Grundlagen

Ein DNA-Faden besteht aus 140 Basenpaaren. Die DNA liegt spiralförmig im Histon-Komplex als Nukleosom vor. Mehrere Nukleosomen (Oktamer) bilden das perlenschnurartige Hetero-Chromatin. Die Gene werden im entspiralisierten Zustand (Euchromatin) je nach Exons und Introns transkriptiert. Promotorgene, Initiationskodone, Enhancer-Sequenzen und Stoppkodone werden immer in einer Richtung gelesen. Die Methylierung (u.a. am Cytosin) modifiziert die Histon-Bindung und verdichtet das Chromatin. [1] Procain hemmt diese Methylierung bei Krebszellen in vitro. [2]

Man unterscheidet im gesamten Tierreich Wachstums- und Differenzierungsfaktoren (so genannte GDFs). Die wichtigsten sind  fibroblast growth factor (FGF), hedgehog- und WNT-Proteine sowie transforming growth factor (TGF-β). 100 verschiedene FGF aktivieren v.a. Tyrosinkinasen (so genannte FGF-Rezeptoren) bei der Mesoderm-Differenzierung, der Angio- und Axonogenese. Hedgehog-Proteine induzieren die Somiten-Bildung, die Neurulation und Knospung der Extremitäten, 15 verschiedene WNT-Proteine regulieren letztere Prozesse und die 30 verschiedenen TGF-β, wozu auch das bone morphogenetic protein (BMP) gehört, jegliche Aufzweigungen in Knospen, Drüsen und Organen. [1]

Abb. 1 aus [3]

Anfänge der Segmentierung

So genannte Homöobox- bzw. HOX-Gene wurden bei der Fruchtfliege drosophila (Abb.1 aus [3]) entdeckt und bestimmen auch den segmentalen Körperplan von Wirbeltieren. [1,3] So sind die Segmente gegenseitig verknüpft und regulieren sich gegenseitig, d.h. bei Mutation „springt“ das nächste ein. Es verdoppelt sich. [3]

Chorda und Körperachse

FGF8 wird links des Primitivknotens angereichert. Abhängig von Serotonin (5HT) und Monoaminoxidase (MAO), welche rechts aktiv ist, wird die Neuralplatte induziert. Die Chorda exprimiert weitere Faktoren, welche die Links-Rechts-Determinierung festigen. [1]

Abb. 2 aus [1]

Die Keimblätter

Im Rahmen der Gastrulation (Einstülpung des Urdarms aus der Blastula) sondern sich mesenchymale Zellen aus dem Ektoderm ab. [4] Als 4. Keimblatt wird die aus der Neurulation hervorgehende Neuralleiste gesehen (Abb.2 aus [1]). Aus ihr entstehen u.a. Hirnnerven, Ganglien, Grenzstrang, Nebennierenmark und Herzseptum. Man unterscheidet mesodermale Zellen, aus den sich zahlreiche Gewebe wie die des muskuloskelattalen und vaskulären Systems entwickeln, vom Mesenchym, was embryonales lockeres Bindegewebe bleibt. Eine Ausnahme stellt das Kopf-Mesenchym dar, was aus der Neuralleiste entsteht. [1]

Abb. 3 aus [3]

Bildung von Somiten

Die Chorda (axiales Mesoderm) induziert über andere Faktoren die weitere Differenzierung der Keimblätter (v.a. des Ektoderms). Die Segmentierung beginnt in der Mitte (4.Somit) und wird ab 20. Tag von „Urwirbel- bzw. Würfelbildung“ des paraxialen Mesoderms begleitet (Abb.3 aus [3]).

Abb. 4 aus [1]

Differenzierung der Somiten

Die molekulare Steuerung der Differenzierung der Sklerotome übernimmt v.a. das Protein sonic hedgehog (SHH) aus Chorda und Neuralrohr (Bodenplatte). WNT-Proteine aus dem dorsolateralen Neuralrohr induzieren die Myotom-Differenzierung, was BMP hemmend reguliert (Abb.4 aus [1]). Die aus dem paraxialen Mesoderm entstehenden Sklerotome und Dermatomyotome wandern ab 26. Tag aus. Letztere differenzieren sich in Subkutis und Korium sowie Muskeln, welche dorsal das Epimer und ventrolateral das Hypomer bilden (Abb.5 aus [5]).

Abb. 5 aus [5]

Embryologie der Spinalnerven

Abb. 6 aus [1]
Mit Entstehung des Neuralrohrs bildet sich segmental die Neuralleiste. Aus den Neuralleistenzellen entstehen Spinal(ganglien)zellen einschl. Sympathikoblasten (Abb.6 aus [1]). Aus den segmental angeordneten Spinalganglien(zellen) wachsen die Axone nach zentripedal und zentrifugal. Parallel bilden sich Motoneurone, welche als myelinisierte Pionierfasern später nach peripher auswandern und sich mit den afferenten Bahnen vereinen. [3] Erst nach Kontakt der von der Neuralleiste auswandernden Pionierfasern zu den Myotomen (ca. 37.Tag) beginnt die segmentale Prägung des Rückenmarks (ca. 50.Tag). Jetzt spricht man von den eigentlichen „Dermatomen“. [3] Alle quergestreiften Muskeln entstehen, nachdem die Myoblasten ausgewandert sind und sich ab dem 3. Monat zu Synzytien vereinigt haben. [5] Aus dem Epimer (dorsomediale Lippe des Myotoms) entstehen alle epaxialen autochtonen Rückenmuskeln, aus dem Hypomer (ventrolaterale Lippe) hypaxiale ventrale und Extremitätenmuskeln. [1,5]

Die Extremitäten-Knospe

Abb. 7 aus [6]
Nach Faltung schließt sich die ventrale Rumpfwand. Es bilden sich Extremitätenknospen ab 32.Tag bzw. 2. Monat. Aus den Randleisten wachsen dann die Dermatomyotome und Sklerotome ein. [3] Beim Wachstum und Differenzierung der Knospen entscheiden Faktoren und Enzyme über Topographie durch Wachstumsrichtung sowie die physiologische Nekrose durch Agoptose (v.a. TGF-β einschl. BMP). Im Gegensatz zum Kopf bleibt das Sklerotom „innen“ und wird vom Myotom „umwandert“. Die aus dem Hypomer entstehenden Extremitätenmuskeln erfahren wie die Dermatome eine Verschiebung bzw. Verdrehung. Sie wandern v.a. cervical sogar retrograd auf den Rumpf und sind über den Spinalnerv mit Segment-Untereinheiten verbunden (Abb. 7 aus [6]).

Abb. 8 aus [5]

Die Segmentierung der Wirbelsäule

Sklerotom- und Mesodermanteile aus den Somiten bilden primäre Wirbelkörper, welche zuerst die Chorda und dann das Neuralrohr  umwandern. Die Myotome bleiben im primären Nerven-Segment, so dass sich Sklerotome erneut teilen und endgültiges Segment bilden. [3] Mittelpunkt ist und bleibt der Spinalnerv mit den Strukturen im Neuroforamen, welches von Facetten der beiden Wirbelnachbarn umschlossen wird. Durch Bildung der sekundären Segmente (jeweils obere und untere Hälfte des Wirbelkörpers) um eine Arterie entstehen die Bandscheibe, welche einen Chorda-Rest (nucleus pulposus) enthalten. Die Muskeln überbrücken und bewegen die Segmente (Abb.8 aus [5]).

Embryologie des Sympathikus

Abb. 9 aus [3]
Ein Teil der Zellen der Neuralleiste wandert als Melano- und Sympathikoblasten aus. Letztere formieren sich zunächst paravertebral zum einem Grenzstrang. Nach dessen Segmentierung wandern die Blasten zu den Gefäßen bzw. endodermalen Organen (Abb. 9 aus [3]). Im Rahmen der induzierten Wanderung der Neuralleistenzellen entstehen das Nebennierenmark, rudimentäre Paraganglien, zahlreiche periaortale Ganglien sowie das enterische System mit den Plexus submucosus et myentericus (Abb. 10 aus [7]).

Abb. 10 aus [7]

Embryologie des Parasympathikus

Das vegetative nervensystem (VNS) differenziert sich vor dem 44. Tag so, dass der Grenzstrang vorwiegend thorakolumbale und der Parasympathikus vorwiegend craniale und pelvine Organe versorgt (Abb.11 aus [3]). Branchiale Organe und Nerven stehen durch die Pharyngeal- bzw. Schlundtaschen bzw. Gill-Bögen [9] segmental in Verbindung:

  1. Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Tube mit Ohr, N. V/2 und V/3
  2. Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Tonsilla palatina, Lymph- und Immunsystem mit N. VII
  3. Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Thymus mit N. IX
  4. Pharyngeal- bzw. Schlundtasche und -bogen: Schilddrüse mit N. X
    Abb. 11 aus [3]

Der craniale Teil des Parasympathikus nutzt alle Pharyngeal- bzw. Schlundtaschen und -bögen für seine Afferenzen und Efferenzen. In der 5. Woche formieren sich die Kerne der Hirnnerven mit der Formatio retikularis. Alle Kerne (auch Olive, Subst. nigra, Ncll. coerulens, ruber et raphe) entwickeln sich zu eigenen „Steuereinheiten“, (Abb. 12 aus [3]) wobei Ncl. ambiguus und Tractus solitarius eine Sonderrolle in der Poly-Vagal-Theorie nach Porges spielen. [3,9]

Abb. 12 aus [3]
Der klassische bzw. so genannte dorsale Kern (Ncl. dorsalis n vagi) versorgt den myelinfreien N. vagus, welcher v.a. subdiaphragmal den Verdauungstrakt versorgt und bis zu 80% Afferenzen enthält. Der Ncl. ambiguus beeinflusst als phylogenetisch (erst bei Säugern nachzuweisen) und embryologisch (erst im letzten Trimenon bzw. ersten Lebensmonaten) jüngster Teil einen „smarteren“, jedoch myelinisierter Teil des N. Vagus und damit v.a. die supradiaphragmalen „Organe“ wie die von den Hirnnerven V, VII, IX und XI versorgten Kau-, Gehör-, Schluck- und Nackenmuskeln und Drüsen sowie den Sinusknoten. Er schützt das Herz vor absoluter Bradycardie je nach reflektorischem Stress. Der Tractus solitarius hat eine größere Bedeutung für die Atmung und deren Zusammenspiel mit Herzaktion und Kommunikation, wozu das Sprechen gehört. Das ist bei niederen Tieren wie Reptilien und Frühgeborenen nicht entwickelt. Auch die Verbindungen zum (Sub)kortex sowie die durch Vasopressin, Oxytocin, Dopamin u.a. Transmitter geprägten Synapsen bilden sich je nach (Epi)Genetik im Laufen des Lebens und seinen kommunikativen Auseinandersetzungen aus. [9]

Literatur

  1. Sadler (2014) Taschenlehrbuch Embryologie. Thieme
  2. Villar-Garea A, Fraga MF, Espada J, Esteller M (2003) Procaine is a DNA-demethylating agent with growth-inhibitory effects in human cancer cells. Cancer research 63/16: 4984-9
  3. Rohen JW, Lütjen-Decroll E (2011) Funktionelle Embryologie. Schattauer
  4. Drews (1993) Taschenatlas der Embryologie. Thieme
  5. Ulfig N (2009) Kurzlehrbuch Embryologie, Thieme
  6. Wancura-Kampik I (2010) Segment-Anatomie. Elsevier
  7. Britsch, S (2004) Genetische Analyse entwicklungsbiologischer Funktionen des Neuregulin-1/ErbB Signalsystems. Habilitation
  8. Deng D (2003) Der Einfluss von 5-HT1A Rezeptoren auf die embryonale und postnatale Entwicklung des serotonergen Systems im Gehirn der Maus. Diss
  9. Porges SW (2010) Die Poly-Vagal-Theorie. Junfernmann