Dreidimensionale Darstellung der Schilddrüse und benachbarter arterieller Gefäße während der Embryogenese: Vergleich von Wildtyp- und Sonic-hedgehog-defizienten Mausembryonen

Abstract

Die kongenitale Hypothyreose stellt mit einer Inzidenz von 1:3000 bis 4000 die häufigste angeborene endokrine Erkrankung dar. In 80-85% der Fälle ist sie durch eine Störung der Organogenese mit daraus resultierender Schilddrüsendysgenesie bedingt. Die Ätiologie der Dysgenesie konnte bisher nur in wenigen Patienten durch Mutationsnachweise in einem der bekannten, in der Schilddrüsenanlage exprimierten Kandidatengene NKX2.1, PAX8, FOXE1 geklärt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Morphogenese der Schilddrüse im Zusammenhang mit der Entwicklung des kardiovaskulären Systems untersucht. Zu diesem Zweck erfolgte die 3-dimensionale Rekonstruktion der Schilddrüsen- und Gefäßentwicklung sowohl in Wildtyp- als auch in Shh- defizienten Dsh-Mausembryonen. Die Untersuchung der Wildtyp-Embryonen hat gezeigt, dass die Morphogenese der Schilddrüse in 2 Phasen unterteilt werden kann. Die 1. Phase umfasst die Bildung und Evagination am ventralen Pharynx und die Verlagerung des Primordiums nach kaudal, die 2. Phase die Ausbildung der zwei symmetrischen Schilddrüsenlappen und die Relokalisation der Schilddrüsenanlage nach kranial. Dabei wurde eine enge Nachbarschaft der Schilddrüse zum kardiovaskulären System deutlich. In der 1. Phase besteht ein enger Kontakt zum Ausflusstrakt des Herzens, in der 2. Phase zu den Aa. carotideae. In der Dsh-Maus als Modell für eine gestörte, asymmetrische Entwicklung des kardiovaskulären Systems war eine ebenfalls asymmetrisch verlaufende Entwicklung der Schilddrüse nachweisbar. Die parallele Veränderung der Entwicklung von Schilddrüse und Aa. carotideae bestätigte sich auch in Dsh/Dsh XtJ/XtJ-Embryonen, bei denen eine Wiederherstellung der Symmetrie von Schilddrüse als auch der Karotiden nachweisbar war. Untersuchungen des Shh und Ptch sowie Nkx2.1, Pax8 und Foxe1 ergaben keinen Hinweis, dass die Schilddrüsendysgenesie der Dsh-homozygoten Embryonen auf eine zellautonome Störungen der Genexpression der Schilddrüsenanlage selbst zurückzuführen ist, sondern wahrscheinlich aus einer gestörten Expression bisher nicht identifizierter Wachstumsfaktoren, die den Einfluss der Gefäße auf die Schilddrüsenanlage vermitteln, resultiert. Anhand der 3-dimensionalen Rekonstruktionen von Wildtyp- und Shh-defizienten Embryonen ist es gelungen, die Ko-Entwicklung von Schilddrüse und kardiovaskulärem System aufzuzeigen. Auf Grundlage dieser Erkenntnis und analoger Ergebnisse aus dem Zebrafisch ist davon auszugehen, dass sowohl Morphologie als auch Position der Schilddrüse durch benachbarte Anteile des kardiovaskulären Systems beeinflusst werden. Dieses neue Verständnis der Schilddrüsenembryogenese weist darauf hin, dass in der Pathogenese der angeborenen Hypothyreose neue Kandidatengene im Bereich der Ko-Entwicklung von Schilddrüse und Herz zu suchen sind. Langfristig können Mutationsnachweise in diesen neuen Kandidatengenen zur ätiologischen Aufklärung der angeborenen Hypothyreose mit beitragen.

Congenital hypothyroidism (CH) occurs with a frequency of 1 in 3000 to 4.000 newborns and thus is the most frequent congenital endocrine disorder. In 80-85% CH is due to a disturbed thyroid organogenesis resulting in thyroid dysgenesis. Only in few patients can the etiology of the thyroid dysgenesis be explained by mutations in the known candidate genes, which are transcription factors expressed in the thyroid anlage itself, e.g. NKX2.1, PAX8 or FOXE1. In the course of this thesis the morphogenesis of the thyroid was investigated in its relation to the development of the cardio-vascular system. Therefore, 3-dimensional reconstructions of thyroid as well as vascular development have been performed in wildtype and Shh-deficient (Dsh) embryos. The studies in wildtype embryos have shown that the morphogenesis of the thyroid gland can be subdivided into two phases. The 1st phase comprises formation of the thyroid primordium in the ventral pharyngeal region as well as its evagination and caudal relocalisation, whereas the 2nd phase consists of the development of two symmetric thyroid lobes and a cranial relocalisation. Thereby a close proximity of the thyroid gland to the cardio-vascular system became apparent. During the 1st phase a close contact exists to the outflow tract of the heart, in the 2nd phase to the carotid arteries. Shh-deficient Dsh-mice, as a model for a disturbed, asymmetric development of the cardiovascular system, also displayed an asymmetric development of the thyroid. The parallelism in the developmental alterations in thyroid and carotid arteries was also confirmed in Dsh/Dsh XtJ/XtJ embyros, in which the symmetry of both thyroid and carotid arteries was restored. Expression analyses for Shh, Ptch as well as Nkx2.1, Pax8 and Foxe1 did not provide any indication that the thyroid dysgenesis of the Dsh-homozygous embryos is caused by a cell-autonomous perturbance of the gene expression in the thyroid anlage itself, but rather results from a disturbed expression of so far unidentified growth factors which exert the influence of the vessels on the thyroid. 3-dimensional reconstructions of wildtype and Shh-deficient embryos successfully demonstrated the co- development of thyroid and cardio-vascular system. Based on these as well as analog findings in zebrafish it can be assumed that morphology and position of the thyroid gland are influenced by near-by parts of the cardio-vascular system. This new knowledge of thyroid embryogenesis suggests that new candidate genes for thyroid dysgenesis might emerge from the field of the co- development of thyroid gland and cardio-vascular system. In the long term the identification of mutations in those new candidate genes could contribute to resolving the etiology of congenital hypothyroidism.