Rigenerazione degli occhi: la lumaca come modello

AGI - Gli occhi umani sono complessi e irreparabili, eppure sono strutturalmente simili a quelli della chiocciola d’acqua dolce, che può rigenerare completamente i propri occhi. Alice Accorsi, professoressa associata di biologia molecolare e cellulare presso l’Università della California, Davis, studia come queste chiocciole rigenerano i propri occhi, con l’obiettivo di contribuire a ripristinare la vista nelle persone con lesioni oculari.

Analogie anatomiche e genetiche

In un nuovo studio pubblicato il 6 agosto su Nature Communications, Accorsi dimostra che la lumaca mela e gli occhi umani condividono molte caratteristiche anatomiche e genetiche. “Le ampullarie sono organismi straordinari”, ha affermato Accorsi. “Offrono un’opportunità unica per studiare la rigenerazione di organi sensoriali complessi. Prima di questo, ci mancava un sistema per studiare la rigenerazione completa dell’occhio”.

Metodi per modificare il genoma

Il suo team ha anche sviluppato metodi per modificare il genoma della lumaca mela, che consentiranno loro di esplorare i meccanismi genetici e molecolari alla base della rigenerazione degli occhi. La chiocciola dorata (Pomacea canaliculata) è una specie di lumaca d’acqua dolce originaria del Sud America. È ormai invasiva in molte zone del resto del mondo, ma Accorsi ha affermato che le stesse caratteristiche che rendono le chiocciole così invasive le rendono anche un ottimo animale con cui lavorare in laboratorio. “Le lumache di mele sono resistenti, il loro periodo riproduttivo è molto breve e hanno molti piccoli”, ha affermato.

Occhi a camera e capacità rigenerative

Oltre a essere facili da coltivare in laboratorio, le lumache di mela hanno occhi “a telecamera”, gli stessi degli esseri umani. Le lumache sono note da secoli per le loro capacità rigenerative: nel 1766, un ricercatore notò che le lumache da giardino decapitate possono rigenerare l’intera testa. Tuttavia, Accorsi è il primo a sfruttare questa caratteristica nella ricerca rigenerativa. “Quando ho iniziato a leggere a riguardo, mi sono chiesto: perché nessuno usa ancora le lumache per studiare la rigenerazione?”, ha detto Accorsi. “Penso che sia perché non avevamo ancora trovato la lumaca perfetta da studiare, fino ad ora. Molte altre lumache sono difficili o molto lente da riprodurre in laboratorio, e molte specie attraversano anche la metamorfosi, il che rappresenta una sfida aggiuntiva.”

Occhi a camera ad alta risoluzione

Esistono molti tipi di occhi nel regno animale, ma gli occhi a fotocamera sono noti per produrre immagini ad alta risoluzione. Sono costituiti da una cornea protettiva, un cristallino per focalizzare la luce e una retina che contiene milioni di fotorecettori fotosensibili. Sono presenti in tutti i vertebrati, in alcuni ragni, calamari e polpi e in alcune lumache. Utilizzando una combinazione di dissezioni, microscopia e analisi genomica, il team di Accorsi ha dimostrato che gli occhi della lumaca mela sono anatomicamente e geneticamente simili agli occhi umani. “Abbiamo lavorato molto per dimostrare che molti geni che partecipano allo sviluppo dell’occhio umano sono presenti anche nella lumaca”, ha detto Accorsi. “Dopo la rigenerazione, la morfologia e l’espressione genica del nuovo occhio sono praticamente identiche a quelle dell’occhio originale”.

Il processo di rigenerazione oculare

Quindi, come fanno le lumache a far ricrescere gli occhi dopo l’amputazione? I ricercatori hanno dimostrato che il processo richiede circa un mese e si compone di diverse fasi. Innanzitutto, la ferita deve guarire per prevenire infezioni e perdita di liquidi, cosa che di solito richiede circa 24 ore. Successivamente, cellule non specializzate migrano e proliferano nella zona. Nel corso di circa una settimana e mezza, queste cellule si specializzano e iniziano a formare le strutture oculari, tra cui il cristallino e la retina. Entro il quindicesimo giorno dall’amputazione, tutte le strutture oculari sono presenti, incluso il nervo ottico, ma queste strutture continuano a maturare e crescere per diverse settimane. “Non abbiamo ancora prove conclusive che possano vedere immagini, ma anatomicamente hanno tutti i componenti necessari per formare un’immagine”, ha detto Accorsi. “Sarebbe molto interessante sviluppare un test comportamentale per dimostrare che le lumache possono elaborare gli stimoli usando i loro nuovi occhi allo stesso modo in cui lo facevano con quelli originali. È qualcosa su cui stiamo lavorando”.

Genetica e rigenerazione

Il team ha anche studiato quali geni fossero attivi durante il processo di rigenerazione. Hanno dimostrato che, subito dopo l’amputazione, le lumache presentavano circa 9.000 geni espressi a velocità diverse rispetto agli occhi normali delle lumache adulte. Dopo 28 giorni, 1.175 geni risultavano ancora espressi in modo diverso nell’occhio rigenerato, il che suggerisce che, sebbene gli occhi appaiano completamente sviluppati dopo un mese, la maturazione completa potrebbe richiedere più tempo. Per comprendere meglio come i geni regolano la rigenerazione, Accorsi ha sviluppato metodi per modificare il genoma delle lumache utilizzando CRISPR-Cas9.

Mutazione genetica con CRISPR-Cas9

“L’idea è quella di mutare geni specifici e poi osservare quale effetto ha sull’animale, il che può aiutarci a comprendere la funzione delle diverse parti del genoma”, ha affermato Accorsi. Come primo test, il team ha utilizzato CRISPR/Cas9 per mutare un gene chiamato pax6 negli embrioni di chiocciola. Pax6 è noto per controllare lo sviluppo e l’organizzazione del cervello e degli occhi negli esseri umani, nei topi e nei moscerini della frutta. Come gli esseri umani, le chiocciole possiedono due copie di ciascun gene, una da ciascun genitore. I ricercatori hanno dimostrato che quando le chiocciole di mela presentano due versioni non funzionali di pax6, si sviluppano senza occhi, il che dimostra che pax6 è essenziale anche per lo sviluppo iniziale degli occhi nelle chiocciole di mela.

Prospettive future sulla rigenerazione oculare

Accorsi sta lavorando al passo successivo: verificare se pax6 svolga anche un ruolo nella rigenerazione oculare. Per scoprirlo, i ricercatori dovranno mutare o disattivare pax6 nelle lumache adulte e poi testarne la capacità rigenerativa. Sta inoltre studiando altri geni correlati agli occhi, tra cui i geni che codificano parti specifiche dell’occhio, come il cristallino o la retina, e i geni che controllano pax6. “Se scopriamo un insieme di geni importanti per la rigenerazione degli occhi, e questi geni sono presenti anche nei vertebrati, in teoria potremmo attivarli per consentire la rigenerazione degli occhi negli esseri umani”, ha affermato Accorsi.