Taak 3 Embryonale ontwikkeling

De vader van Henk leest in de krant over de mogelijkheid van gebruik van stamcellen bij de genezing van een hartinfarct. Henk is toegepaste biologiestudent en aan hem wordt gevraagd wat stamcellen zijn en waar ze vandaan komen. Henk heeft wel eens gelezen dat het zogenaamde pluripotente cellen zijn die bijvoorbeeld uit de blastocyste stadium van een embryo gehaald kunnen worden. Wat dat precies inhoudt weet hij niet en hij besluit in de boeken te duiken om de embryonale ontwikkeling te ontrafelen.

Henk merkt dat de embryonale ontwikkeling van vogels en zoogdieren veel op elkaar lijkt, maar dat het verschil vooral zit in de vroegontwikkeling tot aan de vorming van de kiembladen. Wat er vervolgens uit de kiembladen ontstaat wil hij wel weten maar hoe dat precies gaat (=tot aan de organogenese) gaat voor nu te ver. Henk z’n interesse is nu wel geprikkeld en hij wil nu ook weten hoe en in welk stadium een embryo in de baarmoeder innestelt en op welke wijze tijdens de draagtijd voedingsstoffen en afvalstoffen worden aan- en afgevoerd.

Om het plaatje compleet te maken zet Henk ook het proces van de geboorte op een rij. Hij is benieuwd wat de geboorte in gang zet en hoe de vrucht naar buiten komt, en wat daarvoor nodig is.

Taak 3: embryonale ontwikkeling, Levenscycli, december 2010

Embryonale ontwikkeling De onderwerpen van deze taak zijn:- ontwikkeling embryo (klievingsdelingen, stadia embryo (morula, blastula,

gastrula, neurula)- begrippen ectoderm, endoderm, mesoderm (kiembladen)- innesteling en placentatie (vorming placenta)- opbouw en functie vruchtvliezen (onderdeel van placenta)- het geboorteproces

De student is in staat:1. De ontwikkeling van bevruchtte eicel, inclusief innesteling te

beschrijven en veel voorkomende oorzaken van embryonale sterfte te benoemen.

2. De drie kiemlagen te benoemen en te beschrijven welke structuren zich uit ieder van de kiembladen ontwikkelt.

3. De bouw en functie van de placenta (met vruchtvliezen) te beschrijven

4. Het geboorteproces bij zoogdieren te beschrijven

Stap 1: Verhelder onduidelijke termen en begrippen- stamcel: Cellen waaruit nieuwe cellen kunnen ontwikkelen

om weefsel te vormen of om signaalstoffen af te geven die weefselvorming stimuleert. Stamcellen kunnen uit een embryo gewonnen worden en zijn in staat zich tot allerlei typen cellen te ontwikkelen. Stamcellen kunnen ook uit organen gehaald worden zoals bv uit hart, huid en beenmerg. Deze kunnen voor zover bekend alleen dat weefsel vormen van waaruit ze gehaald zijn.

- pluripotente cellen: Embryonale cellen die nog niet gedifferentieerd zijn richting een bepaald weefseltype maar nog alle kanten op kunnen ontwikkelen.

- blastocyst: Stadium in de embryonale ontwikkeling wanneer een holte (= blastocoel) is ontstaan

- embryo: Een dier of een plant in de vroegste stadia van de ontwikkeling (tot en met organogenese; daarna= foetus)

- vroegontwikkeling: Embryonale ontwikkeling vanaf bevruchting tot aan de het ontstaan van kiembladen

- kiembladen: Een kiemblad van een embryo is een verzameling van cellen die dezelfde oorsprong hebben in de embryogenese en die tijdens de organogenese zullen uitgroeien tot specifieke lichaamsweefsels.

- organogenese: De vorming van organen en weefsels uit de kiembladen (genesis= ontstaan; wording).

Stap 2: Definieer het probleem

Hoe verlopen embryonale ontwikkeling en geboorte.

Stap 3: Analyse van het probleem

Hierbij kan gestuurd worden op ontwikkeling vanaf bevruchting tot en met geboorte. Wat weten ze nog over klievingsdelingen? Wat ontstaat waaruit? Wat zou neurulatie en gastrulatie kunnen betekenen? Welke vruchtvliezen zijn er en wat is hun functie. Wat is de bouw en functie van de placenta, en is het voor alle zoogdieren hetzelfde? Welke problemen kunnen ontstaan in embryonale ontwikkeling? Hoe komt de geboorte op gang?

Stap 4: Ordenen + inventariseer deelproblemen

Ordenen rondom: embryonale ontwikkeling1. embryonale ontwikkeling vanaf de bevruchting2. innestelen en placentavorming3. geboorteproces

Stap 5: Formuleren leerdoelen, zelfstudieopdrachten

Embryonale ontwikkeling:1. Welke stadia zijn te onderscheiden in de embryonale ontwikkeling?

(tot en met innestelen)2. Welke factoren zijn van invloed op de embryonale ontwikkeling?3. Welke verschillende kiembladen kunnen onderscheiden worden?

(Differentiatie)4. Welke structuren/organen ontwikkelen zich uit de verschillende

kiembladen?Placentavorming:5. Hoe worden moederkoek en vruchtvliezen gevormd?6. Hoe is de placenta opgebouwd? 7. Wat zijn de functies van de placenta? En hebben alle diersoorten

eenzelfde soort placenta?8. Welke vruchtvliezen zijn er? En hebben alle diersoorten dezelfde

vruchtvliezen?9. Wat is de functie van de verschillende vruchtvliezen?Geboorteproces:10. Hoe komt de geboorte op gang bij zoogdieren (fysiek en

hormonaal)?11. Hoe verloopt de geboorte (fysiek)?

Stap 6: Plan van aanpak makenBronnen:- Biology, HS (32= bouwplan), 46 (bevruchting), 47 (embryonale ontwikkeling)- Blackboard- Internet: bioplek.org- Hoorcollege

Flappen:1) Ontwikkelingsstadia embryonale ontwikkeling + ontstaanswijze kiembladen2) ontwikkeling vruchtvliezen + verschil ei en zoogdier3) Stadia van geboorte

Stap 7: Zelfstudie

Stap 8: Rapporteren

1. Welke stadia zijn te onderscheiden in de embryonale ontwikkeling? (Biology blz. 1067-73) Nadat bevruchting heeft plaatsgevonden, vindt een aantal snelle celdelingen plaats. Tijdens deze periode, die klievingsdelingen worden genoemd, wordt het embryo niet groter. In feite delen de cellen zonder dat het cytoplasma vergroot, de cellen zelf worden dus kleiner (deze aparte cellen worden blastomeren genoemd). De zygoot (eencellig embryo) gaat over in het 4-cellig stadium, 8-cellig stadium etc. Vanaf het 16-cellig stadium wordt het embryo een morula genoemd. (Morula betekent in het latijn ‘moerbei’, wat slaat op het gelobde oppervlakte van het embryo in dit stadium). Hierna ontstaat een met vocht gevulde holte (de blastocoel) en dan wordt het embryo een blastocyst (of blastula) genoemd. Tot dit stadium zit het embryo nog in de zgn. zona pellucida (eischaal). De blastocyst breekt door de zona pellucida heen en wordt dan ‘hatched blastocyst’ genoemd. Hierna stulpen bepaalde cellen van het embryo in en wordt dan een gastrula genoemd. Vanaf nu kunnen ook verschillende kiemlagen onderscheiden worden (endoderm, ectoderm). Tijdens de gastrulatie zorgt interactie tussen endoderm en ectoderm voor het ontstaan van een derde laag, het mesoderm. Na gastrulatie verandert de grootte van het embryo pas.

(ontwikkeling amfibie; afbeelding uit HC Dil; bron onbekend

Figuur 32.2, blz. 701

ontwikkeling zee-egel; Biology,fig 47.09, blz. 1074

2. Welke factoren zijn van invloed op de embryonale ontwikkeling?Er zijn heel veel factoren van invloed op de embryonale ontwikkeling, waarbij bij velen nog niet duidelijk is hoe het precies werkt en op de verschillende processen ingrijpt. Vaak heeft het te maken daar een onbalans tussen het baarmoedermilieu en de omgeving die het embryo op dat moment nodig heeft (zowel hormonaal als voedingstoffen). Ook kan het zijn dat er door genetische ‘fouten’ iets mis gaat in de ontwikkeling. Hierbij kan het zijn dat door overerving genetische gebreken aan het licht komen of door mutaties er iets mis gaat.

Veel genoemde oorzaken zijn: - stress- bevruchting van verouderde eicel of door een spermacel met slechte kwaliteit (suboptimaal tijdstip van inseminatie. Let op: niet kunstmatig bedoeld)- voeding- genetische afwijkingen

3. Welke verschillende kiembladen kunnen onderscheiden worden?

(Biology Fig 47.17, blz. 1081)

Let op: De buitenste donkergrijze laag is het ectoderm waaruit Epidermis en centraal zenuwstelsel onstaan.

4. Welke structuren/organen ontwikkelen zich uit de verschillende kiembladen?

(Organogenese zoogdier; Afbeelding uit HC bij PGO taak 3): Zie ook leerdoelen 8 en 9 voor meer uitleg.

Epidermis

(a) Fate map of a frog embryo

Epidermis

Blastula Neural tube stage(transverse section)

CentralnervoussystemNotochord

MesodermEndoderm

(Biology Fig 47.8, blz. 1073)

De studenten moeten de 3 kiemlagen bij naam weten. weten wat de positie is tov elkaar en globaal weten wat eruit gevormd wordt:

Ectoderm: huid en centraal zenuwstelsel Mesoderm: hart en bloedvaten, nierweefsel en geslachtsapparaat,

skelet en spierweefsel, algemeen ondersteundend weefsel Endoderm: maagdarmkanaal en darmderivaten, longen en blaas.

Darmderivaten zijn lever, galblaas en pancreas.

5. Hoe worden moederkoek en vruchtvliezen gevormd?

Innesteling: humaanDe embryo bereikt de baarmoederholte in het blastulastadium en nestelt in. Na innesteling wordt de moederkoek en de vruchtvliezen (is samen placenta) gevormd.

baarmoederslijmvlies

trofoblast

embryonaalknop

blastulaholte

Klompje cellen vlak voor de innesteling

toekomstige embryo

toekomstigedooierzak

trofoblastbaarmoederholte

baarmoederslijmvlies

bloedvat

Tijdens de innesteling (ongeveer 7 dagen na bevruchting)

(Zie ook Biology fig 47.12, blz. 1076)

6. Hoe is de placenta opgebouwd? De placenta is opgebouwd uit de buitenste laag van de blastocyst, genaamd de trofoblast en in een later stadium het chorion (foetale deel van de placenta) en dit hecht zich aan het endometrium van de moeder (maternale deel van de placenta). In de placenta bevinden zich de foetale aders en slagaders en de maternale aders en slagaders. Humaan (en bij andere primaten) is er geen directe verbinding tussen de foetale en maternale bloed. Bij sommige zoogdieren is de verbinding veel hechter en kan het zijn dat zelfs endotheel ontbreekt.(Biology Fig 46.16)

Figuur 46.16, blz. 1059

7. Wat zijn de functies van de placenta? En hebben alle dieren eenzelfde soort placenta?De placenta heeft in principe twee functies te weten:a) Uitwisseling van stoffen tussen moeder en foetus d.m.v. simpele diffusie (gassen en water), gefaciliteerde diffusie (glucose, aminozuren e.d.) en actief transport (natrium en kalium). Daarnaast kunnen vitaminen en mineralen uitgewisseld worden, maar ook giftige en pathogene stoffen.b) De placenta is ook een endocrien orgaan gedurende de dracht. De placenta produceert hormonen die de functie van het ovarium beïnvloedt, de ervoor zorgen dat de dracht in stand wordt gehouden, de invloed hebben op foetale groei, die invloed hebben op de maternale borstklier en te helpen bij de geboorte.

Niet alle dieren hebben eenzelfde soort placenta enkele voorbeelden zijn: (dit zijn de vormverschillen, functieverschillen gaat voor nu te ver)Diffuus: paard, varken, kameel (overal eigenlijk contact)Cotyledonair: herkauwers Cotyledone à van foetus, Karunkel à van moederKarunkel: een steel en een bovenplaat, Cotyledone: soort schoteltje dat de bovenplaat omgrijptZonair: hond, poes (een zone, bv soort van gordel)Discoidaal: mens (ea primaten), rat, muis, cavia (een discus)

8. Welke vruchtvliezen zijn er? 9. Wat is de functie van de verschillende vruchtvliezen? (Zie ook afbeelding uit HC Dil bij leerdoel 4)

De vruchtvliezen zijn: a) Amnion (pootjesblaas): de ‘stootzak’; beschermt het embryo

tegen uitdroging en mechanische schokken b) Allantois (waterblaas): ‘afvalzak’, verzamelt het metabolische

afval afkomstig van het embryo. Het membraan fungeert bij zoogdieren envogels samen met het chorion als ademhalingsapparaat. Bij mens alleen even kort in het begin aanwezig om navelstrengvaten te vormen die verder uitgroeien in het chorion

c) Dooierzak: Bevat bij vogels dooiermateriaal als voeding voor het embryo. Verder alleen bij paard een wezenlijke structuur die bijdraagt aan het contact met de baarmoederwand.

d) Chorion: het chorion vergroeit bij vogels, zoogdieren en reptielen met de allantois (= allantochorion) en is verantwoordelijk voor het foetale deel van de placenta.

(Biology, fig 34.26, bld. 760) Dit is een plaatje van een kip,verschil met zoogdieren is dooierzak, en mens is heel ander verhaal.

Vorming van de vruchtvliezen bij zoogdieren (uit ‘Pathways to pregnancy and parturition, Senger, 2005, blz 290)De gehatchte blastocyst bestaat uit een ‘inner cell mass’(ICM), de trofoblast en de blastocoel. Heel vroeg in de ontwikkeling, ontstaat het primitieve endoderm onder de ICM en groeit naar beneden waardoor een binnenwerk op de binnenkant van het trofoblast ontstaat. Op hetzelfde moment begint het mesoderm te ontwikkelen tussen het primitieve endoderm en het embryo. Wanneer het primitieve endoderm volledig rond gegroeid is, is er een holte ontstaan die de dooierzak wordt genoemd. Deze wordt zo genoemd omdat die analoog is aan de dooierzak bij vogels. Het mesoderm blijft groeien en vormt een zak om de dooierzak en duwt tegen het trofectoderm (voorheen trofoblast cellen). Daarna komen er vleugelachtige uitstulpingen rond het embryo. Wanneer het mesoderm volledig beneden naar elkaar gegroeid is, is er een ruimte ontstaan waarin de dooierzak en de allantios zich bevinden. De allantois ontstaat uit de oerdarm van het embryo. Uiteindelijk zal de dooierzak kleiner worden en de allantois de ruimte die door het mesoderm is ontstaan in beslag nemen. De vleugels rond het embryo vergroeien ook met elkaar en vormen zo het amnion en chorion.

10. Hoe komt de geboorte op gang bij zoogdieren (fysiek en hormonaal)?

Figuur 46.18, 1061

(Senger, 2005, blz. 321)

De geboorte begint doordat de vrucht stress ondervindt (ruimtegebrek, voedingstof te kort, opstapeling afvalstoffen). Foetaal cortisol komt in de circulatie van de moeder en zorgt daar voor de productie van oestrogeen (E2) door de eierstokken. Oestrogenen maken de baarmoederwand gevoelig voor oxytocine. Dit hormoon wordt door foetus en moeder aangemaakt en veroorzaakt baarmoedercontracties. Oxytocine zorgt er ook voor dat de placenta prostaglandines (PGF2alpha) aanmaakt. Door PGF2alpha verslapt de baarmoedermond (begin ontsluiting), nemen baarmoedercontracties nog meer toe, gaat het gele lichaam in regressie (waardoor weer ovulaties kunnen plaatsvinden) en wordt relaxine aangemaakt. Relaxine zorgt voor verdere verslapping van het bindweefsel (banden) in de geboorteweg zodat de vrucht makkelijk(ker) kan passeren.

11. Hoe verloopt de geboorte

Het geboorteproces kent 4 fases: Voorbereiding oiv relaxine Ontsluiting oiv PGF2alpha en weeen oiv oxytocine Uitdrijving vrucht Uitdrijving nageboorte (= foetale deel placenta)

Stap 9: evaluatieEventueel afrondende vraag om te stellen:Wat zijn de verschillen en overeenkomsten in structuren en stadia bij de geboorte tussen een ei en een baarmoeder?

Overeenkomsten:Organogenese en foetale deel placenta met vliesvorming, navelstreng e.d.

Verschillen:Ei BaarmoederVroegontwikkeling discoidaal op dooier

Maternaal deel van de placentaGrote dooier met voeding voor het kuiken

Dooierzak bevat geen voeding en is alleen bij paard functioneel onderdeel van de placenta

Ontwikkeling buiten de moeder Moeder kind relatie, ontwikkeling in de moeder

Ademt mbv longen al voor het uitkippen in het ei

Ademt mbv de longen na de geboorte

Eitand doorbreekt de vruchtvliezen die dan in de schaal blijven zitten

Vruchtvliezen breken en verlaten baarmoeder in fase 4 van de geboorte