Ce chapitre expose l'origine de l'endothélium cornéen, déterminant dans la stabilité de la transparence cornéenne. Après un bref rappel de l'embryogenèse générale et du globe oculaire, celle de la cornée sera détaillée ainsi que les mécanismes moléculaires mis en jeu.
Embryogenèse humaine
L'embryogenèse se résume en quatre principales étapes :
la segmentation (1re semaine après la fécondation) : les cellules souches totipotentes se divisent, formant la morula (16 à 64 cellules appelées blastomères), migrant vers la cavité utérine, puis se différencient en blastocyste constitué d'une couche externe (trophoblaste) et d'une masse cellulaire interne (embryoblaste) ;
la prégastrulation (2e semaine) : l'implantation de l'embryon dans la muqueuse utérine se fait par le développement du trophoblaste. L'embryoblaste se transforme en embryon didermique composé d'épiblaste (futurs tissus embryonnaires ou cavité amniotique) et d'hypoblaste (futures parties extra-embryonnaires ou sac vitellin) ;
la gastrulation (3e semaine) : le sillon primitif est formé par l'invagination de l'épiblaste. Des premières cellules épiblastiques migrent, envahissent l'hypoblaste, et le remplacent par l'entoblaste définitif. Une autre partie migre entre l'épiblaste et l'entoblaste, forme le 3e feuillet intermédiaire, le mésoblaste (mésoderme). L'épiblaste forme ainsi trois feuillets : l'ectoderme (cellules épiblastiques non migrantes), l'entoderme et le mésoderme ;
la neurulation (3e semaine) : l'ectoblaste s'épaissit à sa face postérieure, pour constituer la plaque neurale (PN, neuroectoderme ou cellules neuroépithéliales) dont les parois latérales donnent naissance aux cellules de la crête neurale (CN). La PN s'invagine en tube neural (TN) rapidement segmenté en prosencéphale, mésencéphale, rhombencéphale et moelle épinière. Il s'agit de la première étape de formation du système nerveux, le début de l'organogenèse.
Morphogenèse de l'œil et de la cornée
Le développement de la cornée a été étudié chez différentes espèces : les mêmes séquences existent, mais les durées de gestation et de formation définitive de la cornée peuvent varier [1]. Plusieurs modèles animaux (aviaire [2], murin [ [3] [4] [5]
], xenopus laevis [6], lapin [7]) ont été utilisés pour en comprendre les aspects cellulaires et génétiques.
Globe oculaire
Chez l'humain, les cellules de la CN subissent une transformation épithélio-mésenchymateuse et se différencient en différents types cellulaires selon leur migration (crâniale, vagale, troncale) [1, 8, 9]. Vers le 24e jour, les sillons optiques (latéraux) s'invaginent à partir du futur prosencéphale (partie crâniale du TN fermé), puis s'élargissent pour former les vésicules optiques reliées au prosencéphale par leur pédicule optique ; celles-ci sont en continuité avec le neuroépithélium et entourées par des cellules mésenchymateuses mésodermiques et des cellules de la CN. Au 27e jour, au contact de chaque vésicule optique, l'ectoderme superficiel s'épaissit et se transforme en placode cristallinienne, puis s'invagine en cupule cristallinienne. Chaque vésicule optique s'invagine en cupule optique qui formera la rétine (couche interne de la rétine neurale séparée d'un espace virtuel intrarétinien de la couche externe pigmentaire) [10]. Des cellules mésenchymateuses mésodermiques migrent dans l'espace entre la paroi interne de la cupule optique et la vésicule cristallinienne pour sécréter le corps vitré primaire. Au 33e jour, cette dernière se sépare de l'ectoderme pour former la vésicule cristallinienne entourée d'une capsule cristallinienne. Ces grandes étapes de l'embryologie oculaire sont illustrées dans la figure 1-1
Fig. 1-1Embryogenèse oculaire (d'après [11]).a. Après la fermeture du tube neural (24ejour), l'échange de signaux avec la vésicule optique du neuroectoderme induit la formation de la placode cristallinienne au niveau de l'ectoderme de surface (26–27ejour). b. Invagination de la placode cristallinienne et formation de la cupule optique (28–31ejour). c. Formation de la cupule cristallinienne et migration de cellules mésenchymateuses mésodermiques formant le vitré primitif (32ejour). d. Séparation entre ectoderme et cupule cristallinienne pour former la vésicule cristallinienne (33ejour).
.
Épithélium cornéen
Du 33e au 57e jour, l'ectoderme superficiel forme l'épithélium cornéen qui passe de mono- à bicouche à la naissance, puis forme des cellules épithéliales squameuses de 5 à 6 couches après la naissance [12]. L'épithélium superficiel se renouvelle à partir des cellules basales, elles-mêmes régénérées à partir des cellules souches limbiques.
Stroma, endothélium et trabéculum
Des cellules mésenchymateuses dérivées de la CN migrent entre l'épithélium cornéen et la vésicule cristallinienne pour former le stroma, l'endothélium cornéen et le trabéculum [13, 14]. Au 37e jour, la première vague de ces cellules forme l'endothélium cornéen en monocouche ou bicouche, initialement formée de cellules cuboïdales qui sécrètent une lamelle basale (la partie striée de la membrane de Descemet) [3, 15, 16]. La deuxième vague forme l'iris par migration à partir du contour de la cupule optique [4]. Lors de la 7e semaine, les cellules mésenchymateuses dérivées de la CN continuent de migrer entre l'épithélium et l'endothélium, formant les kératocytes du stroma ( substantia propria ) sécrétant la matrice extracellulaire : fibres de collagènes (type I majoritairement), acide hyaluronique et glycosaminoglycanes. Des enzymes (hyaluronidase et thyroxine) permettent de déshydrater la matrice extracellulaire, contribuant ainsi à la transparence cornéenne. Les portions antérieure et postérieure du stroma sont organisées différemment, ce qui contribue à l'architecture et la biomécanique cornéenne. La membrane de Bowman apparaît à la fin du 4e mois par condensation des fibres de collagène du stroma antérieur. Les kérarocytes sont plus nombreux dans le tiers antérieur de la cornée où les lamelles de collagène sont plus intertissées dans toutes les directions et s'ancrent sur la membrane de Bowman. L'ensemble de ces phénomènes est illustré dans la figure 1-2
Fig. 1-2Formation et maturation de la cornée.a. Schéma de principe de la formation de l'endothélium cornéen. b. Schématisation de l'organisation histologique (d'après [1]).
. La chronologie d'expression des marqueurs habituels des cellules endothéliales différenciées durant le développement embryonnaire a été partiellement étudiée : les jonctions intercellulaires sont bien développées dès la 17e semaine [17], mais la fonction de pompe n'est pas encore complètement établie [18]. Les cellules endothéliales s'arrêtent de proliférer de façon massive peu avant la naissance et restent bloquées en phase G1 de la mitose [19].
D'autres structures dépendent des cellules mésenchymateuses dérivées de la CN : la sclère, la choroïde, le trabéculum (angle iridocornéen), les muscles ciliaires, le tissu conjonctif et cartilagineux péri-oculaire, une partie des parois orbitaires osseuses.
Mécanismes moléculaires
Durant la morphogenèse de la cornée, de nombreux mécanismes moléculaires sont impliqués dans la différenciation des cellules souches multipotentes en différents compartiments fonctionnels. Des modèles de souris transgéniques ( knock-out ) ont permis d'identifier l'implication de certains facteurs de transcription dans la morphogenèse de la cornée [9] pour mieux appréhender les malformations oculaires chez l'homme (fig. 1-3
Fig. 1-3Implication des facteurs de transcription dans le développement de la cornée chez la souris (d'après [9]).PAX6 est le régulateur chef d'orchestre pour la formation de la cornée. La plupart des facteurs sont bien conservés entre les espèces et le timing des cascades, ce qui est cohérent avec les malformations observées chez l'homme. E: embryogenèse ; PN: postnatal.
).
Facteurs de transcription (gènes Pax6 , Pitx2-3 et Foxc1 )
Dans la famille de facteurs de transcription à homéodomaine principal, PAX6 est majeur. Étudié chez la souris [20], il régule la formation initiale de toutes les couches de la cornée et de la chambre antérieure, du tissu conjonctif de la paupière. PAX6 est aussi impliqué dans le maintien des cellules souches limbiques et dans le mécanisme de réparation épithéliale. PAX6 peut être muté chez les patients atteints du syndrome de Peters par exemple [21] ou dans l'aniridie. PITX2-3 sont directement impliqués dans la migration et la différenciation des cellules dérivées de la CN en cornée. PITX2 est muté chez les patients atteints du syndrome d'Axenfeld-Rieger [22]. La mutation de PITX2 chez les souris induit l'opacification de la cornée, la malformation de l'angle iridocornéen, ainsi qu'une hypertrophie de la cornée.
D'autres facteurs sont nécessaires dans la formation de la cornée [23, 24], comme FOXC1 , notamment exprimé par le mésenchyme péri-oculaire au 12e jour de l'embryogenèse murine et impliqué dans la différenciation de l'endothélium. L'absence d'expression de FOXC1 génère la fusion cornée-cristallin et l'épaississement de l'épithélium cornéen (par exemple syndrome d'Axenfeld-Rieger) [25].
Voies de signalisation (Wnt principalement, TGF β et FGF)
Les protéines Wnt ( wingless integration site pour les drosophiles sans ailes) sont impliquées dans trois grandes voies :
la voie canonique (β-caténine), au niveau de l'ectoderme de surface, bloque l'induction de la placode cristallinienne et de la glande lacrymale [26]. L'inhibition de la voie Wnt canonique par DKK2 au niveau du mésenchyme péri-oculaire permet sa différenciation en cellule de la cornée et non en tissu conjonctif. La formation de la surface oculaire nécessite la suppression de la voie Wnt canonique au centre et son augmentation vers la périphérie de la cornée. L'inhibiteur de GSK-3β permet de réguler la voie Wnt canonique chez la souris [27]. La régulation de la voie Wnt canonique des cellules humaines n'a pas encore été clarifiée ;
la voie de polarité planaire des cellules est impliquée dans la formation de l'endothélium cornéen et de l'angle iridocornéen [28] ;
la voie dépendant du calcium qui active la protéine kinase C (PKC), la CAMKII et la phosphatase calcineurine [29].
L'implication de la voie Wnt dans la formation de la cornée est confirmée par la variation d'expression de ses ligands au fil de l'organogenèse. L'expression de Wnt1 a été identifiée durant la différenciation de la CN en stroma cornéen chez les souris [28]. Chez les volailles, Wnt-5a et Wnt-11 sont exprimés lors de l'invasion du stroma cornéen [30], celle de Wnt9a niveau de l'endothélium [31].
TGFβ1 et TGFβ2 augmentent l'expression de FOXC1 et PITX2 [32]. Le FGF2 participe au processus d'invagination de la vésicule optique, avec la bone morphogenic protein 7 (BMP-7) ; il régule le niveau optimal d'expression de PAX6 [33]. La BMP-7 contrôle indirectement le signal Sox2 dans l'ectoderme du cristallin, qui régule, sur- ou sous-exprime PAX6 [34].
Morphogenèse
L'acide rétinoïque synthétisé par la rétine induit l'expression de PITX2 , puis DKK2 [27] et inhibe la voie de signalisation Wnt/β-caténine au niveau du mésenchyme péri-oculaire, ce qui provoque sa migration entre l'épithélium et le cristallin pour former l'endothélium et le stroma cornéens [35]. Chez la souris, les hétérodimères des récepteurs de l'acide rétinoïque RXRA/RARB et RXRA/RARG régulent l'expression de FOXC1 et PITX2 ; ils jouent un rôle clé dans l'apoptose pendant le remodelage du mésenchyme péri-oculaire [36].
Angiogenèse
L'absence de vascularisation cornéenne contribue à sa transparence, l'oxygène et les nutriments provenant des plexus limbiques profonds. Différents facteurs régulateurs pro- et anti-angiogéniques permettent une régulation fine de la maturation cornéenne et limbique, et peuvent amener à une situation pathologique lors de leur sur- ou sous-expression : DKK2 [26], LMX1B [10] et FOXC1 [37].
Neurogenèse, guidage d'axones, innervation
Les signalisations mettant en jeu les récepteurs à la neuropiline 1 (Nrp-1) et aux sémaphorines (Sema3A) durant l'innervation du stroma [37] influencent également la migration et la différenciation des cellules de la CN durant l'organogenèse chez les volailles [38] et les souris [39].
Conclusion
Les cascades de signalisation intercellulaires permettent d'induire la morphogenèse et la différenciation des cellules cornéennes. Elles doivent être considérées dans un processus global de développement et transformation des autres structures du segment antérieur vers un tissu spécifique, notamment le cristallin et l'angle iridocornéen. Leur compréhension peut être le point de départ de futures thérapies ciblées entrant dans le domaine de la médecine régénérative et non plus substitutive ou réparatrice. C'est grâce au décryptage de cette signalisation qu'il est possible d'oricenter in vcitro des cellules souches embryonnaires ou des cellules pluripotentes adultes induites ( induced pluripotent stem cells [iPSC]) vers des cellules endothéliales destinées à la thérapie cellulaire des pathologies endothéliales [40].
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