Критические периоды в эмбриогенезе млекопитающих

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра эмбриологии

 

 

 

 

 

 

 

 

Лебедева  Татьяна Семеновна

 

 

Критические периоды в эмбриогенезе млекопитающих

 

 

 

Курсовая  работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

Кандидат  биологических наук

Падалка Светлана Михайловна

                                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва – 2013 г.

 

 

Оглавление

 

 

Актуальность………………………………………………………………..…3

Критические периоды……………………………………………………..…..4

Критические периоды в эмбриогенезе млекопитающих…………………....8

Имплантация…………………………………………………………....11

Плацентация…………………………………………………………….12

Основные группы тератогенов, влияющих на развитие млекопитающих...18

Гипоксия………………………………………………….……………..18

Изменение температуры……………………………………………….19

Ионизирующее  излучение……………………………………………..20

Хемиотератогенез………………………………………………………22

Фармакологические препараты………………………………….…….23

 

Выводы………………………………………………………………………....25

Список литературы………………………………………………………..…..26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность

 

В процессе  эмбриогенеза зародыш подвергается воздействию большого количества факторов внешней и внутренней среды. Результатом  подобного воздействия могут  служить различные аномалии или  морфозы. Именно поэтому исследование периодов, в которые эмбрион наиболее уязвим к действию вредных агентов так важно в настоящее время, когда так велика вероятность неблагоприятного техногенного влияния.

Так же не стоит  забывать значение выявления критических  периодов у разных групп организмов для научных экспериментов. В  частности критические периоды  развития стали предметом пристального внимания феногенетиков, использующих факторы внешней среды для изучения действия генов в онтогенезе (Б.П. Токин, 1987).

Эмбрионы водных животных в наиболее чувствительные периоды могут служить в качестве биотестов для оценки токсичности среды, например эмбрион амфибий на стадии закладки осевого комплекса (О.П. Мелехова, 1994; О.П. Мелехова, Г.В. Коссова, 1997 цит. по С.М. Падалка, 2006).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Критические периоды

Эмбриональное развитие возможно лишь при оптимальном сочетании внутренних и внешних условий. И каждая последующая стадия развития эмбриона вытекает из предыдущей при влиянии условий окружающей среды. Если в процессе развития зародыша на него действуют неблагоприятные факторы, способные кардинально повлиять на ход развития плода, эмбриогенез может отклониться от нормального пути.

Считается, что большинство отклонений от нормального развития происходит в так называемые «критические периоды». Существует несколько точек зрения на определение этого понятия. Впервые этот термин был употреблен основателем сельскохозяйственной метеорологии П.И. Броуновым (1897). Но так как Броунов работал с сеянцами злаков, то его исследования не были известны среди зоологов. Поэтому среди зоологов основателем термина считается английский врач С.Р. Стокард (Stockard, 1921 цит. по П. Г. Светлову, 1960).  Критическими периодами он назвал нарушение темпов развития отдельных закладок органов у эмбрионов, четко выявленных у Fundulus heteroclitis, например, при действии низких температур.  Представления С.Р. Стоккарда о нарушении темпов эмбрионального развития после действия различных повреждающих агентов получили дальнейшее развитие в работах Р.  Гольдшмита (Goldschmidt, 1938 цит. по по П. Г. Светлову, 1960),  создавшего представление о координированной системе скоростей в перемещении клеточного материала, которое особенно легко нарушается в период закладки органов. По его мнению, критические периоды — это «узловые точки» пересечения кривых скоростей различных реакций.

Огромный вклад в развитие теории критических периодов внес выдающийся советский ученный Светлов П.Г. По его мнению, воздействия внешней среды делится на три группы:

1. Повреждающее воздействие - приводит к подавлению развития, его патологическому искажению или к смерти. Летальные влияния наиболее просто вызываемые и анализируемые, так как независимо от механизма повреждения смерть организма позволяет объединить любые воздействия. При этом не важны патологии погибшего зародыша. Действие различных агентов проявляет наименьшую специфичность, то есть случае патологических явлений наблюдается образование одних и тех же типов аномалий развития в ответ на различные агенты.
2. Модифицирующее действие – вызывает изменение комплекса фенотипических признаков, не имеющее патологического характера.

Положительные или отрицательные  отклонения от нормы. Являются источником ненаследственной изменчивости. Специфичность действия ряда агентов в случае модифицирующего действия так же невысока, однако существуют агенты, действие которых вызывает строго определенные морфозы (Светлов, 1960)

3. Закономерное действие среды – обеспечивает нормальное развитие.

В этом случае влияние факторов внешней  среды находится в пределах физиологической нормы и заметно влияют не только на темпы развития, но и на качественные признаки конечного результата.

Несмотря на разделение воздействий  на 3 группы, П.Г. Светлов указывает на то, что они  без резких границ переходят одна в другую и могут быть следствием одних и тех же агентов в зависимости от доз и от стадий развития.

Каждый период эмбриогенеза характеризуется особой чувствительностью к вредному действию внешних факторов, но с увеличением стадии развития зародыша происходит падение чувствительности организма как целого, так и его частей. Светловым П.Г. было предположено существование критических периодов, на протяжении которых зародыш наиболее чувствителен к действию факторов окружающей среды.

Рис.1. Критические периоды в  развитии зародыша вьюна Misgurnus fossilis (В. М. Коровина, 1950)

По оси абсцисс – стадии развития (условно обозначены номерами), в  которые производилось экспериментальное  воздействие на зародыш;

По оси ординат – стойкость  икринок (среднее число минут действия примененных агентов, достаточное для того, чтобы из поврежденной икринки мальки не могли вылупиться. 1 – кривая стойкости к температуре 33°С, 2 – к действию 0,25% молочной кислоты, 3 – к действию 0,05% аммиака.

На Рис.1 представлена диаграмма  В.М. Коровиной (1950), на которой четко выражено периодическое снижение устойчивости зародыша вьюна к действию молочной кислоты, аммиака и повышенной температуры. Отмеченные на диаграмме стадии гаструляции и формирования осевых органов являются критическими для всех позвоночных животных (Светлов, 1956).

Рис.2. Постадийная смертность зародышей Rana arvalis. (E.А. Северцовой, А.С. Северцов, 2011)

По оси  Х – номер стадии (по Н.В. Дабагян, Л. А. Слепцовой, 1975), по оси Y – доля погибших зародышей (в %), по оси Z – номера кладок.

Исследования проведенные на эмбрионах остромордой лягушки               Е.А. Северцовой и А.С. Северцовым (2011) показывают, что для данного вида животного «наиболее ранней узловой стадией оказываются стадии завершения гаструляции – начало нейруляции и органогенеза, т.е. с18 по 21 стадии развития» (Рис. 2).

Что касается чувствительности, то это  свойство определяется с одной стороны  – повреждаемостью, а с другой стороны репаративной способностью (В.Я. Александров, 1952, цит. по П.Г. Светлову, 1960). Следовательно, изменение значения чувствительности может быть связано с изменением одной из ее составляющих. Чувствительность считается важной биологической характеристикой, так как характеризует высокую физиологическую активность клеток. Высокую чувствительность критических периодов Светлов связывал с «пониженной репаративной способностью» клеток.

Так же стоит указать на связь  критических процессов с процессами детерминации. Критические периоды являются моментами, которые отделяют детерминированное состояние зародыша от индифферентного. Основные критические периоды у амфибий и рыб наблюдаются перед началом гаструляции и перед формированием осевых органов, что соответствует общепринятым периодам детерминации главных частей тела. Некоторые ученые считают, что внешние факторы являются пусковыми агентами, ответственными за включение детерминации, за которой следуют процессы морфогенеза (Светлов, 1960).

Онтогенез разделен на несколько периодов: относительно короткого критического периода с высокой чувствительность к внешним факторам (в этот период происходит детерминация) , за ним следует  дифференциация и рост. Повышение чувствительности в периоды детерминации обеспечивает восприятие раздражения. «Зародыш как бы «прислушивается» к тому, что делается вокруг него» (Б.П. Токин, 1987).

Критические периоды в эмбриогенезе млекопитающих

Результаты классических исследований П.Г. Светлова указали на то, что в  эмбриогенезе млекопитающих к критическим  периодам оговоренным ранее добавляются еще два: имплантация и плацентация. В ходе исследования на эмбрионы крыс действовали различными патогенами (гипотермия, токсические дозы наркотических веществ, лучи Рентгена).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Повреждаемость эмбрионов крыс при воздействии различными патогенными  агентами на беременную самку (по П.Г. Светлову, 1960).

По оси абсцисс – дни беременности, в которые производилось одноразовое  кратковременное воздействие ; по оси ординат – проценты всех отклонений от нормы    6 обнаруженных у 17-ти дневных плодов. Т – действие повышенной температуры; Э – действие эфира; Г – действие рентгеновских лучей (200r); К – антеннальная смертность в контроле.

Первый максимум приходится на четвертый  день развития, что соответствует предымплантационному периоду. (Рис.3). Второй максимум повреждаемости плода  - на 10-12 дни беременности, то есть на стадию плацентации.

Рассмотрим результаты исследования Дж.М. Роджерса и М.Л. Моле (1997), проведенные на эмбрионах мышей (линия CD-1). Для определения критических периодов на беременных самок воздействовали парами метанола (10,000 ppm). Влияние паров метанола оценивали по наличию следующих дефектов: небная расщелина, экзэнцефалия, и аномально развитый скелет.

небная  расщелина

экзэнцефалия

экзэнцефалия

Рис.5. Критические периоды возникновения  экзэнцефалии и небной расщелины.

По оси Х – дни беременности, в которые производилось воздействие. по оси Y – процент зародышей с аномальным развитем.

 

Наибольшее количество животных с экзэнцефалией обнаружено при воздействии парами этанола в 7-6 дни беременности, с небной расщелиной: 7-8.

Рис.6. Критические периоды возникновения  аномалий осевого скелета.

По оси Х – дни беременности, в которые производилось воздействие  парами этанола, по оси Y – процент зародышей с аномалиями.

 

Как и в предыдущем случае максимумы  возникновения аномалий осевого  скелета приходятся на период воздействия  с 6 по 8 день.

Рис.7.  Аномалии развития осевого скелета при воздействии парами этанола.

А – контроль, В – скелет зародыша, подвергшегося воздействию парами этанола в течении 7 часов в седьмоой день беременности (пояснения в тексте).

 

На рисунке 7 представлен пример аномально развитого скелета. Самая  большая стрелка указывает на дефектно развитый первый позвонок (Аtlas), средняя стрелка  - второй шейный позвонок (Аxis). Оба позвонка имеют аномальное несращение, так же они неправильно формируют спинно-мозговой канал. Самая маленька стрелка указывает окостеневший участок латеральнее седьмого позвонка, что не наблюдается в контрольном образце.

Таким образом наиболее чувствительные к парам этанола периоды развития осевого скелета и скелета черепа - это гаструляция и начало органогенеза.

 В эмбриогенезе млекопитающих выделяют следующие критические периоды: гаструляция, имплантация, нейруляция, планцентация (А.П. Дыбан, П.Г. Светлов). Однако, на рис.3 четко выражены только два максимума. П.Г. Светлов считает, что периоды имплантации и планцентации накладываются во времени на основные критические периоды свойственные позвоночным животным, и поэтому сложно выделить к какому именно периоду относится повышенная чувствительность.

Рассмотрим подробнее критические периоды, свойственные исключительно млекопитающим.

Имплантация

Имплантация – это процесс адгезии и  внедрения, бластоцисты в стенку матки.

Вначале поверхность трофоэктодермы гладкая , а поверхность клеток эндометрия содержит большое количество микроворсинок. Но во время фазы адгезии эти ворсинки исчезают и поверхности трофоэктодермальных клеток и клеток эпителия матки тесно прилегают друг к другу. Между ними находится узкое пространство, заполненное электронно-плотным гомогенным веществом (А.П. Дыбан, 1987).

Рис. 8. Начальная  стадия имплантации бластоцисты в стенку матки (С. Гилберт, 1993; фотография – Cheaster Reather).

Для того, чтобы  бластоциста могла погрузиться в эндометрий матки симпластический трофобласт по всему периметру хориона образует выросты — первичные ворсинки хориона, которые начинают выделят протеолитические ферменты, разрушающие эпителий матки, и через образовавшуюся бреш зародыш внедряется в толщу слизистой матки. Впоследствии эпителий матки за зародышем восстанавливается и поэтому зародыш оказывается замурованным в толще эндометрия.