Embryologie, Wachstum und Entwicklung

Man unterscheidet eine Blastemzeit von der Befruchtung bis zur Ausbildung der drei primären Keimblätter (Ektoderm, Mesoderm, Entoderm) und den ersten axialen Strukturen (1.–3. Woche), eine Embryonalzeit (4.–8. Woche), in der die Anlagen für die großen Organsysteme entstehen, und eine Fetalzeit (von der 9. Woche bis zur Geburt) in der die Hauptdifferenzierungs- und Reifungsprozesse der Organe, insbesondere des Nervensystems ablaufen. Wichtige Zeitpunkte sind die Implantation in die Uterusschleimhaut, die am 6. Tag nach der Befruchtung beginnt, sowie die Ausdifferenzierung der Lungen in der 24.–26.Woche, wonach der Fetus im Falle der Frühgeburt eine Überlebenschance hat. Die Fetalperiode geht fließend in die Perinatalperiode über, die vom Ende der 28. Woche bis zum 7. Lebenstag gerechnet wird. In dieser Phase werden die verschiedenen Organe des Fetus auf die Geburt und auf die funktionellen Erfordernisse des extrauterinen Lebens vorbereitet. In der Postnatalperiode werden in den ersten 2 Lebensjahren vom Menschen eigene Fähigkeiten wie der aufrechte Gang und die Sprachfähigkeit erlernt. Der Mensch bleibt auch noch viele Jahre später entwicklungsfähig und zeigt Wachstums- bzw. Reifungsmechanismen, wie z. B. den Wachstumsschub in der Pubertät (Moore und Persaud 2007; Rohen und Lütjen-Drecoll 2006).

Um eine Arterhaltung und identische Reproduktion zu gewährleisten, müssen alle Entwicklungsschritte der menschlichen Embryonalentwicklung sowie der genaue zeitliche Ablauf und die Entwicklung der verschiedenen Organsysteme und Gewebe im Genom verankert sein. Die verschiedenen Stufen der Embryonalentwicklung werden durch eine Art Genhierarchie gesteuert, an deren Ende über verschiedene Kaskaden von Genen, Transkriptionsfaktoren oder parakrinen Faktoren die Regulation von organ- und gewebsspezifischen Genen steht. In der Entwicklung müssen Gewebe und Zellen miteinander kommunizieren, um eine exakte und zeitliche und räumliche Koordination zu gewährleisten. Bisher konnten eine Vielzahl regulatorischer Gene, die von ihnen kodierten Proteine, ihre Reaktionswege, ihre Rezeptoren sowie die von ihnen ausgelösten zellulären Signalwege aufgeklärt werden. Neben den stationären Faktoren in Form von extrazellulären Matrixproteinen und Zelloberflächenproteinen, die über direkte Zell-Zell-Kontakte wirken können, spielen die löslichen Faktoren, die über größere Distanzen ihre Zielzellen erreichen können, eine große Rolle (Abb. 1). Ein zusätzlicher Einfluss auf die Formveränderungen der Organe kann auch über einen programmierten Zelltod, die Apoptose, erreicht werden (Grobstein 1956; Saxen 1972).

Unabhängig von dem genetischen Programm ist das gewebliche Umfeld entscheidend. Im frühen Stadium sind Zellen noch pluripotent, z. B. würde ein Gewebestückchen, das normalerweise zum Neuralrohr geworden wäre, bei Einpflanzung in die Bauchregion zur Bauchhaut. Diese Induktionsvorgänge sind davon abhängig, ob das zu aktivierende („induzierende“) Gewebe die Kompetenz hat bzw. die notwendigen Rezeptoren und intrazellulären Signalproteine besitzt, um entsprechend reagieren zu können. Dies lässt sich an einem gut untersuchten Beispiel für einen Induktionsvorgang an der Augenentwicklung veranschaulichen: Das Augenbläschen (Induktor) induziert die Entwicklung der Linse aus dem Oberflächenepithel des Kopfes (Indukt). Fehlt das Augenbläschen, so entwickelt sich kein Auge. Andererseits kann das Augenbläschen, das an eine andere Stelle unter das Kopfektoderm implantiert wird, auch dort die Bildung einer Linse bewirken, allerdings nicht wenn es z. B. unter die Bauchhaut gepflanzt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die induzierenden Signale wie Fibroblasten-Wachstumsfaktoren (FGF, Fibroblast growth factor) und knochenmorphogenetischen Proteine (BMP, Bone morphogenetic proteins) auf einen nicht kompetenten Epidermisabschnitt treffen würden. Umgekehrt entwickelt sich aber auch im kompetenten Kopfektoderm kein Linsenbläschen, wenn die Induktionssignale fehlen oder nicht im richtigen Zeitfenster eintreffen. Die Festlegung einer bestimmten Differenzierung wird Determination genannt. Die Morphogenese der Organe setzt einen zeitgerechten, geordneten Ablauf wechselnder Induktions- und Determinationsprozesse voraus.

Im Laufe der letzten Jahrzehnte hat sich unser Verständnis für die embryonalen Entwicklungsprozesse deutlich gewandelt. Durch die Kenntnis über beteiligte Zelltypen, Signalmoleküle und Rezeptoren konnte eine Vorstellung darüber entwickelt werden, was Induktion und Kompetenz eines embryonalen Gewebes bedeutet.

Nur so wird erreicht, dass der genetisch definierte Körperbauplan zeitlich und räumlich koordiniert in einen funktionsfähigen Organismus umgesetzt wird.

Mutter, Plazenta und Kind bilden eine übergeordnete Einheit. Die Plazenta übernimmt zunächst alle wichtigen Funktionen wie Ernährung, Gasaustausch, Zirkulation, Entgiftung sowie endokrine Sekretion. In der 2. Hälfte der Schwangerschaft übernimmt der Fetus nach und nach selbst einige dieser Funktionen nach Induktion und Bildung der verschiedenen endokrinen Gewebe.

Aus Vorstufen, die vom Fetus oder von der Mutter stammen können, werden im Synzytiotrophoblast der Plazenta Protein- und Steroidhormone synthetisiert. Plazentär gebildete Proteinhormone sind humanes Choriongonadotropin (hCG), Chorionsomatomammotropin, Chorionthyrotropin, Chorionkortikotropin. Das Glykoprotein hCG, das dem LH sehr ähnlich ist, bindet ebenfalls am LH wie auch am LH-Rezeptor. Es wird vom Synzytiotrophoblast erstmals in der 2. Entwicklungswoche ausgeschüttet und sorgt für die Aufrechterhaltung des Corpus luteum. Im mütterlichen Blut erreicht die hCG-Konzentration in der 8. Woche ihren Höhepunkt und fällt dann wieder ab.

In der Plazenta gebildete Steroidhormone sind Progesteron und Östrogene. Progesteron kann in allen Abschnitten der Schwangerschaft in der Plazenta in ausreichender Menge produziert werden. Dies untermauert, wie wichtig dieses Hormon für die Aufrechterhaltung der Schwangerschaft ist. In der Plazenta wird Progesteron aus mütterlichem Cholesterin oder Pregnenolon gebildet. Östrogene werden im Synzytiotrophoblast synthetisiert, den die fetale Nebennierenrinde zur Verfügung stellt.

Mit Ausnahme eines langsamen Thyroxin- und Trijodthyronintransfers gelangen Proteinhormone nur in unwesentlichen Mengen zum Embryo oder Fetus. Hingegen passieren Steroidhormone in unkonjugierter Form nahezu ungehindert die Plazentaschranke. So können auch Testosteron und einige synthetische Progesterone zur Virilisierung weiblicher Feten führen.

Nach Untersuchungen an Menschenaffen hat der fetale Hypothalamus über die Produktion von hypophysären Hormonen einen bedeutenden Einfluss auf die Schwangerschaftsdauer und auch den Geburtsvorgang.