Embriologia

Embriologia

L'embriologia è lo studio dei processi dello sviluppo prenatale che comprende la generazione dei diversi tipi cellulari di cui è composto l'organismo e la definizione della forma del corpo e delle sue parti. Il nuovo organismo può essere nominato in vari modi durante il periodo di sviluppo prenatale, in particolare:

• Pre-embrione nelle prime due settimane di gestazione.
• Embrione dalla seconda settimana fino al terzo mese.
• Feto dal terzo mese fino al parto.

L'organismo umano si sviluppa a partire dallo zigote che è il frutto dell’incontro di un oocita con uno spermatozoo per poi andare incontro a degli eventi di segmentazione che permetteranno l’origine dei tessuti grazie a divisioni mitotiche accompagnate da trasformazioni biochimiche, fisiologiche e funzionali dettate dalle informazioni contenute nel DNA (infatti il genoma si esprime nel proteoma in modo che combinandosi insieme possano dare origine ad un nuovo organismo).

Durante lo sviluppo i nuclei non subiscono modificazioni irreversibili ed è quindi possibile tornare indietro nel processo di differenziamento che prevede l’acquisizione di caratteristiche strutturali e funzionali diverse per ogni tipo cellulare (ad esempio, il tessuto mesenchimale, che è il tessuto embrionale per eccellenza, darà origine al tessuto connettivo).

L’insieme degli eventi che portano al differenziamento è detto pattern formation e comprende la fecondazione, la segmentazione, la gastrulazione, l’organogenesi, la crescita, la nascita, la maturità e la gametogenesi; il ciclo vitale dell’organismo umano è lo stesso dei metazoi che sono quegli organismi dotati di gruppi di cellule con diverse specializzazioni (in cui sono compresi gli animali pluricellulari).

N.B. La tappa fondamentale dello sviluppo embrionale è la terza settimana di gestazione in quanto in questo periodo avviene la gastrulazione che permette la definizione dell’asse cefalo-caudale, dell’asse sagittale e dell’asse ventro-dorsale, la formazione dei tre foglietti embrionali e morfogenesi secondo delle informazioni e degli input molecolari specifici e precisi.

Si definisce tessuto un insieme di cellule che svolgono la medesima funzione (ne sono esempio il tessuto epiteliale, il tessuto connettivo, il tessuto muscolare ed il tessuto nervoso); tutti i tessuti dell’organismo si sviluppano a partire dai tre foglietti germinativi che sono l’ectoderma, il mesoderma e l’endoderma.

Si definisce organo un insieme di tessuti che svolgono la stessa funzione (ne sono esempio il cuore, i polmoni, lo stomaco e l’ipofisi).

Si definisce sistema un insieme di organi che collaborano ad uno scopo comune ed omogenei per funzione e struttura, spesso anche per derivazione embriologica (ne sono esempio il sistema nervoso, il sistema circolatorio ed il sistema immunitario).

Si definisce apparato un insieme di organi che collaborano ad uno scopo comune e diversi sia per funzione che per struttura, e spesso anche per origine embriologica (ne sono esempio l’apparato locomotore, l’apparato genitale e l’apparato digerente).

Ovogenesi

L’ovogenesi è il processo di maturazione dei gameti femminili che avviene all’interno dell’ovaio in cui a partire dal quinto mese di vita del feto in cui sono già presenti 5-7 milioni oogoni, cioè quelle cellule che si dividono per mitosi asimmetrica per permettere la formazione dei gameti maturi; il numero di oogoni si riduce a circa 1-1.2 milioni al momento della nascita per poi giungere a 400.000-450.000 alla pubertà e di questi solo circa 400 arriveranno a maturazione.

Al momento della nascita le cellule sono bloccate nella profase della prima divisione meiotica (profase I) e, a partire dal menarca (cioè la prima mestruazione), circa una volta al mese 6-12 oociti primari iniziano a maturare insieme alle cellule che lo circondano che nel loro insieme formano il follicolo, il quale attraversa diverse fasi:

• Follicolo primordiale (diametro 20-25 μm) quando l’oocita primario è avvolto da una fila di cellule più o meno appiattite che formano un epitelio pavimentoso semplice.
• Follicolo primario unilaminare quando l’epitelio follicolare o cellule della granulosa assumono un aspetto cubico.
• Follicolo primario multilaminare quando l’epitelio follicolare diventa composto a causa della proliferazione delle cellule della granulosa, le quali iniziano a produrre quattro diverse tipologie di glicoproteine ZP che si interpongono fra la membrana plasmatica dell’oocita e lo strato di cellule follicolari formando la zona pellucida. Inoltre, in questa fase le cellule della granulosa emettono dei prolungamenti citoplasmatici per connettersi con l’oocita mediante delle gap junctions e dei desmosomi (servono per il mantenimento del trofismo dell’oocita) ed iniziano ad essere espressi i recettori per l’ormone follicolo-stimolante (FSH).
• Follicolo secondario quando gli spazi intercellulari presenti fra le cellule della granulosa si fondono in un unico spazio detto antro follicolare che è pieno di un liquido (liquor follicoli) prodotto dalle stesse cellule della granulosa che contiene acqua e molecole. In questo modo, l’oocita primario, che ha raggiunto un diametro di circa 80 μm, insieme ad alcuni strati di cellule della granulosa che lo ricoprono sono dislocati ad un lato del follicolo a formare il cumulo ooforo.
• Follicolo terziario o di Graaf quando, grazie all’espressione dei recettori per l’ormone luteinizzante (LH) e per suo effetto, il cumulo ooforo si distacca dalla parete (sembra galleggiare nell’antro follicolare), la quantità di liquido aumenta e l’oocita, che ha raggiunto un diametro di 100-150 μm, avanza nella meiosi fino alla metafase I. Nel frattempo, le cellule dello stroma connettivale dell’ovaio circondano il follicolo formando la teca follicolare che si divide in teca interna (cellule globose) che ha la funzione di produrre androgeni che verranno convertiti in estrogeni dalle cellule della granulosa grazie all’enzima aromatasi per induzione del FSH ed in teca esterna (ha il tipico aspetto del tessuto connettivo).

N.B. Dopo circa una settimana dall’inizio della maturazione solo uno dei 6-12 oociti primari iniziali continua a svilupparsi. Intorno al 14° giorno dall’inizio della mestruazione, il follicolo è maturo e grazie ad un picco di LH e di FSH l’oocita completa la prima divisione meiotica in modo che possa avvenire il fenomeno dell’ovulazione in cui, a causa della tensione interna, il follicolo si ingrandisce fino a scoppiare per permettere il rilascio dell’oocita secondario (bloccato in metafase II) all’interno di una tuba di Falloppio, mentre il follicolo residuo all’interno dell’ovaio si trasforma in corpo luteo, in particolare le cellule della ex-teca producono piccole quantità di estrogeni, mentre le cellule della granulosa (ora dette cellule luteiniche della granulosa) iniziano a produrre progesterone che permette l’inspessimento della mucosa endometriale per accogliere l’eventuale cellula uovo fecondata.

N.B. In caso di mancata fecondazione il corpo luteo va incontro ad atresia dopo circa 14 giorni promuovendo lo sfaldamento endometriale per un calo del progesterone, mentre se si verifica la fecondazione il corpo luteo matura in un corpo luteo gravidico che continua la produzione di progesterone grazie all’azione della gonadotropina corionica umana prodotta dal corion embrionale.

Spermatogenesi

La spermatogenesi è il processo di formazione dei gameti maschili che avviene all’interno dei tubuli seminiferi del testicolo in maniera continuativa a partire dalla pubertà (si registra un calo con l’avanzare dell’età ed una variazione ciclica della produzione di spermatozoi nel tempo e nello spazio). Gli spermatogoni sono le cellule che si dividono per mitosi asimmetrica e sono localizzati nella porzione più esterna del tubulo seminifero; esse maturano in spermatociti primari diploidi, poi in spermatociti secondari aploidi, successivamente si differenziano in spermatidi ed infine tramite il processo della spermiogenesi maturano in spermatozoi.

Il processo di maturazione ha un andamento centripeto dall’esterno verso il lume del tubulo (all’interno del quale sono riversati gli spermatozoi) ed è sostenuto dal punto di vista trofico dalle cellule del Sertoli che forniscono il nutrimento alle cellule spermatiche in via di sviluppo e dalle cellule interstiziali del testicolo o cellule di Leydig che producono ormoni sessuali maschili.

Lo spermatide è una cellula globosa che matura in spermatozoo secondo il processo della spermiogenesi (22-24 giorni) che è composto da quattro fasi:

1. Fase del Golgi in cui l’apparato di Golgi dello spermatide inizia a produrre materiale enzimatico racchiuso all’interno di alcune vescicole che fondendosi formano un unico granulo acrosomiale racchiuso all’interno della vescicola acrosomiale; la vescicola si forma al polo opposto della cellula rispetto al luogo in cui migrano i centrioli che cominciano a dare forma all’assonema che andrà a costituire il flagello.
2. Fase del cappuccio in cui l’acrosoma si avvolge per circa due terzi alla superficie del nucleo.
3. Fase acrosomiale in cui si verifica il completamento della formazione dell’acrosoma che copre circa la metà del nucleo, che si sta allungando e condensando, e lo spermatide si allinea con la testa rivolta verso la parete del tubulo ed il flagello in allungamento verso il lume.
4. Fase di maturazione in cui si assiste alla conclusione della formazione del flagello e della testa tramite la perdita del citoplasma (in modo che nella testa rimanga spazio solo per il nucleo e l’acrosoma), il distacco delle vescicole (che sono fagocitate dalle cellule del Sertoli), l’avvolgimento a spirale dei mitocondri intorno al collo del flagello, l’ingrandimento dell’acrosoma che assume una forma a punta ed alla condensazione del DNA all’interno del nucleo grazie alla trasformazione degli istoni in protamine ricche in arginina.

Infine, gli spermatozoi ancora non mobili sono riversati all’interno del lume del tubulo seminifero e sono convogliati grazie al movimento ondulatorio delle ciglia dell’epitelio testicolare prima nella rete testis, nei dotti efferenti e poi nell’epididimo dove rimangono per acquisire la mobilità e subire il processo di decapacitazione che comprende l’aggiunta di glicoproteine che non ne permettono il riconoscimento da parte dell’ovulo.

La spermatogenesi è un processo finemente regolato dall’ipotalamo che secerne GnRH (Gonadotropin Releasing Hormone) che agisce sull’ipofisi permettendo la produzione dell’ormone FSH che stimola le cellule del Sertoli alla produzione di Androgen Binding Protein (ABP) e di inibina che ha un effetto di feedback negativo sull’ipofisi e sull’ipotalamo e dell’ormone LH che agisce sulle cellule di Leydig permettendo la produzione del testosterone (si lega alla ABP per entrare in circolo).

N.B. Ogni eiaculato contiene circa 200 milioni di spermatozoi ma solo circa 200 arriveranno al luogo della fecondazione posto nel terzo inferiore di una delle tube di Falloppio (è la regione più distale e lontana dall’utero).

Fecondazione

Nel corso dei secoli sono state formulate numerose teorie sull’origine dell’individuo umano, ad esempio in un trattato sanscrito del 1400 a.C. si credeva che l’embrione avesse origine dalla fusione di sangue e seme, mentre nel 1759 Gaspare Federico Wolff ipotizzò che potesse derivare dalla crescita e differenziazione di cellule specializzate, ma solo nel 1839 gli scienziati Schleiden e Schwann ipotizzarono che l’embrione originasse da una singola cellula detta zigote e che attraverso una serie di divisioni portasse alla formazione dei tessuti.

Gli spermatozoi convogliati nell’epididimo (che è un tubo convoluto lungo circa 6-7 metri) subiscono un processo noto come decapacitazione, cioè vengono resi non fertili grazie alla presenza di glicoproteine sulla superficie esterna ma acquisiscono la mobilità che permetterà loro di passare attraverso il dotto deferente e l’uretra maschile e, dopo essere stati deposti nel canale vaginale, dovranno attraversare l’utero e le tube di Falloppio per raggiungere l’ampolla tubarica in cui si localizza l’ovulo (con un percorso complessivo di circa 20 cm).

Lungo il percorso, i punti più ostici da superare sono la cervice uterina e l’istmo delle tube ma gli spermatozoi sono aiutati nel loro spostamento dal movimento ondulatorio del flagello e dalle contrazioni toniche della muscolatura liscia dell’utero e della vagina, inoltre l’oocita produce alcuni ormoni fra cui il progesterone che permettono un richiamo chemiotattico degli spermatozoi e la tuba di Falloppio presenta una differenza di temperatura fra l’istmo e l’ampolla che permette un meccanismo di termotassi (circa 34.7°C nell’istmo e circa 36.3°C nell’ampolla) in modo che circa 200 spermatozoi possano raggiungere l’ampolla tubarica.

Quando lo spermatozoo e l’oocita si incontrano, il gamete maschile riesce a farsi strada fra le cellule della granulosa rimaste attorno all’oocita a formare la corona radiata grazie alla produzione dell’enzima ialuronidasi e permette l’innesco di alcuni meccanismi che porteranno alla fecondazione dell’oocita da parte di un unico spermatozoo:

1. Capacitazione è il processo che permette allo spermatozoo di rendersi nuovamente fertile; esso inizia nelle vie femminili, in particolare all’interno dell’utero l’albumina presente nel fluido uterino si lega al colesterolo della membrana spermatica determinandone l’eliminazione ed aumentandone la fluidità in modo da esporre specifici recettori sulla testa dello spermatozoo che permettono l’entrata degli ioni bicarbonato (HCO₃^-) e calcio (Ca²⁺), i quali si legano all’enzima adenilato ciclasi di membrana promuovendo un aumento della concentrazione citoplasmatica di cAMP e l’attivazione della PKA che tramite fosforilazione di alcuni residui tirosinici permette l’esposizione di recettori capaci di legare le molecole della membrana oocitaria. Inoltre, si verifica una ridistribuzione dei fosfolipidi della membrana dello spermatozoo, una stimolazione dell’attività del flagello che assume un movimento a frusta che facilita il passaggio attraverso le cellule della granulosa ed una perdita di affinità per le cellule epiteliali dell’istmo.
2. Attivazione è il processo che permette allo spermatozoo di attraversare la zona pellucida; esso avviene grazie alla presenza dei recettori per la glicoproteina ZP3 presenti sulla testa dello spermatozoo che, legandosi alle proteine esposte sull’oolemma, sono in grado di indurre una modifica delle altre ZP che a sua volta scatena la reazione acrosomiale che è il processo di liberazione degli enzimi contenuti all’interno dell’acrosoma. Tale evento inizia con la fusione parziale e casuale della membrana acrosomiale esterna con il plasmalemma dello spermatozoo con conseguente fuoriuscita del materiale enzimatico necessario per la penetrazione.
3. Penetrazione è il processo che permette l’entrata dello spermatozoo all’interno della cellula uovo, in particolare, dopo l’espulsione del materiale acrosomiale, la membrana acrosomiale interna è disposta intorno al nucleo e presenta un segmento equatoriale detto lamina post-acrosomiale che prende contatto con le strutture microvillari dell’oocita, il quale emette uno pseudopodo verso la porzione anteriore dello spermatozoo accogliendone la testa, mentre la regione posteriore della testa e la coda sono inglobate per fusione diretta delle membrane. [L’evento di penetrazione della corona radiata, della zona pellucida e della membrana dell’oocita dura circa 15-20 minuti]

N.B. Il tempo 0 della fecondazione corrisponde alla liberazione degli enzimi lisosomiali dell’acrosoma e la fecondazione deve avvenire entro 24 ore dall’ovulazione poiché l’oocita degenera, mentre gli spermatozoi possono sopravvivere nelle vie genitali femminili fino a 48 ore.

4. Attivazione dell’oocita è il processo che porta alla completa maturazione dell’oocita secondario in seguito al contatto con lo spermatozoo per la formazione di uno zigote; questa fase inizia grazie alla presenza dell’enzima fosfolipasi C-ζ dello spermatozoo che scinde il fosfatidilinositolo-4,5-difosfato (PIP₂) in diacilglicerolo (DAG) e fosfatidilinositolo-1,4,5-trifosfato (IP₃), in particolare IP₃ si lega ed attiva un canale per il Ca²⁺ ligando-dipendente del reticolo endoplasmatico liscio dell’oocita fecondato, mentre DAG attiva la PKC che permette l’apertura dei canali del Ca²⁺ dell’oolemma provocando quindi un aumento citoplasmatico della concentrazione di Ca²⁺, le cui successive ondate permettono la reazione corticale, cioè l’esocitosi di granuli corticali presenti sulla superficie interna della membrana dell’oocita che si uniscono a formare una barriera proteica impenetrabile per gli altri spermatozoi (localizzata esternamente all’oolemma ed internamente alla zona pellucida). Nel frattempo, si verifica anche la ripresa ed il completamento della meiosi II che porta alla liberazione del secondo ed ultimo globulo polare e alla formazione del pronucleo femminile e l’attivazione di alcuni mRNA materni utili allo sviluppo dello zigote.
5. Formazione dello zigote è il processo di fusione dei pronuclei in un unico nucleo; in...