Multiscale biomechanics of skin: experimental investigation of the role of the collagen microstructure
Biomécanique multi-échelles de la peau : étude expérimentale du rôle de l'organisation microstructurale du collagène
Résumé
Skin is a complex organ consisting of three main layers, namely the epidermis, dermis and hypodermis. The dermis is responsible for most of the complex mechanical properties of skin, including non-linearity, anisotropy and viscoelasticity. Like all soft collagenous tissues, the dermis is constituted mostly of extracellular matrix proteins, fi brillar collagens being the major structural components. Modelling e fforts using a scaling-up approach for skin generally lack appropriate micro-mechanical experiments to clarify the link between macroscopic mechanical properties and microstructural behaviour.
The goal of this research was to measure the evolution of skin's microstructure during mechanical stimulation to identify the relevant mechanisms at the microscopic scale. Uniaxial tensile tests were carried out on ex vivo mice skin under a multiphoton microscope with Second Harmonic Generation detection. This technique allows for specific imaging of collagen fibres in the depth of the dermis. We were then able to simultaneously monitor the tissue's mechanical response and image the microstructural reorganisation of the fibrillar collagen network, using quantitative characterisations at both scales. We showed that the collagen fibres continuously align in the direction of traction with stretch, generating the observed mechanical response. A general framework of hypothetical microstructural mechanisms was proposed to account for the features observed experimentally.
Genetic mutations inducing a decreased or abnormal collagen synthesis can result in defective mechanical properties in skin. For instance, patients suff ering from Ehlers-Danlos syndrome, a general collagenous tissue disorder caused by mutations in the genes coding for a minor form of collagen, typically present hyperelastic skin. We applied our multiscale approach to two genetically-modi ed mice strains created in the context of investigating the Ehlers-Danlos syndrome. The ageing process is also a factor of change in skin's mechanical properties, and was investigated in this work through experiments on aged mice skin. Genetically-modi ed and aged mice skin exhibited altered collagen reorganisation and mechanical response during a tensile test. The variations were interpreted in the context of the microstructural interpretation developed for control mice, and can be used for phenotyping.
These findings show that our multiscale approach provides new crucial information on the biomechanics of skin. It can be generalised to study other pathologies, other collagenous tissues, or other mechanical properties, such as the biaxial or viscoelastic response.
La peau est un organe complexe constitué de 3 couches : l'épiderme, le derme et l'hypoderme. Le derme confère à la peau la plupart de ses propriétés mécaniques, comme la non-linéarité, l'anisotropie et la viscoélasticité. Comme tous les tissus conjonctifs, le derme se compose majoritairement de matrice extracellulaire, dont les composants structurants majeurs sont les fibres de collagène. Les efforts de modélisation de la peau s'inscrivant dans une démarche de "scaling-up", comme l'homogénéisation, se heurtent en général à l'absence de caractérisation expérimentale multi-échelles permettant de clarifier le lien entre propriétés mécaniques macroscopiques et réorganisation microstructurale.
L'objectif de ce travail de thèse est de mesurer l'évolution de la microstructure de la peau lors d'un essai mécanique pour identifier les mécanismes pertinents à l'échelle microscopique. Des échantillons de peau de souris ex vivo ont été soumis à des tests de traction uniaxiale, in situ sous un microscope multiphoton avec détection du signal de Génération de Seconde Harmonique. Cette technique nous permet de suivre simultanément la réponse mécanique du tissu et la réorganisation du réseau de fibres de collagène, et de quantifier le comportement aux échelles macroscopique et microscopique. Nous avons démontré que les fibres de collagène s'alignent continuellement dans la direction de traction pendant l'essai, ce qui produit la réponse mécanique du tissu. Des mécanismes microstructuraux ont été proposés pour constituer une interprétation générale permettant de rendre compte des résultats observés.
Certaines mutations génétiques induisent une synthèse réduite ou anormale du collagène, ce qui aboutit à des propriétés mécaniques altérées. Ainsi, les patients atteints du syndrome d'Ehlers-Danlos, une maladie des tissus conjonctifs provoquée par une mutation du gène codant pour un collagène minoritaire, présentent typiquement une peau hyper-élastique. Nous avons appliqué notre protocole multi-échelles à deux lignées de souris génétiquement modifiées, créées dans le contexte de l'étude de la pathologie d'Ehlers-Danlos. De façon similaire, l'effet du vieillissement sur les propriétés mécaniques et microstructurales de la peau a été étudié à travers des expériences sur peau de souris âgées. Ceci a permis de mettre en évidence une réponse mécanique ainsi qu'une réorganisation microstructurale différentes entre souris génétiquement modifiées, souris âgées et souris contrôles. Ces modifications ont été evaluées dans le contexte de l'interprétation microstructurale précédemment développée.
Notre technique permet d'étudier la biomécanique de la peau avec une approche multi-échelles novatrice. Elle peut être généralisée à l'étude d'autres pathologies et d'autres tissus conjonctifs, ou à l'évaluation d'autres propriétés de la peau comme sa réponse biaxiale ou viscoélastique.
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