Differenzierung des Neuralrohres Kraniokaudale und dorsoventrale Differenzierung Missbildungen

Differenzierung des Neuralrohres. Kraniokaudale und dorsoventrale Differenzierung. Missbildungen dr. Attila Magyar 2019

Frühe Entwicklung des ZNS • Induktion der Neuralplatte aus Ektoderm (neurale Induktion): E 14/15 -E 19 • Entstehung des Neuralrohres (Neurulation): E 19 -E 28 • A-P Regionalisation des Neuralrohres: Hirnbläschens, Rückenmarkanlage • D-V Regionalisation des Neuralrohres: sensorische und motorische Neuronen • Histogenesis des Neuralrohres

1. Neurale Induktion

Neurale Induktion I. • Neurale Induktion bedeutet die Entstehung der Neuralplatte aus dem Epiblast. Während Induktion bekommt das Epiblast Signale, die in diesen Zellen die neural Differenzierung starten lassen und die epidermale (Hautepithel) Differenzierung ausschalten. • ZNS und größetnteil des PNS entwickelt sich aus dem Ektoderm. • Diese Signale stammen teilweise aus dem Primitvknoten (von hintem des Epiblast). • teilweise von untem dem Epiblast: aus dem Hypoblast (in der Maus diese Region von Hypblast wird als Anterior Viszeraler Endoderm, AVE, genannt), bzw. aus der Chorda und Prächordalplatte (die beide wachsen aus dem Primitivknoten heraus).

Neurale Induktion II. • Von diesen verschiedene Gebieten kommende Signale sind darin gemeinsam, dass alle hemmen eine autokrine Signalisierung: die ektodermale BMP Signalisierung. • Kurz: neurale Induktion bedeutet die Hemmung der BMP-Signalübertragung in dem Epiblast. • Daneben nehmen ander Signalmolekülen, wie FGFs, Retinsäure und Wnts in der neuralen Induktion auch teil.

Neurale Induktion III. • Mit der Gastrulation die Signalmolekülen aus dem Primitivknoten Chordin-Noggin-Follistatin (alle hemmen die BMP Signalisierung) induzieren vor und neben des Primitivknotens die Entstehung der Neuralplatte, deutlicher die Entstehung der anterioren Nerualplatte. Die anteriore Neuralplatte ist der Anlage von den Hirnbläschen. • Die anteriore Neuraplatte bekommt wichtige Signale aus dem darunterliegenden Hypoblast (Maus: AVE): die Cerberus 1, Lefty 1, die BMP- und Wnt-Signalisation hemmen. Diese Molekülen gelten dementsprechend als Anteriorisierende Signale.

Neurale Induktion IV. • Die Chorda/Prächordale Platte sezernieren ebenso anteriorisierende Signalemoleküle (Chordin/Noggin), so gewähleisten die Aufrechterhaltung den anteriorinduzierten Status. • Mit der Auswanderung des bleibenden Endoderms wird das Hypoblast vorne- (kranial) geschieben, zusammen mit der anterioren Neuralplatte. • Von der Seite wandern neue Epiblastzellen hinter der Neuralplatte, die ebenso durch den Primitivknoten induziert werden. Diese Zellen bekommen aber zusätzliche Signalmolekülen, wie FGF 8, Retinsäure, und werden zur posterioren Neuralplatte.

Links: Wildtyp Maus, in der Mitte noggin -/-, rechts chordin-/- und noggin-/- Doppelmutante Maus besitzt keine Abkömmlinge der Hirnbläschen, aber besitzt ein Rückenmarkanlage.

• Neurale Induktion (im Routine Histologie sieht man noch nichts; nur mit IH oder ISH kann man die Expression von Transkriptionsfaktoren nachweisen); später • entsteht die Neuralplatte (Neuroektoderm; ein zylindrisches Epithel; d. h. Epithel der Neuraplatte ist höher) • Neuralplatte beginnt sich zu falten: Neuralfalten, Neuralrinne • die Neuralfalten fusionieren zum Neuralrohr

Ausbreitung des Neuralrohr nach kaudal. Inzwischen wächst Chorda nach kranial, und verkürzt sich der Primitivstreifen.

Dottersack (hängt herab) notochord őscsomó őscsík Ungefähr 3 -wöchiges menschliches Embryo (von oben, d. h. von der Amninhöhle gesehen) Neuralplatte ist kaum sichtbar!

Neurális indukció jelentősége • az indukált területen (későbbi velőlemez) bekapcsolódnak azok a gének (proneurális gének, mint pl. Math, Mash, Neuro. D), amelyek megindítják a neurális (neuron plusz glia) differenciálódást, amely már nem fordítható vissza. • Ezzel egyidejűleg a későbbi velőlemez felosztásra kerül (elülső: agyhólyagokat képző és hátulsó: gerincvelőt képző részre, sőt ezen belüli részekre). • Az indukcióval elköteleződnek az epiblaszt sejtek idegi irányba, igy ugyanazok a jelmolekulák (lásd majd a velőcsőnél a BMP-ket) már más hatással lesznek a velőcső sejtjeire.

2. Entstehung des Neuralrohres

Neurulation des Kükenembryos Neuralplatte faltet sich entlang drei kraniokaudalen Längslinien. Im Querschnitt entsprechen die sogenannten Scharnierpunkten (engl. : hinge point) dieser Linien. Es gibt einen medianen Scharnierpunkt (MHP) und zwei dorsolateralen (DLHP).

20 ET, 1, 5 mm 3 Somitenpaare, noch offene Neuralrinne, Canalis neuroentericus (Pfeil)

21 ET 7 Somitenpaare, beginnender Neuralrohrschluß 10 Somitenpaare, Neuralrohr zw. Somiten 2 -6 geschlossen 22 ET

24 ET 14 Somitenpaare, Neuroporus ant. in Schliessung, Neuropor. post offen. Das Schliessen des neuralrohrs beginnt am ET 22 in der späteren okzipitalen Region des Embryo. Vorderer Neuroporus schliesst sich am ET 24 -25. , hinterer am ET 26 -28. 24 ET

The neural tube at the middle of Stage 12, showing the two regions of fusion of the neural folds. Arrows indicate the direction of fusion, and black dots show the position of the two neuropores. The fusion of the neural folds begins first at Site a and then at Site b. At it spreads in both directions, ending rostrally as the dorsal lip of the rostral neuropore, which meets the terminal lip from. The first four somites are occipital and are stippled, as is also the mesencephalon. The outlines of somites 10, 15, 20, and 25 are included. Das Schliessen des neuralrohres des menschlichen Embryo beginnt in der Höhe von den okzipitalen (ersten) Somiten. Die vier okzipitalen Somiten sind als graue Kugeln zu sehen. Eine zweite Schlussstartstelle ist ganz vorne (beim Anterior Neural Ridge: b).

Das Neuralrohr

Das Neuralrohr • Das durch die Neurulation entstandene Neuralrohr ist am Anfang ein geschlossenes Rohr. Dieses Rohr ist nich gerade, sondern krünnt sich. • Es gliedert sich in zwei Anteilen: in einen kranialen, der später das Gehirn bildet, und einen kaudalen, der später das Rückenmark bildet. Diese zwei Anteilen gehen ineinander über eine starke, fast rechtwinkliche Krümmung: Flexura cervicalis. • Kraniales Neuralrohr gliedert sich in den Hirnbläschen (zuerst primäre, dann sekundäre). Diese sidn wirklich bläschenförmig nur ab der EW 5. • Neuralrohr ist geschlossen, und enthält eine Flüssigkeit, die von der Fetalzeit als Liquor cerebrospinalis (Gehrin-Rücknemarkflüssigketi oder zerebrospinale Flüssigketi, CSF) genannt ist. Dieser geschlossener Hohlraum bildet die späteren Hirnventrikeln, ihre Verbindungen und das Canalis centralist des Rücknemarkes.

Das gesamte Neuralrohr ist zu sehen mit den schon sekundären Hirnbläschen Menschliches Embryo, ungefähr der 5. EW

R 1 3 2 I A T Mes 4 R: Rhombencephalon mit Rhombomeren; I: Isthmus mesencephali; Mes: Mesencephalon; T: Telencephalon; A: Augenbläschen roter Pfeil: Flexura cervicalis grüner Pfeil: Flexura mesencephalica blauer Pfeil: Sulcus limitans

Die aus dem kranialen Neuralrohl entstehende Hirnbläschen

Fünf Hirnbläschen, Rhombomeren und die dritte Krümmung: Flexura pontis sind zu sehen.

Menschliches Embryo; 4 EW; links: Modell der primären Hirnbläschen; unten SEM Aufnahme: das Ektoderm wurde abpräpariert 1: Augenbläschen (A) 2: Prosencephalon (P) 3: Rhombomeren 4, 5: Hirnnerven linker dicker, schwarzer Pfeil ud roter Pfeil: flexura mesencephalica; rechter dicker schwarzer Pfeil oder grüner Pfeil: flexura cervicalis M: Mesencephalon R: Rhombencephalon R M P A

Neurale Strukturen aus Epiblast • Neuralrohr (Anlage des ZNS) • Neuralleiste (bildet viele Elemente des PNS) • Plakoden (bilden Sinnesstrukturen)

X Epiblast-Signalisierung

Verschluss des Neuralrohres: Missbildungen oder Neuralrohr-Defekten (Neural tube defects: NTD, Dysraphien)

• Neuralrohrdefekten: • wenn Neurulation (Entstehung des Neuralrohres) läuft fehlerhaft ab. • Es gibt schwergradige und schwache Fallen. • Schwergradige Formen: an bestimmten Stellen (oder selten das ganze Neuralrohr) bleibt geöffnet. • Schwache Formen: Neuralrohr schließt sich, nur die umgebende, knöcherne Strukturen (Wirbelkanal oder Schädel) bleiben geöffnet.

Neuralrohrdefekte • Schwache Formen: Spina bifida occulta (Rückenmark), Cranium bifidum occultum (Gehirn) • mittelschwere Formen: Meningozele (RM oder Gehirn) • schweregradige formen: Myelomeningozele (RM), Anencephalie oder Cranioschisis (Gehirn) oder Craniorachisis (die ganze Länge des Neuralrohr bleibt geöffnet)

Neuralrohr-Defekten • Gehirn oder Rückenmark • Schwache Formen: Spina bifida occulta, Cranium bifidum occultum • Mittelschwere Formen: Meningocele • Schwere Formen: Myelomeningocele (gv), Anencephalia oder cranioschisis oder Craniorachisis (gesamtes Neuralrohr bleibt geöffnet)

Verschlußstörungen des Neuralrohres sind durch Einnehmen von Folsäure präveniert. Folsäure bindet sich in der Klammerregion der Neuralplatte. Das Bild zeigt in situ Hybridisierung für Folsäure-bindendes Protein.

Zerebrale Dysraphien

Cleidocranial dysplasia (CCD) is a rare congenital autosomal-dominant skeletal dysplasia that results in delayed or failed ossification of the membranous bones. It is characterized by typical clinical and radiological findings, which include prominent womian bones (intrasutural bones, green arrows); patent cranial sutures and fontanelles (blue arrows); cranium bifidum occultum frontalis (red arrow); bellshaped, superiorly narrowed thorax with hypoplastic or aplastic clavicles (yellow arrows); supernumerary teeth; short stature; and a variety of other skeletal changes. Cranium bifidum occultum frontalis (roter Pfeil)

Kraniale Meningozele

Anenenzephalie

7% died in utero 18% died during birth 26% lived between 1 and 60 minutes 27% lived between 1 and 24 hours 17% lived between 1 and 5 days 5% lived 6 or more days Vitoria de Cristo: 2, 5 Jahren Anencephalie: siehe weitere Information über solche Kinder: http: //www. anencephalieinfo. org

Spina bifida

Faun. Schwanz 13 -jähriges Mädchen

Zervikale und sakrale Meningozele

Spina bifida aperta: Myelomeningozele in der thorakolumbaren Region

Regionalisation des Neuralrohres

Dorsoventrale Regionalisation • Organisatoren außerhalb des Neuzralrohres beeinflussen die neurale Entwicklung innerhalb des Neuralrohres. • Chorda (später: auch die Bodenplatte): Sekretion von Shh induziert die Differenzierung der Motoneuronen • Epidermis (später: auch die Deckplatte): Sekretion von BMP induziert die Differenzierung der Sinnesneuronen • Gradiente von Shh und BMP

F. immunofluoreszente Färbung: dorsalin TGF-b Motoneuron Shh G. ISH: Pax 7 Pax 6 Nkx 6. 1 gelb Pax 6 und Nkx 6. 1 (Überlappung)

Kraniokaudale Regionalisation • anteriore und posteriore Neuralplatte: unterschiedliche Induktion! • anteriore Neuralplatte (Hirnbläschen): Otx 2 expression • posteriore Neuralplatte: Gbx 2 Expression

Segmentierung in dem Neuralrohr • nem túl feltűnő • bizonyos szakaszokon morfológiailag is jól látszik: utóagy – rhombomérák • más szakaszokon gyakorlatilag csak fehérjeexpressziós szinten lehet meghatározni: középagy, köztiagy, végagy • és a gericvelő mentén gyakolatilag nem ismert

Kraniokaudale Regionalisation • ahogy a csigolyák esetében létezik a Hox kód, amely megszabja, melyik szomitából milyen csigolya legyen, úgy van egy Hox kód a velőcsőre is. • Hox gén expresszió: csak az utóagy teületén kezdődik (közép- és előagy, valamint az első rhomboméra: nincs!) • az utóagyi rhombomérákra szintén egy Hox kód jellemző (lásd agyhólyagok fejlődése)

Histogenese des Neuralrohres

1: 2: 3: 4: Lumen des Neuralrohres Ektoderm Somit Chorda Neuroepithel Mehrreihiges Zylinderepithel

Neuroepithel frühes Neuralrohr: ein mehrreihiges Zylinderepithel (SEM Aufnahme)

Ektorderm Lumen des Neuralrohres

Zellzyklussatdien in der Wand des neuralrohres: „interkinetische Wanderung des Zellkerns” G 1 S G 2 Lumen des Neuralrohres M G 1 „vertikale Zellteilung”

Neuronale Wanderung entlang der Glia-Zell Ausläufer gliale Führung: die Neuronen fahren mit Hilfe des „glial monorail” (mit 40 mikron/Stunde Geschwindigkeit)

In der wand des Neuralrohres findet man drei Zonen • ventrikuläre Zone (Mitosen) • Mantelzone (Intermediärzone): Zone der ausschwärmenden Neuroglioblasten • Marginalzone (zellarme oberflächliche Zone)

ventrikuläre Zone Mantelzone marginale Zone Ektoderm Lumen des Neuralrohres

ventrikuläre Zone Mantelzone marginale Zone Basalmembran

Posteriores Neuralrohr • dankbar der dorsoventralen Differenzierung entstehen die folgenden Regionen: • Bodenplatte • Grundplatte • Flügelplatte • Deckplatte • zwischen Grundplatte und Flügelplatte: Sulcus limitans • Dieser Aufbau kann man bis Rhombenzephalon folgen

Zervikelas Rückenmark, Menschliches Embryo, 5. EW 1: Grundplatte 2: Flügelplatte 3: Sulcus limitans 4: ventraler wurzel

Typen den Nervenzellenbildung: am Anfang im Neuralrohr (links), später in dem Rückenmark (rechts oben), bzw. in den „Rinden”: in der Kleinhirnrinde (rechts Mitte) und in der Großhirnrinde (rechts unten).

Geburt 8 EW Erwachsene