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 Eileiter Uterus, Cervix uteri und Tuba uterina (wo typischerweise die Befruchtung stattfindet)
• Äußere Zellmasse → Trophoblast (Zytotrophoblast und Synzytiotrophoblast) → Plazenta Plazenta Plazenta, Nabelschnur und Amnionhöhle 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 Enzyme Grundlagen der 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 Invagination 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 Amnionhöhle Plazenta, Nabelschnur und 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 Embryoblasten Entwicklung von Embryoblast und Trophoblast und die Amnionhöhle Amnionhöhle Plazenta, Nabelschnur und Amnionhöhle
• Körperstiel: verankert den Embryo an der Gebärmutterwand → wird zur Nabelschnur Nabelschnur Plazenta, Nabelschnur und Amnionhöhle

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 Nucleus pulposus Bandscheibenvorfall (weicher gallertartiger zentraler Teil der Bandscheibe Bandscheibe Wirbelsäule)

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 Rückenmark Rückenmark
  • Entwicklung erfordert Folsäure; Folatmangel → Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte

Derivate des dreiblättrigen Embryos

Ektoderm-Derivate

• Oberflächenektoderm (äußere Schicht des Ektoderms, die nach der Neurulation verbleibt):
  • Haut Haut Haut: Aufbau und Funktion, Haare und Nägel
  • Adenohypophyse (Hypophysenvorderlappen)
  • Augenlinse
  • Epitheliale Auskleidung in:
    • Mundhöhle
    • Analkanal Analkanal Rektum und Analkanal unterhalb der Linea dentata
    • Externer Gehörgang
  • Drüsen:
    • Speichel
    • Schweiß
    • Brust
• Neuralrohr (ZNS):
  • Gehirn
  • Rückenmark Rückenmark Rückenmark
  • Retina
• Neuralleistenzellen (PNS):
  • Vegetatives Nervensystem Nervensystem Nervensystem: Aufbau, Funktion und Erkrankungen
  • Enterisches Nervensystem Nervensystem Nervensystem: Aufbau, Funktion und Erkrankungen (im GI-Trakt)
  • Hirnnerven Hirnnerven Überblick über die 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 Gebärmutter Uterus, Cervix uteri und Tuba uterina, Gefäßwänden)
• Knochen Knochen Aufbau der Knochen, Knorpel und Bindegewebe Bindegewebe Bindegewebe
• Blut- und Lymphgefäße
• Blut
• Peritoneum Peritoneum Peritoneum und Retroperitoneum, Mesenterien und Bänder in der Bauchhöhle
• Organe:
  • Nieren Nieren Niere und Harnleiter
  • Nebennierenrinde
  • Milz Milz Milz
  • Gonaden ( Hoden Hoden Hoden und Eierstöcke)
  • Obere Vagina Vagina Vagina, Vulva und Beckenboden

Endoderm-Derivate

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

Klinische Relevanz

Abnormale Gastrulation

Spontanabort ( Fehlgeburt Fehlgeburt 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 Schwangerschaft Schwangerschaft: Diagnostik, mütterliche Physiologie und Routineversorgung, normalerweise im 1. Trimester.

Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte

Neuralrohrdefekte 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 Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte können das Rückenmark Rückenmark Rückenmark und/oder den Schädel Schädel Schädelknochen: Anatomie des Schädels, Aufbau und Funktion betreffen und können offen (mit Beteiligung der Hirnhäute Hirnhäute Hirnhäute (Meningen) und/oder des Neuralgewebes) oder geschlossen (mit Beteiligung der knöchernen Wirbelsäule Wirbelsäule Wirbelsäule) sein. Eine pränatale Diagnose mittels Ultraschall Ultraschall Ultraschall (Sonographie) und mütterlichem α-Fetoprotein-Spiegel ist üblich. Die Behandlung offener Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte Neuralrohrdefekte erfolgt hauptsächlich chirurgisch.

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