Capítulo 5: Tercera semana de desarrollo disco germinal trilaminar

Evento más relevante en la tercera semana

Gatrulación

Gastrulación

Procesp en el que se establecen las tres capas germinales: el ectodermo, mesodermo y endodermo en el embrión.

Como comienza la gastrulación

La gastrulación comienza con la formación de la estría (línea) primitiva en la superficie del epiblasto. Al inicio, la línea está poco definida, pero en el embrión de 15 a 16 días puede observarse con claridad un surco angosto co regiones un tanto abultadas a cada lado.

Extremo cefálico de la línea primitiva

En el extremo cefálico se encuentra el nodo primitvo, consiste en una zona con elevación discreta a la que circunda la pequeña fosita primitiva.

Paso despues de la formación de la línea primitiva

Las células del epiblasto migran hacia la estría primitiva. Al llegar a la región de la línea. adquieren configuración en forma de matraz, se desprenden del epiblasto y se deslizan bajo él. Esre movimiento de hundimiento se conoce como invaginación. La migración y la determinación de las células están controladas por el factor de crecimiento de fibroblastos 8 (FGF8), que sintetizan las propias células de la línea.

Como funciona el FGF8

Este factor de crecimiento controla el desplazamiento celular mediante la pérdida de E-cadherina, una proteína de unión celular que, normalmente, mantiene unidas a las células del epiblasto.

La proteína FGFD8 controla la especificación/determinación celular del mesodermo mediante la producción del factor de transcripción BRACHYURY.

Qué sucede después de la invaginación

Tras invaginarse, algunas de estas células desplazan al hipoblasto, lo que da origen al endodermo embrionario, en tanto que otras se sitán entre el epiblasto y el endodermo para constituir el mesodermo. Las células que permanecen el el epiblasto constituyen el ectodermo.

El epiblasto es la fuente de todas las capas germinales, y las células en estas capas darán origen al resto de tejidos y órganos del embrión.

¿Qué pasa mientras las células se desplazan entre las capas epiblásticas e hipoblásticas?

La mismas célula se extienden en sentido lateral y craneal. D manera gradual, migran más allá del borde del disco y establecen contacto con el mesodermo extraembrionario que cubre al saco vitelino y al amnios. En dirección cefálica, avanzan a cada lado de la placa precordal.

Placa precordar

Se forma entre el extremo de la notocorda y la membrana orofaríngea, proviene de las primeras células que migran por el nodo primitivo y se desplazan en dirección cefálica. Más tarde la placa será relevante para la inducción del prosencéfalo. La membrana orofaríngea, en el extremo craneal del disco, es una región pequeña formada por células ectodérmicas y endodérmicas en unión estrecha, que corresponde al sitio en donde se formará la cavidad oral.

Formación de la notocorda

Al invaginarse las células que formarán la notocorda, las células prenotoordales a través del nodo primitivo, se desplazan en dirección craneal por la línea media hasra alcanzar la placa precordal. Estas células prenotocordales se intercalan en el ipoblasto, de tal modo que por un periodo breve la línea media está constituida por dos capas celulares que forman la placa notocordal. Al tiempo que el hipoblasto es sustituido por las células del endodermo que se invaginaron a través de la estría primitiva, las células de la placa notocordal prolifaran y se desprenden del endodermo. Establecen entonces un cordón sólido de células, la notocorda definitiva, que subyace al tubo neural y es el centro de señalización para la inducción del esqueleto axial. Debido a que la enlongación de la notocorda es un proceso dinámico, primero se forma el extremo craneal y se agregan regiones caudales al tiempo que la posición de la estría primitiva se desplaza en esa misma dirección. La células de la nototcorda y prenotocordales se extienden en setido craneal hacia la placa precordal (zona en un sitio caudal a la membrana orofaríngea) y en dirección caudal hacia la foseta primitiva. En el punto en que la foseta produce una muesca en el epiblasto, el conducto neuroentérico conecta temporalmente las cavidades amniótica y del saco vitelino.

La membrana cloacal se forma en el extremo caudal del disco embrionario. Esta membrana, cuya estructura es similar a la de la membrana orofaríngea, esta conformada por células ectodérmicas y endodérmicas en unión estrecha, sin que exista mesodermo. Cuando se establece la membrana cloacal, la pared posterior del saco vitelino forma un divertículo pequeño que se extiende hacia el interior del pedículo de fijación. Este divertículo, el divertículo alantoentérico o alantoides, aparece alrededor del día 16.

Ejes corporales

A-P= cráno-caudal, D-V= dorsoventral, I-D= izquierda-derecha

Establecimiento de los ejes corporales

Ocurre en una fase temprana de la embriogénesis y quiza inicie en fases tardías del desarrollo de la mórula del blastocisto, de los ejes A-P y D-V antes que el I-D.

Eje A-P

En la etapa del blastocisto, el eje A-P ya queda establecido y las células destinadas a formar el endodermo visceral anterior (EVA) en el extremo craneal de la capa endodérmica del disco bilarinar migran hacia lo que se convertira en la región cefálica. En esta etapa de disco bilaminar las células EVA expresan genes esenciales para la formación de la cabeza, entre ellos los factores de transcripción OTX2, LIM1 Y HESX1 y los factores secretados cerberus y lefty1 que inhiben la actividad del factor nodal, con lo que definen el extremo craneal del embrión

Ausencia de cerberus y lefty1

Permite que persista la expresión del gen nodal, y esta señal establece y mantiene la estría primitiva. Una vez que se forma la línea, nodal genera una regulación positiva de varios genes responsables de la formación del mesodermo dorsal y ventral, as como estructuras del eje cráneo-caudal.

Priteína morfogenética ósea (BM)

Se secreta en todo el disco embrionario. En presencia de esta proteína y de FGR. el mesodermo se ventraliza para contribuir a la formación de los riñones (mesodermo intermedio), la sangre y el mesodermo de la pared corporal. De hecho, todo el mesodermo se ventraliza de no ser por la inhibición de la actividad de la BMP inducida por otros genes que se expresan en el nodo promitivo. Por esta razón, el nodo se considera el organizador.

Los factores cordina (CHRD) (activado por el factor de transcripción goosecoid, [GSC]), noggina (NOG) y folistatina antagonizan la actividad de BMP. Como consecuencia, el mesodermo craneal se dorsaliza para formar la notocorda, las somitas y las somitómeras. Más adelante, los genes de estos últimos tres factores se expresan en la notocorda y son importantes para la inducción neural en la región craneal. 

Nodal

Nodal participa en la formación y el mantenimiento de la estría primitiva. De manera similar, el factor nuclear de hepatocitos 3β (hepatocyte nuclear factor-3β, HNF-3β) mantiene el nodo e induce más tarde las regiones del prosencéfalo y el mesencéfalo. Sin HNF-3β los embriones no desarrollan una gastrulación apropiada y carecen de estructuras prosencefálicas y mesencefálicas. Como ya se mencionó, el GSC permite la activación de inhibidores de la BMP4 y contribuye a la regulación del desarrollo de la cabeza. La expresión excesiva y subóptima de este gen en animales de laboratorio determina malformaciones graves en la región de la cabeza, entre ellas duplicaciones, con malformaciones similares a las propias de ciertos tipos de gemelos unidos

Gen BXT

La regulación de la formación del mesodermo dorsal en las regiones central y caudal está controlada por el gen TBXT que se expresa en el nódulo, las células precursoras de la notocorda y la notocorda. Este gen es esencial para la migración celular a través de la estría primitiva. TBXT codifica una proteína de unión a un ADN de secuencia específica (brachyury) que actúa como factor de transcripción. El dominio de unión al ADN se denomina T-box (caja T) y en su familia existen más de 20 genes. De este modo, la formación del mesodermo en esas regiones depende del producto de este gen, y su ausencia da origen al acortamiento del eje embrionario. El grado de acortamiento depende del momento en el que se presenta la deficiencia de la proteína y se inhibe la gastrulación. 

Lateralidad

La lateralidad (determinación I-D) también se establece en una fase temprana del desarrollo. Comúnmente, muchos órganos muestran asimetría, entre ellos corazón, pulmones, intestino, bazo, estómago, hígado y otros. La posición de estos órganos y la definición de su asimetría son orquestadas por una cascada de moléculas y genes de señalización. Cuando aparece la estría primitiva, las células del nodo y de la estría primitiva secretan FGF8, y este factor de crecimiento induce la expresión de NODAL.

La expresión de NODAL queda restringida entonces al lado izquierdo del embrión por la acumulación de serotonina (5-HT) en esa región. Las concentraciones altas de 5-HT en el lado izquierdo activan la expresión del factor de transcripción MAD3, que restringe la expresión de NODAL al lado izquierdo del nodo primitivo (fig. 5-6 B). Genes de la línea media como Sonic hedgehog (SHH), LEFTY1 y ZIC3 no sólo están implicados en la determinación de la línea media, sino también en la prevención de la extensión de la expresión de NODAL al lado derecho. Por último, la proteína Nodal en el mesodermo de la placa lateral izquierda desencadena una cascada de señalización que incluye al factor LEFTY2 para generar una regulación positiva de PITX2. El gen PITX2 codifica para un factor de transcripción que contiene una caja homeótica (homeobox). Es el “gen maestro” responsable de determinar el lado izquierdo, y su expresión se repite en el lado izquierdo del corazón, el estómago y el primordio intestinal al tiempo que estos órganos asumen su posición asimétrica normal en el cuerpo. Si el gen muestra expresión ectópica (esto es, en el lado derecho), esa expresión anómala da origen a defectos de la lateralidad, entre ellos situs inversus y dextrocardia (orientación del ápice del corazón hacia el lado derecho.

el neurotransmisor 5-HT también desempeña un papel crítico en esta cascada de señalización que establece la lateralidad. La 5-HT se concentra en el lado izquierdo, lo que activa a MAD3 y restringe la señalización de Nodal al lado izquierdo.

Los genes que regulan el desarrollo del lado derecho no están bien identificados, si bien la expresión del factor de transcripción SNAIL está restringida al mesodermo de la placa lateral derecha y quizá regule a genes efectores responsables de determinar el lado derecho. La razón por la cual la cascada inicia en el lado izquierdo aún es un misterio, pero el mecanismo pudiera implicar la presencia de cilios en las células del nodo, que se agitan para crear un gradiente del factor nodal hacia el lado izquierdo, o por un gradiente de señalización establecido mediante uniones gap (uniones en hendidura o uniones comunicantes) y transporte de iones pequeños.

Destino de células

Se han integrado mapas de las regiones del epiblasto que migran y se invaginan por la estría primitiva, y se han identificado sus destinos finales. Por ejemplo, las células que se invaginan por la región craneal del nodo se convierten en la placa precordal y la notocorda; las que migran por los bordes laterales del nodo y desde el extremo craneal de la estría primitiva se convierten en el mesodermo paraaxial; las células que migran por la región media de la estría primitiva se transforman en el mesodermo intermedio; las que migran por la región más caudal de la estría primitiva constituyen el mesodermo de la placa lateral y, por último, las células que migran por la región más caudal de la estría primitiva contribuyen al mesodermo extraembrionario (la otra fuente de este tejido es el saco vitelino primitivo [hipoblasto]). 

Teratogénesis relacionada con la gastrulación

El inicio de la tercera semana del desarrollo, en la cual comienza la gastrulación, es una etapa muy sensible a los efectos nocivos de teratógenos. En esta fase pueden establecerse mapas de destino de distintos sistemas orgánicos, como los ojos y el esbozo cerebral, y estas poblaciones celulares pueden ser dañadas por teratógenos. Por ejemplo, estudios en animales indican que dosis altas de alcohol en esta etapa matan a las células ubicadas en la región anterior de la línea media del disco germinal, lo que determina una deficiencia de las estructuras craneofaciales de la línea media que induce holoprosencefalia. En un producto con esta anomalía, el prosencéfalo es pequeño, los dos ventrículos laterales a menudo se fusionan y dan origen a un solo ventrículo, y los ojos se ubican en gran cercanía (hipotelorismo). Debido a que esta etapa se alcanza 2 semanas después de la fecundación, ocurre alrededor de 4 semanas después de la última menstruación. Por lo tanto, es posible que la mujer no se dé cuenta que está embarazada y suponga que la menstruación se retrasó pero que comenzará en breve. De esta forma, podría obviar precauciones que normalmente sí atendería de saber que está embarazada.

 

La gastrulación misma puede ser interrumpida por anomalías genéticas y factores tóxicos. En la disgenesia caudal (sirenomelia) la cantidad de mesodermo es insuficiente en la región caudal del embrión. Puesto que este mesodermo contribuye a la formación de las extremidades inferiores, el sistema urogenital (mesodermo intermedio) y las vértebras lumbosacras, da como consecuencia anomalías en estas estructuras.

 

Los individuos afectados muestran defectos diversos, entre ellos hipoplasia y fusión de las extremidades inferiores, anomalías vertebrales, agenesia renal, ano imperforado y anomalías de los órganos genitales. En el humano, esta condición se relaciona con la diabetes mellitus materna y otras afecciones. En ratones, las anomalías de los genes TBXT, WNT y ENGRAILED producen un fenotipo similar.

Tumores relacionados con la gastrulación

 

En ocasiones persisten remanentes de la estría primitiva en la región sacrococcígea. Estos cúmulos de células pluripotenciales proliferan y forman tumores, conocidos como teratomas sacrococcígeos, que a menudo contienen tejidos derivados de las tres capas germinales. Se trata del tumor más común en neonatos, con una frecuencia de 1 en 37 000. Los teratomas también pueden derivar de células germinales primordiales que no migran hacia la cresta urogenital.

Defectos congénitos relacionados con la lateralidad

La expresión situs solitus hace referencia a la posición normal de los órganos internos. Situs inversus indica la condición en que la posición de todos los órganos se invierte, con disposición en espejo. Situs ambiguus, o heterotaxia, se refiere a la posición discordante de los órganos toracoabdominales respecto a la simetría, en la que uno o más órganos están anormalmente invertidos en posición o isomerismos (es decir, las dos aurículas del corazón son iguales morfológicamente) o inversiones (es decir, los dos ventrículos del corazón están invertidos). Se considera que estos individuos tienen defectos de la lateralidad que ocurrieron por el fracaso del establecimiento apropiado del eje I-D. Los pacientes con estos trastornos no presentan situs inversus completo, sino parecen tener predominio bilateral izquierdo o derecho. El bazo refleja las diferencias. Las personas con bilateralidad izquierda tienen poliesplenia, en tanto aquéllas con bilateralidad derecha padecen asplenia o hipoplasia esplénica.

 

Los individuos con situs inversus no tienen riesgo alto de sufrir alguna otra anomalía congénita (si bien existe un riesgo un poco mayor de que presenten algún defecto cardiaco), pero su progenie tiene más riesgo de desarrollar defectos de la lateralidad e incluso un mayor riesgo de padecer una malformación cardiaca grave. De igual modo, alrededor de 20% de los pacientes con situs inversus completo desarrolla bronquiectasias y sinusitis crónica por anomalías de los cilios (síndrome de Kartagener). Es interesante que los cilios por lo general se ubican en la superficie ventral del nodo primitivo y pudieran participar en el establecimiento de patrones I-D.

En contraste, los pacientes con situs ambiguus (heterotaxia) están más expuestos a otros defectos congénitos, entre ellos malformaciones de la línea media como defectos del cierre del tubo neural, paladar hendido, atresia anal y otras. Además, 90% de estos individuos presenta defectos cardiacos congénitos complejos. El corazón presenta una lateralidad mayor que el resto de los órganos y quizá eso explique su gran susceptibilidad al alterarse la vía de señalización I-D. Las mutaciones del gen del factor de transcripción de dedo de zinc ZIC3, localizado en el cromosoma X, induce heterotaxia ligada al X. Estos individuos tienen distintos defectos congénitos, entre otros, defectos del cierre del tubo neural, anomalías en extremidades y onfalocele, y casi todos padecen también malformaciones cardiacas graves. La relación entre la lateralidad y los efectos de la línea media (defectos del cierre del tubo neural, paladar hendido, etc.) sugiere que las vías de señalización que establecen los ejes A-P e I-D deben interactuar para especificar la posición correcta de los órganos y otras estructuras del organismo. Puesto que los ejes corporales comienzan a determinarse en forma tardía en la primera semana de desarrollo, la posibilidad de que los defectos congénitos puedan ser causados por alteraciones del establecimiento de estos patrones implica que las malformaciones congénitas pueden ser inducidas incluso en una fase más temprana de la gestación que lo que se pensaba antes.

 

El neurotransmisor (5-HT) es una molécula de señalización importante para el establecimiento de la lateralidad, y estudios en animales demuestran que la disrupción de la señalización mediada por 5-HT da origen a casos de situs inversus, heterotaxia, dextrocardia y a una gran variedad de defectos cardiacos. Los estudios epidemiológicos muestran que los niños que nacen de madres que toman fármacos antidepresivos de una clase denominada inhibidores selectivos de la recaptura de serotonina (ISRS: fluoxetina, paroxetina, sertralina, escitalopram, citalopram, etc.) tienen un mayor riesgo de presentar una variedad de malformaciones cardiacas y defectos congénitos múltiples, lo que aporta evidencia adicional respecto de la importancia de la 5-HT en el establecimiento de la lateralidad.

Crecimiento del disco embrionario

El disco embrionario, en un principio plano y casi redondo, se elonga en forma gradual y adquiere un extremo craneal ancho y uno caudal angosto. La expansión del disco embrionario ocurre ante todo en la región craneal; la región de la estría primitiva conserva en mayor o menor medida el mismo tamaño. El crecimiento y la elongación de la porción craneal del disco derivan de una migración continua de células a partir de la región de la estría primitiva en dirección cefálica. La invaginación de las células superficiales por la estría primitiva y su migración subsecuente en dirección anterior y lateral continúa hasta el final de la cuarta semana. En esta fase, la estría primitiva muestra cambios propios de la regresión, pierde tamaño con rapidez y pronto desaparece. 

Es importante para el desarrollo del embrión que la estría primitiva del extremo caudal del disco siga aportando células nuevas hasta el final de la cuarta semana. En la región cefálica, las capas germinales comienzan a presentar una diferenciación específica a la mitad de la tercera semana, en tanto que en la porción caudal la diferenciación comienza al final de la cuarta semana. Así, la gastrulación, o formación de las capas germinales, continúa en los segmentos caudales al tiempo que las estructuras craneales se están diferenciando, lo que hace que el embrión se desarrolle en sentido cefalocaudal. 

Desarrollo posterior del trofoblasto

Al inicio de la tercera semana, el trofoblasto se caracteriza por la presencia de vellosidades primarias constituidas por un núcleo citotrofoblástico cubierto por una capa sincitial. En su desarrollo posterior, células mesodérmicas invaden el núcleo de las vellosidades primarias y crecen hacia la decidua. La estructura recién formada se conoce como vellosidad secundaria. 

Al final de la tercera semana, las células mesodérmicas en el centro de la vellosidad comienzan a diferenciarse en células sanguíneas y vasos sanguíneos pequeños, y dan origen al sistema capilar velloso. La vellosidad se denomina entonces vellosidad terciaria o vellosidad placentaria definitiva. Los capilares dentro de la vellosidad terciaria establecen contacto con los capilares en desarrollo en el mesodermo de la placa coriónica y el pedículo de fijación. Estos vasos sanguíneos, a su vez, hacen contacto con el sistema circulatorio intraembrionario, de modo que conectan la placenta y el embrión. Así, cuando el corazón comienza a latir en la cuarta semana de desarrollo, el sistema de vellosidades está listo para dar al embrión una provisión apropiada de nutrientes esenciales y oxígeno. 

A la par de estos cambios, las células del citotrofoblasto presentes en las vellosidades penetran progresivamente al sincicio suprayacente hasta alcanzar el endometrio materno. Ahí establecen contacto con extensiones similares de los troncos nerviosos vecinos para formar una cápsula citotrofoblástica externa delgada. Esta capa circunda de manera gradual al trofoblasto en su totalidad y fija con firmeza el saco coriónico al tejido endometrial materno. Las vellosidades que se extienden desde la placa coriónica hasta la decidua basal (placa decidual: región del endometrio en que se formará la placenta; se denominan vellosidades troncales o de anclaje. Las que se ramifican de las paredes laterales de las vellosidades troncales se denominan vellosidades libres (terminales), y a través de ellas se intercambiarán los nutrientes y otros elementos. 

Por su parte, la cavidad coriónica crece, y para el día 19 o 20 el embrión está unido a su cápsula trofoblástica por un pedículo de fijación delgado. El pedículo de fijación se convierte más adelante en el cordón umbilical, que forma la conexión entre la placenta y el embrión.