Spectral histology of hair and hair follicle using infrared microspectroscopy.

ABSTRACT

OBJECTIVE: Today, there is only limited knowledge of the spatial organization of hair chemistry. Infrared microspectroscopy is a well-established tool to provide such information and has significantly contributed to this field. In this study, we present new results combining multiple infrared microspectroscopy methods at different length scales to create a better chemical histology of human hair, including the hair follicle, hair shaft, hair medulla and hair cuticle. METHODS: We used hyperspectral IR imaging & spectroscopy (HIRIS) and synchrotron-radiation FTIR microspectroscopy (SR-µFTIR) to measure transversal hair sections and SR-µFTIR to obtain high-resolution maps of longitudinal sections from the hair shaft and from the hair follicle. We used optical photothermal IR microspectroscopy (OPTIR) to analyse the cuticle surface of intact hairs. RESULTS: By mapping longitudinal sections of the human hair follicle with confocal SR-µFTIR, we report the first demonstration of glycogen presence in the outer root sheath of the hair follicle by spectroscopy, and its quantification at the micron scale. Spectral maps, combined with machine learning-based analysis, enabled us to differentiate the various layers of the hair follicle and provided insights into the chemical changes that occur during hair formation in the follicle. Using HIRIS and SR-µFTIR to analyse the hair medulla in transversal sections of human hairs, we report here, for the first time by vibrational spectroscopy methods, the detection of unsaturated lipids at very low concentrations in the medulla. By analysing longitudinal sections of the hair shaft with SR-µFTIR, we found that calcium carboxylates are present in large regions of the hair cuticle, and not just in small focal areas as previously thought. We then use OPTIR to analyse the hair cuticle of intact hairs at submicron resolution without sectioning and report the distribution of calcium carboxylates at the surface of intact hair for the first time. CONCLUSION: These new findings illustrate the potential of infrared microspectroscopy for imaging the chemical composition of human hair and may have implications for biomedical research or cosmetology.

OBJECTIF Aujourd'hui, les connaissances sur l'organisation spatiale de la chimie capillaire sont limitées. La microspectroscopie infrarouge est un outil bien établi pour fournir de telles informations et a largement contribué à ce domaine. Dans cette étude, nous présentons de nouveaux résultats combinant plusieurs méthodes de microspectroscopie infrarouge à différentes échelles de longueur pour créer une meilleure histologie chimique des cheveux humains, y compris le follicule pileux, la tige pilaire, la moelle pilaire et la cuticule pilaire. MÉTHODES Nous avons utilisé l'imagerie et la spectroscopie hyperspectrales infrarouges (Hyperspectral IR Imaging & Spectroscopy, HIRIS) et la microspectroscopie IRTF par rayonnement synchrotron (synchrotron­radiation FTIR microspectroscopy, SR­µFTIR) pour mesurer des coupes transversales de cheveux, et la SR­µFTIR pour obtenir des cartes à haute résolution des coupes longitudinales de la tige pilaire et du follicule pileux. Nous avons utilisé la microspectroscopie photothermique infrarouge optique (Optical Photothermal IR microspectroscopy, OPTIR) pour analyser la surface des cuticules de cheveux intacts. RÉSULTATS En cartographiant les coupes longitudinales du follicule pileux humain avec la SR­µFTIR confocale, nous rapportons la première démonstration par spectroscopie de la présence de glycogène dans la gaine de la racine externe du follicule pileux, et sa quantification à l'échelle du micron. Les cartes spectrales, combinées à une analyse basée sur l'apprentissage automatisé, nous ont permis de différencier les différentes couches du follicule pileux et de mieux comprendre les changements chimiques qui surviennent pendant la formation des cheveux dans le follicule. En utilisant la méthode HIRIS et la SR­µFTIR pour analyser la moelle pilaire dans les coupes transversales des cheveux humains, nous rapportons ici, pour la première fois par des méthodes de spectroscopie vibrationnelle, la détection de lipides insaturés à de très faibles concentrations dans la moelle. En analysant les coupes longitudinales de la tige pilaire par SR­µFTIR, nous avons constaté que les carboxylates de calcium sont présents dans de vastes régions de la cuticule pilaire, et pas seulement dans de petites zones focales comme on le pensait auparavant. Nous utilisons ensuite la méthode OPTIR pour analyser la cuticule pilaire de cheveux intacts à une résolution inférieure au micron sans sectionner les cheveux et rapportons pour la première fois la distribution des carboxylates de calcium à la surface des cheveux intacts. CONCLUSION: Ces nouveaux résultats illustrent le potentiel de la microspectroscopie infrarouge pour l'imagerie de la composition chimique des cheveux humains et peuvent avoir des implications pour la recherche biomédicale ou la cosmétologie.