L’occhio è un organo formato da una sporgenza di una parte del cervello durante lo sviluppo. Dalla parte anteriore della vescicola cerebrale primitiva emergono due protuberanze laterali, formando la vescicola ottica primitiva. La retina neurale e il cervello si sviluppano entrambi dal neuroectoderma, e l’occhio può essere considerato una vera e propria ‘parte del cervello’.
Lo sviluppo dell’occhio inizia con la gastrulazione. La blastula si trasforma in gastrula, e si formano i tre foglietti embrionali: endoderma, mesoderma ed ectoderma. Entro la 3a settimana di sviluppo, i tre foglietti costituiscono il disco embrionale trilaminare.
Subito dopo la gastrulazione avviene la neurulazione. La placca neurale si ripiega verso l’interno formando il tubo neurale, e intorno al 22° giorno di gestazione appare il solco ottico sulle pieghe neurali. Entro il 25° giorno, il solco ottico evolve in vescicola ottica.
Quando l’estremità distale della vescicola ottica si avvicina all’ectoderma superficiale, quest’ultimo si ispessisce formando la placca del cristallino. La parete anteriore della vescicola ottica si invagina verso la parete posteriore, formando una struttura a coppa a doppia parete, chiamata coppa ottica.
La parte tubolare che collega la coppa ottica al ventricolo cerebrale è chiamata peduncolo ottico. Il peduncolo ottico diventerà infine il nervo ottico.
L’occhio e i suoi annessi sono costituiti dalle seguenti quattro linee tissutali:
Ectoderma superficiale
Epitelio corneale: si differenzia dopo la separazione della vescicola lenticolare
Cristallino: formato dall’invaginazione dell’ectoderma superficiale
Epitelio palpebrale e congiuntivale: derivati dall’ectoderma superficiale
Ghiandole lacrimali e ghiandole di Meibomio: si sviluppano dall’epitelio congiuntivale
Neuroectoderma
Retina ed epitelio pigmentato retinico: si differenziano dagli strati interno ed esterno della coppa ottica
Epitelio dell’iride e epitelio ciliare: derivati dal bordo anteriore della coppa ottica
Nervo ottico: formato dagli assoni delle cellule gangliari retiniche
Corpo vitreo: contributo volumetrico maggiore
Mesoderma
Muscoli extraoculari: formati dai somiti preauricolari
Grasso orbitario e tessuto connettivo: derivati dal mesoderma
Rete vascolare coroidale: indotta dal mesoderma circostante la coppa ottica
Tessuto perimuscolare ciliare: contributo del mesoderma
Cellule della cresta neurale (quarto foglietto embrionale)
Stroma e endotelio corneale : formati dalla migrazione delle cellule della cresta neurale
Stroma dell’iride : la concentrazione di melanociti determina il colore dell’iride
Sclera e trabecolato : derivati dalla cresta neurale
Osso orbitario : ossificazione principalmente dalla cresta neurale
La cresta neurale è una struttura temporanea che si forma tra l’ectoderma epidermico e la placca neurale durante la neurulazione nei vertebrati. Per la sua importanza, viene chiamata il « quarto foglietto embrionale ». Le cellule della cresta neurale subiscono una de-epitelializzazione e una transizione epitelio-mesenchimale, quindi migrano in varie regioni dell’embrione, svolgendo un ruolo cruciale nello sviluppo oculare.
Lo sviluppo dell’occhio inizia alla 3a settimana di gestazione (circa 22° giorno di gravidanza) con la comparsa dei solchi ottici sulla placca neurale. Entro il 25° giorno si evolvono in vescicole ottiche, poi in coppe ottiche, seguite dalla differenziazione dei vari tessuti. La struttura di base del bulbo oculare si forma durante il periodo embrionale, e il completamento della macula prosegue fino a 16 settimane dopo la nascita.
Lo sviluppo normale dell’occhio è finemente regolato da molteplici geni e segnali molecolari. Le loro anomalie causano malattie oculari congenite.
| Gene | Funzione e malattie associate |
|---|---|
| PAX6 | Gene maestro della formazione dell’occhio. Le mutazioni causano aniridia, coloboma, microftalmia e anomalia di Peters. |
| SHH | Divide il campo oculare singolo in due occhi. Le mutazioni causano ciclopìa. |
| PAX2 | Essenziale per la formazione del peduncolo ottico e la chiusura della fessura embrionale |
Il gene PAX6 è un gene master di controllo essenziale per la formazione dell’occhio, scoperto grazie a studi sullo sviluppo della Drosophila. Nell’uomo è stato identificato come gene responsabile dell’aniridia. Il gene PAX6 è adiacente al gene oncosoppressore WT1 sul cromosoma 11p13, e la loro delezione congiunta causa la sindrome WAGR (tumore di Wilms, aniridia, anomalie urogenitali, ritardo mentale).
L’acido retinoico (AR) è una molecola di segnalazione essenziale per lo sviluppo oculare1). Il retinolo (vitamina A) viene convertito in retinale da RDH10, e poi in AR da ALDH1A1, ALDH1A2 e ALDH1A31).
Nell’uomo, le mutazioni in quattro geni della via di segnalazione dell’AR — RBP4, STRA6, ALDH1A3, RARB — e in PITX2 e FOXC1, regolati dall’AR, sono associate ad anoftalmia e microftalmia1).
Le mutazioni di PITX2 causano la sindrome di Axenfeld-Rieger, mentre quelle di FOXC1 causano la disgenesia del segmento anteriore1).
Il coloboma è un’anomalia congenita dovuta alla mancata chiusura della fessura embrionale. La fessura embrionale inizia a chiudersi dalla parte centrale intorno alla 6a settimana di gestazione e si completa entro la 7a settimana. Se la chiusura è ostacolata, rimane una fessura che si estende verso il basso dalla pupilla, causando coloboma dell’iride, coloboma coroidale, coloboma gigante, ecc. Spesso è associato a microftalmia.
Il gene PAX6 è un gene master di controllo della formazione dell’occhio. Le sue mutazioni causano aniridia, coloboma, microftalmia, anomalia di Peters, ipoplasia maculare, ecc. Inoltre, la delezione congiunta con il gene WT1 adiacente provoca la sindrome WAGR (tumore di Wilms, aniridia, anomalie urogenitali, ritardo mentale).
Questa sezione descrive in dettaglio il processo di sviluppo di ciascun tessuto oculare in ordine cronologico.
All’inizio della 3ª settimana di gestazione, nella parte centrale della placca neurale si forma un solco ottico. Questo è l’inizio dello sviluppo dell’organo visivo. Alla fine della 3ª settimana, i lati della fossetta ottica si espandono a forma di vescicola, formando la vescicola ottica.
Alla 4ª settimana, la parete anteriore dell’estremità distale della vescicola ottica si avvicina all’ectoderma superficiale, formando la placoda lenticolare. Successivamente, la parete anteriore della vescicola ottica si invagina formando la coppa ottica, e la placoda lenticolare si ispessisce e si invagina per formare, entro la 5ª settimana, la vescicola lenticolare che si separa e si forma all’interno della coppa ottica.
Nella parte inferiore della coppa ottica si forma una fessura (la fessura ottica), e anche nella parete inferiore del peduncolo ottico appare una fessura (fessura del peduncolo ottico). Insieme sono chiamate fessura embrionale. L’arteria ialoidea, che si dirama dall’arteria oftalmica dorsale, entra nella coppa ottica attraverso la fessura embrionale. Intorno alla 6ª settimana inizia la chiusura dalla parte centrale, che si completa alla 7ª settimana.
Inizialmente, sia lo strato interno che quello esterno della coppa ottica sono un epitelio cilindrico pseudostratificato, ma successivamente seguono destini diversi.
Lo strato interno si ispessisce per attiva divisione cellulare e si differenzia in retina sensoriale (retina neurale). Tuttavia, vicino al margine pupillare non si ispessisce e diventa un epitelio cubico semplice, formando le parti epiteliali del corpo ciliare e dell’iride.
Lo strato esterno si assottiglia con l’espansione della coppa ottica, e alla fine della 5ª settimana compaiono granuli di melanina, differenziandosi in epitelio pigmentato retinico (EPR). È degno di nota che l’epitelio pigmentato retinico è l’unico tessuto pigmentato del corpo che non deriva dalle cellule della cresta neurale.
La parte in cui lo strato interno si ripiega sullo strato esterno forma un foro circolare rivolto in avanti, che diventerà la futura pupilla.
Quando la vescicola lenticolare si separa dall’ectoderma superficiale e viene avvolta dalla parte anteriore della coppa ottica, la membrana basale delle cellule epiteliali monostratificate diventa la capsula del cristallino. Le cellule della parete anteriore rimangono come epitelio cristallinico monostrato, mentre le cellule della parete posteriore si estendono in avanti come fibre primarie del cristallino.
Alla 6ª-7ª settimana, il lume della vescicola lenticolare scompare e si forma il nucleo embrionale. Le cellule della zona equatoriale si dividono e proliferano per formare il nucleo fetale, e all’esterno di questo si aggiungono successivamente fibre secondarie del cristallino. Le fibre secondarie del cristallino continuano a svilupparsi per tutta la vita.
Il cristallino deriva dall’epitelio ectodermico e il tessuto mesenchimale non partecipa alla sua formazione. Durante il periodo fetale, la nutrizione è fornita dalla tunica vascolare del cristallino (derivata dall’arteria ialoidea).
Dallo strato interno della coppa ottica si formano la retina neurale, l’epitelio dell’iride e l’epitelio non pigmentato del corpo ciliare, mentre dallo strato esterno si formano l’epitelio pigmentato retinico, l’epitelio pigmentato del corpo ciliare e i muscoli pupillari dell’iride.
La differenziazione della retina neurale procede in due fasi.
Prima fase (differenziazione a gradiente verticale) : Lo strato di neuroblasti si differenzia in strato neuroblastico interno ed esterno. Dallo strato neuroblastico interno si differenziano per primi le cellule gangliari, poi le cellule di Müller, le cellule bipolari, le cellule amacrine e le cellule orizzontali. Dallo strato neuroblastico esterno si differenziano i fotorecettori. I coni compaiono al 3° mese di gestazione, i bastoncelli al 4° mese.
Seconda fase (differenziazione a gradiente orizzontale) : La differenziazione progredisce dal polo posteriore verso la periferia. Ad eccezione della macula, lo sviluppo della retina è quasi completo al 9° mese di gestazione. La differenziazione della macula inizia al 6° mese di gestazione, la formazione della fovea inizia al 7° mese, e l’istogenesi continua fino alla 16a settimana dopo la nascita.
Il vitreo si forma in tre fasi.
| Fase | Periodo | Caratteristiche |
|---|---|---|
| Vitreo primario | Dalla 6a settimana di gestazione | Contiene l’arteria ialoidea. Dopo la regressione, rimane il canale di Cloquet. |
| Vitreo secondario | Dalla 9a settimana di gestazione | Rete acellulare. Costituisce la maggior parte del vitreo maturo. |
| Vitreo terziario | Fine della gestazione | Forma la zonula ciliare (zonula di Zinn). |
Alla fine del periodo embrionale, quando l’arteria ialoidea degenera e scompare, anche il vitreo primario scompare. I rami che corrono lungo la superficie dello strato interno della coppa ottica persistono come arteria e vena centrali della retina.
Alla 6ª settimana di gestazione compaiono le cellule gangliari retiniche. I loro assoni attraversano lo strato più interno della retina, perforano lo strato interno della coppa ottica a livello della papilla e si estendono nel peduncolo ottico. Alla 7ª settimana raggiungono il chiasma ottico e si prolungano verso il lobo occipitale attraverso il corpo genicolato laterale.
Al 3º mese di gestazione, dalle cellule della cresta neurale intorno al peduncolo ottico si forma la pia madre. Entro il 5º mese compare la dura madre, e al 6º mese si differenzia l’aracnoide. La mielinizzazione inizia al 5º mese nel corpo genicolato laterale e progredisce verso la retina.
Dopo la separazione della vescicola lenticolare alla 4ª settimana di gestazione, l’ectoderma superficiale si differenzia in epitelio corneale. Alla 6ª settimana, le cellule della cresta neurale penetrano tra l’epitelio corneale e il cristallino formando la membrana di Bowman e l’endotelio corneale. Successivamente, le cellule della cresta neurale penetrano nuovamente formando lo stroma corneale.
Alla 7ª settimana di gestazione, le cellule della cresta neurale penetrano tra l’endotelio corneale e il cristallino formando la membrana pupillare e lo stroma dell’iride. Al 3º-4º mese si forma il canale di Schlemm, compare la camera anteriore e il trabecolato si forma anch’esso dalle cellule della cresta neurale.
Iride: Al 3º mese di gestazione, dal bordo anteriore della coppa ottica si formano gli strati epiteliali anteriore e posteriore dell’iride. Lo sfintere pupillare inizia a differenziarsi al 4º mese e si completa all’8º mese. Il dilatatore pupillare inizia la differenziazione al 6º mese e si completa dopo la nascita. I muscoli intrinseci dell’iride derivano dal neuroectoderma.
Corpo ciliare: Al 3º mese di gestazione, si formano pieghe negli strati interno ed esterno della coppa ottica, dando origine ai processi ciliari. Lo stroma ciliare e il muscolo ciliare sono formati dalle cellule della cresta neurale.
Coroide: Alla 5ª settimana di gestazione, compaiono granuli di melanina nell’epitelio pigmentato retinico e una rete capillare viene indotta dal tessuto mesodermico circostante la coppa ottica. Al 4º mese si forma la rete vascolare coroidale.
Sclera: Alla 7ª settimana di gestazione, la formazione inizia dalle cellule della cresta neurale al bordo anteriore della coppa ottica, si estende posteriormente e raggiunge il polo posteriore al 5º mese.
Palpebre: Alla 6ª settimana di gestazione, si formano due pieghe sopra e sotto l’occhio. Al 3º mese si fondono temporaneamente, al 6º mese inizia la separazione e al 7º mese si aprono. L’epitelio congiuntivale, le ciglia e varie ghiandole (ghiandole di Moll, di Zeis, di Meibomio) derivano dall’ectoderma superficiale, mentre il muscolo orbicolare e il tarso derivano dal mesoderma.
Ghiandola lacrimale: Alla 10ª settimana di gestazione, le cellule basali dell’epitelio congiuntivale nella parte temporale del fornice superiore si invaginano nel tessuto mesodermico formando la ghiandola. La secrezione lacrimale riflessa può non iniziare fino a 1-3 settimane dopo la nascita.
Muscoli extraoculari: Alla 4a settimana di gestazione, il mesenchima intorno alla coppa ottica si addensa formando l’abbozzo. All’8a settimana, i 4 muscoli retti e i 2 muscoli obliqui si differenziano, e il muscolo elevatore della palpebra superiore si separa dal muscolo retto superiore.
Orbita: Le ossa orbitali derivano principalmente dalla cresta neurale e l’ossificazione membranosa inizia alla 6a settimana di gestazione. L’osso sfenoide e l’osso etmoide si sviluppano tramite ossificazione endocondrale.
L’acido retinoico (RA) controlla due fasi cruciali dello sviluppo oculare 1).
Fase 1: Formazione della coppa ottica (equivalente a E8.5–E10.5 nel topo) Il RA è essenziale per la formazione della coppa ottica tramite invaginazione (ripiegamento) della vescicola ottica 1). In particolare, l’invaginazione ventrale della vescicola ottica è inibita in assenza di RA 1). Aldh1a2 produce RA nel mesenchima perioculare a E8.5–E9.5, e la perdita di sintesi di RA in questo periodo porta a malformazione della coppa ottica 1).
Fase 2: Morfogenesi del segmento anteriore (da E10.5 nel topo) Il RA è prodotto nella retina dorsale (Aldh1a1) e ventrale (Aldh1a3) e diffonde nel mesenchima perioculare derivato dalla cresta neurale all’esterno della coppa ottica 1). La perdita di RA provoca una proliferazione eccessiva del mesenchima, portando a microftalmia, displasia corneale e malformazione palpebrale 1).
Il RA attiva Pitx2 nel mesenchima perioculare, e Pitx2 induce Dkk2 (antagonista WNT) sopprimendo la segnalazione WNT, limitando così la proliferazione eccessiva del mesenchima 1).
L’acido retinoico (RA) è un metabolita attivo della vitamina A che controlla due fasi dello sviluppo oculare: la formazione della coppa ottica e la morfogenesi del segmento anteriore. Il RA è prodotto nella retina e diffonde nel mesenchima perioculare derivato dalla cresta neurale, dove sopprime la segnalazione WNT tramite la via Pitx2-Dkk2. Le mutazioni nei geni della via di segnalazione del RA causano malattie oculari congenite come anoftalmia e microftalmia.
La segnalazione del RA funziona tramite i recettori nucleari del RA (RAR) che si legano agli elementi di risposta al RA (RARE) per regolare la trascrizione 1). Tuttavia, i geni bersaglio diretti del RA nello sviluppo oculare non sono ancora stati identificati 1). Poiché esistono migliaia di RARE nei genomi di topo e umano, e l’espressione di migliaia di geni varia in assenza di RA, l’identificazione dei bersagli diretti non è semplice 1).
Studi recenti hanno sviluppato un metodo per rilevare le deposizioni RA-dipendenti di H3K27ac (marcatore di attivazione genica) e H3K27me3 (marcatore di repressione genica) tramite ChIP-seq e integrarle con dati RNA-seq per restringere i geni bersaglio diretti 1). Questo metodo, dimostrato nei tessuti del tronco, potrebbe essere applicato allo sviluppo oculare per un’identificazione completa dei geni bersaglio del RA 1).
RDH10 è l’unico enzima responsabile del primo passo della sintesi di RA (conversione del retinolo in retinale). I topi knockout Rdh10 sopravvivono fino a E10.5, non mostrano attività RA nel campo visivo e presentano una malformazione della coppa ottica 1). Questo modello è sperimentalmente più facile da gestire rispetto al triplo knockout Aldh1a1/Aldh1a2/Aldh1a3 e sarà un modello utile per chiarire i meccanismi di formazione della coppa ottica in futuro 1).
