29 Эмбриология. Оплодотворение, дробление

Челябинская государственная медицинская академия.

Кафедра гистологии и эмбриологии.

Лекция

«Внутриутробное развитие человека.

Оплодотворение. Дробление. Ранняя гаструляция»

2001г.

ПЛАН:

1. Развитие эмбриологии как науки.

2. Строение половых клеток.

3. Характеристика периода оплодотворения (осеменение, собственно оплодотворение).

4. Характеристика периода дробления. Строение семидневного зародыша человека.

5. Имплантация: понятие, продолжительность, биологический смысл.

6. Характеристика децидуальной оболочки.

7. Характеристика периода ранней гаструляции. Строение 14-дневного зародыша.

СПИСОК СЛАЙДОВ:

1. Яйцеклетка человека

4. Сперматозоид (схема)

6. Сперматозоид человека

54. Зародыш человека на стадии образования амниона и желточного мешка

55. Зародыш человека на стадии образования амниотического пузырька

56. Дробление зиготы человека (схема)

58. Зародыш человека на стадии образования внезародышевой мезенхимы

59. Зародыш человека на стадии бластоцисты

60. Зародыш человека на стадии двух бластомеров

64. Зародыш человека на стадии синкариона

111. Схема: яичник – маточная труба, матка

128. Бластоциста человека

130. Имплантированный зародыш человека в слизистую оболочку матки

131. Морула человека в маточной трубе

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ:

1. Ознакомить студентов с задачами и целями эмбриологической науки.

2. Дать краткую справку о развитии эмбриологии как науки.

3. Дать подробную характеристику периода оплодотворения.

4. Ознакомить с биологическими параметрами периода дробления.

5. Разобрать гистофизиологию процесса имплантации.

6. Подробно разобрать особенности развития зародыша на стадии ранней гаструляции.

Эмбриология – это наука о внутриутробном развитии зародыша. Различают общую или сравнительную эмбриологию, которая изучает общие закономерности эмбрионального развития различных представителей живого мира, и клиническую или частную эмбриологию, которая занимается изучением внутриутробного развития человека, влияния экзогенных и эндогенных неблагоприятных факторов на процессы эмбриогенеза. Сегодня перед эмбриологами ставится новая задача: разработать методы и пути профилактики и коррекции нарушений внутриутробного развития человека.

Актуальность эмбриологической науки обусловлена, прежде всего, тем, что в последние годы отмечается существенное снижение рождаемости, увеличение числа новорожденных с признаками физиологической незрелости, мертворожденных и детей с пороками развития.

Тайна зарождения жизни всегда интересовала человека. Недостаток знаний и отсутствие вспомогательной аппаратуры порождало, подчас, сказочные и антинаучные представления о тайнах зачатия. Так, Великий индийский мудрец Сушрут считал, что человеческая жизнь зарождается в результате слияния крови матери и семени отца. На этих же позициях находился великий древнегреческий врач – отец медицины Гиппократ, который также говорил, что жизнь зарождается в результате слияния крови матери и семени плода. При этом, он считал, что из семени отца развиваются все основные внутренние органы, а из крови матери – только мышцы.

Если ранние стадии развития зародыша человека и животных длительное время являлись тайной, то поздние стадии развития живых организмов были известны несколько подробнее и точнее. Так, уже в древнем Египте жрецы знали, какие условия необходимо обеспечить куриному яйцу, чтобы из него вылупился цыпленок. На основе этих знаний египетские жрецы смогли построить первые в мире инкубаторы. Древнееврейские врачи уже различали несколько стадий в развитии зародыша человека. Им удалось дать довольно точное описание положения младенца в утробе матери: «Он (плод) подобен свернутому свитку со сложенными руками, плотно прижатыми друг к другу, с локтями, прикасающимися к бокам, с пятками против крестца и с головой между коленями. Его рот закрыт, его пупок открыт. Он ест пищу своей матери и пьет питье своей матери, но не испражняется из страха погубить свою мать».

В 1677 году великий Ливенгук создает первый в мире микроскоп, что явилось мощным стимулом для развития всей биологической науки. Уже через несколько месяцев после создания микроскопа ученик Ливенгука студент 2 курса медицинского университета по имени Гам открывает в сперме мужскую половую клетку – сперматозоид. Однако, только через 150 лет в 1826 году академик Петербургской академии наук открыл сначала у собаки, а затем и у человека женскую половую клетку- яйцеклетку. Еще через 20 лет профессор Московского университета Варнек научно обосновал, что живой организм зарождается в результате слияния мужской и женской половых клеток. С этого времени начинается бурное развитие эмбриологической науки.

В развитие эмбриологии как науки внесли большой вклад наши отечественные ученые: профессора Хватов, Субботин М.Я., Кнорре и другие.

При изучении особенностей внутриутробного развития различных млекопитающих эмбриологи установили важную особенность: отдельные стадии антенатального развития у высших животных в какой-то степени повторяли историю эволюционного развития животного мира (зародыш повторял формы существ близких к тем, которые жили миллионы лет назад). Таким образом был сформулирован главный закон эмбриологии: онтогенез есть краткое повторение филогенеза. На сегодняшний день установлено, что в процессе эмбрионального развития человека также сохраняются общие закономерности развития и стадии, характерные для позвоночных животных. Вместе с тем в эмбриогенезе человека появляются некоторые новые особенности.

Развитие эмбриологии, как и и других биологических наук, проходило на фоне борьбы различных идеологических учений. Наиболее ожесточенная борьба развернулась между преформистами и эпигенетиками. Сторонники преформизма – преформаторы считали, что зарождение жизни связано, в основном с мужскими половыми клетками. Наиболее крайние преформаторы считали, что в головке сперматозоида находится маленький человечек в миниатюре, а в сперматозоиде этого человечка сидит другой человечек и так ровно столько, сколько уготовано Всевышним до конца света. При этом, преформаторы считали, что при попадании сперматозоида в утробу матери происходит механическое увеличение этого человечка до соответствующих размеров и рождение ребенка. Таким образом, преформаторы не дооценивали роль женского организма. Сторонники эпигенеза – эпигенетики, напротив, считали, что в процессе эмбрионального развития происходит постепенное и последовательное новообразование органов и частей зародыша из беструктурной субстанции оплодотворенного яйца. Именно поэтому на их знаменах были начертаны слова « Ex ovo omnia» (Все живое из яйца).

Весь внутриутробный период развития человека продолжается в среднем 280 дней или 10 лунных месяцев. Он включает в себя 3 периода: начальный, эмбриональный и фетальный. Начальный период длится всего 1 неделю с 1-го по 7-ой день включительно. Эмбриональный период продолжается с 8 дня по 8-ую неделю и на этой стадии зародыш называется эмбрионом. Фетальный (плодовый ) период длится с 9-ой недели до рождения ребенка.

При половом акте в область заднего свода влагалища женщины поступает 3-5 мл. семенной жидкости, содержащей 200-500 млн. сперматозоидов. Семенная жидкость поступает преимущественно в область заднего свода влагалища, куда обращена шейка матки, что благоприятствует более быстрому переходу мужских половых клеток из неблагоприятной среды влагалища в более благоприятную среду полости матки. Семенная жидкость представляет собой вещество, в образовании которого участвуют все органы репродукции мужского организма: семенник, придаток семенника, семявыносящие пути, предстательная железа и семенные пузырьки. В состав семенной жидкости входит значительное количество свободных аминов и белков, которые вскоре после семяизвержения под влиянием протеолитических ферментов расщепляются до аминокислот. Углеводы в семенной жидкости находятся либо в свободном состоянии, либо в связанном с белками. Среди свободных углеводов наибольшее значение имеет фруктоза, основным источником которой является железистый эпителий семенных пузырьков. Кроме того, в состав семенной жидкости входят жиры: фосфолипиды, холестерин и жирные кислоты (простагландины). В последние годы установлено, что снижение концентрации простагландинов в семенной жидкости снижает ее оплодотворяющую способность. В семенной жидкости имеется небольшое количество тестостерона, концентрация которого у плодовитых мужчин существенно превышает таковое у бесплодных. Наиболее благоприятным для зачатия является день овуляции. В день овуляции в женском организме имеет место пик эстрогенов, под влиянием которых происходит повышение эластичности стенки влагалища и стенки матки. Кроме того, эстрогены обусловливают разжижение слизистой пробки, которая закрывает канал шейки матки, за счет снижения ее вязкости. При оргазме во время полового акта происходит сокращение стенки матки, во время чего зев матки приоткрывается, что приводит к выдавливанию слизистой пробки в полость влагалища, где она облепливается многочисленными сперматозоидами. После этого происходит расслабление миометрия и слизистая пробка втягивается в полость матки, увлекая за собой сперматозоиды. Благодаря этому механизму, уже через 30 минут основная масса сперматозоидов покидает кислую среду влагалища и оказывается в более благоприятной слабо щелочной среде полости матки. Таким образом шеечный канал обладает оптимальной способностью для проникновения в нее семенной жидкости с последующим выделением в полость матки подвижных и морфологически нормальных сперматозоидов. В то же время неподвижные и малоподвижные мужские половые клетки и те, против которых существуют антитела в шеечной слизи, задерживаются и подвергаются фагоцитированию макрофагами полости влагалища. Часть сперматозоидов сохраняется во влагалище в течение 2,5 часов. Попав в полость матки, мужские половые клетки начинают передвигаться на встречу яйцеклетке, которая находится в проксимальном отделе маточной трубы. Процесс продвижения сперматозоидов носит сложный характер, включающий в себя ряд факторов. Продвижению сперматозоидов способствует, прежде всего, тот факт, что мужские половые клетки являются подвижными клетками. Благодаря жгутикообразному строению их хвостика, сперматозоиды могут совершать поступательные движения со скоростью 2-4 мм. в минуту. Кроме того, сближению половых клеток способствует явление положительного реотаксиса – способность сперматозоидов перемещаться против тока движения жидкости, циркулирующей в маточной трубе. Этому процессу способствуют спазматические сокращения мускулатуры матки при оргазме. Наконец, обращает на себя внимание, что основная масса сперматозоидов движется именно в ту маточную трубу, в которой находится яйцеклетка. В последние годы было установлено, что фолликулярные клетки вырабатывают особое вещество – фертилизин, которое является своеобразным хемотаксическим фактором, притягивающим к себе сперматозоиды. Благодаря всем этим факторам, уже через 30 минут первые сперматозоиды достигают маточной трубы, а основная масса мужских половых клеток доходит до маточной трубы только через 2 часа. Несмотря на это, немалая часть сперматозоидов погибает. Семенная жидкость, попадающая в полость влагалища, очень быстро изменяет естественную кислотность влагалища с рh 4,3 до рh 7,2 то есть действует в качестве буфера против кислотности. Однако, часть сперматозоидов погибает еще в кислой среде влагалища. Немалая часть половых клеток погибает в полости матки, подвергаясь атаке со стороны генитальных макрофагов.

Большая часть сперматозоидов оседает в маточных железах. Эти участки получили название сперматек. В сперматеках в естественных условиях сперматозоиды определенное время сохраняют жизнеспособность, в том числе свою оплодотворяющую способность. Так, у летучих мышей анабиоз сперматозоидов может длиться весь зимний период, у отдельных черепах до 4-х лет, а в половых путях некоторых змей сперматозоиды не теряют свою фертильность до 6 лет. У человека сперматозоиды сохраняют свою фертильность в матке и маточных трубах в течение 4-5 дней. Однако, оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом старше 2-х суток считается крайне неблагоприятным и может явиться причиной возникновения различных аномалий развития.

Миграции сперматозоидов способствуют также иммуносупрессивные свойства семенной плазмы и поверхностные антигены, общие у сперматозоидов с антигенами маточного секрета. Напротив, местные противосперматозоидные антитела подавляют транспорт мужских половых клеток.

Подойдя к яйцеклетке многочисленные сперматозоиды окружают ее со всех сторон. Начинается первый период эмбрионального развития человека – период оплодотворения.

Период оплодотворения заключается в слиянии мужской и женской половых клеток, в результате чего возникает одноклеточный зародыш – зигота с диплоидным набором хромосом. Оплодотворение включает в себя два этапа: осеменение и собственно оплодотворение. Осеменение представляет процесс, обеспечивающий контакт мужских половых клеток и яйцеклетки и последующее проникновение одного сперматозоида в яйцеклетку. Непременным условием полноценного осеменения является присутствие достаточно большого количества сперматозоидов. В клинике внутренних болезней часто встречаются состояния мужского бесплодия. Так, по данным многих ученых, около 50% мужчин являются виновниками бесплодности брака. Очень часто это состояние обусловлено нарушением числа сперматозоидов как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Так, общепризнанно, что для полноценного оплодотворения женской половой клетки необходимо участие большого количества сперматозоидов. Предельно допустимой величиной количества мужских половых клеток в одной порции эякулята является 150 млн. полноценных сперматозоидов. Однако установлено, что нарушение процесса оплодотворения важно не только при олигоспермии (незначительном содержании сперматозоидов), но и при полиспермии (увеличении числа мужских половых клеток), которая встречается значительно реже, чем олигоспермия. Так, в литературе описан случай, когда только в 1 миллитре спермы мужчины содержалось почти 2 миллиарда сперматозоидов. Такое огромное количество сперматозоидов приводит к подавлению их подвижности, что связано, прежде всего, с быстрой утилизацией энергетических источников семенной жидкости. При полиспермии наблюдаются случаи проникновения нескольких сперматозоидов в яйцеклетку.

В процессе осеменения сперматозоиды проходят стадии капацитации и акросомальной реакции. Капацитация сперматозоидов продолжается в течение 2-6 часов и заключается, прежде всего, в активации половых клеток. Считают, что процесс капацитации предполагает различные, в том числе морфологические (изменение структуры плазмолеммы, что обусловливает увеличение ее проницаемости), функциональные (увеличение двигательной активности и, возможно, сокрашение срока жизни) и биологические (усиление метаболической активности) изменения. Капацитация является обязательным предварительным этапом оплодотворения. Предполагают, что капацитация индуцируется секретом железистых клеток маточных труб либо клеток лучистого венца. Вслед за капацитацией начинается акросомальная реакция, в результате которой сначала происходит слияние наружной акросомальной и плазматической мембран мужских половых клеток. В местах слияния образуются многочисленные небольшие отверстия, через которые начинают выходить в окружающую среду акросомальные литические ферменты, в том числе гиалуронидаза, трипсин и акрозин. Под влиянием гиалуронидазы происходит деполимеризация гликозаминогликанов, расположенных между фолликулярными клетками, что, в конечном итоге, способствует разрушению фолликулярной оболочки, окружающей яйцеклетку. Акросомальная реакция индуцируется рядом факторов, в том числе фертилизином.

Благодаря акросомальной реакции, разрушаются фолликулярная и лучистая оболочки и сперматозоиды вплотную подходят к блестящей оболочке. Начинается вторая стадия оплодотворения – собственно оплодотворение. При этом сперматозоиды начинают совершать синхронные движения хвостиками, в результате чего яйцеклетка начинает вращаться во круг своей оси. Вращение яйцеклетки продолжается в течение 24 часов. В области контакта доминантного (оплодотворяющего) сперматозоида с поверхностью яйцеклетки цитоплазма последней выпячивается, образуя воспринимающий бугорок. Доминантный сперматозоид проходит через блестящую оболочку яйцеклетки с помощью акросомального трипсиноподобного фермента – акрозина, отбрасывая при этом хвостовую часть.Таким образом, при оплодотворении имеет место как ядерный, так и цитоплазматический вклад в развитие зародыша с отцовской стороны. Через оболочки яйцеклетки проходят только сперматозоиды, прошедшие стадии капацитации и акросомальной реакции. Оставшиеся за бортом яйцеклетки многочисленные сперматозоиды под влиянием фертилизина подвергаются агглютинации и гибели.

После проникновения мужской половой клетки в яйцеклетку, находящуюся на стадии овоцита 2 порядка, наступает второе деление, в результате чего образуется зрелая яйцеклетка и одно редукционное тельце, которое некоторое время располагается в пространстве между блестящей оболочкой и поверхностью женской половой клетки. Оплодотворяющий сперматозоид совершает поворот на 180 и начинает двигаться на встречу ядру яйцеклетки. В это время ядра половых клеток набухают, в них постепенно вырабатываются структуры, сходные с таковыми интерфазного ядра, в них начинаются процессы репликации ДНК. На этой стадии ядра половых клеток называются пронуклеусами. Затем пронуклеусы сближаются, их ядерные оболочки исчезают и происходит смешение материнских и отцовских хромосом, в результате чего образуется качественно новый одноклеточный организм с диплоидным набором хромосом – зигота, после чего наступает обычная профаза и метафаза митоза. Иногда образование хромосом происходит в каждом пронуклеусе отдельно, а затем они сливаются в метафазную звезду. Слияние ядер половых клеток служит сигналом к репликации ДНК в клетке и передаче информации о новообразованной диплоидной хромосоме на информационную РНК. Установлено, что в зиготе существенно возрастает активность протеолитических ферментов, происходит резкое увеличение потребления кислорода и усиление теплопродукции, увеличивается потребление фосфора, гликогена и синтез белка.

Через 1-3 минуты после проникновения сперматозоида в яйцеклетку на ее поверхности образуется оболочка оплодотворения, препятствующая проникновению других сперматозоидов. При этом первоначально происходит набухание кортикальных гранул, которые быстро перемещаются к внутренней поверхности плазматической мембраны, сливаются с ней и выбрасывают свое содержимое (электронноплотное вещество) на поверхность клетки, что приводит к существенному уплотнению блестящей оболочки, которая становится непроницаемой для других сперматозоидов.

До образования оболочки оплодотворения основным барьером, препятствующим проникновению сперматозоидов, являются изменения мембранного потенциала цитоплазмы женской половой клетки, возникающие в результате небольшого притока ионов натрия в яйцеклетку в течение 2-3 секунд в силу увеличения проницаемости клеточной оболочки. Для человека характерна моноспермия. Однако при оплодотворении стареющей яйцеклетки в нее могут проникать избыточные сперматозоиды, но и в этом случае в непосредственном оплодотворении участвует ядро только одного сперматозоида.

Иногда яйцеклетка при овуляции не выбрасывается из фолликулярной полости, а остается в ней. В этих случаях оплодотворение может произойти непосредственно в полости Граафова пузырька, результатом чего является яичниковая беременность. В ряде случаев оплодотворению подвергается яйцеклетка, задержавшаяся в брюшной полости (брюшная беременность). Наконец, нередко встречаются случаи, когда оплодотворенная яйцеклетка остается в маточной трубе в силу нарушения ее проводимости (трубная беременность).

Время между овуляцией и фертилизацией у женщин находится в пределах 12- 24 часов. Пол будущего ребенка определяется комбинацией половых хромосом в зиготе. Если яйцеклетка оплодотворена сперматозхоидом с половой хромосомой Х, то в образующемся диплоидном наборе хромосом содержится две Х половые хромосомы, что характерно для женского организма. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом с половой хромосомой У в зиготе образуется комбинация половых хромосом ХУ, что характерно для мужского организма.

В настоящее время разрабатываются и начинают широко применяться методы искусственного оплодотворения как инкорпоральное, так и экстракорпоральное.

Период дробления следует за оплодотворением. Образовавшийся в результате оплодотворения одноклеточный зародыш в течение суток находится в маточной трубе во взвешенном состоянии. После чего начинается период дробления. Дробление зародыша человека, как и у всех плацентарных млекопитающих, носит характер полного и ассинхронного и характеризуется резкой неправильностью чередования борозд дробления. Первоначально дробление происходит в меридиональной плоскости, в результате чего образуется два бластомера: один более крупный и темный, а другой – более мелкий и светлый. Затем образуется экваториальная борозда, в результате чего светлый бластомер делится, что приводит к образованию 3-х клеточного зародыша. После чего происходит чередование широтных (экваториальных) и меридиональных борозд, что обусловливает образование многоклеточного зародыша. Неодновременное по времени деление обусловливает образование нечетного числа бластомеров. Несмотря на увеличение числа клеток, зародыш практически не увеличивается в размерах, так как образующиеся клетки не расходятся, а плотно прилежат друг к другу. Первоначально дробление протекает очень медленно, в среднем по одному делению в сутки, в силу чего к концу 3-х суток зародыш состоит из 8-9 бластомеров. В последующие дни дробление протекает с большей скоростью и, в конечном итоге, приводит к образованию многоклеточного организма, состоящего из 107 бластомеров. В отличие от деления дробление протекает с рядом особенностей. Так, при дроблении интерфаза резко укорочена и представляет собой период, в котором протекает репликация ДНК, а также транскрипция (синтез) только РНК. В результате такого деления образуются клетки, которые не растут, а с каждым очередным делением размеры их уменьшаются вдвое, чем материнские.

Таким образом, биологическая сущность дробления заключается в том, что с помощью этого процесса происходит переход к многоклеточной форме организации зародыша. Вместе с тем происходит увеличение общего содержания и синтеза ДНК, некоторых РНК, общей суммарной поверхности клеток зародыша и ядерно-цитоплазменного отношения.

По мере деления свелые бластомеры начинают обрастать медленно делящиеся крупные темные бластомеры, в результате образуется зародыш округлой формы, который с поверхности окружен мелкими светлыми клетками, в совокупности образующими первый внезародышевый орган – трофобласт. Темные крупные клетки, лежащие в центре зародышевого пузырька, в совокупности образуют эмбриобласт, за счет которого развиваются все остальные внезародышевые органы и тело зародыша.

На этой стадии зародыш человека ни чем не отличается от зародышей других млекопитающих. В процессе дробления в зародышевом пузырьке постепенно формируется полость, заполняющаяся жидкостью, под влиянием которой эмбриобласт оттесняется к одному из участков внутренней поверхности трофобласта. Зародыш на этой стадии называется бластоцистой или бластодермическим пузырьком. Дробление продолжается 5-6 дней. В процессе дробления зародыш постепенно продвигается в сторону полости матки, вследствие тока жидкости, перистальтического сокращения мускулатуры, мерцания ресничек эпителия маточной трубы. Питание зародыша в период дробления происходит за счет секрета железистых эпителиальных клеток маточной трубы. На 6-ой день бластодермический пузырек проходит через расслабленный истмикальный сфинктер и попадает в полость матки, где в течение одних суток находится во взвешенном (свободном) состоянии в маточной жидкости. Затем зародыш своей клейкой поверхностью прикрепляется к одному из участков (чаше в области дна) слизистой оболочки матки.

Рядом исследователей установлено, что активное деление зиготы индуцируется, прежде всего, специфическими физико-химическими условиями трубной среды: оптимальное осмотическое давление, определенная концентрация кислорода, аминокислот, витаминов, высокие концентрации ионов калия и обязательное присутствие человеческой сыворотки, которая строго необходима для преодоления стадии 8 бластомеров. После прикрепления к слизистой оболочке матки зародыш начинает погружаться в нее, то есть имплантироваться.

Имплантация представляет собой процесс погружения зародыш на стадии бластодермического пузырька в толщу слизистой оболочки матки. Имплантация предполагает комплексное взаимодействие бластодермического пузырька и слизистой оболочки матки. С физиологической точки зрения имплантация осуществляется в период секреторной фазы полового цикла, которая обеспечивает наиболее благоприятные условия.

Слизистая оболочка в это время утолщается, становится отечной, Маточные железы разрастаются, приобретают извилистый характер, их просвет расширяется и заполняется слизистым секретом. Увеличивается содержание видоизмененных соединительнотканных клеток, содержащих большое количество гликогена, гликопртеинов, гликозаминогликанов, микроэлементов, необходимых для питания зародыша. Сосуды эндометрия разрастаются и гипертрофируются, увеличивается число нервных элементов.