Глаз — это орган, образованный выпячиванием части мозга в процессе развития. Из передней части первичного мозгового пузыря возникают два боковых выпячивания, образующих первичный глазной пузырь. Нервная сетчатка и мозг развиваются из нейроэктодермы, и глаз действительно можно назвать «частью мозга».
Развитие глаза начинается с гаструляции. Бластула превращается в гаструлу, и формируются три зародышевых листка: энтодерма, мезодерма и эктодерма. К 3-й неделе развития три листка образуют трехслойный зародышевый диск.
Сразу после гаструляции происходит нейруляция. Нервная пластинка сворачивается внутрь, образуя нервную трубку, и примерно на 22-й день беременности на нервных валиках появляется глазная борозда. К 25-му дню глазная борозда развивается в глазной пузырь.
Когда дистальный конец глазного пузыря приближается к поверхностной эктодерме, последняя утолщается, образуя хрусталиковую пластинку. Передняя стенка глазного пузыря впячивается к задней стенке, образуя двустенную чашеобразную структуру — глазной бокал.
Трубчатая часть, соединяющая глазной бокал с мозговым желудочком, называется глазным стебельком. Глазной стебелек в конечном итоге становится зрительным нервом.
Глаз и его придатки состоят из следующих четырех тканевых линий:
Поверхностная эктодерма
Роговичный эпителий: дифференцируется после отделения хрусталикового пузырька
Хрусталик: образуется из впячивания поверхностной эктодермы
Эпителий век и конъюнктивы: происходит из поверхностной эктодермы
Слезные и мейбомиевы железы: развиваются из конъюнктивального эпителия
Нейроэктодерма
Сетчатка и пигментный эпителий сетчатки: дифференцируются из внутреннего и наружного листков глазного бокала
Эпителий радужки и цилиарного тела: происходят из переднего края глазного бокала
Зрительный нерв: образован аксонами ганглиозных клеток сетчатки
Стекловидное тело: наибольший вклад по объему
Мезодерма
Наружные глазные мышцы: образуются из преаурикулярных сомитов
Орбитальный жир и соединительная ткань: происходят из мезодермы
Сосудистая сеть хориоидеи: индуцируется из мезодермы вокруг глазного бокала
Ткань вокруг цилиарной мышцы: вклад мезодермы
Клетки нервного гребня (четвертый зародышевый листок)
Строма и эндотелий роговицы : образуются миграцией клеток нервного гребня
Строма радужки : концентрация меланоцитов определяет цвет радужки
Склера и трабекулярная сеть : производные нервного гребня
Кости глазницы : окостенение в основном из нервного гребня
Нервный гребень — это временная структура, образующаяся между эпидермальной эктодермой и нервной пластинкой во время нейруляции у позвоночных. Из-за своей важности он называется «четвертым зародышевым листком». Клетки нервного гребня подвергаются деэпителизации и эпителиально-мезенхимальному переходу, затем мигрируют в различные области эмбриона, играя важную роль в развитии глаза.
Развитие глаза начинается на 3-й неделе беременности (около 22-го дня) с появления глазных бороздок на нервной пластинке. К 25-му дню они превращаются в глазные пузырьки, затем формируется глазной бокал, после чего происходит дифференцировка различных тканей. Основная структура глазного яблока формируется в эмбриональном периоде, а созревание макулы продолжается до 16 недель после рождения.
Нормальное развитие глаза точно регулируется множеством генов и молекулярных сигналов. Их аномалии приводят к врожденным заболеваниям глаз.
| Ген | Функция и связанные заболевания |
|---|---|
| PAX6 | Главный ген формирования глаза. Мутации вызывают аниридию, колобому, микрофтальмию и аномалию Петерса. |
| SHH | Разделяет единое глазное поле на два глаза. Мутации вызывают циклопизм. |
| PAX2 | Необходим для формирования глазного стебелька и закрытия эмбриональной щели |
Ген PAX6 является главным контролирующим геном, необходимым для формирования глаза, и был открыт в исследованиях развития дрозофилы. У человека он идентифицирован как ген, ответственный за аниридию. Ген PAX6 расположен рядом с геном-супрессором опухоли WT1 на хромосоме 11p13, и их совместная делеция приводит к синдрому WAGR (опухоль Вильмса, аниридия, урогенитальные аномалии, умственная отсталость).
Ретиноевая кислота (РК) является незаменимой сигнальной молекулой для развития глаза1). Ретинол (витамин A) превращается в ретиналь под действием RDH10, а затем в РК под действием ALDH1A1, ALDH1A2 и ALDH1A31).
У человека мутации в четырех генах сигнального пути РК — RBP4, STRA6, ALDH1A3, RARB — а также в генах PITX2 и FOXC1, регулируемых РК, ассоциированы с анофтальмией и микрофтальмией1).
Мутации PITX2 вызывают синдром Аксенфельда-Ригера, а мутации FOXC1 приводят к дисплазии переднего сегмента глаза1).
Колобома — это врожденная аномалия, возникающая из-за незаращения эмбриональной щели. Эмбриональная щель начинает закрываться с центральной части примерно на 6-й неделе беременности и полностью закрывается к 7-й неделе. Если закрытие нарушается, остается щель, идущая вниз от зрачка, что приводит к колобоме радужки, колобоме сосудистой оболочки, гигантской колобоме и т.д. Часто сопровождается микрофтальмией.
Ген PAX6 является главным контролирующим геном формирования глаза. Его мутации приводят к аниридии, колобоме, микрофтальмии, аномалии Петерса, гипоплазии макулы и др. Кроме того, совместная делеция с соседним геном WT1 вызывает синдром WAGR (опухоль Вильмса, аниридия, урогенитальные аномалии, умственная отсталость).
В данном разделе подробно описывается процесс развития каждой ткани глаза в хронологическом порядке.
В начале 3-й недели эмбриогенеза в центральной части нервной пластинки образуется зрительная борозда. Это начало развития зрительного органа. В конце 3-й недели обе стороны глазной ямки расширяются в виде пузырьков, формируя глазной пузырёк (оптический пузырёк).
На 4-й неделе передняя стенка дистального конца глазного пузырька приближается к поверхностной эктодерме, образуя хрусталиковую пластинку (плакоду). Затем передняя стенка глазного пузырька впячивается, образуя глазной бокал (оптический бокал), а хрусталиковая пластинка утолщается и впячивается, формируя к 5-й неделе хрусталиковый пузырёк, который отделяется и оказывается внутри глазного бокала.
В нижней части глазного бокала образуется щель (глазничная щель), а в нижней стенке глазного стебелька также появляется щель (щель глазного стебелька). Вместе они называются эмбриональной щелью (эмбриональная фиссура). Отходящая от дорсальной глазной артерии гиалоидная артерия проникает в глазной бокал через эмбриональную щель. Примерно на 6-й неделе начинается закрытие от центра, которое завершается к 7-й неделе.
Внутренний и наружный листки глазного бокала изначально представляют собой многорядный цилиндрический эпителий (псевдомногослойный), но впоследствии их судьбы расходятся.
Внутренний листок утолщается за счёт активного клеточного деления и дифференцируется в сенсорную сетчатку (нейральную сетчатку). Однако вблизи края зрачка он не утолщается и становится однослойным кубическим эпителием, формируя эпителиальные части цилиарного тела и радужки.
Наружный листок истончается по мере расширения глазного бокала, и в конце 5-й недели появляются гранулы меланина, дифференцируясь в пигментный эпителий сетчатки (ПЭС). Примечательно, что пигментный эпителий сетчатки является единственной пигментной тканью в организме, которая не происходит из клеток нервного гребня.
Место, где внутренний листок переходит в наружный, образует круглое отверстие, направленное вперёд, которое станет будущим зрачком.
Когда хрусталиковый пузырёк отделяется от поверхностной эктодермы и оказывается заключённым в переднюю часть глазного бокала, базальная мембрана однослойных эпителиальных клеток становится капсулой хрусталика. Клетки передней стенки остаются в виде однослойного хрусталикового эпителия, тогда как клетки задней стенки вытягиваются вперёд, образуя первичные хрусталиковые волокна.
На 6–7-й неделе полость хрусталикового пузырька исчезает, и формируется внутриэмбриональное ядро (эмбриональное ядро). Клетки экваториальной области делятся и пролиферируют, образуя внеэмбриональное ядро (фетальное ядро), а снаружи от него последовательно добавляются вторичные хрусталиковые волокна. Вторичные хрусталиковые волокна продолжают развиваться на протяжении всей жизни.
Хрусталик происходит из эктодермального эпителия, и мезенхимальная ткань не участвует в его формировании. В течение эмбрионального периода питание осуществляется за счёт сосудистой оболочки хрусталика (производной гиалоидной артерии).
Из внутреннего листка глазного бокала образуются нейральная сетчатка, эпителий радужки и беспигментный эпителий цилиарного тела, а из наружного листка — пигментный эпителий сетчатки, пигментированный эпителий цилиарного тела и мышцы радужки (сфинктер и дилататор зрачка).
Дифференцировка нейральной сетчатки происходит в два этапа.
Первый этап (вертикальная градиентная дифференцировка) : Слой нейробластов дифференцируется на внутренний и наружный нейробластические слои. Из внутреннего нейробластического слоя первыми дифференцируются ганглиозные клетки, затем клетки Мюллера, биполярные клетки, амакриновые клетки и горизонтальные клетки. Из наружного нейробластического слоя дифференцируются фоторецепторы. Колбочки появляются на 3-м месяце беременности, палочки — на 4-м.
Второй этап (горизонтальная градиентная дифференцировка) : Дифференцировка прогрессирует от заднего полюса к периферии. За исключением макулы, развитие сетчатки почти завершается к 9-му месяцу беременности. Дифференцировка макулы начинается на 6-м месяце беременности, формирование фовеа начинается на 7-м месяце, и гистогенез продолжается до 16-й недели после рождения.
Стекловидное тело формируется в три этапа.
| Этап | Период | Характеристики |
|---|---|---|
| Первичное стекловидное тело | С 6-й недели беременности | Содержит гиалоидную артерию. После регресса остается канал Клоке. |
| Вторичное стекловидное тело | С 9-й недели беременности | Бесклеточная сеть. Составляет большую часть зрелого стекловидного тела. |
| Третичное стекловидное тело | Поздний срок беременности | Формирует ресничный поясок (циннову связку). |
В позднем эмбриональном периоде, когда гиалоидная артерия дегенерирует и исчезает, первичное стекловидное тело также исчезает. Ветви, идущие вдоль поверхности внутреннего листка глазного бокала, сохраняются как центральные артерия и вена сетчатки.
На 6-й неделе эмбриогенеза появляются ганглиозные клетки сетчатки. Их аксоны проходят через самый внутренний слой сетчатки, проникают через внутренний листок глазного бокала в области диска зрительного нерва и входят в глазной стебелек. К 7-й неделе они достигают перекреста зрительных нервов и через латеральное коленчатое тело простираются к затылочной доле.
На 3-м месяце эмбриогенеза из клеток нервного гребня вокруг глазного стебелька формируется мягкая мозговая оболочка. К 5-му месяцу появляется твердая мозговая оболочка, а на 6-м месяце дифференцируется паутинная оболочка. Миелинизация начинается на 5-м месяце в латеральном коленчатом теле и распространяется к сетчатке.
После отделения хрусталикового пузырька на 4-й неделе эмбриогенеза поверхностная эктодерма дифференцируется в эпителий роговицы. На 6-й неделе клетки нервного гребня проникают между эпителием роговицы и хрусталиком, формируя боуменову мембрану и эндотелий роговицы. Затем клетки нервного гребня снова проникают, образуя строму роговицы.
На 7-й неделе эмбриогенеза клетки нервного гребня проникают между эндотелием роговицы и хрусталиком, формируя зрачковую мембрану и строму радужки. На 3–4-м месяце формируется шлеммов канал, появляется передняя камера, а трабекулярная сеть также образуется из клеток нервного гребня.
Радужка: На 3-м месяце эмбриогенеза из переднего края глазного бокала формируются передний и задний слои эпителия радужки. Сфинктер зрачка начинает дифференцироваться на 4-м месяце и завершается к 8-му месяцу. Дилататор зрачка начинает дифференцироваться на 6-м месяце и завершается после рождения. Внутренние мышцы радужки происходят из нейроэктодермы.
Цилиарное тело: На 3-м месяце эмбриогенеза во внутреннем и наружном листках глазного бокала образуются складки, формирующие цилиарные отростки. Строма цилиарного тела и цилиарная мышца образуются из клеток нервного гребня.
Сосудистая оболочка: На 5-й неделе эмбриогенеза в пигментном эпителии сетчатки появляются гранулы меланина, и из мезодермальной ткани вокруг глазного бокала индуцируется капиллярная сеть. На 4-м месяце формируется сосудистая сеть хориоидеи.
Склера: На 7-й неделе эмбриогенеза образование начинается из клеток нервного гребня у переднего края глазного бокала, распространяется кзади и достигает заднего полюса к 5-му месяцу.
Веки: На 6-й неделе эмбриогенеза над и под глазом образуются две складки. На 3-м месяце они временно срастаются, на 6-м месяце начинается их разделение, и к 7-му месяцу они открываются. Эпителий конъюнктивы, ресницы и различные железы (железы Молля, Цейса, мейбомиевы железы) происходят из поверхностной эктодермы, а круговая мышца глаза и тарзальная пластинка — из мезодермы.
Слезная железа: На 10-й неделе эмбриогенеза базальные клетки конъюнктивального эпителия в височной части верхнего свода внедряются в мезодермальную ткань, формируя железу. Рефлекторное слезоотделение может не начаться до 1–3 недель после рождения.
Наружные глазные мышцы: На 4-й неделе эмбрионального развития мезенхима вокруг глазного бокала уплотняется, образуя зачаток. На 8-й неделе дифференцируются 4 прямые и 2 косые мышцы, а мышца, поднимающая верхнее веко, отделяется от верхней прямой мышцы.
Глазница: Кости глазницы в основном происходят из нервного гребня, и перепончатое окостенение начинается на 6-й неделе эмбрионального развития. Клиновидная и решетчатая кости развиваются путем эндохондрального окостенения.
Ретиноевая кислота (RA) контролирует два важных этапа развития глаза 1).
Этап 1: Формирование глазного бокала (соответствует E8.5–E10.5 у мыши) RA необходима для формирования глазного бокала путем инвагинации (складывания) глазного пузырька 1). В частности, вентральная инвагинация глазного пузырька нарушается при дефиците RA 1). Aldh1a2 продуцирует RA в периокулярной мезенхиме на E8.5–E9.5, и потеря синтеза RA в этот период приводит к пороку развития глазного бокала 1).
Этап 2: Морфогенез переднего сегмента (после E10.5 у мыши) RA продуцируется в дорсальной (Aldh1a1) и вентральной (Aldh1a3) сетчатке и диффундирует в периокулярную мезенхиму, происходящую из нервного гребня, снаружи глазного бокала 1). Потеря RA вызывает чрезмерную пролиферацию мезенхимы, что приводит к микрофтальмии, дисплазии роговицы и порокам развития век 1).
RA активирует Pitx2 в периокулярной мезенхиме, и Pitx2 индуцирует Dkk2 (антагонист WNT), подавляя сигнализацию WNT, тем самым ограничивая чрезмерную пролиферацию мезенхимы 1).
Ретиноевая кислота (RA) является активным метаболитом витамина A, который контролирует два этапа развития глаза: формирование глазного бокала и морфогенез переднего сегмента. RA продуцируется в сетчатке и диффундирует в окружающую мезенхиму, происходящую из нервного гребня, где подавляет сигнализацию WNT через путь Pitx2-Dkk2. Мутации в генах сигнального пути RA вызывают врожденные заболевания глаз, такие как анофтальмия и микрофтальмия.
Сигнализация RA осуществляется через ядерные рецепторы RA (RAR), которые связываются с RA-чувствительными элементами (RARE) и регулируют транскрипцию 1). Однако прямые гены-мишени RA в развитии глаза до сих пор не идентифицированы 1). Поскольку в геномах мыши и человека существуют тысячи RARE, а экспрессия тысяч генов изменяется при отсутствии RA, идентификация прямых мишеней непроста 1).
В недавних исследованиях был разработан метод обнаружения RA-зависимых отложений H3K27ac (маркер активации генов) и H3K27me3 (маркер репрессии генов) с помощью ChIP-seq и интеграции с данными RNA-seq для сужения круга прямых генов-мишеней 1). Этот метод, продемонстрированный на тканях туловища, может быть применен к развитию глаза для всесторонней идентификации генов-мишеней RA 1).
RDH10 является единственным ферментом, ответственным за первый этап синтеза RA (превращение ретинола в ретиналь). Мыши с нокаутом Rdh10 выживают до E10.5, не имеют активности RA в поле зрения и демонстрируют недоразвитие глазного бокала 1). Эта модель экспериментально проще, чем тройной нокаут Aldh1a1/Aldh1a2/Aldh1a3, и будет полезна для выяснения механизмов формирования глазного бокала в будущем 1).
