectroscopie IR, ou la très faible section efficace Raman, limitent l’intérêt réel de ces techniques en imagerie biologique. C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’équipe MOSAIC de l’Institut Fresnel développent des moyens de réaliser des images d’échantillons complexes dans lesquelles les cibles chimiques d’intérêt produisent des signaux spécifiques. Pour cela, ce sont les propriétés d’intérêt de la diffusion cohérente Raman qui vont être exploitées.
Dans le cas des processus vibrationnels cohérents, on fait en sorte que les modes vibratoires de toutes les molécules présentes dans la zone d’interaction lumière-matière vont vibrer de concert, de façon synchrone. En conséquence, ces processus vont bénéficier de l’addition cohérente des ondes diffusées augmentant ainsi d’un facteur un million la sensibilité du Raman cohérent par rapport au Raman spontané. Le prix à payer est que l’échantillon doit alors être soumis à des impulsions laser de très courtes durées (10-12 s ou moins) de façon à générer des puissances crêtes suffisantes tout en gardant des puissances moyennes non destructrices de l’échantillon, afin d’enclencher les processus cohérents avec un rendement suffisant.
Le projet en résumé
Actuellement, le projet mené à l’Institut Fresnel permet de réaliser des images à partir de plusieurs modalités utilisant des processus vibrationnels cohérents (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering – CARS ; Stimulated Raman Scattering – SRS), sur des appareils prototypes pouvant aussi produire des images basées sur des contrastes dits non linéaires (Second Harmonic Generation – SHG ; two-photon Emission Fluorescence - TPEF) utilisant aussi des sources laser impulsionnelles courtes. Au final, ces microscopes permettent de produire des images selon plusieurs modalités complémentaires, permettant d’afficher des contrastes spécifiques sur différents constituants des échantillons observés.
L’équipe de l’Institut Fresnel utilise en particulier ces appareils pour suivre la dynamique de pénétration d’un produit cosmétique dans la peau ou le cheveu, et déterminer les profondeurs atteintes par actifs moléculaires dans ces tissus. Dans certains cas, il est possible d’améliorer les contrastes obtenus en utilisant un marqueur isotopique comme le deutérium qui n’altère pas la structure et la fonctionnalité des bio-molécules. La liaison carbone / deutérium est particulièrement intéressante car elle présente une signature Raman sur un domaine spectral quasiment vierge de modes vibratoires pour les molécules endogènes que l’on trouve dans les systèmes vivants. Cette stratégie a été utilisée à l’Institut Fresnel pour imager des composés moléculaires actifs en pharmacologie et en cosmétique pénétrant dans la peau humaine (voir document proposé ci-dessous, qui présente une étude dans le cas de la molécule LR2412 utilisée dans la crème anti-âge Visionnaire commercialisée par Lancôme).
Perspectives d'évolution
Outre les applications en cosmétique, la technique développée a été démontrée pour imager des échantillons biologiques (tissus essentiellement) divers, pour des applications surtout liées à la santé et à la réalisation d’images histologiques. Actuellement, l’équipe développe de nouvelles méthodologies basées sur l’utilisation du Deutérium, mais surtout des marquages alkyne qui permettent de suivre les synthèses d’ADN et d’ARN ainsi que le métabolisme de molécules médicamenteuses (voir document ci-dessous).