Embryonale Entwicklung des Urogenitalsystems

Frühe embryonale Entwicklung

Zweiblättrige Keimscheibe

Entstehung um die 2. Woche der Embyonalentwicklung:

• Schichten:
  • Epiblast
  • Hypoblast
• Prozess der Gastrulation zur Bildung einer dreiblättrigen Keimscheibe

Dreiblättrige Keimscheibe

Schichten:

• Ektoderm
• Mesoderm:
  • Paraxiales Mesoderm
  • Intermediäres Mesoderm
  • Laterales Plattenmesoderm (LPM):
    • Somatisches LPM
    • Splanchnisches LPM
• Endoderm (Bildung der primitiven Darmröhre)

Faltungen

• Faltung der dreiblättrigen Keimscheibe in 2 Richtungen:
  • Erzeugung einer „zylindrischen“ Struktur mit umgebendem Ektoderm durch laterale Faltung
  • Kranio-kaudale Faltung
• Schlüsselstrukturen für die urogenitale Entwicklung in dieser Phase:
  • Intermediäres Mesoderm → entwickelt sich zu:
    • Nephrogene Stränge → weitere Bildung des Harnsystems
    • Gonadenkamm (Bereich neben den nephrogenen Strängen) → weitere Bildung des Stromagewebes der Gonaden
  • Urkeimzellen:
    • Stammen aus Epiblastzellen
    • Wanderung der Zellen in den Dottersack
    • Anschließend Wanderung entlang der Allantois zum Gonadenkamm
    • Bildung der Spermatozoen oder Oogonien

Embryologische Entwicklung des Harnsystems

Die Niere entwickelt sich aus embryonalem Mesoderm in 3 aufeinanderfolgenden Formen aus den nephrogenen Strängen, während sich die Stränge in kranio-kaudaler Richtung verlängern.

Pronephros

• Bildung in der 4. Woche als Ansammlung eines Tubulus und einiger Zellen (Nephrotome)
• Entwicklung in nephrogenen Strängen im Halsbereich
• Rudimentär und nicht funktionsfähig
• Degeneration bis Ende der 4. Woche (Bestehen < 1 Woche)
• Zweck unklar → möglicherweise „Gerüst“ für die folgenden Strukturen (Mesonephros)

Mesonephros

• Beginn der Entwicklung zeitgleich mit Rückbildung der Pronephros um die 5. Woche
• Meist Rückbildung der Mesonephros in der 10. Woche
• Entstehung tiefer, in der thorakolumbalen Region
• Verbindung mit der Kloake am kaudalen Ende der primitiven Darmröhre
• Besteht aus:
  • Ein longitudinaler Ductus mesonephricus (auch Wolff Gang genannt)
  • Abgang einiger Tubuli von diesem Hauptgang mit Wachstum in Richtung der Aorta
• Wachstum kleiner glomerulärer Gefäße posterior von der Aorta zu den mesonephrischen Tubuli und Bildung der primitiven Nierenkörperchen:
  • Wachstum der mesonephrischen Tubuli um die glomerulären Kapillaren herum und Bildung der Bowman-Kapseln (letztendlich auch Rückbildung dieser)
  • Entstehung des primitiven Harnsystems
• Beginn der Blutfiltration:
  • Blut aus Aorta → glomeruläre Kapillaren
  • Filtration durch Bowman-Kapsel
  • Durchfluss des Filtrats durch die mesonephrischen Tubuli → Ductus mesonephricus → Kloake → Allantois
• Mesonephros nur zwischen 5.–10. Woche vorhanden (dann Funktionsübernahme durch Metanephros → Dauerniere
• Fortbestehen der Ducti mesonephrici bei Männern und Bildung eines Teils des männlichen Fortpflanzungssystems

Metanephros

Die bleibende Niere wird aus der Metanephros gebildet.

• Entwicklungsbeginn ab etwa der 5. Woche
• Differenzierung von Zellen im intermediären Mesoderm in der Beckenregion in eine Struktur namens metanephrisches Blastem:
  • Weiterentwicklung zu den Zellen der Nephrone
  • Freisetztung von Wachstumsfaktoren → Ausstülpung des kaudalen Teils des Ductus mesonephricus, sogenannte Ureterknospen
• Wachstum der Ureterknospen in Richtung des metanephrischen Blastems und Eindringen in dieses:
  • Entwicklung des verlängerten Stiels der Ureterknospe zum Ureter
  • Verzweigungen der Ureterknospen innerhalb des metanephrischen Blastems und Bildung von Folgendem:
    • Nierenbecken
    • Hauptkelche/Calices renales majores
    • Calices renales minores
    • Sammelrohre
• Metanephrische mesodermale Kappe:
  • Mesoderm aus dem metanephrischen Blastem „auf“ den sich entwickelnden Sammelrohren sitzend
  • Verlängerung und Bildung des tubulären Systems der Nephrone → Bezeichung als metanephrischer Tubulus
  • Verschmelzung des metanephrischen Tubulus mit dem Sammeltubulus → Entstehung eines kontinuierlichen Systems
• Bowman-Kapsel: Entstehung aus wachsendem Ende des metanephrischen Tubulus
• Glomeruläre Kapillaren:
  • Entstehung aus den Aa. iliacae communes
  • Verbindung mit der Bowman-Kapsel am Ende der metanephrischen Tubuli → Beginn der Bildung von „Urin“ (Hinweis: Echte Abfallprodukte des Fötus werden über die Plazenta entfernt.)
• Bildung weiterer Nephrone bis zur Geburt
• Fortsetzen der Reifung des Nephrons nach der Geburt

Lage der Niere und Veränderungen der Gefäßversorgung

• Lokalisation der Nieren zunächst im Beckenbereich
• Während des kaudalen Wachstum des Körpers → relatives “Aufsteigen” der Nieren in die oberen Quadranten des Abdomens (ausbleibende Nierenascendens als Ursache einer Beckenniere)
• Während des Ascensus renalis Degeneration der ursprünglichen Blutversorgung
• Ausbildung neuer Gefäße (weiter kranial) aus der Aorta → Eindringen in die Nieren und Reifung zu Nierenarterien
• Bei fehlerhafter Rückbildung der ursprünglichen Gefäße Entstehung von zusätzlichen Nierenarterien oder -venen

Entwicklung von Harnblase und Harnröhre

Aufteilung der Kloake zwischen der 4. und 7. Entwicklungswoche:

• Sinus urogenitalis:
  • Aus dem anterioren Teil der Kloake
  • Verbindung mit den Harnleitern und Ducti mesonephrici
  • 3 Abschnitte des Sinus urogenitalis:
    • Proximal (größter) → Harnblase
    • Mittig (schmal) → Ursprung der Prostata und der prostatischen/membranösen Urethra bei Männern und der gesamten Urethra bei Frauen*
    • Distal → Penile Urethra bei Männern*
• Analkanal:
  • Aus dem posterioren Teil der Kloake
  • Verbindung mit dem sich entwickelnden Hinterdarm
• Urorektales Septum:
  • Trennung des Sinus urogenitalis vom Analkanal
  • Beginn am kranialenn/proximalen Teil der Kloake → Wachstum nach distal bis zur Außenseite des Körpers und Bildung des Damms
  • Bei fehlerhafter Bildung des Septums Entstehung von Fisteln zwischen dem Urogenitalsystem und dem Anorektum
• Allantois (Drainage der Kloake durch die Nabelschnur) → Umwandlung in das Ligamentum umbilicale medianum

Frühe embryologische Entwicklung des Genitalsystems

Überblick über die typische Geschlechtsentwicklung

• Chromosomales Geschlecht → Bestimmung des Geschlechts der Gonaden → Bestimmung des phänotypischen Geschlechts
• Bis zur 6. Schwangerschaftswoche ist die Geschlechtsentwicklung identisch und nichtbinär; Entwicklungsstrukturen umfassen:
  • Nichtbinäre, bipotente, undifferenzierte Gonaden
  • Ductus mesonephricus (auch Wolff Gang genannt; auch Teil des primitiven Harnsystems)
  • Ductus paramesonephricus (auch Müller Gang genannt)
  • Urogenitalsinus
  • Genitalhöcker, Genitalwülste und Genitalfalten
• Differenzierung der sich entwickelnden bipotenten Gonaden durch Geschlechtschromosomen codierende Gene
• Absonderung von unterschiedlichen Hormonen aus den sich entwickelnden Gonaden
  • Bestimmung der weiteren Geschlechtsdifferenzierung durch das Vorhandensein und/oder Fehlen spezifischer Hormone
  • Im Allgemeinen weibliche Organe und Strukturen = „Standard“-Phänotyp und Ausbildung durch Fehlen bestimmter Gene und Hormone der männlichen Geschlechtsdifferenzierung

Embryologische Entwicklung der bipotenten Gonaden

• Teil des intermediären Mesoderms mit Abdeckung des vorderen Teils der nephrogenen Stränge → Gonadenkamm
• Epithelzellen im Gonadenkamm:
  • Vermehrung und Verdichtung
  • Eindringen in das Mesenchym zur Bildung von primitiven Gonadensträngen (immer noch indifferente Gonaden)
  • Diese Zellen bilden die Stromazellen:
    • Sertoli- und Leydig-Zellen bei Männern
    • Granulosa- und Thekazellen bei Frauen
• Urkeimzellen:
  • Differenzierung in Spermatozoen oder Oogonien
  • Ursprung im Epiblast
  • Wanderung zum Dottersack → durch die Allantois (Nabelschnur) → entlang des dorsalen Mesenteriums des Hinterdarms → Genitalleisten
  • Eindringen der Keimzellen in etwa der 6. Woche in die Gonadenleisten
• Entwicklung von Gonadensträngen in Kombination mit der Migration von Urkeimzellen = Bildung der Gonaden

Entwicklung der inneren männlichen Genitalien

Überblick über die männlichen Genitalstrukturen bei Erwachsenen

Entwicklung der Hoden

• Die männliche Entwicklung ensteht durch das Vorhandensein der geschlechtsbestimmenden Region des Y-Chromosoms (SRY-Gen):
  • Produktion des SRY-Proteins (auch bekannt als Hoden-bestimmender Faktor [TDF])
  • Stimulation der Differenzierung der bipotenten Gonaden in Hoden durch SRY/TDF, Anregung der Stromazellen zur Differenzierung:
    • Leydig-Zellen → Sekretion von Testosteron
    • Sertoli-Zellen → Sekretion des Antimüller-Hormon (AMH)
    • Samenkanälchen/Tubuli seminiferi
• Testosteron:
  • Stimulation der Differenzierung der Wolff’schen/Mesonephrischen Gänge in:
    • Nebenhoden/Epididymis
    • Samenleiter/Vas deferens
    • Samenbläschen/Glandula vesiculosa
    • Ejakulationsgänge/Ducti ejaculatorii
  • Umwandlung durch 5α-Reduktase in Dihydrotestosteron (DHT) → Stimulation der Entwicklung von:
    • Prostata aus dem Sinus urogenitalis
    • Äußere männliche Genitalien
• AMH → Rückbildung der Müller’schen/paramesonephrischen Gänge (die sich sonst zu inneren weiblichen Strukturen entwickeln)
• Differenzierung der Urkeimzellen in Spermien
• Weitgehender Abschluss des Differenzierungsprozess nach 12 Schwangerschaftswochen

Entwicklung der inneren weiblichen Genitalien

Entwicklung der Eierstöcke

• Die Entwicklung der Eierstöcke aus den bipotenten Gonaden erfordert:
  • Fehlen des SRY-Gens (keine Differenzierung in Hoden)
    • Kein Testosteron → keine Entwicklung der Ducti mesonephrici
    • Kein AMH → Fortbestehen der Müller’schen/paramesonephrischen Gänge
  • Vorhandensein mehrerer Gene auf X-Chromosom
  • Beginn ab etwa der 10. Woche
• Epithelzellen aus dem Gonadenkamm → Entwicklung zu Follikelzellen:
  • Zelltypen:
    • Granulosazellen
    • Theka-Zellen
  • Produktion von Östrogen → Bildung der äußeren weiblichen Genitalien
• Urkeimzellen:
  • Entwicklung zu Oogonien
  • Assoziation mit den Follikelzellen

Entwicklung der Eileiter, Gebärmutter und Vagina

Schritt 1: Fusion der Ducti paramesonephrici

• Verschmelzung der Gänge in der Mittellinie neben dem Sinus urogenitalis
• Differenzierung der fusionierten Ducti paramesonephrici in:
  • Gebärmutter/Uterus
  • Gebärmutterhals/Cervix
  • Obere Vagina
• Zunächst Bildung eines Längsmittellinienseptums durch die medialen Gangwände
  • Dieses Septum bildet sich normalerweise vollständig zurück und bildet einen einzigen Hohlraum.
  • Bei fehlender Rückbildung des Septums Entstehung eines longitudinalen Uterus-, Zervikal- und/oder Vaginalseptums
• Keine Fusion der seitlichen Enden der Ducti paramesonephrici → Differenzierung zu Eileitern

Schritt 2: Verbindung der fusionierten Ducti paramesonephrici mit dem Sinus urogenitalis

• Aus dem oberen Teil des Sinus urogenitalis Formation des Bulbus sinovaginalis
• Bulbus sinovaginalis:
  • Zwischen den fusionierten Ducti paramesonephrici und dem Sinus urogenitalis
  • Verdickung und Wachstum zu einer festen Struktur namens Vaginalplatte
• Vaginalplatte:
  • Verlängerung
  • Verbindung mit dem sich entwickelnden Uterus (von den Ducti paramesonephrici) mit dem Vestibulum (sich nach außen öffnend, ausgehend vom Sinus urogenitalis)
  • Lumen innerhalb der Vaginalplatte und Formation der Vagina
  • Entstehung einer vaginalen Agenesie bei fehlender Kanalisierung
  • Hymen: Membran zwischen Vaginalplatte und Sinus urogenitalis

Entwicklung der äußeren Genitalien

• Bis zur 6. Schwangerschaftswoche identische und nichtbinäre Geschlechtsentwicklung
• Entwicklung der frühen Strukturen aus Falten der Kloake:
  • Genitalhöcker
  • Genitalfalten
  • Genitalwülste
• Die Entwicklung der äußeren Genitalien hängt von den vorhandenen Hormonen ab:
  • Testosteron/DHT → männliche Strukturen
  • Östrogen → weibliche Strukturen

Klinische Relevanz

Störungen der embryonalen Entwicklung des Harnsystems

• Hufeisenniere: Entwicklungsdefekt der Nieren, bei dem die unteren Pole miteinander verschmolzen sind. Da die Niere während der Entwicklung normalerweise einen Ascensus durchläuft, wird sie durch die Arteria mesenterica superior blockiert. Die Gefäßversorgung und das Sammelsystem der Niere neigen auch zu unterschiedlichen Anomalien. Betroffene sind in der Regel asymptomatisch, wobei die Zufallsdiagnose oft durch eine Bildgebung gestellt wird. Andere klinische Symptome können Infektionen, Obstruktion, Hydronephrose und Konkremente sein.
• Duplikaturen des Sammelsystems: Duplikaturen des Sammelsystems sind die häufigsten angeborenen Anomalien der Harnwege. In diesen Fällen hat eine Niere 2 separate Beckensysteme und 2 Harnleiter. Auch das Einführen des Harnleiters in die Blase aus dem duplizierten System ist oft anormal. Die meisten Personen sind asymptomatisch, obwohl wiederkehrende Harnwegsinfektionen (HWI) oder Obstruktion auftreten können.
• Nierenagenesie: angeborenes Fehlen einer Niere, insbesondere von Nierenparenchymgewebe. Dieses Fehlen resultiert aus einer Unterbrechung der metanephrischen Entwicklung. Die meisten Patient*innen sind asymptomatisch (weil sie eine andere normal funktionierende Niere haben) und werden zufällig bei der Bildgebung diagnostiziert. Die Nierenagenesie ist oft mit zusätzlichen angeborenen Anomalien verbunden.
• Posteriore Harnröhrenklappen: Persistenz der Urogenitalmembran, was bei Männern* zu einer Harnröhrenobstruktion führt. Betroffene Säuglinge stellen sich häufig in utero mit einer schweren bilateralen Hydronephrose vor, die im Ultraschall gesehen wird und bei diesen Kindern eine Drucknekrose des Nierengewebes und eine chronische Niereninsuffiziens verursacht. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine Nierentransplantation erforderlich ist.
• Urachusfistel: Persistenz des Urachus. Der Urachus wird früher in der Entwicklung als Allantois bezeichnet und verbindet sich mit der Blase. Säuglinge mit einer Urachusfistel können bei der Geburt Urin aus ihrem Nabel verlieren.

Angeborene Anomalien des Fortpflanzungssystems

• Gartner-Zysten: gutartige Zysten, die auf beiden Seiten der weiblichen Fortpflanzungsorgane (typischerweise der oberen Vagina) bestehen können. Diese Zysten stellen Relikte der Ductus mesonephricus dar und sind in der Regel asymptomatisch.
• Müller’sche Anomalien: Eine abnorme Verschmelzung der Müller-Gänge kann zu einer Vielzahl von uterinen, zervikalen und vaginalen Anomalien führen. Personen sind oft asymptomatisch, obwohl sie Infertilität oder Menstruationsbeschwerden zeigen können.

• Hymen-Anomalien: Das Hymen (“Jungfernhäutchen”) ist die Membran, an der die Vaginalplatte auf den Sinus urogenitalis trifft. Normalerweise reißt das Hymen vor der Geburt, jedoch sind eine Reihe von Anomalien möglich. Ein unperforiertes Hymen lässt keinen Ausfluss von Uterusflüssigkeit zu und präsentiert sich typischerweise zu Beginn der Menstruation mit Schmerzen. Die Therapie ist chirurgisch.

• Hypospadie: angeborene Anomalie der männlichen Harnröhre, die durch eine abnorme Lage des Harnröhrengangs auf der ventralen Oberfläche des Penis gekennzeichnet ist und durch ein unzureichendes Schließen der Genitalfalten verursacht wird. Der Meatus kann sich überall von Glans, über Penisschaft, Skrotum oder Perineum befinden. Mündet die Urethra auf der Dorsalseite des Penis wird dies als Epispadie bezeichnet.

Varianten der Geschlechtsentwicklung

Varianten der Geschlechtsentwicklung sind eine Gruppe von klinischen Manifestationen, die durch eine atypische Geschlechtsentwicklung eines Individuums gekennzeichnet sind, die Anomalien in der Struktur und/oder Funktion der inneren Fortpflanzungsorgane und/oder der äußeren Genitalien beinhalten kann.

Manifestationen werden nach der amerikanischen DSD (“disorder of sex development”) klassifiziert, wobei “Störungen” eine Diskriminierung beinhalten und durch den Begriff Varianten ersetzt werden sollten.

• Die AWMF-Leitlinien empfehlen folgende diagnostische Vorgehensweise:
  • Schon nach der Geburt eines Kindes mit vermuteter DSD soll eine kompetente und mit der Thematik vertraute psychologische Begleitung der Familie angestrebt werden. Bei nachgewiesener DSD soll eine Peer-Beratung
    hinzukommen.
  • Bestätigt sich eine Form von DSD, soll eine psychologische Begleitung auch während der weiteren Entwicklung, ggf. bis ins Erwachsenenalter angeboten werden.
  • Die weitere Diagnostik soll in einem Kompetenzzentrum mit einem multidisziplinären Team erfolgen.

• Angeborene Nebennierenhyperplasie: Vermehrte Bildung männlicher Sexualhormone (Androgene) mit Virilisierung der äußeren weiblichen Genitalien. Gekennzeichnet durch niedrige Cortisolspiegel, hohe ACTH-Spiegel und Nebennierenhyperplasie.
• Androgeninsensitivitätssyndrom (AIS): Varianten in den Androgenrezeptoren verursachen eine teilweise oder vollständige Resistenz gegenüber Testosteron. Genotypisch haben betroffene Personen einen 46,XY-Karyotyp und Hoden sind angelegt. Der Testosteronspiegel ist erhöht und ein Teil dieses Testosterons wird peripher in Östrogen umgewandelt. Klinisch präsentieren sich Personen mit vollständigem AIS ohne Schambehaarung und äußeren weiblichen Genitalien. Individuen werden normalerweise bei der Geburt ein weibliches Geschlecht zugewiesen und stellen sich in der Pubertät mit Amenorrhoe vor.
• Aromatasemangel: führt zu einer Unfähigkeit, Testosteron in Östrogen umzuwandeln, was hauptsächlich zu einer Virilisierung der äußeren Genitalien bei Frauen* führt.
• 5α-Reduktase-Mangel: autosomal-rezessiv vererbte Manifestation, die die Umwandlung von Testosteron in DHT beeinträchtigt und die vollständige Entwicklung der äußeren Genitalien bei Männern verhindert. Diese Störung führt bei 46,XY-Personen bei der Geburt zu mehrdeutigen Genitalien.
• Komplette Gonadendysgenesie: führt zu nicht funktionsfähigen Gonaden. Bei 46,XX-Personen zeigt sich eine reine Gonadendysgenesie mit vorzeitiger Ovarialinsuffizienz (d.h. vorzeitiger Menopause) bei ansonsten normal aussehenden Frauen. Bei 46,XY-Personen ist der Zustand als Swyer-Syndrom bekannt; ohne funktionelle Hoden werden Testosteron und AMH nicht produziert, sodass Individuen äußere weibliche Genitalien und normale Müller’sche Strukturen ausbilden. Betroffene Personen zeigen in der Adoleszenz eine primäre Amenorrhoe und das Fehlen aller sekundären Geschlechtsmerkmale.
• Klinefelter-Syndrom: Chromosomale Aneuploidie, gekennzeichnet durch das Vorhandensein von ≥ 1 zusätzlichen X-Chromosomen in einem männlichen Karyotyp (z.B. 47,XXY oder 48,XXXY). In der Kindheit werden die Symptome normalerweise nicht beobachtet. Im Erwachsenenalter sind die Individuen typischerweise große Männer*, die sich mit Gynäkomastie und Unfruchtbarkeit im Zusammenhang mit Hypogonadismus präsentieren. Lernschwierigkeiten sind häufig damit assoziiert.
• Turner-Syndrom: chromosomale Aneuploidie, gekennzeichnet durch das Fehlen eines X-Chromosoms bei einem weiblichen Karyotyp (45,X0). Klinische Manifestationen umfassen einen charakteristischen Phänotyp (Kleinwuchs, breiter Nacken, weit auseinander liegende Brustwarzen) und multiple Anomalien, die normalerweise das Herz-, Nieren-, Fortpflanzungs-, Skelett- und Lymphsystem betreffen. Gonadendysgenesie und Infertilität sind wahrscheinlich.
• Gemischte Gonadendysgenesie: Vorhandensein einer ovotestikulären Gonade, die sowohl ovarielle als auch testikuläre Elemente enthält. Betroffene Personen werden normalerweise mit mehrdeutigen Genitalien geboren, und die inneren Strukturen hängen vom angrenzenden Gonadengewebe ab. Der häufigste Karyotyp ist 46,XX.