Luciana Castaldo » 13.Derivati mesoderma intermedio: apparato urinario e genitale

Il mesoderma intermedio: cordone nefrogeno

L’apparato urinario dei Vertebrati 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. Essi assumono aspetto metamerico nel tratto cervicale e nel primo tratto toracico (nefrotomi) mentre rimangono insegmentati nel tratto caudale.
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.

Urogenital Development

Il mesoderma intermedio: lo sviluppo dei tre abbozzi

Quando le strutture più caudali si sviluppano e diventano funzionali i tubuli più craniali si atrofizzano. I tre abbozzi si formano in successione di spazio e di tempo; essi non sono considerati come successivi distinti reni funzionali, ma piuttosto come tre successive manifestazioni morfologiche di un singolo organo escretore.

Morphogenesis of the Kidney
Urogenital Development 2 – Primitive kidney

Evoluzione del pronefro

Nei Mammiferi il pronefro è un organo transitorio che regredisce con lo sviluppo del mesonefro. All’inizio dello sviluppo dell’apparato urinario, a livello di ciascun somite della regione cervicale, il mesoderma intermedio forma addensamenti cellulari definiti nefrotomi. Questi si trasformano in vescicole la cui cavità si apre nella cavità celomatica attraverso un’apertura chiamata nefrostoma.
Per proliferazione della parete dorsale di ciascuna vescicola, si formano i tubuli del pronefro la cui estremità distale si estende in direzione laterale e poi caudale, per fondersi col tubulo in sviluppo immediatamente caudale ad esso. Dalla fusione delle estremità distali dei tubuli si forma il primordio del dotto escretore pronefrico.
Nei Mammiferi i tubuli del pronefro non entrano in rapporto con i rami arteriosi per formare dei veri glomeruli per cui rimangono non funzionanti e vanno incontro ad involuzione. Anche il tratto prossimale del dotto del pronefro involve, mentre il tratto distale si collega col dotto del mesonefro in sviluppo.

Evoluzione del mesonefro

Il mesonefro dei Mammiferi, pur essendo un organo transitorio, funziona per un periodo limitato della vita intrauterina.
Verso la fine dello stadio di sviluppo post-somitico, 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.

Il rene definitivo

Contemporaneamente all’involuzione del mesonefro si forma, con modalità alquanto diverse, il metanefro o rene definitivo. Questo prende origine da due abbozzi distinti la gemma ureterica ed il blastema metanefrogeno o mesoderma nefrogeno che inducono una reciproca differenziazione e vanno a costituire rispettivamente il sistema collettore e quello escretore.

Urogenital Development 2 – Definitive kidney

La gemma ureterica

Il sistema collettore prende origine da un diverticolo del dotto di Wolff, in vicinanza della cloaca, detto gemma ureterica.
La gemma ureterica si estende cranialmente verso il blastema metanefrogeno, poi dilata la sua estremità craniale che viene circondata da tessuto metanefrico.
La parte prossimale di questo diverticolo rappresenta il futuro uretere mentre la porzione dilatata si divide ripetutamente e forma la pelvi, i calici renali, i canali e i tubuli collettori del rene definitivo.

Il blastema metanefrogeno

I tubuli collettori, penetrati nello spessore del blastema metanefrogeno, ultimo tratto del cordone nefrogeno, lo inducono a formare i tubuli metanefrici che rappresentano l’origine del sistema escretore del metanefro. All’estremità di ciascun tubulo collettore il blastema metanefrogeno si organizza in piccoli ammassi cellulari (corrispondenti ai nefrotomi del pronefro e del mesonefro) che evolvono in vescicole. Queste si traformano in piccoli tubuli escretori primitivi. L’estremità prossimale chiusa dei tubuli escretori in rapporto con un glomerulo capillare si introflette formando la capsula di Bowman, mentre l’estremità distale confluisce in un tubulo collettore. In tal modo la porzione escretrice si anastomizza alla porzione collettrice.

La corticale e la midollare del rene

Con lo sviluppo del nefrone e del sistema dei dotti collettori, il rene può essere suddiviso in una regione corticale esterna ed una midollare interna. La regione corticale compatta è costituita di corpuscoli renali con i tubuli convoluti prossimali e distali, mentre la midollare è costituita principalmente dalle anse di Henle e da dotti collettori. La disposizione conica delle anse di Henle e dei dotti collettori è definita piramide midollare. La base della piramide è sormontata dalla corteccia mentre l’apice forma una papilla che proietta nella pelvi a mo’ di coppa. La piramide midollare con la regione corticale associata, costituiscono un lobo renale composto da subunità definite lobuli. Un lobulo renale consiste di un dotto collettore e dei nefroni associati che drenano in esso.

Induzione reciproca nello sviluppo del rene

Durante lo sviluppo del rene definitivo, la gemma ureterica ed il blastema metanefrogeno o mesenchima nefrogeno, inducono una reciproca differenziazione. Essi costituiscono un esempio di 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.
Il fattore neurotrofico derivato dalle cellule gliali (Gdnf) rappresenta l’induttore primario della ramificazione della gemma ureterica, mentre altri fattori mesenchimali solubili quali pleiotrofina e fattore di crescita dei fibroblasti promuovono la ramificazione e l’allungamento della gemma ureterica. Inoltre molecole della matrice extracellulare quali proteoglicani, e molecole di adesione cellulare quali le integrine, promuovono la ramificazione dell’estremità della gemma ureterica. Per quanto riguarda il mesenchima metanefrico, fattori secreti dalle cellule della gemma ureterica (Fgf-2 e Bmp-4, o Wnt9b), inducono la differenziazione mesenchimale che porta alla formazione di tubuli metanefrici.

Ascesa del metanefro

Il rene definitivo si forma inizialmente nella regione pelvica e poi risale nella regione lombare dove occupa una posizione dorsale al mesonefro degenerante ed alla gonade in sviluppo. Contemporaneamente l’uretere si allunga per seguirlo in questo spostamento.

Formazione e migrazione dei goni

Le cellule germinali primordiali (protogoni), evidenziate nell’epiblasto ad un precoce stadio di sviluppo, migrano attraverso la stria primitiva e raggiungono l’endoderma del sacco vitellino in prossimità dell’allantoide. Da questa regione migrano lungo il mesentere dorsale fino alle creste genitali, una struttura destinata a diventare la gonade indifferente. Le cellule germinali primordiali si presentano come cellule voluminose, di forma sferoidale e con grosso nucleo eucromatico.
Esse, dopo la migrazione nelle gonadi in sviluppo, proliferano e si differenziano per influenza di fattori solubili secreti localmente.
Solo le cellule germinali che raggiungono le creste genitali, si differenziano e sopravvivono, quelle che rimangono fuori della gonade vanno incontro a processi di apoptosi.

Creste genitali e gonadi indifferenti

La componente somatica delle gonadi deriva dalle creste genitali che si formano dal mesoderma intermedio, in particolare da una proliferazione bilaterale dell’epitelio celomatico e dal sottostante mesenchima. Queste creste, che sviluppano medialmente al mesonefro e proiettano nella cavità celomatica, sono coperte dall’epitelio celomatico e si estendono dalla regione toracica alla regione lombare.
Con l’arrivo delle cellule germinali le cellule delle creste genitali si organizzano in cordoni gonadici, che inglobano le stesse cellule germinali e formano un’ampia rete tra epitelio celomatico e tubuli mesonefrici.
Le gonadi costituite da cordoni sessuali primordiali con cellule germinali primordiali e cellule mesodermiche vengono dette gonadi indifferenti.

Urogenital Development 3 – Development of genital system
Urogenital Development 2 – Inter genitalia

Lo sviluppo del testicolo I

Negli embrioni di sesso maschile i cordoni gonadici primitivi che hanno incorporato le cellule germinali primordiali assumono forma a ferro di cavallo.
Successivamente in corrispondenza della porzione centrale di ogni mesonefro, cordoni di cellule epiteliali provenienti dai tubuli mesonefrici in degenerazione invadono l’area delle creste genitali e formano un sistema di cordoni connesso ai cordoni gonadici.
I cordoni seminiferi solidi sono composti di cellule del Sertoli, che circondano cellule germinali, i pre-spermatogoni.
Alla maturità sessuale i cordoni vengono canalizzati e diventano tubuli seminiferi la cui parete è costituita dai diversi stadi di divisione e maturazione degli spermatogoni e da cellule del Sertoli.

Lo sviluppo del testicolo II

Nella parte dorsale della gonade alcuni cordoni primitivi, di derivazione mesonefrica, sprovvisti di cellule germinali, si cavitano e si anastomizzano tra loro formando i tubuli della rete testis. Essi prendono rapporto nel tratto prossimale con i tubuli seminiferi (tubuli retti) mentre nel tratto distale comunicano con il canale del mesonefro che andrà a formare l’epididimo, il deferente ed il condotto eiaculatore.
Le cellule del Sertoli inducono inoltre il differenziamento di alcuni elementi mesenchimali, migrati nelle creste genitali dal mesoderma intermedio non nefrogeno, in cellule del Leydig. Queste ultime, sotto la spinta della gonadotropina corionica prodotta dalla placenta, producono testosterone, ormone androgeno che induce il differenziamento della gonade e delle vie genitali nel maschio.
Inoltre, fra l’epitelio celomatico ed i cordoni sessuali sviluppano cellule mesenchimali che si organizzano in uno strato fibroso noto come tunica albuginea da cui partono setti di tessuto connettivo che dividono il testicolo in logge testicolari.

Lo sviluppo dell’ovaio

I cordoni sessuali primitivi della gonade indifferente si spingono verso l’interno dell’organo e vanno incontro a regressione insieme alle connessioni mesonefriche. L’epitelio celomatico della cresta genitale inizia poi a proliferare e si organizza in una seconda generazione di cordoni (cordoni di Valentin-Pflüger) che occupano la zona corticale circondando una o più cellule germinali.
In seguito alla rottura dei cordoni sessuali, le cellule germinali subiscono, nella maggior parte dei mammiferi, un periodo di pronunciata attività mitotica che cessa prima o appena dopo la nascita. Quando singoli oogoni completano il loro periodo di attività mitotica, vengono cicondati da cellule somatiche appiattite, dette cellule follicolari. I primitivi follicoli oofori (follicoli primordiali) risultano costituiti da una cellula germinale (ovogonio) circondata da uno strato di cellule follicolari. Queste cellule inducono l’ovogonio ad entrare in profase della I divisione meiotica e quindi a trasformarsi in ovocita primario che subisce un prolungato stadio di quiescenza.

Il differenziamento delle vie genitali maschili

Durante lo sviluppo delle gonadi indifferenti, si formano bilateralmente sia i dotti mesonefrici di Wolff che quelli paramesonefrici di Müller.
I dotti mesonefrici di Wolff derivano dal mesonefro.
I dotti paramesonefrici (dotti di Müller) sviluppano da docce che si formano nell’epitelio celomatico ed evolvono in invaginazioni longitudinali bilaterali della parete celomatica che si portano più profondamente nel mesenchima adiacente ai dotti mesonefrici correlati.
Nell’embrione di sesso maschile, nel tratto di mesonefro posto all’altezza del testicolo in sviluppo, da 9 a 12 tubuli mesonefrici per ogni lato, collegati al dotto mesonefrico, perdono i glomeruli e si connettono ai tubuli del testicolo formando i duttuli efferenti. I due dotti mesonefrici, dal polo craniale del testicolo al seno urogenitale, persistono come dotti genitali maschili. In particolare, in ogni dotto mesonefrico, il tratto caudale al punto di entrata dei duttuli efferenti, si allunga e diventa convoluto formando l’epididimo; il rimanente segmento caudale del dotto mesonefrico diventa il dotto deferente.

Il differenziamento delle vie genitali femminili

Nell’embrione di sesso femminile persistono e si svilupano i primordi dei dotti paramesonefrici (dotti di Müller), mentre i dotti mesonefrici regrediscono.
Le porzioni craniali dei dotti paramesonefrici, inizialmente chiuse, si allungano caudalmente, in posizione laterale rispetto ai dotti mesonefrici e formano le tube uterine che rimangono aperte e comunicano con la cavità celomatica. Le porzioni caudali dei due dotti, spostati in posizione ventrale rispetto ai dotti mesonefrici, in prossimità del seno urogenitale si avvicinano e si fondono sulla linea mediana formando l’utero. L’estremità chiusa dei dotti fusi continua a crescere caudalmente e induce proliferazione cellulare dell’endoderma del seno urogenitale con conseguente formazione della placca vaginale.
In questo modo le vie genitali femminili si organizzano in una porzione craniale, il padiglione della tuba uterina che comunica con la cavità celomatica, un tratto medio che dà origine alla tuba, una porzione caudale che costituisce il canale utero-vaginale da cui derivano utero e vagina.

Evoluzione delle gonadi e delle vie genitali

In definitiva da uno stadio iniziale genotipicamente definito ma caratterizzato da gonadi e vie genitali indifferenti o bipotenziali, si passa ad uno stadio definito anche fenotipicamente e caratterizzato dalle gonadi e dalle vie genitali peculiari di ciascun sesso.

Le pieghe genitali

Il sistema urogenitale si sviluppa in posizione retro-peritoneale e sporge nella cavità peritoneale. Quando il mesonefro degenera, le gonadi ed i dotti genitali vengono sospesi da sottili pieghe di peritoneo che si fondono, contemporaneamente alla fusione delle porzioni caudali dei dotti genitali, formando le pieghe genitali.
Nel maschio le pieghe genitali comprendono una porzione, detta mesorchio, che sostiene i testicoli ed una che sostiene i dotti deferenti detta mesodotto deferente.
Nella femmina le pieghe genitali costituiscono il legamento largo dell’utero composto da tre segmenti: il mesovario, il mesosalpinge ed il mesometrio che sostengono rispettivamente l’ovario, le tube uterine e l’utero.

Discesa dei testicoli

I testicoli dei Vertebrati restano di solito nella cavità addominale, ma nei Mammiferi si ha una migrazione delle gonadi maschili dal loro sito di sviluppo intra-addominale ad una sede sottocutanea extra-addominale, solitamente nella regione inguinale. Tale migrazione, definita discesa testicolare, prevede uno stadio intra-addominale ed uno inguino-scrotale. La migrazione intra-addominale dei testicoli dalla regione lombare all’anello inguinale è più apparente che reale, in quanto le gonadi sono mantenute in una posizione fissa dal gubernaculum, mentre si ha una rapida crescita della colonna vertebrale e delle strutture associate. Invece i metanefri, che inizialmente si sviluppano in posizione caudale alle gonadi, sono tirati cranialmente da questo processo di sviluppo e occupano una posizione craniale rispetto alle gonadi. Nella discesa inguino-scrotale i testicoli dalla primitiva posizione migrano, attraverso il canale inguinale, fino alla borsa scrotale.
La discesa dei testicoli è influenzata da fattori ormonali ed è legata all’accorciamento del gubernaculum testis ed alla variazione di pressione di liquido nel processo vaginale.

I genitali esterni indifferenti

Nella fase della gonade indifferente, cellule mesenchimali migrano dalla stria primitiva nella regione intorno alla membrana cloacale dove formano due ispessimenti, le pieghe cloacali che si fondono centralmente nel tubercolo genitale. Intanto il setto urorettale divide la cloaca in una porzione dorsale, il canale ano-rettale, ed una ventrale, il seno urogenitale. Contemporaneamente la membrana cloacale viene divisa in membrana anale e membrana urogenitale e le pieghe cloacali si dividono in pieghe anali e pieghe urogenitali. La successiva perforazione delle membrane anale e urogenitale permette la comuncazione rispettivamente del retto e del seno urogenitale con l’esterno.
Cellule endodermiche del seno urogenitale proliferano e crescono nel mesoderma del tubercolo genitale formando la placca uretrale. Proliferazioni di mesoderma, lateralmente a ciascuna piega urogenitale, formano ispessimenti definiti protuberanze genitali.

I genitali esterni maschili

Nell’embrione maschio, il tubercolo genitale si allunga in direzione ventro-craniale e costituisce un organo sporgente, il fallo; inoltre trascina in avanti le pieghe urogenitali formando i bordi laterali della placca uretrale, il cui pavimento forma la doccia uretrale. La fusione delle pieghe urogenitali trasforma la doccia uretrale in un tubo, l’uretra peniena che viene incorporata nel corpo del pene. Successivamente un ispessimento ectodermico all’estremità del pene si invagina, si canalizza e si fonde con le cellule endodermiche che rivestono l’uretra peniena la quale pertanto si apre all’estremità del pene.
Il corpo cavernoso e il corpo spongioso del pene derivano dal mesenchima del tubercolo genitale mentre il prepuzio si forma da tessuto connettivo lasso e da ectoderma che circonda il tubercolo genitale.
Le protuberanze genitali formano le tasche scrotali che si fondono sulla linea mediale e costituiscono lo scroto.

I genitali esterni femminili

Nella femmina le caratteristiche morfologiche degli abbozzi che formeranno i genitali esterni sono inizialmente le stesse del maschio.
Col progredire dello sviluppo il tubercolo genitale si accresce limitatamente e forma il clitoride, le pieghe urogenitali non si fondono e si sviluppano parzialmente dando origine alle piccole labbra della vulva, le pieghe urogenitali formano le grandi labbra. Il solco urogenitale si dilata e costituisce il vestibolo, in cui si aprono la vagina e l’uretra femminile.

Differenziazione degli organi genitali maschili e femminili

Accanto ad una determinazione genotipica del sesso, ormoni prodotti dal testicolo in sviluppo regolano la formazione del sistema di dotti genitali maschili e dei genitali esterni.
Le cellule del Leydig producono testosterone che induce la differenziazione del sistema di dotti maschili appaiati, epididimo, deferente e vescichette seminali. Sotto l’azione della 5α-reduttasi, il testosterone viene convertito in diidrotestosterone che induce il differenziamento dei genitali esterni maschili. Le cellule del Sertoli producono l’ormone anti-mülleriano che inibisce lo sviluppo dei dotti paramesonefrici ed induce regressione di queste strutture.
Nella femmina, sotto l’influenza di estrogeni, sviluppano i dotti paramesonefrici che si differenziano in tube uterine, utero e porzione craniale della vagina. Inoltre durante il differenziamento, gli estrogeni agiscono sui genitali esterni inducendo la formazione del clitoride, della porzione caudale della vagina, del vestibolo e della vulva.

Fattori di differenziamento delle gonadi e delle vie genitali

ll differenziamento della gonade maschile è determinato da geni determinanti il sesso, che inducono lo sviluppo delle cellule del Sertoli e delle cellule del Leydig. Il gene SrY, situato sul cromosoma Y, è responsabile della produzione del fattore di determinazione testicolare (TDF) che induce il differenziamento delle cellule somatiche dei cordoni gonadici in cellule del Sertoli. Esso inoltre blocca e reprime l’espressione di DAX1 che codifica per un recettore ormonale nucleare, fondamentale per il differenziamento femminile della gonade. A loro volta, le cellule del Sertoli sono responsabili della produzione di un ormone anti-mülleriano (AMH) che inibisce lo sviluppo dei dotti di Müller.
Il differenziamento dell’ovaio è più tardivo rispetto al testicolo. Essa è influenzato da fattori prodotti da diversi geni. In particolare il gene DAX-1, regola l’attività del gene SrY, che nelle femmine è localizzato su cromosomi diversi dall’eterocromosoma Y, e conseguentemente inibisce il differenziamento delle cellule del Sertoli e del Leydig. Invece il fattore di crescita Wnt-4 contribuisce al differenziamento dell’ovario.

Secondary sex determination: Hormonal regulation of the sexual phenotype