Gastrulation und Neurulation

Wiederholung der frühen Embryonalentwicklung

Morula, Blastozyste und zweiblättrige Keimscheibe

• Zygote: diploide Zelle, die aus der Verschmelzung von 2 haploiden Gameten entsteht
• Blastomeren: Einzelzellen im 2-, 4- und 8-Zellstadium
• Morula: „Zellballen“ ab dem 16-Zell-Stadium
• Blastozyste:
  • Morula entwickelt einen Hohlraum, der als Blastozele bezeichnet wird.
  • „Positionssignale“ (d.h. Signale, die von unterschiedlichen Zellen abhängig von ihrer Position/Polen in der Blastozyste abgegeben werden) lösen die Differenzierung der Zellen aus in:
    • Äußere Zellmasse: äußere Hülle der Zellen
    • Innere Zellmasse: ein Zellhaufen in der Schale neben der Blastozele
• Zona pellucida:
  • Schicht extrazellulärer Matrix, die den Embryo im Blastozystenstadium umgibt
  • Verhindert die Einnistung des Embryos in die Eileiter (wo typischerweise die Befruchtung stattfindet)
• Äußere Zellmasse → Trophoblast (Zytotrophoblast und Synzytiotrophoblast) → Plazenta und Membranen
• Innere Zellmasse → Embryoblast → zweiblättrige Keimscheibe:
  • Epiblast: dorsale Schicht
  • Hypoblast: ventrale Schicht
• Amnionhöhle (“Fruchtblase”): eine Flüssigkeitshöhle, die sich „oberhalb“ des Epiblasten (zwischen Epiblast und Zytotrophoblast) entwickelt
• Primärer Dottersack: ein Hohlraum, der sich „unterhalb“ des Hypoblasten bildet (zwischen Hypoblast und Zytotrophoblast)

Implantation

• Tritt etwa an den Tagen 7–9 nach der Befruchtung auf
• Zytotrophoblast: äußere Zellschicht der Blastozyste
• Synzytiotrophoblast:
  • Trophoblastenzellen in Kontakt mit der Uteruswand, die ihre äußere Membran verloren haben → „Kerne“, die im Zytoplasma schwimmen
  • Wenn die Zellmembranen reißen, werden hydrolytische Enzyme freigesetzt, die es dem Embryo ermöglichen, sich in die Gebärmutterwand zu „fressen“.
• Eine Schicht Endometrium (Decidua functionalis) bedeckt die eindringende Blastozyste = Implantation

Gastrulation

Überblick Gastrulation

Gastrulation ist der Prozess, bei dem sich die zweiblättrige Keimscheibe zur dreiblättrigen Keimscheibe entwickelt.

• Bildet alle 3 primären Keimblätter:
  • Ektoderm (dorsal)
  • Mesoderm (Mitte)
  • Endoderm (ventral)
• Tritt während der 3. Woche auf (Merkhilfe: 3. Woche = 3 Schichten)

• Der Prozess beginnt mit der Bildung des Primitivstreifens auf der Oberfläche des Epiblasten.

Primitivstreifen und Primitivrinne

• Primitivstreifen = Verdickung eines Bereichs in der Mittellinie der Epiblastschicht:
  • Formiert sich um Tag 16 der Entwicklung
  • Beginnt am kaudalen Ende → erstreckt sich auf < halber Länge des Embryos Richtung kraniales Ende
  • Legt die Hauptkörperachse fest:
    • Kraniale und kaudale Enden
    • Links und rechts
  • Primitivknoten: prominenterer Bereich am kranialen Ende des Primitivstreifens
• Primitivrinne: erscheint als kleine Vertiefung im Primitivstreifen
• Primitivgrube: Vertiefung innerhalb des Primitivknotens, die sich zur Chorda dorsalis entwickelt
• Fibroblasten-Wachstumsfaktor 8 (FGF8):
  • Abgesondert von Zellen im Primitivstreifen/-rinne
  • Hemmt die Produktion von Adhäsionsmolekülen, die die Epiblastzellen zusammenhalten
  • Ohne Adhäsionsproteine → Wanderung der Epiblastzellen möglich
• Prächordale Platte: ein kompakter Bereich am kranialen Ende des Embryos

Epiblastenmigration

• Epiblastenzellen wandern in Richtung des Primitivstreifens → die Primitivrinne hinunter
• Diese Zellen verlängern sich nach unten, wodurch ein Raum zwischen Epiblast und Hypoblast entsteht.
• Ablösen dieser Zellen vom Epiblast nach “unten” = Invagination
• Abgelöste Epiblastenzellen ersetzen die Hypoblastzellen → werden zum Endoderm
• Epiblastenzellen wandern weiter → lösen sich → invaginieren → füllen den Raum zwischen Epiblast und Endoderm → werden zum Mesoderm
• Zellen, die in der Epiblastenschicht verbleiben → werden zum Ektoderm
• Migration Anfang der 4. Woche abgeschlossen

Die dreiblättrige Keimscheibe

• Ektoderm: Zellen, die in der Epiblastschicht verbleiben (fortlaufend am Amnion)
• Mesoderm: Zellen, die sich unter dem Epiblast einstülpen (mittlere Schicht)
  • Paraxiales Mesoderm
  • Axiales Mesoderm
  • Laterales Plattenmesoderm (LPM):
    • Parietale Schicht
    • Viszerale Schicht
  • Extraembryonales Mesoderm:
    • Umgibt die Amnionhöhle → kontinuierlich mit parietalem LPM
    • Umgibt den Dottersack → kontinuierlich mit viszeralem LPM
• Endoderm: Zellen, die sich unterhalb des Epiblasten eingestülpt und den Hypoblast ersetzt haben:
  • Embryonales Endoderm (normalerweise nur Endoderm genannt) → wird zum primitiven Darmrohr
  • Extraembryonales Endoderm → kleidet sekundären Dottersack aus
• Sekundärer Dottersack: Hohlraum zwischen embryonalem und extraembryonalem Endoderm

Bildung der Chorionhöhle

• Chorionhöhle:
  • Entwickelt sich im extraembryonalen Mesoderm
  • Umgibt den Dottersack, den Embryoblasten und die Amnionhöhle
• Körperstiel: verankert den Embryo an der Gebärmutterwand → wird zur Nabelschnur

Bildung der Chorda dorsalis

• Chorda dorsalis: strangartige Struktur, die entlang des Embryos verläuft
• Erscheint in der 3. Entwicklungswoche während der Gastrulation
• Ablauf der Chorda dorsalis – Bildung:
  • Ektodermale Zellen stülpen sich in primitive Gruben ein → mesodermale Zellen
  • Mesodermale Zellen bewegen sich kranial in der Mittellinie, bis sie die prächordale Platte erreichen.
  • Mesodermale Zellen bilden eine röhrenartige Struktur.
• Funktion: Veranlasst überlagerndes Ektoderm zur Differenzierung in die Neuralplatte (Beginn der Neurulation)
• Persistiert postnatal als Nucleus pulposus (weicher gallertartiger zentraler Teil der Bandscheibe)

Neurulation

Neurulation ist der Prozess, durch den sich das Ektoderm im dreiblättrigen Embryo zum Neuralrohr entwickelt.

Ab der 3. Woche durchläuft eine Gruppe ektodermaler Zellen folgende Strukturen:

• Chorda dorsalis: induziert die Differenzierung der darüber liegenden ektodermalen Zellen zur Bildung einer Neuralplatte
• Neuralplatte: Verdickung des Ektoderms entlang der Mittellinie
• Neuralfurche: Im Zentrum der Neuralplatte bildet sich eine Vertiefung
• Neuronale Falten:
  • Bestehen aus Zellen, die die Seitenwände um die Neuralfurche bilden und sich leicht über den Rest des Ektoderms erheben
  • Die „obersten“ Zellen der Neuralfalten differenzieren sich zu Neuralleistenzellen, die eine Reihe unterschiedlicher peripherer Nervenstrukturen bilden.
• Neuralrohr:
  • Die Neuralfalten drehen sich nach oben, treffen sich in der Mittellinie und bilden eine Röhre.
  • Diese Röhre wird unter die äußere Schicht des Ektoderms gezogen. → nun als Neuralrohr bezeichnet
  • Neuralleistenzellen trennen sich ab und lokalisieren sich zwischen dem Neuralrohr und dem Ektoderm.
  • Kranialer Teil des Neuralrohrs: vergrößert sich zum Gehirn
  • Kaudaler Teil des Neuralrohrs: bleibt röhrenförmig, wird zum Rückenmark
  • Entwicklung erfordert Folsäure; Folatmangel → Neuralrohrdefekte

Derivate des dreiblättrigen Embryos

Ektoderm-Derivate

• Oberflächenektoderm (äußere Schicht des Ektoderms, die nach der Neurulation verbleibt):
  • Haut, Haare und Nägel
  • Adenohypophyse (Hypophysenvorderlappen)
  • Augenlinse
  • Epitheliale Auskleidung in:
    • Mundhöhle
    • Analkanal unterhalb der Linea dentata
    • Externer Gehörgang
  • Drüsen:
    • Speichel
    • Schweiß
    • Brust
• Neuralrohr (ZNS):
  • Gehirn
  • Rückenmark
  • Retina
• Neuralleistenzellen (PNS):
  • Vegetatives Nervensystem
  • Enterisches Nervensystem (im GI-Trakt)
  • Hirnnerven
  • Schwann-Zellen
  • Nebennierenmark
  • Melanozyten
  • Aorticopulmonales Septum

Mesoderm-Derivate

• Muskel (alle 3 Typen):
  • Alle Skelettmuskeln
  • Herzmuskelzellen
  • Alle glatten Muskeln (z.B. in Darmwand, Bronchialwänden, Gebärmutter, Gefäßwänden)
• Knochen, Knorpel und Bindegewebe
• Blut- und Lymphgefäße
• Blut
• Peritoneum, Mesenterien und Bänder in der Bauchhöhle
• Organe:
  • Nieren und Harnleiter
  • Nebennierenrinde
  • Milz
  • Gonaden (Hoden und Eierstöcke)
  • Obere Vagina

Endoderm-Derivate

• Endotheliale Auskleidung des respiratorischen Systems
• Endothelschleimhaut und Schleimhautdrüsen des gesamten GI-Trakts bis zur Linea dentata im Analkanal (Merkhilfe: Endoderm ist die enterale Schicht)
• Leber
• Gallenblase und Gallengang
• Pankreas
• Blase und Harnröhre
• Untere Vagina
• Thymusdrüse

Klinische Relevanz

Abnormale Gastrulation

Spontanabort (Fehlgeburt): Anomalien der Gastrulation führen typischerweise zu mehreren angeborenen Anomalien. Diese Embryonen sind in der Regel nicht mit dem Leben vereinbar, und die Folge ist ein spontaner Verlust der Schwangerschaft, normalerweise im 1. Trimester.

Neuralrohrdefekte

Neuralrohrdefekte: verursacht durch das Versagen des Neuralrohrs, sich während der embryonalen Entwicklung richtig zu schließen, was potentiell zu einer Protrusion von Nervengewebe führt. Neuralrohrdefekte können das Rückenmark und/oder den Schädel betreffen und können offen (mit Beteiligung der Hirnhäute und/oder des Neuralgewebes) oder geschlossen (mit Beteiligung der knöchernen Wirbelsäule) sein. Eine pränatale Diagnose mittels Ultraschall und mütterlichem α-Fetoprotein-Spiegel ist üblich. Die Behandlung offener Neuralrohrdefekte erfolgt hauptsächlich chirurgisch.

• Offene Neuralrohrdefekte des Rückenmarks:
  • Meningozele: nur Hirnhäute protrudieren
  • Meningomyelozele: sowohl die Hirnhäute als auch das Rückenmark protrudieren (häufigster Neuralrohrdefekt)
• Offene Neuralrohrdefekte des Schädels:
  • Kraniale Meningozele: nur Hirnhäute protrudieren
  • Kraniale Enzephalozele: Sowohl Hirnhäute als auch Hirnstamm/Kleinhirn/Großhirnrinde protrudieren
  • Anenzephalie: vollständiges Versagen des cephalen Neuralrohrs, was zu einer vollständig exponierten fetalen Gehirnhälfte führt (nicht mit dem Leben vereinbar)
• Geschlossene Neuralrohrdefekte: Mittelliniendefekt der Wirbelkörper ohne Vorwölbung von Hirnhäuten oder Nervengewebe:
  • Spina bifida occulta: ohne subkutane Raumforderung
  • Lipomeningozele oder Lipomyelomeningozele: mit einer subkutanen Raumforderung