Embriologia

Embriologia e gametogenesi

Cellule gametiche e sviluppo delle cellule germinali primordiali

Le cellule gametiche derivano dalle cellule germinali primordiali, CGP, formatesi nell’epiblasto nella seconda settimana e in seguito giungono nel sacco vitellino nella quinta settimana.

Oogenesi e ciclo ovarico

I CGP si differenziano in oogoni che subiscono una serie di divisioni mitotiche e formano, alla fine del terzo mese, degli isolotti contornati da cellule epiteliali provenienti dalla superficie dell’ovaio. Le mitosi continuano ma alcuni di questi precursori rimangono in profase della meiosi I, in oociti primari. Dal quinto mese, oogoni e oociti cominciano ad andare in atresia ad eccezione di alcuni prossimi alla superficie dell’ovaio circondati da cellule follicolari, che formano i follicoli primordiali.

Poco prima della nascita, gli oociti entrano in diplotene, nel cui periodo si forma una fitta rete cromatinica, e si arrestano in tale fase, grazie all’inibitore IMO, secreto dalle cellule follicolari, fino alla pubertà. Solo alcuni di essi non andranno in atresia nella pubertà e ancor meno quelli che andranno incontro a ovulazione.

All’inizio della pubertà, ogni mese, si forma un gruppo di follicoli mantenuti dalle cellule follicolari e da un fattore ipofisiario, FSH, e di essi non tutti matureranno. Le cellule follicolari proliferano, grazie al GDF-9, e, con l’aumento del volume del follicolo, diventano cubiche e si moltiplicano dando origine all’epitelio della granulosa, regolate anch'esse dal FSH, le cui cellule secernono glicoproteine (filamenti di ZP2 e ZP3, legati secondo una rete tridimensionale dalla glicoproteina ZP1) costituendo la zona pellucida; si forma così il follicolo primario.

Le cellule della granulosa si poggiano su una membrana basale chiamata teca del follicolo che, espandendosi, si suddivide in una teca interna ed esterna ed espongono i recettori per FSH e LH. Tra le cellule della granulosa compaiono spazi ricchi di fluido che confluiscono nell'antro, e il follicolo verrà chiamato così follicolo antrale o di Graaf; le cellule circostanti all’ovocita formano il cumulo ooforo.

Questo avviene grazie all’aumento delle concentrazioni di FSH e LH e la maturazione porta alla vascolarizzazione della teca interna secernente steroidi, convertiti dalla granulosa in estrogeni, che portano all’ispessimento dell’endometrio (fase proliferativa), e una teca esterna che continua nello stroma ovarico. All’aumento della concentrazione di questi ormoni non corrisponde però una maturazione omogenea di tutti i follicoli: si assisterà perciò a una competizione in seno alla ricezione ormonale che porta all’esposizione dei recettori di membrana fino a che non si avrà un follicolo dominante; gli altri follicoli andranno in atresia per la ridotta o assente ricezione di segnali.

La produzione di LH porta al completamento della prima meiosi formando l’oocita secondario, che può iniziare l’ovulazione, ovvero la fase di espulsione dell’oocita dal follicolo, e un primo globulo polare, quasi privo di citoplasma. La cellula, che deve la sua crescita alla produzione di progesterone che ha portato l’endometrio alla fase secretoria, entra in meiosi II arrestandosi in metafase. Sulla superficie dell’ovaio, intanto, compare una zona rigonfiata con un apice avascolare, lo stigma. L’LH provoca la dissipazione del follicolo, da parte della collagenasi, ma anche contrazioni nello stroma, date dall’elevata concentrazione di prostaglandine, che liberano l’oocita per mezzo del movimento delle fimbrie nel lume della tuba in modo che le cellule del cumulo ooforo si riorganizzano per dare vita alla corona radiata.

Giunti alla conclusione dell’ovulazione, i vasi circostanti raggiungono le cellule granulose che si trasformano in cellule luteiniche e secernono progesterone che porta alla fase secretoria o progestinica per preparare l’impianto dell’embrione. Quando l’oocita viene fecondato, la sintesi di hCG, secreto dal sinciziotrofoblasto, previene la degenerazione del corpo luteo che cresce fino a divenire corpo luteo gravidico. Se dopo 24 ore dall’impianto l’ovulo non viene fecondato, degenera per luteolisi divenendo corpo albicante e la produzione di progesterone diminuisce causando lo sfaldamento dell’endometrio susseguito dal flusso mestruale, dovuto alla fuoriuscita di sangue dalle sinusoidi (fase mestruale).

Spermatogenesi

I cordoni sessuali puerili si sviluppano in tubuli seminiferi poco prima della pubertà e, contemporaneamente, le CGP danno origine agli spermatogoni staminali. Le staminali maturano in spermatogoni di tipo A che, a loro volta, si dividono in spermatogoni B, che producono spermatociti primari (2N). Nella prostata entrano in meiosi I sviluppandosi allo stadio di spermatociti secondari (N), dopo una profase di 22 giorni, che completano la meiosi come spermatidi che matureranno in spermatozoi con la spermiogenesi in circa 74 giorni (ogni giorno si producono 300000000 spermatozoi).

In questo processo si assiste a vari cambiamenti: la formazione dell’acrosoma, la condensazione del nucleo, la formazione del collo, della porzione intermedia e della coda e l’eliminazione di gran parte del citoplasma mediante la fagocitosi messa in atto dalle cellule di Sertoli. Una volta maturati entrano nel lume del tubulo e vengono spinti dalla parete contrattile verso l’epididimo, dove acquisiscono una motilità propria e autonoma.

In queste divisioni, che hanno luogo nell’ambiente creato dalle cellule del Sertoli, che mantengono nei loro processi citoplasmatici gli spermatogoni e gli spermatidi, per fornire loro sostegno e nutrimento, la citochinesi non va a completamento e si notano ponti citoplasmatici che uniscono ogni cellula in proliferazione. Tale differenziamento è regolato dall’LH che si lega alle cellule del Leydig stimolando la produzione di testosterone che si lega alle cellule del Sertoli; inoltre è deputato alla regolazione anche l’FSH che stimola la produzione del fluido testicolare e la sintesi di recettori per gli androgeni nelle cellule del Sertoli.

Fecondazione

L’incontro tra gli spermatozoi e l’oocita avviene nell’ampolla uterina, in prossimità delle ovaie e solamente una piccolissima parte degli spermatozoi rilasciati riesce a raggiungere l’ovulo. I movimenti degli spermatozoi, dati dalla contrazione uterina, della tuba e anche dalla loro propulsione, sono atti ad affrontare un viaggio che varia da 30 minuti a 6 giorni. Una volta raggiunto l’istmo, gli spermatozoi che hanno superato la cervice (circa l’1%) si fermano e, in seguito, ricominciano a migrare per alcuni fattori chemioattrattivi e termoattrattivi che permettono loro di arrivare all’ovulo.

Nella tuba uterina avviene un evento, della durata di circa 7 ore, necessario per la penetrazione nella cellula uovo, la capacitazione: la rimozione dalla regione acrosomiale di una glicoproteina, delle proteine del plasma seminale e del colesterolo, tramite l’albumina, rendendo la membrana più fluida. Nello stesso frangente possiamo assistere a una conseguente fosforilazione delle tirosine sulla membrana e allo smascheramento dei recettori di superficie; il pH interno degli spermatozoi, inoltre, dapprima leggermente acido, aumenta per la presenza di ioni HCO₃^- e Ca⁺⁺ che attivano l’enzima ADCY10 che produce cAMP, provocando l’apertura dei canali protonici della cellula e facilitando il movimento degli spermi.

Questa modifica morfologica consente la reazione acrosomiale: in seguito al legame di un oligosaccaride presente sulla membrana dello spermatozoo con la proteina zonale ZP3, che porta all’aumento della concentrazione di calcio nella cellula, lo spermatozoo rilascia dall’acrosoma enzimi litici, come l’acrosina e la ialuronidasi, nella zona pellucida creando, grazie all’intervento della ZP2, una galleria. Raggiunta la membrana della cellula uovo, si lega a due integrine oocitarie importanti Izumo e CD9 e si fonde con essa nella regione laterale poiché l’acrosoma è stato privato della membrana e non è più in grado di legarsi con il plasmalemma dell’oocita.

L’entrata è facilitata dai microvilli presenti sull’ovulo e provoca un’ondata di calcio che precede la reazione corticale in cui vengono liberati enzimi lisosomiali dai granuli corticali, che rivestono la membrana dell’oocita, determinando la reazione zonale che apporta un irrigidimento della zona pellucida, dato dalla degradazione delle ZP1 e ZP2, per evitare la polispermia. Lo sperma penetra con la coda che degenera rapidamente lasciando integro il nucleo che andrà a formare il pronucleo maschile* che fondendosi con il pronucleo femminile ristabilisce la diploidia necessaria per il termine della meiosi II.

*Il DNA dello spermatozoo è molto condensato ed è assemblato non solo con gli istoni ma anche con alcune proteine molto basiche, protamine, e una volta che il nucleo entra nell’ovulo, la cromatina si decondensa grazie ad alcuni enzimi secreti dall’oocita che lisano le protamine e i mitocondri vengono ubiquitinati e sottoposti a degradazione allo stesso modo.

Sviluppo prenatale

Con la fusione dei due nuclei, indotta dall’apertura dei canali per il Ca²⁺ che permettono l’entrata di ulteriore calcio proveniente dall’ambiente citosolico dello spermatozoo, si genera lo zigote che inizia il suo sviluppo con la segmentazione: dapprima si divide in due blastomeri fino ad arrivare a 8 cellule unite da una massa scarsamente compatta.

Oltrepassato tale stadio si assiste progressivamente alla compattazione in cui si forma uno strato di cellule esterne compattate grazie all’espressione di giunzioni serrate e una massa cellulare interna in proliferazione, connesse con giunzioni comunicanti con lo strato esterno. Allo stadio di morula, 16 cellule, comincia ad entrare del liquido attraverso la zona pellucida nella massa interna formando, in seguito, una cavità chiamata blastocele che porta alla denominazione dell’embrione con il termine blastocisti.

Le cellule della massa interna, embrioblasti, si localizzano a un polo e la massa esterna, i trofoblasti, ricoprono con la loro parete epiteliale la blastocisti; la zona pellucida scompare per permettere l’impianto nell’utero durante il sesto giorno guidate da delle proteine chiamate L-selectine sulla membrana dei trofoblasti e da recettori per i carboidrati sull’utero.

I recettori integrinici per la laminina e la fibronectina nella ECM promuovono rispettivamente l’attacco dei trofoblasti e la loro migrazione. All’epoca dell’impianto l’endometrio si presenta edematoso e ricco di vascolarizzazione arteriosa sinusoidale e sono riconoscibili tre strati distinti: lo strato superficiale compatto, lo strato spugnoso e uno sottile basale, che costituisce la parte rigenerativa delle arterie.

Durante l’ottavo giorno la blastocisti è parzialmente inclusa nello stroma e il trofoblasto si è differenziato in citotrofoblasto, parte interna, e sinciziotrofoblasto, esterno, che aumenta grazie alla migrazione delle cellule della parte interna in divisione che si fondono con le altre componenti della parte esterna. L’embrioblasto si differenzia anch’esso in due strati: l’ipoblasto, uno strato di cellule cubiche adiacente alla blastocele e uno strato di cellule cilindriche in prossimità della neoformata cavità amniotica, l’epiblasto.

Le cellule vicino al citotrofoblasto sono chiamate amnioblasti e ricoprono insieme all’epiblasto l’amnios; l’embrione alloggia su un endometrio edematoso le cui ghiandole secernono muco e glicogeno. Nel nono giorno la blastocisti si include ancor più profondamente nell’endometrio e la superficie sfondata dall’embrione viene ricoperta da un coagulo di fibrina. In seno al polo embrionale si sviluppano i vacuoli del sincizio che confluiscono formando ampie lacune (stadio lacunare).

Nel polo abembrionale si forma una sottile membrana che riveste la superficie interna del citotrofoblasto, membrana esocelomatica, che insieme all’ipoblasto racchiude la cavità esocelomatica o sacco vitellino primitivo. Tra l’undicesimo e il dodicesimo giorno, la blastocisti è quasi del tutto inclusa nello stroma, il sincizio penetra nello strato spongioso ed erode le sinusoidi permettendo l’immissione del sangue materno nelle lacune stabilendo la circolazione utero-placentare.

Dal sacco vitellino si differenziano cellule che formeranno uno strato di connettivo lasso, il mesoderma extraembrionale, sulla superficie interna del citotrofoblasto che ricoprirà il sacco vitellino e la cavità esocelomatica, connessi dal mesoderma tramite un peduncolo d’attacco. In breve tempo nel mesoderma si formano diverse cavità corioniche o celoma extraembrionale e si suddivide in mesoderma extraembrionale somatico, che riveste il citotrofoblasto e l’amnios, e mesoderma extraembrionale splancnico, che ricopre il sacco vitellino.

L’endometrio, intanto, subisce il processo della reazione deciduale: assume cellule poliedriche che accumulano glicogeno e lipidi per dare nutrimento all’embrione nei primi giorni di vita, svolgendo anche un ruolo di tutela immunologica, e gli spazi intercellulari sono sede di travasi. Al tredicesimo giorno il solco superficiale lasciato dalla penetrazione dell’embrione nell’endometrio è stato cicatrizzato anche se può verificarsi un sanguinamento per l’aumento del flusso ematico.

Il citotroblasto si protrude verso il sincizio generando delle strutture villose, i villi primari. Le cellule dell’ipoblasto proliferano nella superficie interna della membrana esocelomatica (di Heuser) portando alla nascita di una nuova cavità, il sacco vitellino secondario, più piccola del primitivo, e si riscontrano ulteriori cavità, cisti esocelomatiche, nella cavità corionica rivestita dalla placca corionica, formata da mesoderma extraembrionale che ricopre anche la cavità amniotica con un peduncolo, il futuro cordone ombelicale.

Nella terza settimana si assiste alla gastrulazione, ovvero la comparsa dei tre foglietti embrionali: endoderma, mesoderma, ectoderma. Alla fine della seconda settimana sulla superficie dell’epiblasto si distingue la linea primitiva che diviene sempre più evidente e durante la terza settimana si congiunge con un nodo primitivo che costituisce l’estremità cefalica che circonda la fossetta primitiva. Si assiste a una progressiva migrazione delle cellule epiblastiche della linea attraverso un’invaginazione, che continua fino alla quarta settimana, guidata dal fattore FGF8, che vede le cellule giungere nei luoghi di differenziamento dei foglietti embrionali.

Iniziano a proliferare, nel frattempo, in direzione laterale cefalica, vengono a contatto con il mesoderma extraembrionale passando per la placca precordale, tra l’apice della notocorda e la membrana buccofaringea, alla cui estremità craniale è costituita da ectoderma. Le cellule prenotocordali si intercalano nella fossetta primitiva e raggiungono la placca precordale; tali cellule si connettono per breve tempo con l’ipoblasto formando in questo modo la placca notocordale che, una volta staccatasi dall’ipoblasto, sostituito dall’endoderma, diviene notocorda definitiva, la base dello scheletro assiale, posta al di sotto del tuboneurale.

Tali cellule si estendono, dapprima, cranialmente alla placca precordale e alla notocorda, in seguito lateralmente al nodo, formando il mesoderma parassiale, dalla regione media del solco divenendo mesoderma intermedio e caudalmente alla fossetta primitiva, da cui origina il mesoderma della placca laterale. Dove la fossetta presenta un’invaginazione verso l’epiblasto si trova il canale neuroenterico che collega temporaneamente il sacco vitellino con l’amnios.

La membrana cloacale si forma all’estremità caudale: simile in struttura alla membrana buccofaringea, è formata da cellule ectodermiche e endodermiche addossate e una volta formata nella zona posteriore del sacco vitellino si forma il cosiddetto diverticolo allantoide. Si costituiscono in questo periodo gli assi corporei: l’asse anteroposteriore, con lo sviluppo delle cellule craniali del disco embrionale (endoderma viscerale anteriore, AVE) e si ha inoltre una vetralizzazione del mesoderma (mesoderma intermedio) dal disco bilaminare, per la secrezione di BMP4, per garantire la formazione dei reni, sangue e mesoderma della placca laterale.

Si avrà in seguito una dorsalizzazione del mesoderma per permettere al gene Goosecoid, antagonista di BMP4 proveniente dal nodo, di sviluppare il capo; la lateralizzazione sinistro-destra, data da una cascata di eventi molecolari derivanti dal nodo, la placca del tubo neurale la notocorda e dalla placca destra del mesoderma i cui prodotti vengono indirizzati alla lateralità grazie alle cilia pulsanti sul nodo o da un gradiente stabilito dalle giunzioni gap e dal trasporto di ioni; infine, l’asse dorsoventrale è dato dalla migrazione delle cellule sulla linea primitiva, controllata dal gene Brachyury espresso nel nodo, nelle cellule prenotocordali e nella notocorda.

Nella quarta settimana la linea primitiva regredisce e ben presto scompare a causa della differenziazione con progressione craniocaudale. Il trofoblasto sviluppa all’inizio della terza settimana i villi secondari, costituiti dai villi primari e dal mesoderma, che crescono in direzione della decidua e alla fine della terza settimana alcune cellule mesodermiche si differenziano nel sistema capillare dei villi, evolvendosi a villi terziari. I vasi sono presenti nel mesoderma della placca corionica e nel peduncolo costituendo un collegamento tra il sistema circolatorio intraembrionario e placentare e nella quarta settimana è pronto a fornire metaboliti all’embrione. Si forma un guscio esterno citotrofoblastico, che riveste il sincizio, i cui villi penetrano nella...