Morfogenesi

Le creste neurali

Le cellule della cresta neurale si trovano tra il tubo neurale e l’epidermide. In seguito le cellule

migrano per dare origine ad un gran numero di tessuti. Sono cellule di origine ectodermica.

A seconda della localizzazione lungo il tubo neurale si distinguono in:

Cresta neurale craniale: porzione più posteriore dell’encefalo.

• Cresta neurale cardiaca:

• Cresta neurale vagali

• Cresta neurale del tronco

• Cresta neurale sacrali

•

Dalle creste neurali si originano diversi tessuti: l SNP dell’intestino, che consente la peristalsi;

le cellule della regione midollare della ghiandola surrenale; i gangli delle radici dorsali dei

nervi spinali (SNP); i melanociti della pelle; strutture scheletriche e muscolari della faccia.

Cresta neurale del tronco

Le cellule della cresta neurale del tronco migrano seguendo due percorsi:

1. dorso-laterale, verso l’esterno, immediatamente sotto l’ectoderma di rivestimento,

scivolando sopra il dermamiotomo.

Migrano verso il derma per originare i melanociti.

2. ventrale, scivolano ventralmente al tubo neurale e attraversano la porzione anteriore

dei somiti, costituita dallo sclerotomo.

Migrano verso regioni specifiche del mesoderma parassiale, da cui si originano le

ð

vertebre. In queste regioni le cellule della cresta neurale formano le strutture delle

radici dorsali dei nervi spinali: per questo motivo devono prendere contatto con le

cellule delle vertebre in formazione.

* Le vertebre hanno una particolare simmetria e formano forami, per consentire ai

nervi spinali di uscire dal midollo spinale.

Sulla superficie posteriore dei somiti non ci sono le molecole di adesione che consentono la

migrazione. Durante la migrazione, infatti, le cellule della cresta neurale si trovano all’interno

della trama formata dalla matrice extracellulare: le cellule, mediante pseudopodi, prendono

connessione con proteine e molecole di adesione della matrice extracellulare della porzione

anteriore o ventrale dei somiti.

una sezione longitudinale, e quindi separando la regione ventrale da quella

àAttraverso

dorsale, si possono seguire con un marcatore specifico le cellule della cresta neurale. La

migrazione non è estesa a tutta la regione del somite, ma è concentrata nella regione

anteriore, mai in quella posteriore.

iniettati, nelle cellule delle creste neurali, dei destrani (polimeri molto densi)

àVengono

coniugati con sostanze fluorescenti, in modo da seguirne il destino durante la migrazione:

hanno scoperto che queste cellule sono pluripotenti, ovvero possono originare un numero

definito di tipi cellulari ( es melanociti e radici dei gangli spinali). Assumono diversi destini in

base alle molecole che incontrano durante il percorso: ad esempio, sotto l’azione di

glucocorticoidi si differenziano in cromaffini della midollare surrenale; mentre se incontrano

il fattore di crescita dei fibroblasti, diventano competenti per il fattore di crescita del sistema

nervoso (NGF), esponendo recettori specifici sulla loro superficie.

* Totipotenti: cellule staminali che possono originare qualsiasi tipo cellulare.

La cresta neurale craniale

Nella regione del cranio non ci sono somiti e le cellule migrano dorso-lateralmente, nella parte

anteriore del collo, passando per il romboencefalo, fino a raggiungere gli archi

branchiali/faringei: qui subiscono l’influenza dei tessuti circostanti e si differenziano nelle

strutture ossee e muscolari della faccia.

Ad esempio dall’arco faringeo I si producono le cellule che originano l’incudine e il martello;

dall’arco faringeo II si origina la staffa.

*il romboencefalo si chiama così perché le cellule della cresta si muovono formando disegni a

rombo.

La cresta neurale cardiache

Migrano in una regione specifica del cuore, il tronco arterioso, dove emergono l’arteria

polmonare e l’aorta. Qui le cellule della cresta neurale separano le due arterie in formazione.

Sviluppo del mesoderma

Alla fine della gastrulazione, il tronco di un’embrione ha la struttura rappresentata nella

figura. Sotto l’ectoderma (foglietto in azzurro) il mesoderma è già parzialmente differenziato

in gruppi di cellule.

La specificazione delle diverse aree del mesoderma è data dal gradiente della proteina BMP4.

* la notocorda andrà a costituire l’apparato scheletrico.

Anteriormente al mesoderma del tronco, nella testa, si trova una quinta regione del

mesoderma: il mesoderma della placca precordale, da cui si originano il connettivo e di

muscoli facciali.

Mesoderma parassiale Somitogenesi

La somitogenesi è lo sviluppo successivo del cordone del mesoderma parassiale: da origine

alla maggior parte delle strutture muscolare del corpo, e in parte alle strutture scheletriche.

Ai lati del tubo neurale e della notocorda, lungo l’asse antero-posteriore, sono distribuiti i

somiti: sono masse simmetriche che si originano da un cordone di mesoderma inizile.

Le 5 fasi della somitogenesi:

1. Periodicità una coppia di somiti per volta partendo dalla parte anteriore

2. Separazione

3. Epitelializzazione

4. Specificazione

5. Differenziamento

Dal punto di vista molecolare il gene Hairy regola le prime due fasi: con colore scuro sono

indicate le cellule che esprimono Hairy. Nella porzione posteriore del cordone, che ancora non

è andata incontro a periodicità e separazione, il gene è molto espresso; nella porzione

anteriore, invece, è espresso solo in due fascette simmetriche, che rappresentano la porzione

terminale di un somite in separazione. Ogni somite si produce in 90 minuti: inizialmente il

gene Hairy è espresso lungo tutta la porzione posteriore e, al trascorrere del tempo, viene

espresso sempre in meno geni posteriori, spostandosi come un onda anteriormente, fino a

raggiungere e limitarsi alla porzione finale del somite.

La concentrazione dell’AR (acido retinoico) influenza l’espressione di questo gene. Il gene

Hairy influisce sulla regolazione di geni importanti per l’adesione tra le cellule: dove il gene è

espresso si attivano molecole che reprimono l’adesione e permettono la separazione di un

somite, a partire dal cordone del mesoderma parassiale.

Specificazione regionale

hanno dimostrato che il mesoderma parassiale è già destinato a formare

àEsperimenti

specifici somiti: se trapiantato da una regione posteriore dell’embrione ad una più anteriore,

non forma le nuove strutture del tessuto in cui è stato trapiantato, perché il suo sviluppo è già

stato condizionato a formare somiti con destino specifico. Esempio, viene trapiantato un

tassello molto posteriore di cordone del mesoderma parassiale, nel collo di un embrione di

pollo: invece di dare origine ad una vertebra cervicale, tipica della regione del collo, si

formeranno muscoli e costole anomale. Il tassello è già stato condizionato a formare delle

specifiche strutture.

Il cordone del mesoderma parassiale è diviso in diverse regioni:

1. Dermamiotomo: si originano le strutture dermiche della pelle.

2. Miotomo: darà origine al muscolo.

Miotomo ipoassiale al di sotto del tubo neurale (asse) ventrale

ðmuscolatura

• Inoltre, 4 somiti migreranno verso l’esterno per formare la muscolatura e alcune

strutture scheletriche degli arti.

Miotomo epiassiale al di sopra del tubo neurale del dorso

ðmuscolatura

•

3. Sclerotomo: si originano le strutture scheletriche.

Interazioni del mesoderma con i tessuti circostanti: le specificazione negli organi durante la

morfogenesi sono influenzate da tutti i tessuti che compongono l’embrione.

Ad esempio la specificazione del miotomo ipoassiale ed epiassiale è determinata da geni

diversi, che specificano destini diversi. Questi geni sono sotto l’influenza di morfogeni secreti

da tutte le regioni circostanti, come SHH della notocorda, che influenza sia lo sclerotomo che il

miotomo epiassiale. A sua volta la secrezione di SHH da parte della notocorda è influenzata da

altri tessuti.

regionalità delle diverse strutture garantisce che lo sviluppo sia corretto.

àLa

Formazone delle costole

Regioni diverse del somite si distribuiscono a formare strutture ossee e muscolari differenti, a

seconda della posizione che assumono all’interno del somite.

Componenti ossee della costola:

sclerotomo la porzione più prossima alla vertebra.

ð

miotomo epiassiale la struttura ossea intermedia.

ð

miotomo ipoassiale la struttura ossea più esterna.

ð

Componenti muscolari:

miotomo ipoassiale muscolatura intercostale

ðla

miotomo epiassiale la muscolatura del dorso.

ð

Differenziamento delle cellule muscolari

Le cellule muscolari sono molto particolari, perché vanno in contro ad un processo di

modificazione. Inizialmente le cellule del miotomo hanno un aspetto globulare.

Vanno incontro ad una determinazione mediata da alcuni morfogeni.

Le cellule si dividono: al termine della moltiplicazione si allineano all’interno del somite,

sfruttando molecole di adesione.

Si fondono e iniziano il differenziamento che porterà alla formazione della fibra muscolare, in

cui ci sono molti nuclei all’interno di un citoplasma.

Nella medicina rigenerativa si cerca di stimolare le cellule staminali del muscolo, le cellule

satelliti: si allineano lungo il muscolo e possono essere riattivate con particolari farmaci; non

si vedono lungo la fibra muscolare, ma sono sparse, come satelliti.

Mesoderma intermedio

Il mesoderma intermedio da origine ai reni, alle gonadi e ai sistemi dei dotti. Mentre si

forma, il sistema urogenitale deve prendere contatto con l’apparato circolatorio, formato dal

mesoderma laterale.

Inoltre interagisce con il mesoderma parassiale, che formerà i somiti: se si effettuano dei tagli

tra il mesoderma intermedio e il parassiale non si formano i reni nel lato del corpo in cui è

stata effettuata la fessura. Questo esperimento ha dimostrato che il mesoderma parassiale è

necessario per indurre il mesoderma intermedio a svolgere il suo destino.

Il nefrone, l’unità funzionale del rene, è costituito da oltre 10000 cellule ed almeno 12 tipi

cellulari diversi. Apparato urinario

L’apparato urinario si sviluppa dal mesoderma intermedio, con l’eccezione dell’epitelio che

riveste la vescica e l’uretra di origine endodermica. La porzione di mesoderma intermedio che

va a costituire gli elementi escretori dell’apparato urinario prende il nome di cordone

nefrogeno.

I cordoni nefrogeni sono dunque addensamenti mesenchimali bilaterali che si estendono dal

tratto cervicale a quello sacrale.

I nefrotomi cervicali che si sviluppano per primi, danno origine al pronefro, quelli toracici e

lombari superiori evolvono successivamente e vanno a costituire il mesonefro, il restante

blastema lombare e sacrale forma infine il metanefro.

Il rene si sviluppa attraverso tre stadi successivi, sia da un punto di vista temporale sia

spaziale:

1. Sviluppo del Pronefro - in posizione cervicale e toracica, tra testa e tronco.

A livello di ciascun somite della regione cervicale, il mesoderma intermedio forma

addensamenti cellulari definiti nefrotomi, che si trasformano in vescicole.

Alla fine della gastrulazione, alcuni somiti si piegano a formare un unico dotto, il dotto

pronefrico.

Per proliferazione della parete dorsale di ciascuna vescicola, si formano i tubuli del pronefro,

che si allungano caudalmente per fondersi col dotto pronefrico. Inizialmente questi tubuli

sono pieni di cellule ma presto si cavitano per apoptosi. Il dotto pronefrico successivamente

degenera anteriormente ma si allunga caudalmente per prendere contatto con la coacla (da

cui si origenerà la vescica).

pronefro nell’uomo non è quasi mai funzionale, ma è un ricordo di un sistema renale che

àIl

funziona nei vertebrati inferiori, e andrà incontro ad apoptosi. Infatti rimane funzionali solo

nei [Ciclostomi], in alcuni [Teleostei] e negli [anfibi] fino alla metamorfosi, che sono in grado

di rilasciare nell’acqua le impurità continuamente.

2. Sviluppo del Mesonefro - in posizione caudale nel segmento addominale.

Il mesonefro si sviluppa da somiti posti caudalmente a quelli che hanno dato origine al

pronefro. Il mesodema intermedio, nella regione toraco-lombare, prolifera e forma una cresta

urogenitale che si proietta nella cavità peritoneale e si divide in cresta genitale mediale e

cresta urinaria laterale.

Il dotto del pronefro, estendendosi caudalmente, induce i nefrotomi della cresta urinaria a

formare tubuli a forma di S, detti tubuli mesonefrici (più tubuli possono sviluppare a livello di

ciascun somite).

L’estremità mediale di ciascun tubulo mesonefrico invagina intorno ad un ciuffo glomerulare

e forma la capsula di Bowman costituendo un’unità di filtrazione nota come corpuscolo

renale. L’estremità laterale di ciascun tubulo mesonefrico entra separatamente nel dotto

pronefrico che si continua come dotto del mesonefro o di Wolff. Con lo sviluppo del sistema

mesonefrico, i tubuli pronefrici e la porzione craniale del dotto pronefrico si atrofizzano.

[Anamni] (dai ciclostomi agli anfibi), il mesonefro è il rene definitivo. Mentre negli

àNegli

[Amnioti] è transitoria e i dotti mesonefrici degenerano.

Contemporaneamente si formano anche le gonadi: durante la scomparsa del mesonefro, il

dotto di Wolf non scompare del tutto ma, nel maschio, diventerà parte dell’apparato genitale.

Nelle donne invece il dotto paramesonefrico diventerà il dotto di Muller (vedi lo sviluppo

delle gonadi).

3. Sviluppo del Metanefro - in posizione pelvica.

È il rene definitivo e si forma contemporaneamente all’involuzione del mesonefro.

Dal dotto mesonefrico si forma un’estroflessione: la gemma ureterica. Prende contatto con il

mesenchima metanefrogeno. Questi tessuti s’inducono a vicenda e formeranno,

rispettivamente, il sistema collettore e quello escretore.

Dopo la formazione della gemma, il blastema metanefrogeno gli si accresce intorno. Questi

tessuti devono diventare un tubulo continuo, il nefrone.

Induzione permissiva

Il metanefro (con gemma ureterica e tubo metanefrico) e il mesenchima metanefrogeno

costituiscono un esempio d’induzione permissiva in cui vi è un sistema di segnali

provenienti dal mesenchima fondamentale per lo sviluppo della gemma ureterica ed un

sistema di segnali, originati dalla gemma ureterica, che inducono la formazione di tubuli del

metanefro. * altri esempi sono la formazione dell’occhio.

Il mesenchima metanefrogeno induce all’uretere di estroflettersi per formare la gemma

ureterica; la gemma si ramifica e induce il mesenchima circostante ad addensarsi intorno alle

sue cellule, formando un cappuccio; il cappuccio si trasforma, assumendo una forma di S e

cambia il suo destino: assume la struttura e la funzione di un epitelio (epitelializzazione).

Segue un fenomeno di cavitazione, per formare il tubulo prossimale, il tubulo distale e il dotto

connettore del rene. Nel frattempo il mesenchima ha formato la capsula di Bowmann che

accoglie le arteriole: la gemma ureterica iniziale si è trasformata nel sistema di dotti.

in vitro: se si isola la gemma ureterica e si pone da sola in coltura non si

àDimostrazione

ramifica; anche il mesenchima isolato, in cultura degenera. Invece, se si fa un co-espiantato e

entrambe i tessuti si mettono in coltura, si forma un abbozzo di rene.

Tappe fondamentali dell’induzione reciproca:

1. Formazione del mesenchima metanefrogeno: è l’unico tessuto competente ad indurre la

gemma ureterica. viene messo in coltura con altre strutture: genera comunque tubuli

à

nefrici, anche se viene messo a contatto con l’epitelio polmonare. I fattori di trascrizione

che specificano questo tessuto sono quelli della famiglia Hox.

2. Il mesenchima metanefrogeno induce e dirige l’abbozzo dell’uretere. Per l’induzione della

gemma ureterica (abbozzo dell’uretere) è fondamentale il fattore GDNF, fattore derivato

dalle cellule gliali. È secreto dal m. metanefrogeno e i suoi recettori Ret si trovano sulla

membrana del dotto mesonefrico. Innescano una cascata di segnali che portano il dotto ad

estroflettersi per formare la gemma ureterica. Topi privi del gene codificante per GDNF o

per il suo recettore, muoiono precocemente per agenesia renale.

3. L’abbozzo dell’uretere previene l’apoptosi del mesenchima. Perché se il mesenchima

viene isolato dalla gemma ureterica degenera. La gemma ureterica secerne fattori, FGF2 e

BMP7, che inducono il mesenchima a differenziarsi.

4. L’abbozzo dell’uretere induce le cellule del mesenchima ad aggregarsi e a convertirsi in

cellule epiteliali. Per il processo di epitelializzazione, la gemma ureterica secerne fattori di

trascrizione che attivano nel mesenchima l’azione di E-caderine e sindecano per

l’aggregazione e collagene e laminina per formare la membrana basale; inoltre anche il

citoscheletro deve modificarsi.

5. Le cellule aggregate si convertono in un nefrone, l’unità funzionale del rene. A sua volta,

anche il mesenchima produce un fatore autocrino, Wnt4, che agisce direttamente sul

mesenchiama e consente di completare la transizione.

6. Il mesenchima induce la ramificazione dell’abbozzo dell’uretere. Il GDNF induce le

ramificazioni; altri fattori agiscono nello stabilizzare le ramificazioni, altrimenti

transitorie; altri ancora evitano una eccessiva ramificazione; e infine un collagene

specifica il modello di ramificazione ( es diverso da quello polmonare).

7. L’abbozzo dell’uretere induce le cellule staminali del mesenchima.

8. Il nefrone differenzia e l’abbozzo dell’uretere si accresce per prendere il contatto con

l’esterno. Fattori espressi dalle cellule del cappuccio (mesenchimali) che inducono il

differenziamento e l’accrescimento dell’epitelio ureterico.

La gemma ureterica rimanente, alla fine del processo, si trasformerà nell’uretere, il dotto che

coduce l’urina alla vescic. La vescica si sviluppa da una porzione della cloaca, che diventerà

ricettacolo di rifiuti sia per l’intestino che per i reni.