Embriologia ed organogenesi umana

Embriologia

L'embriologia permette di risalire al momento in cui fa la sua comparsa, come prodotto di concepimento, un organismo unicellulare, lo zigote, il cui significato è quello di dar origine a tutte le cellule di un nuovo individuo: dallo zigote inizia la lunga serie di eventi, caratterizzata da moltiplicazione, differenziazione, degenerazione e migrazione cellulare, che è il processo ontogenico.

Fusione dei gameti

Nell’uomo, come in tutti gli organismi che si definiscono a riproduzione bisessuata, lo zigote è il risultato della fusione di due cellule germinali aploidi denominate gameti: il gamete maschile è lo spermatozoo, il gamete femminile è la cellula uovo.

Gametogenesi

In entrambi i sessi le cellule progenitrici dei gameti (spermatogoni e oogoni) si localizzano in epoche precoci dello sviluppo all’interno delle gonadi dove ha luogo il processo che conduce alla formazione dei gameti (gametogenesi). Tappa fondamentale della gametogenesi è in entrambi i sessi la meiosi, una divisione cellulare che permette la riduzione dei cromosomi al numero aploide. A parte la meiosi però il processo di differenziazione che conduce ai gameti maturi è molto differente, nei tempi e nei modi, nel sesso maschile e nel sesso femminile.

Gametogenesi maschile

Nel sesso maschile la gametogenesi si realizza interamente a livello dei tubuli seminiferi del testicolo (gonade maschile): gli spermatozoi maturi emessi dal testicolo percorrono le vie spermatiche dove vengono prodotti i diversi secreti che costituiscono, unitamente agli spermatozoi stessi, il liquido spermatico. Gli spermatozoi derivano da cellule diploidi, gli spermatogoni. A partire dalla pubertà (11°-14° anno di età) e fino alla morte, gli spermatogoni si riproducono per mitosi. Mentre alcuni spermatogoni continuano a dividersi (spermatogoni di tipo A), garantendo in questo modo il permanere di una abbondante popolazione di cellule “progenitrici”, altri (spermatogoni di tipo B), sotto precisi stimoli ormonali, cessano di dividersi per mitosi, si spostano verso l’interno dei tubuli seminiferi e iniziano un processo di differenziazione; si formano così gli spermatociti di I ordine, che vanno incontro alla divisione meiotica. In seguito alla prima divisione, quella riduzionale, ogni spermatocita di I ordine dà origine a due spermatociti di II ordine, aploidi, dai quali, in seguito alla seconda divisione meiotica, quella equazionale, originano quattro spermatidi, piccole cellule rotonde, poste vicino al canale del tubulo, che, in seguito a un complesso processo di differenziazione cellulare (spermioistogenesi), non accompagnato da divisione cellulare, perdono il citoplasma e acquistano una coda e si trasformano in spermatozoi, cellule aploidi altamente differenziate, formate da una testa, che contiene il nucleo aploide, e scarso citoplasma, dal quale si diparte una coda, la cui struttura è assimilabile a quella di un ciglio, che conferisce agli spermatozoi la capacità di movimento autonomo. La testa contiene l’acrosoma, una specie di elmetto che contiene enzimi idrolitici che gli permettono di entrare nella cellula uovo. La parte intermedia contiene mitocondri impilati a spirale attorno ai filamenti della coda. Gli spermatozoi al momento della fuoriuscita dal testicolo sono immobili, ed il loro movimento si realizza solo nella fase finale del tragitto lungo le vie spermatiche quando vengono attivati da secreti ghiandolari (in particolare dalle vescichette seminali). Gli spermatozoi, negli umani, hanno vita breve e si considera che dal momento in cui vengono attivati siano vitali per circa 48 ore.

Gametogenesi femminile

Nel sesso femminile la gametogenesi si realizza a livello della corticale dell’ovaio (gonade femminile). Nella specie umana il gamete femminile arriva a completa maturazione solo nel caso che si realizzi la fecondazione e ciò avviene al di fuori dell’ovaio, nella tuba uterina. La cellula uovo matura deriva dagli oogoni, cellule diploidi che si riproducono per mitosi solo durante la vita intrauterina: ne deriva che al momento della nascita l’individuo di sesso femminile presenta a livello dell’ovaio un certo numero di oogoni (300-400 mila) e che non è più possibile da quel momento la produzione di oogoni. Gli oogoni all’interno dell’ovaio iniziano assai precocemente il processo di differenziazione e divengono oociti di I ordine. Sono cellule diploidi che iniziano ancor prima della nascita il processo della meiosi, bloccandosi però alla profase della prima divisione meiotica. Nel primo periodo fertile della vita della donna, cioè dalla pubertà alla menopausa, il processo di maturazione dei gameti femminili si completa, ma questo processo interessa un solo oocita di I ordine per volta; ogni 28 giorni un solo oocita di I ordine completa la prima divisione meiotica dando origine a due cellule aploidi. Solo circa 400 oociti di I ordine maturano nel corso della vita di una donna. Le cellule aploidi che originano dalla divisione meiotica di un oocita di I ordine non hanno lo stesso volume, in quanto una delle due (il I globulo polare) è quasi priva di citoplasma, raramente completa la divisione meiotica, ed è destinata a degenerare rapidamente. L’altra cellula ricca di citoplasma prende il nome di oocita di II ordine. Questa cellula aploide che deve ancora effettuare la seconda divisione meiotica per poter essere il gamete femminile maturo, viene espulsa dall’ovaio, in seguito allo scoppio del follicolo (ovulazione) e penetra nella tuba uterina. Se nel percorso lungo la tuba l’oocita di II ordine non incontra gli spermatozoi e non avviene la fecondazione, raggiunto l’utero, degenera e viene espulso durante la successiva mestruazione. Se invece l’oocita incontra gli spermatozoi e uno di questi perfora la sua membrana cellulare, esso completa la sua maturazione e va incontro alla seconda divisione meiotica. Le due cellule aploidi che originano dalla divisione meiotica di un oocita di II ordine non hanno lo stesso volume, in quanto una delle due (il II globulo polare) è quasi priva di citoplasma e destinata a degenerare rapidamente. L’altra cellula ricca di citoplasma è la cellula uovo matura. È il vero gamete femminile; il fatto che le due divisioni meiotiche dalle quali è originata abbiano permesso che tutto il citoplasma afferisse ad una sola cellula delle cellule figlie (i globuli polari sono provvisti di scarsissimo citoplasma) ne fa una cellula molto voluminosa del diametro di 150 µm. Di fatto è una cellula dalla vita molto breve perché quando essa ha completato il suo processo maturativo contiene già al suo interno il nucleo di uno spermatozoo ed è già iniziata la fecondazione.

Liquido seminale

È un liquido bianco lattiginoso, appiccicoso, mistura di spermatozoi e secreto delle ghiandole accessorie. Fornisce un mezzo di trasporto e nutrienti (fruttosio), protegge e attiva gli spermatozoi, e facilita il loro movimento. Al suo interno le prostaglandine diminuiscono la viscosità del muco della cervice, stimolando la peristalsi inversa nell’utero e facilitano il movimento degli spermatozoi nel tratto riproduttivo femminile, l’alcalinità relativa (pH = 7-7,8) del liquido seminale neutralizza l’ambiente acido dell’uretra maschile e della vagina. La seminalplasmin è una sostanza antibiotica che distrugge alcuni batteri. Fattori di coagulazione coagulano il liquido seminale subito dopo l’eiaculazione, poi la fibrinolisina liquefa la massa collosa. Vengono eiaculati solo 2-5 ml di liquido seminale, contenenti 50-130 milioni di spermatozoi/ml. La concentrazione degli spermatozoi è di 20-250 milioni/ml. Lo spermiogramma consiste: 1) nella conta della % di spermatozoi mobili; 2) nella valutazione della morfologia (cioè la % di spermatozoi con morfologia normale).

Processi preliminari alla fecondazione

Nella specie umana la fecondazione avviene di norma nel terzo distale della tuba uterina. L’oocita espulso da un follicolo ovarico nel corso dell’ovulazione, imbocca immediatamente la tuba uterina e procede verso l’utero grazie al movimento delle ciglia dell’epitelio tubarico ed alla contrazione della muscolatura della tuba. Poiché l’oocita una volta emesso dal follicolo ha vita breve (20-30 ore) è necessario che l’incontro con gli spermatozoi avvenga non molto tempo dopo l’ovulazione, quando cioè l’oocita ha percorso un breve tratto della tuba. Mentre l’oocita discende lungo la tuba, verso l’utero, gli spermatozoi deposti nella vagina percorrono rapidamente l’utero e risalgono lungo la tuba: quando incontrano l’oocita vi si affollano intorno. Grazie a meccanismi molecolari complessi, uno solo degli spermatozoi perfora la membrana cellulare dell’oocita e penetra all’interno del citoplasma dell’oocita. Una reazione di natura ancora poco nota rende la membrana dell’oocita impenetrabile da parte di altri spermatozoi. L’oocita di II ordine è stimolato a completare il suo processo mitotico e si divide “emettendo” il II globulo polare.

Il processo della fecondazione

A questo punto la cellula contiene al suo interno due diverse strutture nucleari, definite pronuclei: uno è quello maschile, è il nucleo dello spermatozoo, mentre l’altro è il pronucleo femminile, è quello della cellula uovo matura. I due pronuclei si spostano verso il centro della cellula mentre duplicano il loro contenuto di DNA. Nella cellula si rende evidente un fuso mitotico e quando le membrane cellulari dei due pronuclei scompaiono, i cromosomi in essi contenuti si dispongono a livello del fuso mitotico. Poiché ognuno dei due pronuclei contiene, negli umani, 23 cromosomi a livello del fuso mitotico, a livello del fuso mitotico si trovano disposti 46 cromosomi. A questo punto la fecondazione è completa e la cellula è nuovamente diploide: si tratta dello zigote. Esso deriva dalla fusione di due cellule aploidi e il suo corredo cromosomico, diploide, è diverso da quello di qualsiasi altra cellula, la sua potenza prospettica è enorme: lo zigote è destinato a dar origine a tutte le cellule che costituiranno il nuovo organismo. Quando compare è già in mitosi: subito dopo la fecondazione ha inizio la prima tappa dello sviluppo, la segmentazione.

Segmentazione

La segmentazione è una tappa dello sviluppo embrionario che segue immediatamente la fecondazione e termina allo stadio di blastocisti. Si realizza nell’arco di 4-6 giorni mentre il prodotto del concepimento (che nelle fasi precoci di sviluppo viene definito “germe”) discende lungo la tuba uterina fino a raggiungere l’utero. Nella prima fase si verificano una serie di mitosi in rapida successione che portano alla formazione di 32-64 cellule che perdono il nome di blastomeri. La prima mitosi è quella che appare al momento della formazione dello zigote e che si completa quando dallo zigote originano due cellule (il germe si definisce “allo stadio di due blastomeri”). Successive divisioni mitotiche, non accompagnate da aumento di volume cellulare, conducono alla formazione di 4 blastomeri, quindi di 8 e così via fino a che il prodotto del concepimento raggiunge uno stadio in cui appare formato da una masserella di piccole cellule, assumendo l’aspetto di una piccola mora: il germe si definisce “allo stadio di morula”. Mentre la morula, che ormai ha percorso tutta la tuba uterina, entra nell’utero e compaiono tra i blastomeri piccole raccolte di liquido prodotto dagli stessi blastomeri. Il liquido si raccoglie in posizione centrale spingendo i blastomeri verso l’esterno; solo alcuni blastomeri non si lasciano dissociare ma restano raggruppati in una masserella che rimane attaccata ai blastomeri periferici. In questo stadio dello sviluppo (cioè la fine della segmentazione) il germe assume l’aspetto di una vescicola (blastocisti o blastula) formata da uno strato di cellule periferiche che racchiude una certa quantità di liquido nella quale sporge un gruppetto di cellule saldamente ancorate alla parete. Le cellule che formano la parete della blastocisti daranno origine agli annessi embrionari, destinati a proteggere e a nutrire il germe, mentre le cellule che restano unite nella masserella sporgente sono destinate a dar origine al corpo dell’embrione. Da questo derivano i termini di trofoblasto (parete della blastocisti) e di bottone embrionario con i quali si definiscono le due componenti cellulari della blastocisti.

Impianto e gastrulazione

Intorno al settimo giorno dalla fecondazione la blastocisti raggiunge la cavità uterina. Ha inizio una tappa delicata dello sviluppo embrionale che vede le cellule del trofoblasto impegnate nel garantire l’impianto del germe nella mucosa uterina e le cellule del bottone embrionario impegnate nella gastrulazione. I due eventi si attuano contemporaneamente.

Evoluzione del bottone embrionario: la gastrulazione

Grazie ai fenomeni di migrazione cellulare e di differenziamento che si sommano all’aumento continuo di numero delle cellule (le mitosi sono sempre molto numerose), il bottone embrionario si trasforma in un disco appiattito nel quale sono presenti due strati di cellule. Le voluminose cellule dello strato più esterno, a contatto con il versante interno del trofoblasto, formano l’ectoderma embrionario, mentre le piccole cellule situate in un unico strato interno, verso la cavità della blastocisti, formano l’endoderma embrionario. Dorsalmente all’ectoderma, dal sacco amniotico primitivo e, ventralmente all’entoderma, si forma il primo abbozzo del sacco vitellino. L’embrione a questo stadio (stadio dei due foglietti), formato da ectoderma con il primitivo sacco amniotico ed entoderma con il primitivo sacco vitellino, si separa dal trofoblasto al quale rimane connesso unicamente dal peduncolo d’attacco (destinato a divenire il cordone ombelicale), rimanendo immerso nella cavità della blastocisti. Il disco embrionario bilaminare si allunga ed assume una forma ovalare; osservandolo dal lato dell’ectoderma, si vedono comparire strutture assili (linea primitiva e strutture connesse) che condurranno alla formazione di un cordoncino di cellule che percorre il disco embrionario in lunghezza: la notocorda. La comparsa della notocorda (che sarebbe il primo abbozzo della futura colonna vertebrale) permette di riconoscere nel disco embrionario una estremità cefalica, una estremità causale (cui è annesso il peduncolo d’attacco) e due antimeri, destro e sinistro, definendosi così i piani di una simmetria bilaterale. Contemporaneamente, fra i due foglietti ectoderma ed endoderma, diviene visibile un terzo foglietto: il mesoderma. L’embrione formato dai 3 foglietti e dalla notocorda si definisce gastrula. La gastrula rappresenta lo stadio da cui hanno inizio i diversi processi organogenetici, che porteranno alla formazione dei diversi organi ed apparati.

Evoluzione del trofoblasto: l’impianto del germe e gli annessi embrionali

Mentre a livello del bottone embrionario si attua la gastrulazione, il trofoblasto provvede all’impianto dell’embrione nello spessore della mucosa uterina. Le cellule più esterne del trofoblasto (sinciziotrofoblasto), grazie alla liberazione di enzimi proteolitici, erodono la mucosa uterina giungendo a scavarvi una nicchia nella quale l’embrione penetra profondamente. La mucosa dell’utero gravido subisce alcune trasformazioni strutturali e prende il nome di decidua. Si definisce “decidua parietale” l’ampio settore di mucosa uterina non interessata dall’impianto, mentre la zona ristretta di mucosa sulla quale l’embrione si impianta prende il nome di “decidua basale”; la decidua che riveste l’embrione annidato prende il nome di “decidua capsulare”. Grazie all’attività del trofoblasto inizia già dopo 7-8 giorni dalla fecondazione lo sviluppo della placenta, che garantirà per tutta la gravidanza gli scambi tra l’organismo materno e l’organismo fetale.

Placenta

Negli umani l’attività erosiva del trofoblasto è particolarmente vivace e causa la distruzione oltre che dell’epitelio della decidua basale anche del sottostante tessuto connettivo e dell’endotelio dei vasi materni con il risultato che il tessuto fetale derivato dal trofoblasto (generalmente chiamato corion) viene ad essere direttamente a contatto con il sangue materno. Per questo rapporto la placenta umana viene definita di tipo “emo-coriale”. La placenta umana è formata da una componente materna (la decidua basale) e da una componente fetale derivata dal trofoblasto.