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La regolazione del metabolismo con e senza la luce: è sempre l’occhio il punto di ingresso universale?

Coni e bastoncelli sono le uniche cellule sensibili alla luce nell’occhio?

La luce solare è la fonte di energia che alimenta la maggior parte degli ecosistemi, con i produttori primari o gli autotrofi che raccolgono l’energia dalla luce per produrre la biomassa che alimenta la maggior parte degli eterotrofi. Inoltre, mentre gli animali non raccolgono direttamente l’energia dalla luce, i fotorecettori che esprimono le opsine nei cromofori e nei tessuti periferici li aiutano a percepire la luce, che funge da segnale ambientale per varie funzioni biologiche. I sistemi dei mammiferi dipendono in gran parte dall’occhio, che contiene opsine di bastoncelli e coni, per percepire la luce. Tuttavia, le osservazioni del rilevamento della luce negli animali che non hanno bastoncelli e coni funzionali hanno portato al rilevamento di cellule gangliari retiniche intrinsecamente fotosensibili (ipRGC).

Attraverso la melanopsina non-visiva, un sensore di luce primordiale e conservato evolutivamente, gli ipRGC modulano processi come la regolazione dell’umore e i riflessi pupillari. Sebbene le ipRGC siano coinvolte nella regolazione del ritmo circadiano attraverso il nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo, studi recenti hanno dimostrato che queste cellule sono anche coinvolte nel trasporto di segnali luminosi ad altre parti del cervello, come il nucleo sopraottico e l’amigdala centrale. Indipendentemente dal nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo, è noto che questi percorsi mediano un’ampia gamma di funzioni non circadiane, dallo sviluppo del cervello all’omeostasi del glucosio.

Luce “metabolica” di notte

I ritmi circadiani dipendono dai cicli diurni e notturni di 24 ore su 24 e l’esposizione alla luce artificiale di notte altera varie proprietà fisiologiche, alcune delle quali sono ritmiche, come il metabolismo, la termoregolazione e il sonno. Le prove provenienti da individui che lavorano su turni serali o notturni mostrano che la luce è il fattore ambientale predominante che determina le attività ritmiche endogene. Sebbene la mediazione del fototrascinamento da parte del nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo non sia del tutto compresa, la ricerca esistente indica che i due potenziali percorsi attraverso i quali l’ipotalamo trasmette informazioni circadiane ai tessuti periferici sono attraverso la secrezione di ormoni, come la melatonina e il sistema nervoso autonomo.

Tuttavia, mentre il fototrascinamento dipende dai cicli ritmici giornalieri, gli esperimenti che comportano l’esposizione alla luce artificiale di notte possono essere utilizzati anche per comprendere gli effetti dell’esposizione alla luce diversi da quelli regolati dall’orologio circadiano. Studi utilizzando modelli murini hanno dimostrato che anche in assenza di melatonina, l’esposizione alla luce artificiale durante la notte provoca cambiamenti pleiotropici nei processi metabolici come la tolleranza al glucosio, la gluconeogenesi, la secrezione di corticosterone, la regolazione della temperatura interna, l’assunzione di cibo e la locomozione. Si ritiene che alcuni di questi processi siano mediati attraverso proiezioni ipotalamiche al nucleo paraventricolare dell’ipotalamo, che è il centro neuroendocrino.

Regolazione non circadiana tramite ipRGC

Studi di tracciamento virale nei roditori hanno anche dimostrato che le ipRGC innervano altre regioni del cervello, come il nucleo sopraottico e l’area preottica dell’ipotalamo, che mediano rispettivamente lo sviluppo cerebrale e il sonno non REM, attraverso processi neuroendocrini indipendenti dal nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo. Attraverso l’esposizione acuta alla luce blu, il nucleo sopraottico è coinvolto anche nell’inibizione della regolazione simpatica del tessuto adiposo bruno, un processo vitale per il metabolismo sistemico e il dispendio energetico.

Di conseguenza, la termogenesi indotta dal glucosio viene soppressa e la tolleranza al glucosio è compromessa, spiegando potenzialmente l’associazione negativa tra l’esposizione alla luce notturna e la successiva insorgenza del diabete. La questione non riguarda solo gli adulti, ma anche i giovani. Si ritiene che l’esposizione alla luce blu a tarda notte per il tempo libero legato all’uso di PC, tablet e smartphone tra i bambini influisca negativamente sull’omeostasi del glucosio e dei lipidi e potrebbe rappresentare una potenziale minaccia per l’aumento della pandemia di obesità, che è in aumento nonostante gli sforzi clinici di prevenzione.

Percorsi di percezione della luce indipendenti dalle cellule ipRGC

Le opsine si trovano anche in regioni esterne all’occhio, come la neuropsina non-visiva, che è espressa nell’area preottica dell’ipotalamo. Varie altre opsine sono espresse negli organi e nei tessuti periferici dei topi e degli esseri umani, suggerendo che la percezione della luce può avvenire anche attraverso i tessuti periferici. La pelle è un ottimo esempio, poiché risponde alla luce ultravioletta attraverso la melanogenesi. Inoltre, è noto da almeno 30 anni che la rodopsina è espressa negli epatociti, anche se da ciò non emergerebbe alcuna ragione apparente. Tutti sanno che il fegato è il principale regolatore dei livelli di glucosio nel sangue; e che molti ormoni cerebrali regolano anche il suo metabolismo.

Alla luce dei dati di cui sopra, l’espressione della rodopsina nel fegato potrebbe svelare connessioni senza precedenti tra l’esposizione alla luce e il metabolismo intermedio indipendentemente dai cicli convenzionali luce-buio derivanti dalla retina. Studi condotti su modelli murini hanno scoperto che la neuropsina è sensibile alla luce a lunghezza d’onda corta e regola la termogenesi che coinvolge il tessuto adiposo bruno. Questi risultati suggeriscono anche il potenziale utilizzo della fototerapia selettiva per trattare l’obesità. Studi sui topi hanno anche scoperto che il tessuto adiposo è capace di fotorecezione: la panopsina o l’encefalopsina mediano la termogenesi adattativa nel tessuto adiposo bruno e la lipolisi nel tessuto adiposo bianco.

  • Edited by Dr. Gianfrancesco Cormaci, PhD, specialist in Clinical Biochemistry.

Scientific references

Rao F, Xue T. Nature Metab. 2024 Jun 3; in press.

Andrabi M et al. Ann Rev Vis Sci. 2023; 9:245-267.

Moraes MN et al. Cell Tissue Res. 2021; 385(3):519.

Zhang Z, Fong HKW. Mol Vis. 2018 Jul; 24:434-442.

Zaidi FH et al. Current Biol. 2007; 17:2122–2128.

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Dott. Gianfrancesco Cormaci
Dott. Gianfrancesco Cormaci
Laurea in Medicina e Chirurgia nel 1998, specialista in Biochimica Clinica dal 2002, ha conseguito dottorato in Neurobiologia nel 2006. Ex-ricercatore, ha trascorso 5 anni negli USA alle dipendenze dell' NIH/NIDA e poi della Johns Hopkins University. Guardia medica presso la casa di Cura Sant'Agata a Catania. In libera professione, si occupa di Medicina Preventiva personalizzata e intolleranze alimentari. Detentore di un brevetto per la fabbricazione di sfarinati gluten-free a partire da regolare farina di grano. Responsabile della sezione R&D della CoFood s.r.l. per la ricerca e sviluppo di nuovi prodotti alimentari, inclusi quelli a fini medici speciali.

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