Посещений:
Развитие кишечника и мезентерия



Паттерн роста (ротация)

The growth pattern of the human intestine and its mesentery
" Jelly HM Soffers, " Jill PJM Hikspoors, " Hayelom K. Mekonen, " S. Eleonore Koehler and " Wouter H. Lamers
BMC Developmental Biology201515:31 DOI: 10.1186/s12861-015-0081-x

It remains unclear to what extent midgut rotation determines human intestinal topography and pathology. We reinvestigated the midgut during its looping and herniation phases of development, using novel 3D visualization techniques.
We distinguished 3 generations of midgut loops. The topography of primary and secondary loops was constant, but that of tertiary loops not. The orientation of the primary loop changed from sagittal to transverse due to the descent of ventral structures in a body with a still helical body axis. The 1st secondary loop (duodenum, proximal jejunum) developed intraabdominally towards a left-sided position. The 2ndsecondary loop (distal jejunum) assumed a left-sided position inside the hernia before returning, while the 3rdand 4th secondary loops retained near-midline positions. Intestinal return into the abdomen resembled a backward sliding movement. Only after return, the 4th secondary loop (distal ileum, cecum) rapidly "slid" into the right lower abdomen. The seemingly random position of the tertiary small-intestinal loops may have a biomechanical origin.
Рисунки см. в оригинале
Врожденные нарушения ротации кишки встречаются 1:200-500 живорожденных [1]. Нарушениями ротации рассматриваются неполные или аномальные ротации средней кишки вокруг vitelline/superior mesenteric artery (SMA). Симптомы нарушений ротации распознаются недостаточно хорошо и не все нарушения проявляются симптоматически [2, 3]. Если нарушения ротации сопровождаются симптомами, то это обычно проявляется в первые месяцы жизни, при этом 75-85 % случаев диагностируется в течение первого года [4]. Если предположить, чт нарушение ротации представляет собой "замороженные" стадии нормального развития [5], то важно установить, как кишечник развивается.
Стандартное описание нормальной "rotation" кишечника соответствует ряду последовательных стадий развития. Первоначально формируется петля средней кишки и удлиняется во внеабдоминальную полость из-за быстрого роста этой части кишки. Этот процесс известен как физиологическая кишечная грыжа. Дальнейшее развитие этой кишки ассоциирует с изменениями в позиции тонкого кишечника с краниальной на правую сторону и слепой кишки с каудальной на левую сторону, т.е. при этом происходит ротация против часовой стрелки приблизительно на ~90°. Соединение двенадцатиперстной кишки с тонкой приобретает свое левостороннее положение во время фазы возникновения грыжи, тогда как слепая кишка приобретает свое правостороннее положение после возвращения кишки в абдоминальную полость. Вместе все эти изменения в позиции д. составить дополнительно ротацию ~180° против часовой стрелки. Однако, немногие из этих в основном схематических описаний и иллюстраций базируются на оригинальных исследованиях (напр., [6-8]. Более того, авт. одного из первыз исследований уже предостергали, что "it must not been assumed that the main vessel, the SMA, actually forms an axis around which the loop twists" [6]. Эта т. наз. модель веревки с "en-bloc rotation" кишки приблизительно на 270° вокруг SMA, тем не менее, становитися современным образцом практически во всех учебниках.Остается неясным, до какой степени активная ротация или её отсутствие, вносят вклад в развитие кишечника [9].
Др. отличительной особенностью развития кишечника является образование витков (coils) кишечника. Хотя форма и положение ранних петель, по-видимому, очень постоянны [10-13], считается, что количество и расположение петель тонкого кишечника случайны. Неизменный паттерн образования петель во время ранней грыжи указывает на присутствие пре-паттерна, тогда как случайный паттерн согласуется со стохастическим контролем образования петель. Растяжимые взаимодействия между кишечной трубкой и поддерживающим ей мезентерием было недавно предложено в качестве потенциального механизма для стохастического образования петель [14].
Если мы разрешим эти очевидные противоречия, то станет важным установить, какая часть петлеобразования кишечника жестко смонтирована в генетически детерминируемый пре-паттерн и какая часть нет. Поэтому мы повторно исследовали паттерн формирования петель в тонком кишечнике человека и создали виртуальные 3D реконструкции кишечных петель, их кровоснабжение и поддержание мезентерием у эмбрионов человека во время и после образования грыжи в грыжевой мешок. Полученные результаты подтверждают существование пре-паттерна при становлении кишечных петель во время раннего периода образования грыжи, это в свою очередь в основном предопределяет топографию кишечника в абдоминальной полости после разрешения пупочной грыжи. Напротив, петли, которые образуются во время и после позднего периода образования грыжи формируются под стохастическим контролем.

Discussion


Мы изучали среднюю во время петлеобразования и формирования грыжи и выявили 3 генерации петель средней кишки. Топография первичных и вторичных петель постоянна, но третичных петель - нет. Первичная петля изменяет сагитальную на поперечную ориентацию благодаря снижению вентральных структур, по крайней мере, на 8 сегментов, когда ось тела всё ещё спиралеобразна (helical). 4 вторичные петли предопределяют дефинитивную топографию кишечника. Первая из вторичных петель (двенадцатиперстная и проксимальная часть тощей кишки) принимает свое лево-стороннее положение во время образования грыжи. Вторая из вторичных петель (дистальная часть тощей кишки) принимает левостороннее положение внутри грыжи перед возвращением, тогда как третья и четвертая из вторичных петель сохраняют свое положение почти по средней линии. Кишечник возвращается в брюшную полость, соскальзывая обратно. Только после его возвращения в брюшную послость, четвертая из вторичных петель (дистальная часть подвздошной кишки и слепая кишка) спускается в правую нижнюю часть брюшной полости. Наше описание показывает, что модель "en-bloc rotation" развития средней кишки является ошибкой схематических изображений.

The midgut as a structural entity


Средняя кишка обычно определяется как часть кишки, которая снабжается с помощью SMA и которая обнаруживает характерные признаки образования грыжи и ротации [8]. Более ранние определения описывали среднюю кишку как кишечную петлю между duodenojejunal изгибом краниально и изгибом толстой кишки (or angle or flexure) каудально [6, 16]. Эти определения оставляют пространство для аргументов о проксимальной и дистальной границах. Если принять во внимание границы области кровоснабжения с помощью чревного ствола (celiac trunk) и SMA в качестве критерия для соединения передней и средней кишки, проксимальной границы, определяемой областями кровоснабжения (perfusion) pancreaticoduodenal артерий [17, 18]. Более того, вентральная часть мезентерия и железы, которые проходят сквозь muscularis muscle (печень, дорсальная и вентральная поджелудочные железы, железы Brunner's ), заканчиваются там, где общий желчный проток и вентральная поджелудочная железа вступают в двенадцатиперстную кишку. Кровоснабжение, каудальный конец вентрального мезентерия и кишечная аохитектура, по-видимому, строго уепзывают на расположение соединения между каудальной частью передней кишки и средней кишкой в месте вступления вентрального желчного протока, т.е. посредине пути вдоль нисходящей части дефинитивной двенадцатиперстной кишки. Если оставшаяся часть двенадцатиперстной кишки представляет как следствие более краниальную чать средней кишки, она никогда не приобретает тонкого дорсального мезентерия, который формируется более каудально с CS14 и далее. Мы полагаем, что довольно тонкий дорсальный мезентерий идентифицирует части кишки с быстрым продольным ростом. Интересно, что мы не наблюдали третичного петлеобразования в дистальной части двенадцатиперстной кишки, это подтвеждает, что третичное петлеобразование отражает быстрый продольный рост и нуждается в присутствии тонкого мезентерия. Левый изгиб толстого кишечника (left) в качестве каудальной границы средней кишки присутствует в качестве постепенного перехода от горизонтальной к вертикальной позиции ободочной кишки во время образования грыжи, но может быть однозначно идентифицирован после того как начинают определяться основные ветви верхней и нижней мезентерических артерий на ст. CS23 и даже позднее, когда изгиб становится острым после 13 недели.

The developmental origin of the convoluted small intestine


Frazer и Robbins установили средняя кишка развивается между фиксированными проксимальной и дистальной границами: соединение между двенадцатиперстной и тощей кишкой зафиксировано связкой ligament of Treitz (LOT), а угол ободочной кишки с помощью "retention band" [6]. Snyder и Chaffin рассматривают оба изгиба как ростовые зоны [19]. Мы и др. наблюдали быстрый продольный рост всей части тонкого кишечника средней кишки и соответствующе истончение мезентерия [20]. Средняя кишка формирует 3 генерации петель, каждая со своими собственными характеристиками.

Primary loop


Первичная петля соответствует всей средней кишке. Её асимметричный рост приписывается асимметрии функции (laterality) генной экспрессии [21], а асимметричный вырост мезентерия обусловлен ремоделирование внеклеточного матрикса и цитоскелета [22-25]. Корреляция между синдромами гетеротопии (heterotaxia) и неправильной ротацией также подтверждает наличие генетического компонента в петлеобразовании кишечника [26]. Однако, chirality (отсутствие зеркальной симметрии) петлеобразования сердца у эмбрионов кур недавно обнаружила зависимость от поворота головы [27], т.е. отбиофизического фактора [28]. Когда первичная петля всё ещё является структурой срединной линии на ст. CS14, её члены следуют спиральной форме оси тела. Одновременно с опусканием вентральных торакальных и верхних абдоминальных структур после CS13 [10, 29-31], структуры более краниальной срединной линии приобретают правостороннее положение, а более каудальные структуры левостороннее положение относительно срединной линии. Эти находки указывают, что изменение в положении первичной петли, как и в случает сердечной петли, зависит от chiral роста тела. Мы не получили доказательств для эффекта асимметричной экспансии печени и ассоциированных позиционных изменений сосудистой сети [16, 32], Поскольку печень уже имеет асимметричную форму перед павосторонним сдвигом проксимального рукава первичной петли [33].

Secondary loops


Часть тонкого кишечника из первичной петли далее подразделяется на вторичные петли в соответствии со строгим пространственно-временным паттерном во время поздней 6-ой и 7-ой недель. Эта вторая генерация кишечных петель и их очень постоянное распределение было описано уже давно [10, 11, 12], но затем исчезло из описаний возможно из-за того, что их присутствие не подходило к превалирующим теориям нарушений ротации кишечника (см.: "Implications for malformations"). Вторичные петли, по-видимому, развиваются, подобно первичной петле, как результат быстрого роста кишечной трубки, но точное количество (4) и предсказуемый паттерн роста вторичных петель подтверждает генетическую регуляцию.

Tertiary loops


Вторичные петли формируются дополнительно, третичные петли после второй половины из 8 недель развития. Третичные петли не обнаруживают предсказуемого постоянного распределения и их образование совпадает с ускорением продольного роста тонкой кишки. В недавно предложенной модели развития кишки, регулярные петли появляются, если скорости относительного роста и эластичность кишечной трубки и её мезентерия различаются [14]. Даже если и длина трубки и длина мезентерия увеличиваются, индивидуальные домены четырех вторичных петель остаются обнаружимыми, поскольку листки мезентерия были короче в переходных областях между этими доменами. Уже было показано, что 4 домена вторичных петель всё ещё могут быть идентифицированы у ~50 % трупов взрослых [10]. Мы подтвердили эти находки на небольшом количестве трупов. Если не все домены могут быть идентифицированы из-за меньшего размера.

What triggers intestinal return?


Перед возвращением в брюшную послость продольный рост кишечника становится менее быстрым, чем у эмбрионов, но его диаметр увеличивается с той же скоростью как и в грыжевом соединении с брюшной полостью и делает возможным прохождение нескольких петель кишечника сразу. Бло установлено у эмбрионов редких промежуточных стадий (9.5 weeks), что кишечник возвращается проксимо-дистальным способом, при этом дистальная часть петли тощей кишки (yellow) втягивается первой [34], затем проксимальная часть подвздошной петли (green) и слепой кишки, и дистальная часть подвздошной петли (blue) и наконец аппендикс (Fig. 9a). Глубокие вырезки между мезентериями вторичныъх петель подтверждают, что вториные петли могут двигаться независимо одна от др. Такая архитектура д. содействовать фазовому возвращению петель через пупочное устье. Такие размышления над размерами предполагают, что даже если третичные петли могут лишь частично раскручиваться, ширина шейки грыжи не д. предопределять временной промежуток возвращения кишечника, как это часто предполагают [7]. Хотя мы не знаем об экспериментах, исследующих механизм возвращения, мы предполагаем, что уменьшение длины мезентерических связей (rod) относительно дорсо-вентральной глубины брюшной послости ответственно за проксимо-листальную последовательность возвращения сегментов кишечника в брюшную полость. Этот механизм был впервые предложен Pernkopf в 1925 [11, 12].

Does the midgut rotate?


Мы конечно задавались вопросом, действительно ли изменение позиции соединения между двенадцатиперстной/тощей кишкой и слепой кишкой относительно оси SMA представляет собой ротацию в 270°. Ротация обычно описывается, как происходящая в 2 фазы, т.е., во время образования первичной петли и после возвращения кишечника в брюшную полость [6, 16], но иногда включаются промежуточные стадии, которые представляют собой рост вторичных петель [8]. Мы также картировали позиции 4 вторичных петель относительно SMA как степени ротации, когда они впервые развивались (между 5.5 и 8 неделями), и после возвращения (>9.0 недель). Рис. 12 показывает, что ротация первичной петли ощущается всеми частями средней кишки. Хотя исход нашей модели не отличается от такового модели "en-bloc" ротации в этой фазе развития, впервые был предложен потенциальный механизм инициации асимметричного развития кишки, а именно, спуск дистальной части передней кишки и её производных у эмбрионов с всё ещё спиралевидной осью тела.Последующие топографические изменения кишечника относительно SMA во время позднего существования грыжи особенно выражены в проксимальной части duodeno-jejunal петли (orange), которая удлиняется каудально к SMA в левостороннем направлении в течение 3-недельного периода, подтверждая, что это соответствует периоду локального роста. После этого, позиция этого сегмента едва ли меняет свое положение. Напротив, дистальная часть подвздошной петли (blue) едва ли меняет положение относительно SMA во время существования поздней грыжи, но делает это в течение нескольких дней после возвращения в брюшную полость. Как показано на Рис. 9, это последнее изменение в положении обусловлено перемещением этой части кишки из среднего сагитального и вентрального в право-латеральное и более дорсальное положение. Даже хотя ротационные изменения этой части кишечника после возвращения кишечника кажутся обширными, линейные изменения в позиции лишь незначительны. Если настаивать на использовании термина ротации для этого перемещения, оно д. осуществляться в основном вокруг кранио-каудальной оси (в поперечной плоскости) скорее, чем в отношении дорсо-вентральной оси (фронтальная плоскость). В виду короткого промежутка времени и ориентации очевидной оси ротации, мы полагаем, что дистальная часть подвздошной кишки и слепая кишка "скользят" скорее, чем "ротируют" когда проходят через пупочное устье в нижнюю правую часть брюшной полости. "En-bloc rotation" является концептуально простой и поэтому привлекательной моделью развития кишки, но очень разные степени, скорости и время развития очевидной ротации разных частей средней кишки указывают, что эта модель не может больше поддерживаться. Данное наше исследование показывает, что иерархическое петлеобразование является жизнеспособной новой моделью для описания ключевых морфогенетических событий в развитии кишечника (для сравнение обеих моделей см. Рис. 13).

Fig. 12 "Rotation" of the midgut relative to the superior mesenteric artery. The diagram shows the changes in position ("rotation") of the indicated intestinal structures relative to the SMA as seen from ventral. Cranial relative to the SMA represents 0° and the gut "rotates" counterclockwise. The squares represent rotation associated with the primary loop. The diamonds show the degree of rotation between 5.5 and 8.5 weeks, while the circles show the degree of rotation during and immediately after intestinal return (9th week). Only rotation and not distance to the SMA are shown, so that rotation during intestinal return appears extensive, whereas the change in position is only minor. We conclude that the intestines do not "rotate" but "slide" from the umbilical orifice to the lower-right abdominal cavity

Fig. 13 Graphical summary of the "en-bloc rotation" and our hierarchical model of gut morphogenesis. Panels a-c show the classic "en-bloc rotation" model of gut morphogenesis. From panel a to b (left-sided views) the midgut loop rotates 90° in a counterclockwise direction, so that its position changes from midsagittal (a) to transverse (b1). The small intestine forms loops (b2) and slides back into the abdomen (b3) during resolution of the hernia. Meanwhile, the cecum moves from the left to the right side, which represents the additional 180° counterclockwise rotation of the intestine (c, ventral view). The present study shows that the gut acquires its definitive shape by the hierarchical development of primary, secondary, and tertiary loops (panels d-f). The descent of the proximal midgut in the still helically shaped body rather than rotation accounts for the change in position of the primary loop from midsagittal (d, left-sided view) to transverse (e1 left-sided view). During the herniation phase, 4 secondary loops develop in a strict spatiotemporal fashion in the small intestine (e2 left-sided view). Tertiary loops develop within the secondary loops (e3) and these domains slide in a proximodistal fashion back into the abdomen, with the distal ileum and appendix last (e4 left-sided view). Just after return, the cecum is found medially, just dorsal to the umbilical opening. Within 4 days the cecum then assumes its right-sided, more caudal and dorsal position (f1 (colon only), f2(colon and small intestine); ventral views)

Implications for malformations


Если существуют проблемы с ротацией кишечника в качестве лежащего в основе механизма, то обратная ротация и полное отсутствие ротации д. являться крайними состояниями в спектре нарушений ротации [35]. Обратная ротация является редкой аномалией, при которой толстая кишка и двенадцатиперстная кишка ротируют по часовой стрелке вместо против часовой стрелки по отношению к SMA, так что поперечные концы толстой кишки поднимаются кзади к верхним мезентерическим сосудам [36]. Мы предполагаем, что ранний спиралный рост эмбриона обращен в обратную сторону в этом случае. Если диагностируется отсутствие ротации, то слепая кишка и восходящая часть толстой кишки оказываются с левой стороны вместо нормального правостороннего расположения, в то время как расположение лигаменты Treitz (LOT) не затронуто. Такая конфигурация кишечника напоминает конфигурацию перед "выскальзыванием" подвздошной кишки и проксимальной части толстой кишки из пупочного кольца в нижнюю правую часть брюшной полости. Остальные нарушения ротации классифицируются как или типичные или атипичные [4]. Типичные нарушения ротации определяются по правосторонней позиции LOT, тогда как атипичные нарушения ротации имеют левостороннюю LOT по отношению к позвоночному столбу [3, 35]. Положение слепой кишки является подпеченочным в огромном большинстве (~85 %) как типичных, так и атипичных нарушений ротации [35, 37], т.е., восходящая толстая кишка слишком коротка. Положение LOT может рассматриваться как маркер для развития первой из вторичных петель, а положение слепой кишкиhe как маркер четвертой из вториных петель [19]. Аномальные позиции LOT и слепой кишки не обязательно связаны [3, 19].
Базируясь на своем исследовании, мы предполагаем, что ограничения роста вторичных петель лежат в основе возникновения неправилных ротаций. Правосторонннее положение LOT указывает на то, что рост первой из вторичных петель нарушен. Сходным образом, мы предполагаем, что краниальная позиция слепой кишки и короткая восходящая толстая кишка указывают на нарушения развития четвертой из вторичных петель и проксимальной части толстой кишки. Положение слепой кишки при нарушениях ротации напоминает таковое, которое имеет место на 9.5 неделе развития, т.е.непосредственно после возвращения кишечника, когда она занимает положение под печенью, а проксимальная часть толстой кишки всё ещё относительно коротка. Неудивительно, что недоразвитие первой и четвертой из вторичных петель дает более выраженное фенотипическое отклонение, чем второй или третьей из вторичных петель, поскольку недразвитие последних петель должно "только" представляться как синдром короткого кишечника. Соответственно, синдром короткого кишечника возникает в комбинации с нарушениями ротации кишечника как генетическое заболевание [38, 39, 40]. Вариации в степени развития соотв. вторичных петель должны также объяснить вариабельность в размере доменов тонкого кишечника у взрослых [10].
Что же вызывает задержку роста кишечника? Хотя мы можем только спекулировать о причине(ах), сосудистые побочные состояния являются привлекательными. Редкое, но информативное врожденное уродство "apple peel" тонкой кишки. Это нарушение характеризуется атрезией тощей или подвздошной кишки и отсутствием дорсального мезентерия [41, 42]. В некоторых случаях подобной атрезии клетки слущивающегося эпителия, пушковые (lanugo) волоски или капельк желчи обнаруживаются дистальнее атрезии и даже между атретическими сегментами [43, 44], подтверждая, что развитие атрезии развивается после начала продукции желчи. Эти врожденные уродства были правдоподобно объяснены повреждениями кишечника после, напр., острых сосудистых расстройств. Мы полагаем, что сходные острые сосудистые расстройства могут вызывать недостаточность роста вторичных петель во время образования грыжи или вскоре после возвращения. Эта гипотеза может также объяснить присутствие Ladd's полос: после повреждения репарация ткани влечет за собой развитие рубцовой ткани.

Conclusions


Intestinal morphogenesis is characterized by 3 phases of looping, each with a distinct underlying mechanism. The secondary loops of the small intestine develop according to a highly predictable pattern. We hypothesize, based on published accounts of malrotations, that the pathology associated with these malformations results from incomplete development of the secondary loops.