Different Oxidative Stress Response in Keratinocytes and Fibroblasts of Reconstructed Skin Exposed to Non Extreme Daily-Ultraviolet Radiation

Experiments characterizing the biological effects of sun exposure have usually involved solar simulators. However, they addressed the worst case scenario i.e. zenithal sun, rarely found in common outdoor activities. A non-extreme ultraviolet radiation (UV) spectrum referred as “daily UV radiation” (DUVR) with a higher UVA (320–400 nm) to UVB (280–320 nm) irradiance ratio has therefore been defined. In this study, the biological impact of an acute exposure to low physiological doses of DUVR (corresponding to 10 and 20% of the dose received per day in Paris mid-April) on a 3 dimensional reconstructed skin model, was analysed. In such conditions, epidermal and dermal morphological alterations could only be detected after the highest dose of DUVR. We then focused on oxidative stress response induced by DUVR, by analyzing the modulation of mRNA level of 24 markers in parallel in fibroblasts and keratinocytes. DUVR significantly modulated mRNA levels of these markers in both cell types. A cell type differential response was noticed: it was faster in fibroblasts, with a majority of inductions and high levels of modulation in contrast to keratinocyte response. Our results thus revealed a higher sensitivity in response to oxidative stress of dermal fibroblasts although located deeper in the skin, giving new insights into the skin biological events occurring in everyday UV exposure

PTCH1+/− Dermal Fibroblasts Isolated from Healthy Skin of Gorlin Syndrome Patients Exhibit Features of Carcinoma Associated Fibroblasts

Gorlin's or nevoid basal cell carcinoma syndrome (NBCCS) causes predisposition to basal cell carcinoma (BCC), the commonest cancer in adult human. Mutations in the tumor suppressor gene PTCH1 are responsible for this autosomal dominant syndrome. In NBCCS patients, as in the general population, ultraviolet exposure is a major risk factor for BCC development. However these patients also develop BCCs in sun-protected areas of the skin, suggesting the existence of other mechanisms for BCC predisposition in NBCCS patients. As increasing evidence supports the idea that the stroma influences carcinoma development, we hypothesized that NBCCS fibroblasts could facilitate BCC occurence of the patients. WT (n = 3) and NBCCS fibroblasts bearing either nonsense (n = 3) or missense (n = 3) PTCH1 mutations were cultured in dermal equivalents made of a collagen matrix and their transcriptomes were compared by whole genome microarray analyses. Strikingly, NBCCS fibroblasts over-expressed mRNAs encoding pro-tumoral factors such as Matrix Metalloproteinases 1 and 3 and tenascin C. They also over-expressed mRNA of pro-proliferative diffusible factors such as fibroblast growth factor 7 and the stromal cell-derived factor 1 alpha, known for its expression in carcinoma associated fibroblasts. These data indicate that the PTCH1+/− genotype of healthy NBCCS fibroblasts results in phenotypic traits highly reminiscent of those of BCC associated fibroblasts, a clue to the yet mysterious proneness to non photo-exposed BCCs in NBCCS patients

La peau reconstruite : modèle d'étude du keratinocyte, du fibroblaste et de leurs interactions. Effets des ultraviolets, dommages et réparation

Le rôle de protection de la peau est apporté par les deux tissus majeurs, le derme et l'épiderme. L'une des principales agressions est l'exposition aux rayonnements ultraviolets solaires, dont les conséquences à long terme sont le vieillissement photo-induit et l'apparition de cancers. La caractérisation de la réponse de la peau face aux UV est un point essentiel pour prévenir ou corriger ces effets. L'approche in vitro dite organotypique consiste à reconstruire de la peau à partir de cellules humaines en culture et d'éléments matriciels. Ainsi le modèle de peau reconstruite peut comporter un épiderme différencié, mais aussi un derme équivalent vivant contenant des fibroblastes. Les effets induits par les UVB ont pu être reproduits dans ce modèle. Ils sont localisés dans l'épiderme et sont identiques à ceux observés dans la peau humaine lors d'un coup de soleil modéré, notamment l'apparition dans les kératinocytes des lésions de l'ADN spécifiques des UVB. Des altérations caractéristiques d'exposition aux rayonnements UVA ont aussi été identifiées dans les fibroblastes et ont pu être reliées aux dommages dermiques associés au phénomène de photovieillissement. L'interaction entre les deux types cellulaires a été illustrée dans la production de la MMP-1. Les dommages occasionnés par les UV sont en général réparés par des systèmes spécialisés. Un modèle déficient dans la réparation des lésions induites par les UVB a pu être développé grace à l'utilisation de cellules de patients atteints de Xeroderma Pigmentosum, une maladie génétique de la réparation de l'ADN caractérisée par une hypersensibilité aux UV et une très forte prédisposition aux cancers cutanés sur les zones exposées. Dans ces études, des traits phénotypiques particuliers ont pu être révélés au niveau du fibroblaste XP-C suggérant des interactions stroma-épithélium impliquées dans le développement des signes cliniques. Enfin, dans un contexte de correction de certaines altérations de la peau photoendommagée, des effets bénéfiques de la vitamine C ont été identifiés, particulièrement au niveau de la jonction dermo-épidermique (JDE). Ces effets ont ensuite permis d'approfondir la participation respective des deux types cellulaires majeurs dans la morphogenèse de la JDE. L'ensemble de ces travaux apporte une vision globale et tissulaire de la réponse aux rayonnements UV dans un système in vitro et illustre l'intérêt plus large de ces outils biologiques en biologie cellulaire. L'amélioration des modèles, notamment par l'incorporation d'autres types cellulaires, devrait permettre d'affiner encore nos connaissances

Exposure to Non-Extreme Solar UV Daylight: Spectral Characterization, Effects on Skin and Photoprotection

The link between chronic sun exposure of human skin and harmful clinical consequences such as photo-aging and skin cancers is now indisputable. These effects are mostly due to ultraviolet (UV) rays (UVA, 320–400 nm and UVB, 280–320 nm). The UVA/UVB ratio can vary with latitude, season, hour, meteorology and ozone layer, leading to different exposure conditions. Zenithal sun exposure (for example on a beach around noon under a clear sky) can rapidly induce visible and well-characterized clinical consequences such as sunburn, predominantly induced by UVB. However, a limited part of the global population is exposed daily to such intense irradiance and until recently little attention has been paid to solar exposure that does not induce any short term clinical impact. This paper will review different studies on non-extreme daily UV exposures with: (1) the characterization and the definition of the standard UV daylight and its simulation in the laboratory; (2) description of the biological and clinical effects of such UV exposure in an in vitro reconstructed human skin model and in human skin in vivo, emphasizing the contribution of UVA rays and (3) analysis of photoprotection approaches dedicated to prevent the harmful impact of such UV exposure

Clinical and Biological Characterization of Skin Pigmentation Diversity and Its Consequences on UV Impact

Skin color diversity is the most variable and noticeable phenotypic trait in humans resulting from constitutive pigmentation variability. This paper will review the characterization of skin pigmentation diversity with a focus on the most recent data on the genetic basis of skin pigmentation, and the various methodologies for skin color assessment. Then, melanocyte activity and amount, type and distribution of melanins, which are the main drivers for skin pigmentation, are described. Paracrine regulators of melanocyte microenvironment are also discussed. Skin response to sun exposure is also highly dependent on color diversity. Thus, sensitivity to solar wavelengths is examined in terms of acute effects such as sunburn/erythema or induced-pigmentation but also long-term consequences such as skin cancers, photoageing and pigmentary disorders. More pronounced sun-sensitivity in lighter or darker skin types depending on the detrimental effects and involved wavelengths is reviewed

Vieillissement naturel et photo-induit de la peau : approches en cultures tri-dimensionnelles

La peau humaine est un organe complexe dont le rôle majeur est d’assurer la protection du corps humain contre les agressions extérieures. A cause de cette situation très particulière, le vieillissement de la peau résulte de la superposition d’un vieillissement dit « extrinsèque », dû en grande partie à l’action du rayonnement ultraviolet (UV) émis par le soleil, et de facteurs dits « intrinsèques » supposés correspondre au vieillissement chronologique. L’étude de phénomènes aussi complexes est forcément limitée quand il s’agit de mener les expériences chez l’Homme dans la mesure où il faut faire appel à des volontaires pour réaliser des biopsies. Par ailleurs, on sait très bien que les cultures classiques de cellules sur matériel plastique demeurent très éloignées des conditions physiologiques in vivo (différenciation cellulaire incomplète, absence d’interactions cellulaires, etc.). Pour se rapprocher davantage de la réalité, nous avons opté pour une approche in vitro dite « organotypique » qui consiste à reconstruire la peau à partir de cellules en culture et d’éléments matriciels. Plus précisément, notre modèle consiste à réaliser d’abord un gel en associant des fibroblastes et du collagène, lequel, après contraction et concentration des fibres de collagène par les fibroblastes, va former un « équivalent dermique » (Bell et al, 1979). Celui-ci sera ensuite le support d’ensemencement des kératinocytes de l’épiderme, qui vont produire, par multiplication et différenciation, un épithélium pluristratifié et kératinisé, histologiquement proche de l’épiderme in vivo, à condition que la culture soit réalisée avec contact avec l’atmosphère (Asselineau et al., 1985)

The Damaging Effects of Long UVA (UVA1) Rays: A Major Challenge to Preserve Skin Health and Integrity

Within solar ultraviolet (UV) light, the longest UVA1 wavelengths, with significant and relatively constant levels all year round and large penetration properties, produce effects in all cutaneous layers. Their effects, mediated by numerous endogenous chromophores, primarily involve the generation of reactive oxygen species (ROS). The resulting oxidative stress is the major mode of action of UVA1, responsible for lipid peroxidation, protein carbonylation, DNA lesions and subsequent intracellular signaling cascades. These molecular changes lead to mutations, apoptosis, dermis remodeling, inflammatory reactions and abnormal immune responses. The altered biological functions contribute to clinical consequences such as hyperpigmentation, inflammation, photoimmunosuppression, sun allergies, photoaging and photocancers. Such harmful impacts have also been reported after the use of UVA1 phototherapy or tanning beds. Furthermore, other external aggressors, such as pollutants and visible light (Vis), were shown to induce independent, cumulative and synergistic effects with UVA1 rays. In this review, we synthetize the biological and clinical effects of UVA1 and the complementary effects of UVA1 with pollutants or Vis. The identified deleterious biological impact of UVA1 contributing to clinical consequences, combined with the predominance of UVA1 rays in solar UV radiation, constitute a solid rational for the need for a broad photoprotection, including UVA1 up to 400 nm