Frühembryonale Entwiklung bis Implantation

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1 Frühembryonale Entwiklung bis Implantation
dr. Attila Magyar

2 Vereinigung des mütterlichen und väterlichen genetischen Material
Fluoreszente Färbung: blaue Farbe: DNS (DAPI) grüne Farbe: Mikrotubuli (IF*). A: die erste meiotische Teilung vor der Ovulation (nur Eizelle) B: Eintritt des Spermiums (links) und der Schluß der 2. meiotischen Teilung der Oozyte (oben) C: Vorkerne annähern sich einander D-E: Ohne Kernfusion, das genetische Material der Vorkerne kondensiert zu Chromosomen. Die Chromosomen sammeln sich in der Metaphaseplatte *IF: immunofluoreszente Färbung mit einem anti-Tubulin Antikörper Pfeil: Schwanz (MT) des Spermiums

3 Befruchtete menschliche Eizelle: ZYGOTE, mit den weiblichen und männlichen Vorkernen, außerhalb liegt die Zona pellucida, mit den Spermien im Stocken (heraushängenden Schwanzen: siehe das Verhinderung der Polyspermie Chromosomen aus einer somatischen Zelle (Mitose), und rechts oben ein Spermienkern: siehe seine riesenhafte Kondensation!

4 die primäre Oozyte ist in der ersten Prophase der Meiose gesperrt (erster meiotische Block).
Ovulation: unter dem Einfluss von FSH und LH setzt die Meiose fort (bis zur zweiten Metaphase; sekundäre Oozyte), kommt der zweite meiotische Block. Die Befruchtung löst diese Hemmung auf. Das Spermium ist schon innerhalb der Eizelle, als ihre Meiose beendet sich. Der Zellkern der reifen Eizelle (nach Meiose) ist der weibliche Vorkern, der des Spermiums der männliche Vorkern.

5 Die DNS der Spermien ist hochgradig verpackt, was den speziellen DNS-Verpackungs-proteinen, den Protaminen dankbar ist. Nach der Befruchtung werden die Protaminen aus dem männlichen Vorkern gegen Histone getauscht. Diesen Vorgang heisst man als Dekondensation, die die im Zytoplasm der Eizelle vorkommenden Protamin-bindende Proteinen erfordert. In der Zygote des Frosches (Xenopus) werden diese Austauschproteine als Nukleoplasminen genannt. In den Säugetieren sind verwandte Proteine nachgewiesen.

6 Bestimmung des Embryonalalters
Zeitpunkt 0: ist die Befruchtung Embryonaltage (ET) von der Befruchtung Embryonalwochen (EW) Embryonalmonate (EM)

7 Postimplantationsentwicklung: nach Implantation bis Geburt
Befruchtung, Zygote Entwicklung innerhalb der Zona pellucida: Preimplatationsentwicklung (0-9 ET) Implantation: um 6-9 ET Postimplantationsentwicklung: nach Implantation bis Geburt Embryonales Period: 0-2 EM Fötales Period: 2-9 EM

8 Die Entwicklung vor Implantation (Preimplantationsentwicklung)
Es dauert von Befruchtung bis Einbettung (Implantation). Das Embryo (Blastozyste) bettet in die Uterusschleimhaut (Endometrium) ein. Es passiert zwischen den 6-9. Tagen nach Fertilisation. Das Preimplantationsembryo entwickelt in der Zona pellucida. Die Kinozilienbewegung der Epithelzellen und Schleimhautperistaltik (im Eileiter und Uterus) treibt den „Embryoballe” zur Stelle der Einbettung. Die Aufgabe der Zona: mechanische Schütze für das Embryo und Verhinderung der frühzeitigen Einbettung an einem falschen Ort (normale versus ektopische Schwangerschaften).

9 Siehe: nächstes Dia

10 Furchung (cleavage) des menschlichen Embryo Die einzellne Zellen heißen wir als Blastomeren.
A: Sekundäre Oozyte, vor Befruchtung. Zona pellucida: Pfeilspitzen. Zellkern mit Nukleolus: altmodisch als Keimvesikel genannt. B: Befruchtete Oozyte oder Zygote. Pronucleus masculinus und femininus sind in der Mitte. Oben, unter Zona pellucida: sekund. Polkörperchen C: 2-Zellige Morula D: 4-Zellige Morula E: 8-Zellige Morula, nicht kompakte F: 8-Zellige Morula, kompakte G: kompakte Morula H: frühe Blastozyste, noch in der Zona pellucida, Pfeil: ICM, Pfeilspitzen: Trophoblast Zellen I: Späte Blastozyste, nach Ausschlüpfen aus der Zona (gleiche Markierung als in H)

11 Präimplantationsentwicklung
Zygote 1 Zelle Morula 2-32 Zellen Blastozyste Zellen Präimplantationsentwicklung Zeitdauer eines Zellzyklus: Stunden, grob ein Tag Mitosen: nicht vollsynchron (statt usw Zellen oft Zellen) Implantation

12 Zeittafel für preimplantationale Entwicklung des menschlichen Embryos: WO und WANN?

13 Morula Stadium des Froschembryos erinnert an Blombeere!

14 Kompaktion Die charakteristische Umwandlung der 8-zelligen Morula : die rasch erhöhende Zelladhesion klebt die Blastomeren zueinander.

15 Kompaktion im 10-zelligen menschlichen Embryo

16 Zelladhesion vermittelt duch Cadherinen:
KADHERIN Molekülen (transmembrane Adhesionsmolekülen) „Cadherin” Ca-abhängige Zelladhesion

17 Das Kompaktion ist der erste bedeutende Differenzierungsprozess unseres Leben.
Die Blastomeren VOR Kompaktion haben ~ gleiche Entwicklungspotenzial (Pluripotenz oder Totipotenz), DANACH die äußere Zellen spezialisiern zur Eihaute aufbauende Geweben, und das Embryo entwickelt nur aus den 1-3 innen bleibenden Zellen.

18 + EDTA: 3-5 Minuten Während Kompaktion erhöht das Expression von E-Cadherin (Adhesionsmoleküle) an der Zelloberfläche der Blastomeren. Das Adhession ist homophil (die E-Cadherin Moleköülen der benachtbarten Zellen binden sich aneinander. Diese homophile Bindung ist von extrazellulären Ca-Ionen abhängig: die Bilder zeigen das Effekt der EDTA (Chelator für Ca-Ionen) an kompakten 8-zelligen Morulae.

19 Die Entstehung der Blastozyste

20 In Zellmembran der äußeren Zellen erscheint eine Ionenpumpe (ein Enzym): der Na+/K+ ATP-ase. Mit der Energie der ATP Molekülen transportiert dieses Enzym Na-Ionen aus der apikalen Raum (außerhalb des Embryo) unterhalb der oberflächlichen Zellen. Dieses Ionentransport wird mit Wassereinströmung verfolgt, so wird eine Flüssigkeit innerhalb der Morula akkumulieren. Diese Ionenpumpe können wir mit Ouabain [wabain] hemmen. Wenn wir kompakte Morulae in Anwesenheit von Ouabain züchten, die Blastozystenhöhle entwickelt nie. So gelingen wir zum nächsten Stadium: Blastozystenstadium. Zuerst sieht man mehrere, kleinere Höhlen, die später miteinander verschmelzen, und der einheitliche Innenraum, das Blastozöl (Blastozystenhöhle) erscheint. Die innere Zellen bleiben nur bei einer Stellen in Zusammenhang mit der äußeren. Die äußeren Zellen werden abgeplattet. Die Blastozyste platzt fast vor grossen Menge der Blastozystenflüssigkeit aus (expanddierte Blastozyste: das Stadium unmittelbar vor Einbettung).

21 Während der Entwicklung der Blastozyste differenzieren DIE für die Bildung der äuβerste Eihaut verantwortliche TROPHOBLASTZELLEN (TROPHEKTODERMALE ZELLEN) und die innen bleibende 1-3 Zellen bilden die aus den Embryoblastzellen aufgebauteten innere Zellmasse (inner cell mass: ICM).

22 Präimplantationsdiagnostik
Embryobiopsie: am 3. ET (6-10-Zellige Morula) (oder neuerdings Blastozystenbiopsie) Öffnung der Zona: Laser, Säure Zellentnahme: 1 oder 2 Zellen Untersuchungen: PCR, FISH Haltepipette Saugpipette

23 Herausschlüpfen der Blastozyste (Hatching)

24 Zona pellucida Trophoblastzellen (von oben: Kopfsteinpflasterartiges Aussehen) Die (expandierte) Blastozyste schlüpft kurz vor Implantation aus der Zona pellucida heraus. Dabei spielen (wieder) proteolitischen Enzyme eine Rolle. Hier wurde ein mit Tripsin verwandtes Enzym (Strypsin) nachgewiesen. Mit diesem Enzyme bohrt das polare Trphoblast eine Lücke in die Zona.

25 EINBETTUNG 1. Das Lumen der Gebärmutter mit Blastozysten
Das Epithel und das darunterliegende Bindegewebe der uterinalen Schleimhaut Trophoblastzellen ICM

26 EINBETTUNG 2 parakrine Steureung der Einbettung
Für erfolgreiche Einbettung sind mehrere Wechselwirkungen zwischen Embryo und uterinalen Geweben notwendig. In der Mensch wurde es auch nachgewiesen, daß die Oestrogenen und der LIF (Leukemia Inhibiting Factor: ein Zytokine) vermitteln solche Wechselwirkungen. Wenn nach Befruchtung (aber vor Implantation) wird das Versuchstier kastriert (Eierstöcke entfernt), dann kann die Blastozyste nicht einbetten, sondern bleibt LEBEND -aber nicht weiterdifferenziert- in dem Gebärmutterlumen (vgl. Embryogenese bei den Wildtieren!) Wenn ein solches Versuchstier ein Oestrogeninjektion bekommt, passiert sofort eine Einbettung, und normale Weiterentwicklung. Das ist aber kein direkte Oestrogen Einwirkung, sondern duch die LIF-Sekretion steuerte Ereignis. Die Oestrogene stimulieren im Epithel der Uterinalschleimhaut ein starke LIF Produktion und Abgabe. In LIF K.O. Maus passiert kein Einbettung nach einer erfolgreichen Befruchtung. Bei den ovariektomierten Tieren eine LIF Injektion hat sofort die Einbettung zur Folge.

27 EINBETTUNG 3. Die Invasion der Trophoblastzellen: bei Einbettung, die Trophoblastzellen zeigen der Metastase der Tumorzellen ähnelnde Eigenschaften. Ebenso, wie die Tumorzellen, brauchen die TBZellen spezifische proteolitische Enzymen, die sog. Matrix Metalloproteinasen, MMP) für Abbau der Basallaminen (unter dem Uterusepithel und unter dem Kappilarendothel). Die Uterinalschleimhaut probiert diese Invasion Hemmen mit spezifischen Blockierungssubstanzen (Zellgebundene und freie TIMPs: tissue inhibitor of MMPs). Der Kampf zwischen Uterus und Embryo. Am Anfang winnen die TBZellen. Sie sind so invasiv, dass sie eben in die mütterlichen Lungen gelingen können. Choriocarcinoma: der Tumor der TBZellen. Dieser Tumon ist der schlechteste (sehr viele Metastasen bildende) zwischen den bekannten menschlichen Tumoren. Foeto-maternale Immunologie: MHC Inkompatibilität. Das Embryo trägt teils mütterliche (nicht stimulierende), teils aber vaterliche (immunostimulierende) Zelloberflächenporteine (MHC Molekülen). Warum wird es nicht ausstoßen (immune rejection)?

28 7.ET 8.ET 9.ET

29 Normale Stellen der Implantation im Gebärmutter (gelbes Area am Bild): in meisten Fall a Uterushinterwand, weit von den Tuba- und Zerviymündungen

30 Ektopische Implantationsstellen: „Extrauterine” Schwangerschaften
(ektopisch: an falscher Stelle passiert etwas)

31 Parthenogenesis (Jungfraugeburt) I.
Sind die männliche und weibliche Vorkerne gleichwertig? Untersuchungen mit der Maus: es ist möglich, die einzelne Vorkerne aus einer Zygote (mit Mikropipetten) zu entfernen (Unterscheiden: aufgrund ihrer unterschiedlicher Kernmorphologie) und in eine andere Zygote zu implantieren. So können wir eine Zygote mit zwei weiblichen Vorkerne (Gynogenese, 2n) oder mit zwei männlichen Vorkerne (Androgenese, auch 2n) herstellen. Ergebnisse: beides dieser Zygotentypen entwickeln weiter, aber das Embryo stirbt bei der Hälfte der Embryonalzeit. UNTERSCHIEDE: gynogenetisches Embryo schwach ausgebildete Plazenta mit einem kleinen Embryo, androgenetisches Embryo: ziemlich gut ausgebildete Plazenta mit fast nicht sichtbarem Embryo. Die zweierleie Genomen ergänzen einander. Ursache: Das DNS-Methylierungsmuster sind unterschiedlich in den Vorkerne.

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34 Normales (links) und gynogenetisches Mauseembryo (rechts) (ED11).

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36 Parthenogenesis II. Klinikum: Mola-Schwangerschaft: Die Mutter hat nur Plazenta-ähnliche Struktur im schwangerem Uterus, ohne Embryo. Vorausgesetzte Ursache: eine falsche (Kernlose?) Eizelle wird von einem Spermium Befruchtet, und der fehlender weiblicher Vorkern wird von Spermiumkern ersetzt (Spermiumkern verteilt mitotisch aber ohne Zellteilung, so wird das diploide Verhältnis wiederherstellt (Karyokinese, ohne Zellteilung). Die meisten Mola sind XX (YY meint lebensunfähige Gewebe).

37 Trophoblastkrankenheiten der Schwangerschaft (GTD: gestational trophoblastic disease)
tumorös keine Zotten fehlt Choriocarcinoma überall erweitert invasive Molaschwangerschaft stark komplette Molenschwangerschaft (46, XX, androgenetsich) mässig stellenweise erweitert es gibt inkomplette Molaschwangerschaft (often 69, XXY, Triploid) Proliferation der Trophoblastzellen Chorionzotten Embryo

38 Komplette hydatidiforme Mole (Mola hydatidosa): die gut entwickelte Plazentaartige Gewebe (stark entwickelte Plazentarzotten) enthalten KEIN EMBRYO. Komplette Molaschwangerschaft: entwickelt aus eine Zygote, die besitzt zwei haploide männliche Kromosomensatz (androgenetisches Embryo)

39 Komplette Mola

40 Komplette Mola