J.-L. Bourges, G. Renard
Avec l’âge, les fibres équatoriales de la zonule antérieure se raréfient jusqu’à pratiquement disparaître. Dans le même temps, la circonférence du cristallin augmente aux dépens de l’espace péri-cristallinien situé entre l’équateur du cristallin et le corps ciliaire. Progressivement, la zonule s’insère de plus en plus antérieurement sur la capsule [11]. La distance augmente donc entre l’insertion capsulaire des fibres du contingent antérieur de la zonule et l’équateur du cristallin [22]. Cette évolution sénile permet d’observer que la longueur des fibres zonulaires reste approximativement identique, tandis que la circonférence équatoriale du cristallin augmente (fig. 2-1a).
Fig. 2-1 Presbytie.
a. À l’état de repos, le cristallin a grossi et l’équateur se rapproche du corps ciliaire. La capsule (2, 7) a perdu son élasticité. Le cortex (3, 6) perd également sa mobilité autour d’un noyau qui devient rigide. Le muscle ciliaire (4) grossit également et prend une forme proche de l’état contracté, bien qu’il soit à l’état de repos. Les fibres zonulaires insérées sur la capsule (1) restent tendues car leur insertion devient moins périphérique. Les fibres orbiculo-ciliaires (5) sont détendues. b. Lors de la commande d’accommodation, le muscle ciliaire (4) reste partiellement actif et détend les fibres zonulaires (1). Celles-ci sont sans effet sur un cristallin qui n’est plus capable de modifier sa forme, que ce soit au niveau de la capsule (2, 7) ou du cortex (3, 6). Le cristallin ne peut plus faire qu’un léger mouvement vers l’avant. Les fibres orbiculo-ciliaires (5) sont mises sous tension mais leur élasticité diminuée n’est plus capable de ramener le muscle ciliaire en position de repos. L’ensemble du système accommodatif est bloqué.
La composition des fibres zonulaires résulte de l’association entre plusieurs macromolécules originellement produites par l’épithélium non pigmenté du corps ciliaire. La principale d’entre elles est la fibrilline [2]. Elle constitue des domaines microfibrillaires pseudo-élastiques. Comme l’élastine, elle possède un cycle de renouvellement extrêmement lent dans l’organisme [15]. Du calcium et des glycosaminoglycanes (GAG) sont présents sur les domaines microfibrillaires de fibrilline [6], modulant l’élasticité de la zonule [24]. Au cours du vieillissement, du calcium et des lipides s’accumulent sur la fibrilline. Ceci ne modifie que de manière négligeable l’élasticité zonulaire, c’est-à-dire sa capacité à retrouver sa forme initiale après une déformation sous contrainte. En revanche, cela augmente sa rigidité et l’extensivité des fibres zonulaires diminue d’environ 35 %, entraînant une perte d’élongation potentielle d’environ 0,5 mm tous les cinq ans [1]. De même, en tant que tissu constitué de microfibrilles, la zonule est préférentiellement altérée par le processus progressif de dégradation enzymatique des protéines, ce qui la fragilise [14]. Ce phénomène est amplifié avec le temps, puisque le constituant principal de la zonule se renouvelle peu. Cela favorise de surcroît la liaison des microfibrilles entre elles (cross-linking naturel lié au vieillissement) [14]. Les produits de dégradation de la zonule s’accumulent avec l’âge et se déposent dans son environnement, sur ses fibres elles-mêmes, sur la capsule cristallinienne, l’iris ou le corps ciliaire.
La capsule du cristallin est assimilable à la membrane basale des cellules épithéliales cristalliniennes. Le collagène IV de la capsule cristallinienne, qui s’accumule avec le temps mais ne se renouvelle pratiquement pas, subit un cross-linking naturel et un processus de glycation. Son épaisseur est pratiquement doublée entre la première et la huitième décennie. En conséquence, sa rigidité augmente. Proportionnellement, la capsule perd de son élasticité. Si l’extensivité capsulaire est estimée à 100 % vers l’âge de dix ans, elle devient inférieure à 50 % après soixante-quinze ans [19]. Au cours d’une vie qui durerait cent ans, la rigidité capsulaire augmenterait d’un facteur 10 [20, 31, 34]. La compression maximale applicable à une capsule antérieure humaine testée ex vivo diminuerait d’environ 1 % par an [20]. L’évolution de l’élasticité n’est cependant pas linéaire et on peut observer un infléchissement net des propriétés élastiques capsulaires vers l’âge de trente-cinq ans [20], ce qui préfigure les conditions de la presbytie.
Le cristallin grossit constamment au cours de l’existence, en raison de l’accumulation de ses fibres épithéliales cristalliniennes qui migrent de la région équatoriale vers les pôles antérieur et postérieur [7]. De la vie fœtale à la naissance, sa masse s’accroît de 181 mg sur un an ; par la suite, cette croissance ralentit considérablement pour atteindre en moyenne 1,3 mg par an, soit cent fois moins rapidement [3, 32].
À la naissance, son diamètre équatorial est déjà de 6,5 mm et son épaisseur sagittale de 3 mm. Vers trente ans, la croissance équatoriale est pratiquement nulle [23]. La croissance sagittale, elle, se poursuit de manière permanente, expliquée pas la production et la migration des fibres de la région équatoriale vers les pôles antérieur et postérieur. Elle s’effectue donc aux dépens des faces antérieure et postérieure [9, 17, 26]. À partir de la quatrième décennie, le cristallin augmente à nouveau progressivement dans son diamètre équatorial en même temps que dans son épaisseur sagittale antéropostérieure. Vers l’âge de quatre-vingt-dix ans, ses mensurations atteignent respectivement 9 mm de diamètre environ et 5 à 6 mm d’épaisseur.
La consistance du cristallin se modifie. Le cortex et le noyau du cristallin se compartimentent, organisant une barrière fonctionnelle entre la périphérie corticale et le centre nucléaire [27]. Le noyau du cristallin se durcit [16], tandis qu’il se compacte [5]. Le module d’élasticité du cortex augmente [12]. Parallèlement, étant plus sensible à la gravité, la position axiale du cristallin s’abaisse.
La nature du cristallin se modifie aussi. Son vieillissement favorise l’altération de ses protéines qui acquièrent des propriétés nouvelles. Elles acquièrent une pigmentation jaune, elles filtrent de plus en plus les longueurs d’ondes courtes du spectre lumineux visible (violet et bleu), se comportant comme des fluorochromes. Ces protéines dénaturées favorisent, avec l’âge, la diffraction lumineuse [29], le décalage des longueurs d’ondes lumineuses visibles vers les couleurs chaudes et augmentent l’autofluorescence du matériel cristallinien. Elles favorisent l’apparition d’aberrations d’ordre élevé, en particulier sphériques positives. De petites opacités se disséminent progressivement dans le cortex cristallinien, jusqu’à finir par former des vésicules visibles macroscopiquement, qui altèrent la qualité de la transmission lumineuse au travers du matériel cristallinien et augmentent la diffraction lumineuse [30].
Le cristallin est le tissu contenant la phase protéique la plus dense de l’organisme humain [28], ce qui lui confère un indice réfractif élevé. Il contient des protéines cristallines, des antioxydants et des protéines qui font office de filtre aux ultraviolets (UV). Il est naturellement exposé à l’irradiation lumineuse environnementale. Il en résulte un stress oxydatif naturel et cumulatif, ainsi qu’une tendance à l’agrégation des protéines cristallines entre elles. Les mécanismes de compensation oxydatifs sont très puissants et variés. Parmi eux, le glutathion est synthétisé dans le cortex puis diffuse dans le noyau. Il piège le peroxyde d’hydrogène (H2O2) très oxydant généré par les radiations environnementales. De nombreuses protéines chaperonnes empêchent l’agrégation et la dénaturation des protéines du cristallin [8, 27, 28]. Avec l’âge, le gradient de concentration des protéines du cristallin, fortement impliqué dans le pouvoir réfractif du matériel cristallinien, se répartit différemment : il augmente dans le centre du cristallin, alors qu’il diminue dans son cortex [21]. Par ailleurs, les agents protecteurs contre l’agrégation et l’oxydation s’altèrent [13, 18, 33]. Les antioxydants encore présents diffusent beaucoup plus difficilement vers le noyau. De fait, la proportion d’H2O2 augmente et dénature les protéines du cristallin, dont les protéines du noyau qui ont plus tendance à s’agréger entre elles. Le cristallin perd progressivement sa transparence et ses propriétés biomécaniques se modifient. La proportion de protéines filtres anti-UVA dénaturées augmente de 12 % chaque décennie [15], ce qui d’une part laisse de plus en plus pénétrer vers le noyau les UVA responsables d’un stress oxydant additionnel et, d’autre part, augmente les phénomènes de diffraction. Parallèlement, le calcium s’accumule et forme de petites vésicules dont le nombre et le volume augmentent avec l’âge. Le potentiel membranaire des fibres cristalliniennes décline après l’âge de quarante ans, favorisant la diffusion des ions dans le cristallin, notamment l’ion Na+ [10]. L’hydratation progressive des fibres cristalliniennes, corrélée à l’accumulation d’ions Na+ dans les fibres cristalliniennes, augmente la diffraction de la lumière à travers le cristallin et diminue l’indice réfractif.
Avec le vieillissement, la quantité de tissu conjonctif autour et dans le muscle ciliaire augmente nettement. Dans la partie postérieure de la portion longitudinale, les changements sont peu importants. Dans la partie antérieure, la quantité de tissu conjonctif augmente au niveau de la portion réticulée du muscle, surtout dans la région proche de la chambre antérieure. Le phénomène le plus spectaculaire dans le vieillissement est l’augmentation de taille de la portion circulaire du muscle. Avec l’âge, le muscle ciliaire acquiert une morphologie identique à celle d’un muscle en contraction maximale chez un sujet jeune. On peut formuler deux hypothèses pour expliquer ce changement : soit le muscle reste contracté en raison de la perte de l’élasticité du cristallin, comme s’il luttait en permanence contre cette rigidité, soit la partie postérieure du muscle longitudinal a perdu son élasticité et ne peut plus ramener le muscle dans sa position relâchée. Le système ciliaire de désaccommodation n’est plus fonctionnel. Il n’y a pas de certitude histologique ou fonctionnelle pour trancher entre ces deux hypothèses. La vérification de la première hypothèse permettrait de traiter la presbytie par implantation d’un cristallin artificiel associé à une capsule ayant tout deux la souplesse d’un tissu jeune, alors que la seconde hypothèse exclut toute possibilité de traiter la presbytie par une action isolée sur le cristallin.
L’élargissement sagittal permanent du cristallin raccourcit progressivement les rayons de courbure sagittaux de la lentille cristallinienne. On pourrait s’attendre donc à une augmentation progressive et constante du pouvoir réfractif lenticulaire. Or celui-ci reste stable de la première vers la sixième décennie environ, y compris pendant l’installation de la presbytie. Cela s’explique par le fait que le gradient de concentration des protéines du cristallin, fortement impliqué dans le pouvoir réfractif du matériel cristallinien, se répartit différemment. L’indice réfractif du cristallin change donc aussi et diminue parallèlement avec l’âge : cette diminution compense l’augmentation des rayons de courbure sagittaux (animation 2.1).
Lorsque la presbytie apparaît, au niveau du corps ciliaire, le muscle devient plus volumineux dans sa portion circulaire, ce qui le rapproche de sa forme à l’état accommodé [25]. Au niveau de la capsule du cristallin, l’élasticité diminue progressivement. Elle a diminué de moitié à l’âge de soixante ans [12]. Bien que cette perte d’élasticité soit en partie compensée par l’augmentation de son épaisseur, la capsule est de plus en plus étirée par le cristallin qui grossit en augmentant ses diamètres antéropostérieur et vertical. L’équateur du cristallin se rapproche donc de l’apex du muscle ciliaire. Ce double mouvement du muscle ciliaire en dedans et de l’équateur du cristallin en dehors pourrait contribuer à détendre les fibres zonulaires entre la pars plicata et le cristallin. Cependant, bien que l’élasticité des fibres zonulaires ne soit pratiquement pas modifiée avec l’âge, l’aire centrale de capsule antérieure cristallinienne libre de toute insertion zonulaire diminue. Cela signifie que la zonule antérieure s’insère sur la capsule antérieure du cristallin de plus en plus antérieurement. Ceci préserve la longueur et donc la tension des fibres zonulaires malgré l’augmentation du diamètre équatorial du cristallin. Pour l’œil humain, à l’apparition de la presbytie, on n’assiste donc pas vraiment à l’installation d’un état d’accommodation permanente comme l’aspect et la position du corps ciliaire pourraient le suggérer. Même si les modifications conjuguées du cristallin et de la zonule sont de nature à affaiblir l’action du muscle ciliaire, les causes de la presbytie ne résident pas dans ces données purement anatomiques.
Avec l’âge, l’élasticité de la capsule du cristallin diminue. Celle du cortex cristallinien augmente. Cette augmentation d’élasticité corticale pourrait représenter une part dans la réduction de l’accommodation évaluée à 44 % par Fisher et al. [12]. Si c’est l’élasticité de la capsule qui autorise le bombement de la face antérieure du cristallin, c’est en revanche le cortex qui impose ce bombement tant qu’il n’est pas trop élastique. Cette combinaison d’une diminution de l’élasticité de la capsule, donc d’une moindre réaction à l’action du corps ciliaire, et d’une augmentation de l’élasticité du cortex qui repousse la capsule, aboutit à une incapacité du cristallin à répondre aux mécanismes de l’accommodation. La modification du cristallin dans l’accommodation devient progressivement impossible avec l’âge, indépendamment de l’action et des modifications liées à l’âge de la zonule et du corps ciliaire (fig. 2-1b ; (animation 2.2).
Une autre hypothèse, qui pourrait s’associer éventuellement à la précédente, serait que la partie postérieure des fibres du muscle ciliaire et celle des fibres zonulaires perdent l’élasticité nécessaire à la désaccommodation. Aucune observation anatomique, histologique ou biochimique ne soutient encore aujourd’hui clairement cette hypothèse. Le seul argument en sa faveur serait que les fibres circulaires du muscle ciliaire prennent, avec l’âge, une forme identique à celle du muscle en position d’accommodation, y compris sous atropine [25], ce qui pourrait correspondre au fait que la partie postérieure du système élastique a perdu le pouvoir de le ramener en position de repos.
Ces modifications dynamiques s’accompagnent de modifications fonctionnelles liées à l’accumulation et au contenu des fibres cristalliniennes elles-mêmes. La puissance de la lentille cristallinienne se modifie plusieurs années (voire décennies) après installation de la presbytie. Se produit alors une myopisation d’indice qui tend parfois à compenser optiquement la perte d’accommodation.
[1] Assia E.I., Apple D.J., Morgan R.C. et al. The relationship between the stretching capability of the anterior capsule and zonules. Invest Ophthalmol Vis Sci, 1991 ; 32 : 2835-9.
[2] Bourges J.-L., Robert A.-M., Robert L., Renard G. Zonular fibers, multimolecular composition as related to function (elasticity) and pathology. Pathol Biol (Paris), 2007 ; 55 : 347-59.
[3] Bours J., Fodisch H.J. Human fetal lens: wet and dry weight with increasing gestational age. Ophthalmic Res, 1986 ; 18 : 363-8.
[4] Bova L.M., Sweeney M.H., Jamie J.F., Truscott R.J. Major changes in human ocular UV protection with age. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2001 ; 42 : 200-5.
[5] Brown N. Dating the onset of cataract. Trans Ophthalmol Soc U K, 1976 ; 96 : 18-23.
[6] Chan F.L., Choi H.L., Underhill C.B. Hyaluronan and chondroitin sulfate proteoglycans are colocalized to the ciliary zonule of the rat eye: a histochemical and immunocytochemical study. Histochem Cell Biol, 1997 ; 107 : 289-301.
[7] Davson H. Physiology of the Eye. 5th ed. Macmillan, London, 1990.
[8] Derham B.K., Harding J.J. Alpha-crystallin as a molecular chaperone. Prog Retin Eye Res, 1999 ; 18 : 463-509.
[9] Dubbelman M., Van der Heijde G.L. The shape of the aging human lens: curvature, equivalent refractive index and the lens paradox. Vision Res, 2001 ; 41 : 1867-77.
[10] Duncan G., Hightower K.R., Gandolfi S.A. et al. Human lens membrane cation permeability increases with age. Invest Ophthalmol Vis Sci, 1989 ; 30 : 1855-9.
[11] Farnsworth P.N., Shyne S.E. Anterior zonular shifts with age. Exp Eye Res, 1979 ; 28 : 291-7.
[12] Fisher R.F. Elastic constants of the human lens capsule. J Physiol, 1969 ; 201 : 1-19.
[13] Hains P.G., Truscott R.J. Age-dependent deamidation of lifelong proteins in the human lens. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2010 ; 51 : 3107-14.
[14] Hanssen E., Franc S., Garrone R. Fibrillin-rich microfibrils: structural modifications during ageing in normal human zonule. J Submicrosc Cytol Pathol, 1998 ; 30 : 365-9.
[15] Hanssen E., Franc S., Garrone R. Synthesis and structural organization of zonular fibers during development and aging. Matrix Biol, 2001 ; 20 : 77-85.
[16] Heys K.R., Cram S.L., Truscott R.J. Massive increase in the stiffness of the human lens nucleus with age: the basis for presbyopia? Mol Vis, 2004 ; 10 : 956-63.
[17] Koretz J.F., Cook C.A., Kaufman P.L. Aging of the human lens: changes in lens shape upon accommodation and with accommodative loss. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis, 2002 ; 19 : 144-51.
[18] Korlimbinis A., Berry Y., Thibault D. et al. Protein aging: truncation of aquaporin 0 in human lens regions is a continuous age-dependent process. Exp Eye Res, 2009 ; 88 : 966-73.
[19] Krag S., Olsen T., Andreassen T.T. Biomechanical characteristics of the human anterior lens capsule in relation to age. Invest Ophthalmol Vis Sci, 1997 ; 38 : 357-63.
[20] Pedrigi R.M., David G., Dziezyc J., Humphrey J.D. Regional mechanical properties and stress analysis of the human anterior lens capsule. Vision Res, 2007 ; 47 : 1781-9.
[21] Pierscionek B.K., Chan D.Y., Ennis J.P. et al. Nondestructive method of constructing three-dimensional gradient index models for crystalline lenses: I. Theory and experiment. Am J Optom Physiol Opt, 1988 ; 65 : 481-91.
[22] Sakabe I., Oshika T., Lim S.J., Apple D.J. Anterior shift of zonular insertion onto the anterior surface of human crystalline lens with age. Ophthalmology, 1998 ; 105 : 295-9.
[23] Strenk S.A., Semmlow J.L., Strenk L.M. et al. Age-related changes in human ciliary muscle and lens: a magnetic resonance imaging study. Invest Ophthalmol Vis Sci, 1999 ; 40 : 1162-9.
[24] Takei Y., Smelser G.K. Electron microscopic studies on zonular fibers. II. Changes of the zonular fibers after the treatment with collagenase, alpha-chymotrypsin and hyaluronidase. Albrecht Von Graefes Arch Klin Exp Ophthalmol, 1975 ; 194 : 153-73.
[25] Tamm S., Tamm E., Rohen J.W. Age-related changes of the human ciliary muscle. A quantitative morphometric study. Mech Ageing Dev, 1992 ; 62 : 209-21.
[26] Tcherning M. Optique physiologique. Dioptrique oculaire – Fonctions de la rétine – Les mouvements oculaires et la vision binoculaire. Leçons professées à la Sorbonne. Carré et Naud, Paris, 1898 : 62-3.
[27] Truscott R.J. Age-related nuclear cataract-oxidation is the key. Exp Eye Res, 2005 ; 80 : 709-25.
[28] Uversky V.N., Fink A.L., Truscott R.J.W. Eye lens proteins and cataracts. In : Atassi M.Z., Berliner L.J., Chang R.J.-Y., Jörnvall H., Kenyon G.L., Wittman-Liebold B. (eds). Protein misfolding, aggregation, and conformational diseases. Springer, US, 2007 : 435-47.
[29] Van den Berg T, Van Rijn L, GLARE c. Relevance of glare sensitivity and impairment of visual function among European drivers. [Internet]. 2005 [updated 2005 ; cited 2011]. http://www.glare.be/Rapport2004_33_wo_articles.pdf.
[30] Vrensen G.F. Early cortical lens opacities: a short overview. Acta Ophthalmol, 2009 ; 87 : 602-10.
[31] Weeber H.A., Eckert G., Soergel F. et al. Dynamic mechanical properties of human lenses. Exp Eye Res, 2005 ; 80 : 425-34.
[32] Willekens B., Kappelhof J., Vrensen G. Morphology of the aging human lens. I. Biomicroscopy and biometrics. Lens Eye Toxic Res, 1987 ; 4 : 207-30.
[33] Zhu X, Korlimbinis A, Truscott RJ. Age-dependent denaturation of enzymes in the human lens: a paradigm for organismic aging? Rejuvenation Res, 2010 ; 13 : 553-60.
[34] Ziebarth N.M., Arrieta E., Feuer W.J. et al. Primate lens capsule elasticity assessed using Atomic Force Microscopy. Exp Eye Res, 2011 ; 92 : 490-4.