ชั้นเนื้อเยื่อคัพภะและการเกิดแกสตรูเลชัน

แกสตรูเลชันเป็นกระบวนการในระยะแรกของการเจริญของเอ็มบริโอที่เปลี่ยนแผ่นเซลล์หรือกลุ่มเซลล์ธรรมดาให้กลายเป็นโครงสร้างร่างกายที่มีหลายชั้น โดยสร้างชั้นเนื้อเยื่อคัพภะหลักสามชั้น ได้แก่ เอกโทเดิร์ม มีโซเดิร์ม และเอนโดเดิร์ม ซึ่งเนื้อเยื่อและอวัยวะทุกส่วนจะพัฒนามาจากชั้นเหล่านี้ในภายหลัง ส่วนนี้จะช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจว่าชั้นเนื้อเยื่อคัพภะก่อตัวขึ้นอย่างไร แกนของร่างกายถูกกำหนดขึ้นระหว่างการเกิดแกสตรูเลชันอย่างไร และแต่ละชั้นจะพัฒนาไปเป็นเนื้อเยื่ออนุพันธ์ใดบ้างในที่สุด

Definition

แกสตรูเลชันคือการเคลื่อนที่และการจัดเรียงเซลล์อย่างประสานงานกันในระหว่างการเจริญเติบโตระยะแรก ซึ่งสร้างชั้นเนื้อเยื่อคัพภะหลักสามชั้น (เอกโทเดิร์ม, มีโซเดิร์ม, เอนโดเดิร์ม) และกำหนดแกนหลักของร่างกาย; ชั้นเนื้อเยื่อคัพภะคือประชากรเซลล์ตั้งต้นที่ลูกหลานของพวกมันจะพัฒนาไปเป็นเนื้อเยื่อและอวัยวะทั้งหมดในภายหลัง

Scope

ส่วนนี้ครอบคลุมเหตุการณ์ทางสัณฐานวิทยาของการเกิดแกสตรูเลชัน (รวมถึง primitive streak ในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ) การกำหนดและการจัดเรียงชั้นเนื้อเยื่อคัพภะทั้งสาม การส่งสัญญาณแบบเหนี่ยวนำที่จัดระเบียบแกนของเอ็มบริโอ และแผนที่ชะตากรรม (fate maps) แบบกว้างๆ ที่เชื่อมโยงแต่ละชั้นเข้ากับเนื้อเยื่อของมัน โดยถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นกรอบอ้างอิงในกายวิภาคศาสตร์พัฒนาการ และไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์หรือการจัดการก่อนคลอด

Sub-topics

• เอกโทเดิร์มและอนุพันธ์ของมัน
• เอนโดเดิร์มและอวัยวะที่พัฒนามาจากเอนโดเดิร์ม
• การเกิดแกสตรูเลชันและแนวคอดปฐมภูมิ
• มีโซเดิร์มและเนื้อเยื่อที่ได้จากมีโซเดิร์ม
• การเหนี่ยวนำระบบประสาทและการพัฒนาของโนโตคอร์ด

Core questions

• เอ็มบริโอที่มีชั้นเดียวจัดระเบียบใหม่เป็นสามชั้นเนื้อเยื่อคัพภะได้อย่างไร?
• สัญญาณใดที่กำหนดเอกโทเดิร์ม มีโซเดิร์ม และเอนโดเดิร์ม และจัดรูปแบบพวกมันตามแกนของร่างกาย?
• โครงสร้างใด (เช่น primitive streak และ primitive node) ที่จัดระเบียบแกสตรูเลชันในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ?
• เนื้อเยื่อผู้ใหญ่ใดที่มาจากแต่ละชั้นเนื้อเยื่อคัพภะ?

Key concepts

• เอกโทเดิร์ม, มีโซเดิร์ม, และเอนโดเดิร์ม
• Primitive streak และ primitive node
• เอพิบลาสต์และไฮโปบลาสต์
• Trilaminar germ disc
• การกำหนดแกนของร่างกาย (หน้า-หลัง, หลัง-ท้อง)
• การส่งสัญญาณแบบเหนี่ยวนำและ morphogen gradients
• แผนที่ชะตากรรม (fate maps) และอนุพันธ์ของชั้นเนื้อเยื่อคัพภะ

Key theories

แนวคิด organizer

บริเวณส่งสัญญาณพิเศษ (Spemann-Mangold organizer ในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ และ node/streak ที่เทียบเท่ากันในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ) สามารถเหนี่ยวนำและจัดรูปแบบเนื้อเยื่อรอบข้าง โดยกำกับการสร้างแกนและการจัดระเบียบชั้นเนื้อเยื่อคัพภะ

Mechanisms

ในระหว่างการเกิดแกสตรูเลชัน เซลล์มีโซเดิร์มและเอนโดเดิร์มที่คาดว่าจะเกิดขึ้นจะเคลื่อนที่จากพื้นผิวเข้าสู่ภายในของเอ็มบริโอ ในขณะที่เซลล์พื้นผิวที่เหลือจะกลายเป็นเอกโทเดิร์ม ในสัตว์มีถุงน้ำคร่ำรวมถึงมนุษย์ การเคลื่อนที่เข้าด้านในนี้เกิดขึ้นผ่าน primitive streak: เซลล์เอพิบลาสต์จะรวมตัวกันที่ streak ผ่านการเปลี่ยนผ่านจากเยื่อบุผิวเป็นมีเซนไคม์ และเคลื่อนที่เข้าด้านในเพื่อสร้างเอนโดเดิร์มและมีโซเดิร์ม โดยทิ้งเอกโทเดิร์มที่มาจากเอพิบลาสต์ไว้ที่พื้นผิว primitive node ที่ปลายด้านศีรษะของ streak ทำหน้าที่เป็น organizer ของสัตว์มีถุงน้ำคร่ำ โดยหลั่งสัญญาณที่กำหนดรูปแบบแกนและเหนี่ยวนำโครงสร้างกึ่งกลาง เช่น โนโตคอร์ด ระบบการส่งสัญญาณที่อนุรักษ์ไว้ — รวมถึง Nodal/TGF-beta, BMP และสารต้านของมัน, Wnt และ FGF — สร้างความชันที่กำหนดเอกลักษณ์ของชั้นเนื้อเยื่อคัพภะและจัดตำแหน่งเซลล์ตามแกนของเอ็มบริโอ

Clinical relevance

เนื่องจากชั้นเนื้อเยื่อคัพภะและช่วงเวลาของการเกิดแกสตรูเลชันเป็นตัวกำหนดแผนผังร่างกายพื้นฐาน ความผิดปกติในช่วงเวลานี้จึงเกี่ยวข้องกับความพิการแต่กำเนิดที่สำคัญ และต้นกำเนิดของเนื้อเยื่อจากชั้นเนื้อเยื่อคัพภะเป็นพื้นฐานในการจัดระเบียบกายวิภาคศาสตร์และพยาธิวิทยาในทางคลินิก ส่วนนี้อธิบายกลไกการพัฒนาเพื่อการอ้างอิงและการศึกษา ไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยรายบุคคล การให้คำปรึกษาก่อนคลอด หรือการรักษา

Evidence & guidelines

ความเข้าใจที่สรุปไว้ในที่นี้อ้างอิงจากการศึกษาคัพภวิทยาเชิงทดลองมานานนับศตวรรษ และการศึกษาทางอณูชีววิทยาและพันธุกรรมสมัยใหม่ในสิ่งมีชีวิตต้นแบบ ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นในบทความทบทวนทางชีววิทยาพัฒนาการและตำราคัพภวิทยามาตรฐาน มากกว่าที่จะอยู่ในแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

นักคัพภวิทยาสายเปรียบเทียบในศตวรรษที่สิบเก้าได้อธิบายชั้นเนื้อเยื่อคัพภะและตั้งชื่อแกสตรูเลชัน แต่จุดเปลี่ยนสำคัญของการทดลองคือการทดลอง organizer ในปี 1924 โดย Spemann และ Mangold ซึ่งแสดงให้เห็นว่าบริเวณ dorsal-lip ที่ปลูกถ่ายสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดแกนร่างกายที่สองได้ งานวิจัยในศตวรรษที่ยี่สิบได้ทำแผนที่ชะตากรรมและการเคลื่อนที่ของชั้นเนื้อเยื่อคัพภะในหลายสปีชีส์ และพันธุศาสตร์โมเลกุลในภายหลังได้ระบุวิถีการส่งสัญญาณที่อนุรักษ์ไว้ซึ่งกำหนดและจัดรูปแบบชั้นต่างๆ ดังที่สังเคราะห์ไว้ในบทความทบทวนสมัยใหม่เกี่ยวกับการเกิดแกสตรูเลชันในสัตว์มีกระดูกสันหลังและหนู

Key figures

• Hans Spemann
• Hilde Mangold
• Patrick Tam
• Lilianna Solnica-Krezel

Seminal works

• spemann-mangold-1923
• tam-behringer-1997
• solnica-krezel-2012

Frequently asked questions

ชั้นเนื้อเยื่อคัพภะทั้งสามคืออะไร?

เอกโทเดิร์ม, มีโซเดิร์ม, และเอนโดเดิร์ม พวกมันคือประชากรเซลล์ตั้งต้นสามกลุ่มที่ก่อตั้งขึ้นระหว่างการเกิดแกสตรูเลชัน และเนื้อเยื่อและอวัยวะทั้งหมดของร่างกายพัฒนามาจากหนึ่งหรือหลายชั้นเหล่านี้

เหตุใดแกสตรูเลชันจึงถือว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งในการพัฒนา?

มันเปลี่ยนเอ็มบริโอระยะแรกให้เป็นโครงสร้างสามชั้นที่มีแกนร่างกายที่ชัดเจน กำหนดชะตากรรมของเซลล์ให้เป็นชั้นเนื้อเยื่อคัพภะ และวางแผนผังที่อวัยวะทั้งหมดจะพัฒนาขึ้นในภายหลัง