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10Figure 8: "Blondes have more fun. Also, more skin cancer."Figure 9: "Can You Believe This Maniac? - No sunscreen"Au labo...
11rieures de la peau (TransPore® de 3M). Les mesures sont spectroradiométriques (OptometricsSPF 290).Pour ce faire, cela i...
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Cosmétique et optique

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La cosmétique est un métier situé à l’interface de la biologie, la physico-chimie et l’art de la beauté. Au coeur de la cosmétique, il y a l’apparence : il faut la transformer, la modifier, la protéger, la préserver, l’améliorer… Or l’apparence est jugée visuellement. L’oeil critique apprécie la couleur d’un visage, sa carnation, l’éclat du teint, le relief cutané, la brillance d’une chevelure… L’optique a donc une place naturellement objective dans la cosmétique.
L’optique est associée étroitement à la chimie et à la physique pour la découverte et la caractérisation de molécules et de matériaux. Dans le domaine des Sciences du Vivant, l’optique se trouve dans les trois axes de la création d’un produit : la sécurité (innocuité), l’efficacité et la recherche.

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Cosmétique et optique

  1. 1. 1Optique et cosmétiqueEn particulier la protection solaire cutanéeF. Christiaens, L’Oréal RechercheIntroductionLa cosmétique est un métier situé à l’interface de la biologie, la physico-chimie et l’art de labeauté. Au cœur de la cosmétique, il y a l’apparence : il faut la transformer, la modifier, laprotéger, la préserver, l’améliorer… Or l’apparence est jugée visuellement. L’œil critiqueapprécie la couleur d’un visage, sa carnation, l’éclat du teint, le relief cutané, la brillanced’une chevelure… L’optique a donc une place naturellement objective dans la cosmétique.L’optique est associée étroitement à la chimie et à la physique pour la découverte et la carac-térisation de molécules et de matériaux. Dans le domaine des Sciences du Vivant, l’optique setrouve dans les trois axes de la création d’un produit : la sécurité (innocuité), l’efficacité et larecherche.SécuritéTout produit cosmétique doit franchir avec succès une multitude de tests de sécurité avantd’être mis sur le marché. Ainsi, un mascara se doit non seulement de ne pas être irritant pourla peau ou pour l’œil, mais aussi de ne pas être allergisant. En amont, toute matière première,avant d’être incorporée dans un produit fini, est nécessairement validée par une batterie detests toxicologiques dans lesquels les modèles de peau reconstruite in vitro prennent une partdéterminante. La photosensibilisation, la photomutagénicité ainsi que bien dautres effetsbiologiques dus à la lumière sont systématiquement testées.La peau et les cheveux sont exposés naturellement à la lumière : cette lumière est reproduiteen laboratoire (Suntest ou Xenotest Atlas / Heraeus, simulateurs solaires à arc xénon) pourexaminer toute éventuelle photodégradation des produits. Les photoproduits sont analysés etdosés, notamment par chromatographie liquide à hautes performances. Un exemple simpleconcerne les produits de protection solaire. Ils subissent des expositions plus ou moins inten-ses et de durée plus ou moins longue. Il est important que le produit ne se dégrade pas aucours du temps sous l’action du rayonnement. La photostabilité des produits est donc testée :la quantité restante de produit après irradiation est dosée, ainsi que les éventuels produits dedégradation. Chez L’Oréal, de longues recherches ont été consacrées à la mise au point denouveaux filtres à spectre large et photostables pour la couverture de l’ensemble du rayonne-ment ultraviolet nocif pour la peau, et responsable du vieillissement accéléré. Ces nouveauxfiltres ont la propriété de libérer l’énergie qu’ils absorbent efficacement par changement deconformation isomérique cis-trans, réversible, ce qui leur confère une grande stabilité.EfficacitéToute revendication doit être prouvée. De ce principe, découle la nécessité de mesurerl’efficacité d’un produit. Des méthodes originales physiques ou biophysiques sont donc dé-veloppées pour évaluer les produits. À chaque fois, l’optique occupe une place importante.• Physiquement, la couleur d’un rouge à lèvres ou d’un vernis à ongles doit être stable dansle temps. Un filtre anti-UV est très souvent associé aux produits pour que leur couleur soitpréservée, et donc leur efficacité garantie. De même, les colorants et teintures capillairesfont l’objet de tests systématiques et multiples pour suivre la tenue de la couleur sur che-
  2. 2. 2veux à l’exposition solaire, aux intempéries, au lavage par les shampooings répétés etc.Les mesures sont faites à l’aide d’un colorimètre.• Les produits de protection solaire sont testés selon une méthode exhaustive qui aboutitactuellement à l’établissement du Facteur de Protection Solaire (FPS) inscrit sur les fla-cons. Plus le FPS est élevé, plus la protection contre le coup de soleil est efficace. Ce fac-teur est calculé comme le rapport des temps nécessaires pour obtenir un coup de soleiljuste perceptible, sur une zone de peau protégée par le produit testé versus une zone nonprotégée. Ce coup de soleil est estimé quantitativement par colorimétrie. La source typi-que est une lampe au xénon à arc court, focalisée sur 6 guides optiques, filtrée avec un fil-tre Schott WG 320, pour éliminer les radiations ultraviolettes courtes non reçues sur Terre,et un filtre Schott UG11 pour ne sélectionner que la partie ultraviolette du spectre.L’éclairement obtenu atteint couramment 20 fois celui du soleil dans l’UV, ce qui permetde tester des produits de protection solaire à haut FPS. Pour évaluer la protection spécifi-que vis-à-vis des UVA, on utilise un effet biologique lié spécifiquement à l’action desUVA sur la peau : la pigmentation immédiate persistante.• L’imagerie confocale constitue un apport considérable à la connaissance des strates del’épiderme. Cette technique présente l’avantage double d’être non invasive et réalisable invivo.• Un effort considérable a été consenti, pendant près de 10 ans, pour développer et mettre aupoint une salle équipée de dispositifs de photographie reproductible, capable d’assurer lesuivi pendant des semaines ou des mois de traitement. La lumière utilisée peut être polari-sée ou non, émettre ou non des ultraviolets…• Pour analyser l’intensité de la vasodilatation cutanée, due au coup de soleil ou à une irri-tation, le photopléthysmographe mesure l’absorption IR.• La thermographie IR permet de mesurer la température de la peau, du cuir chevelu, sanscontact et donc sans perturbation. Ceci est important pour quantifier un effet in vivo, sansajouter d’artefact instrumental dû à l’application d’une sonde sur la peau. L’effet mesurépeut être l’irritation due au rasage ou la baisse de cette irritation suite à l’application d’unbaume après-rasage, ou la comparaison de l’irritation en utilisant différentes mousses à ra-ser ; le coup de soleil, la protection contre les IR…• Lanalyse dimage est omniprésente, plus particulièrement liée aux très nombreuses ima-ges issues de la microscopie photonique (lumière blanche, fluorescence, contraste dephase), électronique, confocale ou à force atomique. L’imagerie par résonance magnéti-que, à la frontière de l’optique classique, est abondamment utilisée également.RechercheLa recherche utilise beaucoup l’optique, dans de nombreux domaines, très variés. Le sujetétant vaste, les paragraphes suivants traitent uniquement de la recherche sur la protection so-laire, qui est mon domaine d’activité.Pour déterminer les meilleurs produits de protection solaire, toute une connaissance du do-maine solaire a été établie par la recherche. Cette connaissance s’articule ainsi : quelles ca-ractéristiques moyennes définissent l’homme, quel rayonnement reçoit-il, quels effetsbiologiques ces radiations provoquent-elles, quels produits sont les mieux adaptés pour proté-ger contre les effets nocifs des UV.
  3. 3. 3PhototypesLe phototype est défini par la couleur de la peau. La colorimétrie de la peau a été étudiée defaçon exhaustive, aboutissant à la définition d’un « volume de couleur de peau » dans l’espaceL*a*b* (Figure 1 et Figure 2). Rappelons que l’espace colorimétrique L*a*b* est représentéapproximativement par une sphère, dans laquelle L* représente la luminance (axe vertical,gradué de 0 – noir – à 100 – blanc), a* représente un axe vert (a* <0) – rouge (a* > 0) et b*un axe bleu (b* < 0) – jaune (b* > 0). Les deux axes a* et b* croisent l’axe L* pour la valeurL* = 50. Des catégories et un index du niveau de mélanisation (Angle TypologiqueIndividuel, ITA) ont également été définis.Système CIE-L*a*b* 1976 - A. Chardon, LOréal, 1990(Colorimètre Minolta CR200/CR300)45505560657075800 5 10 15 20a (rouge)L*(Luminance)Figure 1: Diagramme L*a* du volume de couleur de peau (dos).
  4. 4. 4Système CIE-L*a*b* 1976 - A. Chardon, LOréal, 1990(Colorimètre Minolta CR200/CR300)4045505560657075800 5 10 15 20 25b (jaune)L*(Luminance)Très claireClaireIntermédiaireMateBrunATI°Figure 2 : Diagramme L*b* du volume de couleur de peau (dos).
  5. 5. 5Source d’UVÀ l’extérieur, les UV reçus proviennent du soleil et de la diffusion du rayonnement solaire parl’atmosphère. Le spectre de cette lumière change continuellement et dépend de paramètresastronomiques (heure de la journée, date de l’année), géographiques (latitude, altitude), mé-téorologiques (nébulosité, épaisseur cumulée et profil d’ozone, aérosols) et environnementaux(réflexion des surfaces environnantes). Un spectre UV réaliste a été défini pour quantifier le« pire cas » mesurable au niveau de la mer, par ciel clair, à midi solaire. Dans ce spectre, laproportion d’UVB représente 5% des UV totaux (Figure 3).00,20,40,60,811,21,41,6290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400Longueur donde (nm)Éclairementspectral(mW.cm-2.nm-1)Figure 3 : Spectre du soleil standard UVQuand la longueur d’onde diminue, l’éclairement spectral du soleil diminue extrêmementbrutalement (Figure 4). Ce phénomène est dû à l’absorption des UV par l’ozone, gaz localiséprincipalement dans les couches stratosphériques de l’atmosphère.
  6. 6. 61E-061E-051E-041E-031E-021E-011E+001E+01290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400Longueur donde (nm)Éclairementspectral(mW.cm-2.nm-1)Figure 4 : Spectre du soleil standard UV, échelle semi-logarithmiqueCette pente très raide pose des problèmes de dynamique de mesure. Les météorologues utili-sent des spectroradiomètres à double monochromateur, car c’est le seul moyen de s’affranchirde la lumière parasite, due au visible, diffusée par un simple monochromateur. Cette lumièreparasite fait apparaître un plateau qui limite la dynamique de mesure à environ 3 ordres degrandeur. Les contraintes instrumentales incluent, entre autres, la nécessité d’une calibrationantérieure à toute mesure, croisée avec plusieurs étalons internationaux ; un système stabiliséen température ; une réponse cosinus de la sphère intégrante aussi bonne que possible. Uneerreur de calibration de 0,1 nm en longueur d’onde peut entraîner une erreur allant jusqu’à10% sur l’éclairement spectral mesuré à une longueur d’onde.Chez L’Oréal, nous utilisons deux spectroradiomètres à double monochromateur, un Benthamde 150 mm de focale et un Macam de 100 mm de focale. Ces spectroradiomètres sont surtoutdédiés à la mesure de toutes les sources de laboratoire, c’est pourquoi en plus des contraintescitées, la sensibilité aux chocs, le poids et l’encombrement (autrement dit, la transportabilité)sont également des facteurs critiques. Enfin, le domaine spectral intéressant dépasse l’UV, lessources sont caractérisées sur l’UV et le visible, voire le proche infrarouge, jusqu’à 1100 nm.De plus, L’Oréal a installé des capteurs qui enregistrent l’éclairement UV solaire, moyennétoutes les 10 minutes. Ces capteurs sont installés à Clichy et à Sophia-Antipolis. Les dosesquotidiennes sont calculées, la courbe annuelle est tracée et un modèle permet d’estimer lesdoses quotidiennes maximales et moyennes pour les sites considérés (Figure 5). De même,l’éclairement quotidien maximal et moyen est modélisé pour chaque jour de l’année, en fonc-tion de l’heure.
  7. 7. 7020406080100120140160janvfévrmarsavrmaijuinjuilaoûtseptoctnovdécjanvfévrmarsavrmaijuinjuilaoûtseptoctnovdécMoisDoseUVAquotidienne(J/cm²) UVA (Solar-Light 501-A) Modèle max. Modèle moyenFigure 5: Doses quotidiennes UVA, à Sophia-Antipolis, en 1996-1997. Mesures et modélisations.Dépendance spectrale des effets biologiquesBien que ne représentant qu’au plus 5% de l’éclairement solaire UV reçu sur Terre, les UVBsont responsables des effets aigus du soleil, matérialisés par le coup de soleil. La dépendancespectrale du coup de soleil a été normalisée par la Commission Internationale de l’Éclairage(Commission Internationale de lEclairage (CIE), 1987). Le tracé sur une échelle semi-loga-rithmique montre que les UVA sont beaucoup moins efficaces que les UVB pour provoquerun coup de soleil (Figure 6).
  8. 8. 81E-041E-031E-021E-011E+00290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400Longueur donde (nm)EfficacitérelativeFigure 6 : Dépendance spectrale du coup de soleilOriginellement, les produits solaires avaient pour vocation unique de protéger contre le coupde soleil (érythème). Actuellement, ces produits sont étudiés vis-à-vis de la protection contred’autres dégâts biologiques, tels les cancers cutanés, la diminution des défenses immunitairesou le photovieillissement. Ces effets sont étudiés scientifiquement mais relativement peu re-vendiqués auprès du grand public.Les effets biologiques des différentes composantes du rayonnement solaire sont étudiés. Enparticulier, les UVA (320-400 nm) sont moins énergétiques que les UVB (280-320 nm), maisils pénètrent profondément dans la peau et altèrent l’architecture de fibres conjonctives assu-rant la fermeté de la peau.Les « chemins de bronzage » ont également été définis : il s’agit du tracé du déplacement dupoint L*a*b* dans l’espace de couleur de peau, en fonction du phototype et du rayonnementreçu (Chardon et al., 1992). Ainsi, les composantes du phénomène bronzage (érythème, pig-mentation immédiate, pigmentation retardée), l’effet de chaque bande de rayonnement UV surson intensité, sa cinétique et sa nuance de couleur, leur interaction ont été quantifiés.L’utilisation de l’index de mélanisation (ATI) permet de prévoir de façon relativement préciseet objective la sensibilité individuelle au soleil (Chardon et al., 1992).ConséquencesLe spectre érythémal efficace du soleil est défini comme le résultat de la multiplication duspectre solaire par son efficacité relative à produire un érythème (Figure 7).
  9. 9. 91E-061E-051E-041E-031E-021E-011E+001E+01290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400Wavelength (nm)Efficacitérelative(Unitésarbitraires)Éclairementspectral(mW.cm-2.nm-1)Spectre daction érythémalSoleil standard UVSpectre efficaceFigure 7 : Spectre efficaceL’efficacité des sources de laboratoire, chargée de simuler le soleil, peut donc être prédite ensubstituant son spectre à celui du soleil. De la même manière, l’efficacité du rayonnementsolaire naturel peut être estimée, en fonction des variations des paramètres météorologiques.Ainsi, le « trou » d’ozone a pour conséquence directe un accroissement proportionnel desUVB transmis par l’atmosphère. L’efficacité biologique des radiations qui atteignent le sol estaugmentée. Cette variation est quantifiée par le Radiation Amplification Factor (RAF) : pourune baisse de 1% de l’épaisseur cumulée d’ozone, le RAF indique la variation d’efficacitéd’un effet biologique déterminé. Par exemple, le taux de cancers cutanés (hors mélanomesmalins) présente un RAF de 1,1%. En Australie, d’une part la période de l’année à laquelle le« trou » d’ozone est le plus marqué correspond à l’été et d’autre part la majeure partie de lapopulation est d’origine celtique. Les effets du « trou » d’ozone sont sensibles : l’Australie estle pays dont le taux de cancers cutanés est le plus élevé. Les radiations naturelles UV sonttellement intenses qu’elles posent un grave problème de santé publique et obligent le gouver-nement australien à financer de vastes campagnes d’information et de sensibilisation du pu-blic. Les effets bénéfiques ne s’enregistrent que sur du long terme, car le changement dementalité est un problème d’éducation. Actuellement, les slogans évoluent des formules« choc » (« Fry now, pay later ») vers des messages adaptés suivant le public visé, tenant encompte le fait que toute exposition au soleil ne peut pas être évitée : « Enjoy safe sun ». Lesfigures suivantes montrent quelques exemples inspirés des documents disponibles auprès del’Association Américaine de Dermatologie.
  10. 10. 10Figure 8: "Blondes have more fun. Also, more skin cancer."Figure 9: "Can You Believe This Maniac? - No sunscreen"Au laboratoire, la simulation solaire a pour but de reproduire le spectre du soleil aussi exac-tement que possible. La reproduction de la pente UVB est critique. Les filtres Schott WG 320sont actuellement considérés comme la meilleure solution pour filtrer une ampoule à arc courtxénon. Les simulateurs solaires UV Oriel sont largement utilisés dans ces applications. Unesource dont le spectre contient trop d’UVB courts émet non seulement un spectre non réaliste,mais aussi induit une sur-estimation du FPS.Produit de protection solaireConnaissant le spectre d’efficacité, le type et la concentration des filtres à inclure dans lesproduits de protection solaire s’en déduisent. Le maximum d’absorption doit se situer auxalentours de 308 nm dans l’exemple montré ici (Figure 7). Pour caractériser l’absorption invitro, les produits sont étalés sur un support en silice fondue (quartz) recouvert par un rubanadhésif spécial dont la structure reproduit approximativement la structure des couches supé-
  11. 11. 11rieures de la peau (TransPore® de 3M). Les mesures sont spectroradiométriques (OptometricsSPF 290).Pour ce faire, cela implique de connaître le spectre d’efficacité de chaque effet biologiqueétudié. En pratique, la détermination du spectre d’efficacité est longue et délicate. Par exem-ple, pour l’érythème, le spectre d’action montre que les UVA peuvent être jusqu’à 1 000 foismoins efficaces que les UVB (Figure 6). Pour obtenir le même effet avec les UVA qu’avec lesUVB, les temps d’exposition ont donc été jusqu’à 1 000 fois plus longs. Si l’érythème étaitobtenu en 1 minute avec les UVB, ce qui suppose déjà d’utiliser une source 20 fois plus puis-sante que le soleil, cela signifie qu’il serait obtenu en (au moins) 1 000 minutes avec les UVA,avec la même source. Donc il faut utiliser des sources beaucoup plus puissantes pour exposerdans les UVA. Par conséquent, il faut vérifier que l’érythème obtenu est identique avec unesource très puissante et une source moins puissante, en 20 secondes ou en 2 heures. La vérifi-cation que l’érythème ne dépend que de la dose (J/cm²), et non du débit de dose (éclairement,en mW/cm²), est donc obligatoire. Contrainte supplémentaire, ces mesures se font in vivo, surdes volontaires, ce qui entraîne des écarts-types très importants.Les spectres d’action sont utilisés aussi pour quantifier et prédire l’efficacité biologique dessources artificielles. Pour la cancérogenèse photo-induite, Cole et al. ont estimé quel’efficacité moyenne relative des longueurs d’onde comprises entre 330 et 400 nm valait ap-proximativement 0,0001 (Cole et al., 1986). Le maximum d’efficacité vaut 1 et est situé dansles UVB. Les auteurs ont calculé, de plus, que l’effet carcinogène des longueurs d’onde supé-rieures à 330 nm ne serait pas détectable en utilisant des sources dont le spectre contient 2%d’UVB. Mesurer avec précision 2% d’UVB n’est possible qu’avec des spectroradiomètressatisfaisant les critères cités plus haut.ConclusionL’optique est un outil très représenté au sein de la recherche L’Oréal : spectroradiométrie,traitement d’image, microscopie (optique (Leica), confocale (Zeiss), électronique, à forceatomique), spectroscopie infrarouge par Transformée de Fourier, cytométrie de flux… Dansl’industrie cosmétique, elle est à la fois un outil fondamental et indispensable à la recherchede nouveaux produits, la garantie de leur sécurité, la preuve de leur efficacité, la compréhen-sion de mécanismes biologiques ; mais en même temps elle s’intègre à l’éventail des nom-breux autres outils nécessaires à ces tâches.RemerciementsJ’adresse mes plus vifs et sincères remerciements à MM. A. Chardon et C. Bouillon pour leuraide précieuse dans l’élaboration de ce document.Références bibliographiques1. Commission Internationale de lEclairage (CIE). A reference action spectrum for UV inducederythema in human skin. CIE Research note 6(1), 17-22. 1987.2. Chardon, A.M., Crétois, I. & Hourseau, C. (1992) Colour change induced on various skincategories by repeated exposures to UV rays. In: Biological responses to UVA radiation,edited by Urbach, F. Valdenmar Publishing Co., Overland Park, KS, p. 159-175.
  12. 12. 123. Chardon, A. M., Moyal, D., Bories, M. F., and Hourseau, C. Comparative suntanning pathwaysdeveloped in actual sun with various types of sunscreen protection. 3, 1041-1058. 1992.Yokohama.4. Cole, C.A., Forbes, P.D. & Davies, R.E. (1986) An action spectrum for UV photocarcinogenesis.Photochem.Photobiol. 43, 275-284.

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