Atmen und Essen – zwei Fähigkeiten die der Mensch von Geburt an beherrscht. Verdauungsapparat und Lunge sind lebenswichtige Organe, deren Komplexität Ärzten noch immer viele Fragen aufgibt. Um sie und auch ihre Pathogenese zu verstehen, muss man wissen, wie sie entstanden sind. Die Embryologie hilft, den Aufbau, die Funktionsweise und Zusammenhänge aller Organe zu verstehen. In diesem Artikel wird die Entwicklung des Magen-Darm-Trakts und des Bronchialsystems aus dem Darmrohr Schritt für Schritt dargestellt.
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Frühe Phase der Lungenentwicklung

Bild: “Frühe Phase der Lungenentwicklung” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0


Entwicklung des Magen-Darm-Trakts

Ausgangstrukturen des Gastrointestinaltraktes

Embryo Woche 3

Bild: “Fates of Germ Layers in Embryo” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Der Organentwicklung voran geht die Entstehung der drei Keimblätter: Entoderm, Mesoderm, Ektoderm. Mit der Gastrulation und der Bildung des Embryonalkörpers entstehen die Körperräume, in welchen die inneren Organe wachsen können.

Etwa am 23. Tag findet die Abfaltung der Keimscheibe vom Dottersack statt. Gleichzeitig mit der Bildung des Embryonalkörpers entsteht dabei aus dem Endoderm das Darmrohr, die Anlage für den gesamten Gastrointestinaltrakt und weitere Organe, wie Leber oder Lunge. Der Embryonalkörper wächst um das Darmrohr herum, sodass sich dieses in der neu entstandenen Leibeshöhle entwickeln kann. Das Darmrohr endet an beiden Seiten blind. Kranial in der Rachenmembran (Membrana buccopharyngea) und kaudal in der Kloakenmembran. Es lässt sich in vier Abschnitte unterteilen:

  1. Schlunddarm: Mund– & Nasenhöhle und dazugehörige Strukturen, Schlundtaschen
  2. Vorderdarm: Phayrnx, Ösophagus, Magen, Duodenum sowie Lunge, Trachea, Bronchien, Leber, Pankreas
  3. Mitteldarm: Duodenum, Jejunum, Ileum, Colon ascendens & transversum sowie Brunner-Drüsen, Peyer-Plaques und Appendix vermiformis
  4. Hinterdarm: Colon transversum und Colon descendens, Enddarm sowie Allantois (embryonale Darmblase) und Sinus urogenitalis

Entwicklung der Peritonealhöhle und des Mesenteriums

Die Leibeshöhlen oder auch Zölome sind mit Serosa ausgekleidete „Räume“ im Embryo. Ein wirklich großer Raum entsteht aber nur pathologisch beispielsweise durch Eindringen von Luft oder Blut. Im physiologischen Zustand liegen die parietale Serosa – aus dem Mesoderm der Leibeswand – und die viszerale Serosa – aus dem Mesoderm der Organwand –  eng aufeinander. Erstere kleidet die Bauchwand auf, letztere umhüllt die Darmwand.

Entlang des Darmrohres verlaufen zunächst die Zölomgänge. Sie verbinden als Ductus pericardioperitoneales die Perikardhöhle mit der Peritonealhöhle. Durch die laterale Abfaltung des Embryos liegen schließlich beidseitig des Darmrohres Zölomspalten, welche sich ventral und dorsal des Darmrohres annähern. Dorsal ist die Annäherung so eng, dass zwischen ihnen nur schmale Gewebeplatten bestehen bleiben. Diese Verbindung zwischen späterem Darm und Bauchhöhle wird Mesenterium genannt. Das Gekröse ist eine von viszeralen Serosa bedeckte Verbindung zwischen Bauchwand und Organen, welche die entsprechenden Nerven und Blutgefäße mit sich führt.

Man unterscheidet das ventrale von dem dorsalen Mesenterium. Das ventrale Mesenterium entwickelt sich im Oberbauch und verbindet Magen und oberes Duodenum mit der vorderen Bauchwand und Leber. Es enthält später die V. portae, A. hepatica und Ductus choledochus.
Das dorsale Mesenterium verläuft entlang des gesamten Darms und enthält die drei wichtigen Arterien des Darmes, nämlich Truncus coeliacus für den Vorderdarm, A. mesenterica superior für den Mitteldarm und A. mesenterica inferior für den Hinterdarm.

Das dorsale Mesenterium von Colon ascendens und Colon descendens verwächst später mit der dorsalen Bauchwand und liegt dann retroperitoneal. Dadurch entstehen die mesenterialen Radices (Radix mesenterii) welche auch zur Fixation des Dünndarms dienen. Sie zieht von links oben vom Übergang von Duodenum und Jejunum nach rechts unten zum Übergang von Ileum und Kolon. Am Colon transversum entsteht die Radix mesocoli transversi und am an den Dickdarm anschließenden Sigmoideum das Mesosigmoid.

Die Organe des Oberbauches

Übersicht Gastrointestinaltrakt Embryonalentwicklung

Übersicht Gastrointestinaltrakt Embryonalentwicklung

Unterhalb des bereits gebildeten Zwerchfells weitet sich das Darmrohr zu einem spindelförmigen Magen. Die Drehung des Magens um 90 Grad wird durch ein verstärktes Wachstum der linken Seite verursacht. Die große Kurvatur befindet sich nun links, die kleine Kurvatur rechts. Durch die Drehung wird außerdem das an den Magen anschließende Duodenum nach dorsal verschoben.

Betrachtet man die Lage des Magens im Embryo, so stellt man einen Abstieg (Descensus) fest. Am 32. Tag liegt der Magen auf Höhe des siebten Halswirbels, am 50. Tag dann in seiner endgültigen Lage zwischen dem 11. Thoraxwirbel und dem 3. Lendenwirbel. Dabei wird er nach links verlagert und sein Pylorus in die Waagerechte gebracht. Somit entsteht auf der rechten Seite Platz für Leber und Pankreas, die aus dem Duodenum ausknospen.

Die Pankreasentwicklung

Ab dem 26. Tag und am 28. Tag entstehen zwei Knospen, die das exokrine Pankreas bilden. Der dorsale und ventrale Anteil des exokrinen Pankreas verschmelzen jedoch miteinander. Nur am späteren Gangsystem lassen sich beide Anlagen unterscheiden. Die endokrinen Teile des Pankreas (Langerhans-Inseln) entstehen ab der 9. Woche aus endokrinen Zellen des Pankreasepithels. Das Insel-Organ bildet bereits in der Fetalzeit Hormone, vor allem das wachstumsfördernde Insulin, wohingegen das exokrine Pankreas erst nach der Geburt aktiv wird.

Die Leberentwicklung

Ebenfalls ab dem 25./26. Tag entwickelt sich die Leber, als wichtigstes blutbildendes Organ des Embryos und Fetus. Aus einer weiteren epithelialen Knospe hervorgehend, bilden sich drüsenähnlich die Leberzellstränge sowie das Ausführungsgangsystem (später Gallengangsystem). In das zwischen den Strängen stark wachsende Mesenchym lagern sich die blutbildenden Hämozytoblasten ein.

In der zweiten Schwangerschaftshälfte wird die Blutbildung herunterreguliert und die Entwicklung von Hepatozyten ermöglicht. Die Leberzellstränge bilden sich allmählich zu den typischen Leberläppchen um. Ihre vielseitige Funktion im Stoffwechsel erlangt die Leber erst nach der Geburt, wenn sich auch der Darm vollständig entwickelt. Fetal ist sie z.B. für den Abbau von Hämoglobin verantwortlich, was zur dunklen Färbung des „Kindspech“ – der ersten Ausscheidung des Neugeborenen- führt.

Die Organe des Unterbauches

Im unteren Bereich entstehen aus dem Mitteldarm der Dünndarm und Dickdarm. Um zu verstehen, wie beide ihre endgültige Lage im Bauchraum erhalten, ist die Drehung der Nabelschleife zu betrachten.

Nabeldrehung und Anlage des Mesenteriums

Bild: “Nabeldrehung und Anlage des Mesenteriums” von Openi. Lizenz: CC BY 2.0

Der Mitteldarm bildet etwa am 32. Tag die Nabelschleife aus, welche von der A. mesenterica superior im dorsalen Mesenterium versorgt wird. Diese Arterie markiert nun die Drehachse. Der kranial der Schleife gelegene Dünndarm wächst schneller als der kaudal gelegene Dickdarm. Der Dünndarm wächst dabei zunächst in das Nabelzölom, und wird später, wenn der Bauchraum groß genug ist, wieder nach innen verlagert. Dies wird als physiologischer Nabelbruch bezeichnet.

Der Darm wurde bis zur Geburt nicht vollständig zurück in den Bauchraum verlagert

Bild: “Der Darm wurde bis zur Geburt nicht vollständig zurück in den Bauchraum verlagert” von Openi. Lizenz: CC BY 2.0

Nach der Drehung um 270 Grad gegen den Uhrzeigersinn, kommt der Dickdarm über dem Dünndarm unterhalb der Leber (colon transversum) zum Liegen. Von dort bilden sich durch weiteres Wachstum der Colon ascendens aus dem Mitteldarm und Colon descendens aus dem Hinterdarm.

Aus dem Hinterdarm bildet sich weiterhin das Colon sigmoideum und aus der sogenannten Kloake das Rektum, der obere Teil des Analkanals und ein Teil des Urogenitalsystems. Der untere Teil des Analkanals wird von Ektoderm (nicht von Endoderm) gebildet, sodass der Übergang zwischen beiden nicht äußerlich sichtbar ist, sondern im Körperinneren liegt.

Funktionelle Entwicklung des Darms

Die typischen histologischen Strukturen (Zotten, Krypten etc.) bilden sich in den ersten Lebenswochen vollständig aus. Während der Embryonalzeit ist eine Nahrungsaufnahme über den Darm noch nicht nötig. Wichtig für einen ab der Geburt funktionierenden Darm ist aber die Öffnung der beiden blinden Enden des Darmrohrs. Die Oropharnygealmembran öffnet sich in der vierten Woche, die Analmembran in der sechsten Woche.

Entwicklung des Bronchialsystems

Obwohl die Lunge vor der Geburt nicht benötigt wird, beginnt ihre komplexe Entwicklung bereits in der Embryonalphase. Sie entsteht als Ausknospung aus einem Teil des embryonalen Darmrohrs und gehört daher evolutionär zum Endoderm. Im Folgenden sind die Stadien der Lungenentwicklung knapp in 5 Phasen dargestellt.

1. Phase: Frühe Phase der Lungenentwicklung

Anlage des unteren Atemtrakts ist die Laryngotrachealrinne. Diese mediane Längsrinne des Epithels entsteht in der vierten Woche am unteren Ende des Schlunddarms. Das spätere Epithel, die Drüsen des Respirationstraktes und das Alveolarepithel der Lunge entstehen aus dem endodermalen Epithel der Laryngotrachealrinne. Muskulatur, Knorpel, und Bindegewebe entstehen aus dem umliegenden Mesenchym.

Ausgehend von der Laryngotrachealrinne bildet sich die Lungenknospe. Diese Lungenanlage wächst in die Zölomgänge (Ductus pericardioperitoneales), welche später die Pleurahöhle bilden und von der Perikardhöhle ausgehend entstanden sind. Die mediale Serosa des Gangs bildet die viszerale Pleura, die laterale Serosa die parietale Pleura.

Die Lungenknospe teilt sich in zwei Knospen auf, entsprechend dem linken und rechten Lungenflügel. Bereits in diesem Stadium ist die rechte Knospe größer und stärker nach kaudal gerichtet, sowie auch der rechte Lungenflügel später stärker als der linke Flügel ist. Es bilden sich nun nach und nach durch ungleichmäßige, dichotome Teilungen Hauptbronchien, Lappenbronchien und Segmentbronchien.

Frühe Phase der Lungenentwicklung

Bild: “Frühe Phase der Lungenentwicklung” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Bis jetzt (Ende der 5. Woche) sind die nötigen Hohlräume zum Leiten der Luft enstanden. Nun entwickeln sich die anatomisch-histologischen Strukuren, welche den Gasaustausch zwischen Luft und Blut ermöglichen.

2. Phase: Pseudoglanduläre Phase der Lungenentwicklung

Von der 6. – 16. Woche entwickeln sich die Läppchen (Acini) und Bronchioli terminales, die den Bronchialbaum der Lunge bilden. Die Läppchen gleichen in ihrer Struktur einer Drüse, daher der Name dieser Phase. Die Blut-Luft-Schranke hat sich noch nicht gebildet, der Fetus wäre bei Geburt noch nicht lebensfähig.

3. Phase: Kanalikuläre Phase der Lungenentwicklung

In der 16. – 26. Woche bildet sich nun der respiratorische Teil der Lunge, die Bronchioli respiratorii. Von hier verzweigen sich die Canaliculi oder Tubuli, die späteren Ducti alveolares. Jetzt erfolgt auch eine Vaskularisierung des umliegenden Mesencyhms. Am Ende der Canaliculi enstehen bereits erste primitive Sacculi. Diese Entwicklung wird in der nächsten Phase fortgesetzt.

4. Phase: Sakkuläre Phase der Lungenentwicklung

Ab der 26. Woche bis zur Geburt bilden sich immer mehr Sacculi terminales. Ihr Epithel ist zunächst kubisch, differenziert dann zu dünnem Plattenepithel und letzlich zu den typischen dünnen Pneumozyten Typ 1. Neben den Pneumozyten Typ 1 entstehen vereinzelt die Pneumozyten Typ 2, welche für die Bildung von Surfactant verantwortlich sind. Surfactant vermindert die Oberflächenspannung der Alveolen und verhindert somit das Kollabieren der Lunge. Ausreichende Produktion von Surfactant wird aber erst kurz vor der Geburt erreicht. Es ist lebensnotwendig und ein Mangel daran oft ein Problem von Frühgeborenen. Zeitgleich wächst das Kapillarnetz schnell aus und bildet dichte Netze um die Sacculi terminales aus. Dadurch entsteht die Blut-Luft-Schranke.

5. Phase: Alveoläre Phase der Lungenentwicklung

Ab der 32. Woche verdünnt sich das Epithel der Sacculi alveolares immer weiter. Nun drücken sich die Kapillaren in Ductus und Sacculi vor, während sich die primitiven Alveolen ins Bindegewebe wölben. Sie bilden die funktionstüchtige respiratorische Membran aus, zu reifen Alveolen werden sie jedoch erst bei Kontakt mit Luft.
Die Lunge entwickelt sich auch nach der Geburt noch weiter. Sind es bei Geburt noch 50 Millionen Alveolen, vermehren sich die unreifen Alveolen bis zum 8. Lebensjahr auf ca. 300 Millionen reife Alveolen.

Aufgaben der Lunge während und nach der Schwangerschaft

Intrataurin wird keine Atmung benötigt, dennoch hat die Lunge eine wichtige Aufgabe. Sie produziert einen Teil der Amnionflüssigkeit. Täglich entstehen im Embryo ca. 15 ml Fruchtwasser pro kg Körpergewicht. Ab der Geburt ist eine gesunde Lunge für die Sauerstoffversorgung zuständig, ihre maximale Leistung erreicht sie nach den ersten Lebensjahren.

Beliebte Prüfungsfragen zum Magendarmtrakt und Bronchialsystem

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Nicht aus dem Entoderm entsteht…

  1. …der untere Teil des Colon descendens.
  2. …die Alveolen der Lunge.
  3. …das exokrine Pankreas.
  4. …die Knorpelspangen der Bronchien.

2. In welcher Phase der Lungenentwicklung entstehen die Pneumozyten?

  1. kanalikuläre Phase
  2. Pseudoglanduläre Phase
  3. Sakkuläre Phase
  4. Alveoläre Phase

3. Das Mesenterium dorsale beinhaltet nicht…

  1. …Truncus coeliacus.
  2. …A. mesenterica superior.
  3. …A. mesenterica inferior.
  4. …A. hepatica.

Quellen

Phasen der Lungenentwicklung via Embryologie.ch

Keith L. Moore, T. Vidhya, N. Persaud: Embryologie Entwicklungsstadien Frühentwicklung Organogenese Klinik 5. Auflage, Elsevier Verlag

Rohen, Lütjen, Drecoll: Funktionelle Embryologie – Die Entwicklung der Funktionssysteme des menschlichen Organismus 3. Auflage, Schattauer Verlag

Lösungen zu den Fragen: 1D, 2C, 3D

 



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