Vývoj dýchací soustavy
MAREK HAMPL
22. 3. 2023
BI6140 EMBRYOLOGIE 1
Funkce dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 2
o výměna plynů mezi tělem živočicha a vnějším
prostředím
o vytváření zvuků
dýchání mluvení
plíce
bránice
Rozdílné dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 3
o difúze – výměna plynů není závislá na specializované
tkáni, přes kutikulu, nebo kůži
o tracheální systém – systém trubic vedoucí k cílovým
tkáním
o žábry – výměna plynů ve vodním prostředí
o plíce – systém bronchů, bronchiolů a alveolů, výměna
plynů na souši i ve vodě
Jak probíhá výměna plynů u háďátka?
BI6140 EMBRYOLOGIE 4
o háďátko nemá speciální soustavu určenou k
výměně plynů
o výměna plynů probíhá difúzí přes kutikulu
Vanderbilt University
Vývoj dýchacího systému - Drosophila
BI6140 EMBRYOLOGIE 5
o bilaterálně symetrický systém spojených trubic –
trachejí, zakončené vzdušnými váčky (výměna plynů)
o trubice vystlané jednou vrstvou epitelových buněk
o vývoj z laterálního ektodermu
o skupina tracheálních prekurzorových buněk v
laterálním ektodermu
o ektoderm segmentů po obou stranách
o hrudní (T) segmenty 2 a 3
o břišní (A) segmenty 1 - 8
Segmentation, UCL. UK
Scott Gilbert. Developmental Biology 10th edition
Vývoj dýchacího systému - Drosophila
BI6140 EMBRYOLOGIE 6
o v každém segmentu vznik tzv. tracheálních plakod
o plakoda tvořena desítkami buněk
o buňky se oplošťují
o buňky ve středu podstupují apikální konstrikci
o invaginace způsobuje internalizaci všech buněk plakody
o vznik tracheální sítě
o buňky se nedělí, rostou a migrují
o vznik tracheální jamky
apikální konstrikce
o fúze tracheálních buněk mezi jednotlivými segmenty
o Terminální buňky – tvorba výběžků k cílovým buňkám
Hayashi and Kondo, 2018. Genetics
Dýchací soustava vodních živočichů
BI6140 EMBRYOLOGIE 7
o farynx a žábry
o přívod okysličené vody do faryngu
o ústní otvor
o spirakula
o uzavření ústního otvoru nebo spirakulí
o farynx pumpuje vodu přes žábry žaberními otvory
Comparative Anatomy. University of the Cumberlands
spirakulum
žaberní otvory
ústa
farynx
septum
(chrupavka/kost)
částečné
septum
chybějící
septum
cévy
nervy
žaberní
vlákna
Vývoj spirakula u vodních živočichů
BI6140 EMBRYOLOGIE 8
o párové otvory za očima
o spojení bukofaryngeální komory s vnějším prostředím
o Vývoj:
o redukce první faryngeální vklesliny
o kraniální migrace 2. faryngeálního oblouku (podpora čelisti)
o vznik trubice spojující vnější prostředí a bukofaryngeální komoru
Herbert Wilbur
McGeady et al. Veterinary Embryology. 2009
kraniálně
kaudálně
faryngeální
oblouky
faryngeální
výchlipky
faryngeální
vklesliny
spirakulum žaberní otvory
Vývoj žaber - Faryngeální oblouky
BI6140 EMBRYOLOGIE 9
omigrace buněk neurální lišty do oblasti vyvíjející se
hlavy a krku mezi povrchový ektoderm a
endoderm střeva → 6 párů faryngeálních oblouků
ofaryngeální vklesliny (pharyngeal clefts)
o povrchové prohlubně ektodermu
ofaryngeální výchlipky (pharyngeal pouches)
o výchlipky endodermu předního střeva
o Faryngeální membrána – endoderm předního střeva a
povrchový ektoderm
McGeady et al. Veterinary Embryology. 2009
o Žaberní (faryngeální) štěrbina – prolomení faryngeální
membrány
Vznik žaberní (faryngeální) štěrbiny
BI6140 EMBRYOLOGIE 10
o buňky endodermu postupně pokryjí většinu povrchu
faryngeálních oblouků
endoderm
ektoderm
rostrální kaudální
o endoderm faryngeálních výchlipek (pp) dosahuje na
povrch k ektodermu (šipka), fúze → žaberní štěrbina
o z faryngeálních oblouků se vytvářejí:
o žaberní vlákna (gf) – obsahují cévy (mezoderm) pro výměnu
plynů, anteriorní i posteriorní strana
o chrupavky nebo kosti – podpůrný systém žaber (neurální lišta)
o vnitřní žábry – většina ryb a paryb
o vnější žábry – vodní obojživelníci, larvální stádia obojživelníků,
některá larvální stádia ryb
Gillis and Tidswell, 2017. Current Biol
Části dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 11
o vodivá
o dutina nosní a nosohltan
o hrtan, průdušnice (trachea), průdušky (bronchy)
o respirační
o respirační průdušinky (bronchioly)
o alveololární trubice, alveolární vaky, alveoly (sklípky)
Harkema, Nikula and Haschek. Respiratory System. Hanbook of Tox and Path
Vývoj vodivé části dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 12
o vznik obličejových prominencí
o migrace buněk kraniální neurální lišty do oblasti
předního mozku, povrch faciální ektoderm
o prostřední část – frontonasální prominence
o laterálně – laterální nosní prominence
o mediálně – mediální nosní prominence
o migrace buněk neurální lišty do 1. faryngeálního
oblouku, povrch ektoderm faryngeálních oblouků
o kraniálně – maxilární část (horní čelist, patro)
o kaudálně – mandibulární část (dolní čelist)
Duke Embryology
Vývoj nosní dutiny
BI6140 EMBRYOLOGIE 13
o vznik nosních plakod – ektodermální ztluštění, růst
epitelu a proliferace mezenchymu okolo plakod
o prohlubování plakody – vznik nosní jamky, po stranách
laterální nosní prominence, později vznikají mediální
nosní prominence
o Prohlubování a protahování nosní jamky – nosní žlábek
o Prohlubování nosních žlábků, přibližování ke stomodeu
– vznik nosních váčků
Som and Naidich, 2013. Am J Neurorad
mediální
nosní
prominence
nosní jamka
laterální
nosní
prominence
nosní
plakoda
nosní váček
Bukonasální
rýha
Oddělení primitivní nosní a ústní dutiny
BI6140 EMBRYOLOGIE 14
o maxilární prominence rostou mediálně – tlačení
nosních váčků mediálně
o mediální nosní prominence tvoří intermaxilární
segment
o uzavírání prostoru mezi maxilárními prominencemi a
mediálními nosními prominencemi – zaniká
bukonasální rýha → uzavření dolní části nosního váčku
o oddělení primitivní nosní a primitivní ústní dutiny
Som and Naidich, 2013. Am J Neurorad
budoucí filtrum
intermaxilární
segment
vyvíjející se
nosní septum
laterální
patrové
výběžky
nosní váček
bukonasální
rýha
Vznik nosní a ústní dutiny
BI6140 EMBRYOLOGIE 15
o epitel primitivní nosní dutiny prorůstá do
podkladového mezenchymu dorzokaudálně –
vznik oronasální membrány (spojení epitelu
primitivní nosní a primitivní ústní dutiny)
o dorzálně diferenciace čichového epitelu
o rozpad oronasální membrány
o komunikace mezi nosní a ústní dutinou přes
primitivní choany
o vznik sekundárního patra z maxilárních
prominencí, vznik definitivní choany kaudálně
McGraw-Hill, 2006
epitel
mozku
ústní
dutina
jazyk
oronasální
membrána
mediální nosní prominence
nosní jamky/
vznikající
primitivní
nosní dutiny
rozpadající se
oronasální membrána
ústní
dutina
jazyk
nosní komora
primitivní choana
primární patro
sekundární
patro
definitivní
choana
maxila
mandibula
dolní ret
horní ret
Vývoj nasofaryngu (nosní část hltanu)
BI6140 EMBRYOLOGIE 16
o oblast propojení nosní dutiny s hrtanem(larynx)
a průdušnicí přes orofarynx
o vznik – prolomení oronasální membrány a vznik
sekundárního patra → spojení nosní dutiny
(ektoderm) s faryngem (endoderm)
o vyústění Eustachovy trubice – z faryngeální
výchlipky 1. faryngeálního oblouku
o Anteriorně – prodloužení nosní dutiny
o histologicky podobná stavba jako nosní dutina
o pseudostratifikovaný cylindrický epitel
o vaskularizovaná tkáň s lymfatickou tkání
o Posteriorně – prodloužení faryngu
o histologicky podobná stavba jako orofarynx
o vrstevnatý dlaždicový epitel
nosní
dutina
ústní
dutina
jícen
průdušnice
ektoderm
endoderm
ektodermendoderm
Vývoj orofaryngu (ústní část hltanu)
BI6140 EMBRYOLOGIE 17
o oblast propojení ústní dutiny s hrtanem (larynx)
o kaudálně od ústní dutiny
o anteriorně navazuje na ústní dutinu
o posteriorně navazuje na larynx (hrtan)
o vznik – spojení ústní dutiny (ektoderm) s
faryngem (endoderm)
o oblast přerušení orofaryngeální
(bukofaryngeální) membrány – oddělení
primitivní ústní dutiny (stomodeum) a
faryngu
August Wade. Review of Head and Neck Embryology
Orofaryngeální membrána
Vývoj laryngu (hrtan)
BI6140 EMBRYOLOGIE 18
o spojení faryngu a průdušnice
o součástí je hrtanová příklopka
o tvorba zvuků - hlasivky
o epitelová výstelka a žlázy - endoderm
o proliferace endodermu – vznik přechodné
uzávěry laryngu → růst a expanze stěny laryngu,
apoptóza epitelových buněk → rekanalizace
o chrupavky a svaly
o mezenchym 4. a 6. faryngeálního oblouku
o chrupavky – neurální lišta/mezoderm (somity)
o svaly - somity
tvorba
epitelové
laminy
rekanalizace
epitelové laminy
počátek vzniku
hlasivkových
základů
Lungova et al. 2018. Dev
Vývoj hrtanové příklopky
BI6140 EMBRYOLOGIE 19
o funkční příklopka k oddělení dýchací a
trávicí soustavy
o vývoj na ventrální straně laryngu
o epitelové pokrytí z kraniálního endodermu
o mezenchym s chrupavkou z 3. a 4.
faryngeálního oblouku
Embryology of the respiratory system
laryngeální základy hlasivek
laryngeální
otvor
hrtanová
příklopkazáklad hrtanové
příklopka
základ jazyka jazyk
Původ tkání plic
BI6140 EMBRYOLOGIE 20
o Endoderm
o základ dýchací trubice
o plicní výstelka
o Paraxiální mezoderm a mezoderm
laterální ploténky
o mezenchym plicních pupenů
o buňky hladké svaloviny
o fibroblasty
o chrupavky
o cévy
o lymfatický systém
amnionová dutina ektoderm
ektoderm
endoderm
Paraxiální
mezoderm
intermediální
mezoderm
mezoderm
laterální
ploténky
Vznik endodermu
BI6140 EMBRYOLOGIE 21
Hensenův
uzlík
primitivní
proužek epiblast blastocel
hypoblast
endoderm
invaginující a
migrující
buňkymezoderm
Balinsky, 1975
o invaginace buněk epiblastu v oblasti primitivního
proužku a Hensenova uzlíku
o první buňky invaginující Hensenovým uzlem –
migrace kraniálně, budoucí faryngeální buňky
předního střeva
o nahrazení hypoblastu buňkami endodermu
Vývoj plic
BI6140 EMBRYOLOGIE 22
Embryonální – oddělení od předního střeva
5 stádií:
Kanalikulární – počátek diferenciace pneumocytů, rozvoj cév
Pseudoglandulární – větvení, počátek diferenciace
Alveolární – vznik plicních sklípků
Sakulární – pneumocyty funkční, rozvoj cév
1. Embryonální - odštěpení endodermu
dýchací soustavy od předního střeva
BI6140 EMBRYOLOGIE 23
o trávicí trubice prochází celým tělem
o tvorba pupenů – vývoj jater, žlučníku, slinivky
o počátek vývoje dýchací soustavy – výrůstek trávicí
trubice v oblasti předního střeva
o oblast odštěpení dýchací soustavy od trávicí –
kaudálně od faryngu
Faryngeální
výchlipky
Laryngotracheální
výchlipka
Plicní
Pupen
Orofaryngeální
membrána
o člověk: 3. – 7. týden
Vznik plicního pupene
BI6140 EMBRYOLOGIE 24
o Laryngotracheální žlábek
o ventrální strana předního střeva
o oblast 4. faryngeálního oblouku
o prohlubování žlábku
o vznik tracheoesofageálního žlábku na obou stranách
o oddělení od předního střeva
o kraniálně od tracheoesofageálního septa – základ
faryngu z předního střeva
Tracheoesofageální
žlábek
Laryngotracheální
trubice
plicní divertikulum
farynx jícen
Tracheoesofageální
žlábek farynx
Tracheoesofageální
septum
plicní pupeny
jícen
Veterian Key
přední střevo
Laryngotracheální žlábek
o dorzálně – základ jícnu
o ventrálně – základ laryngotracheální trubice
o růst kaudálním směrem – vznik základu
laryngotracheální trubice
2. Pseudoglandulární fáze
BI6140 EMBRYOLOGIE 25
o bronchiální pupeny začínají prorůstat do
mezenchymu (6. – 16. týden u člověka)
o vznik všech hlavních větví bronchiálního stromu –
výstelka tvořena epitelem z endodermu
o prorůstání připomíná vznik exokrinních žláz –
pseudo-glandulární
o Diferenciace
o ciliární epitelové buňky (endoderm)
o chrupavka (mezoderm)
o žlázy submukózy (endoderm)
o hladká svalovina (mezoderm)
o endotel - zahájení vaskularizace (mezoderm)
o Lymfatické buňky (mezoderm)
hlavní levý
bronchus
hlavní pravý
bronchus
bronchyální
pupeny
trachea
levý
sekundární
bronchuspravý
sekundární
bronchus
Moore and Persaud, 2008. The Developing Human
3. Kanalikulární fáze
BI6140 EMBRYOLOGIE 26
o dutiny bronchů a bronchiolů se zvětšují
o vznik respiračních bronchiolů z terminálních
bronchiolů – kubický epitel
o z respiračních bronchiolů – alveolární trubice s
terminálními vaky – oplošťování epitelu
o v okolí větvení bronchiolů vzniká cévní síť – vývoj
cév v blízkosti epitelových buněk
o počátek diferenciace epitelových buněk v
respiračních bronchiolech, vznik:
o Pneumocyty 1. typu
o Pneumocyty 2. typu
Rubarth and Quinn, 2015. Neonat Net, Springer.
krevní
cévy
budoucí
respirační
bronchiol
respirační
bronchiol alveolární trubice s
terminálním vakem
o člověk: 16. – 28. týden
4. Sakulární fáze
BI6140 EMBRYOLOGIE 27
Rubarth and Quinn, 2015. Neonat Net, Springer.
o diferencující pneumocyty začínají být funkční:
o Pneumocyty 1. typu – primární strukturní buňka
alveolů, „membrána“ pro výměnu plynů
o Pneumocyty 2. typu – vznik lamelárních tělísek,
produkce surfaktantu
o prozatím nezralé vaky
o může probíhat výměna plynů (P. 1. typu)
o produkce malého množství surfaktantu (P. 2. typu)
Pneumocyt 2.
typu
(produkující
surfaktant)
Pneumocyt 1.
typu
(výměna plynů)
kapiláry v přímém
kontaktu s buňkami
o zvětšení sítě krevních a lymfatických cév
o člověk: 24. – 38. týden
5. Alveolární fáze
BI6140 EMBRYOLOGIE 28
Chao et al., 2016. Mol Cell Pediatr
o vznik sekundárních sept → zvýšení počtu
alveolárních trubic a plicních sklípků
o Alveologeneze - vývoj plicních sklípků (36. t. - 3
roky u člověka)
o zvětšení plochy plicních sklípků pro efektivnější
výměnu plynů
o Indukováno z mezenchymu – vytvoření septa
alveolárními myofibroblasty a lipofibroblasty
o pneumocyty – na povrchu, uvnitř cévy a mezenchym
o Alveologeneze
o člověk – prenatálně i postnatálně
o myš - postnatálně
Terminální
bronchiol
nervy
tepny
žíly
kolagenní
vlákna
respirační
váčky
sekundární
septa
P1. typu
P2. typu
sekundární
septum
Vývoj plic – Drápatka (Xenopus)
BI6140 EMBRYOLOGIE 29
Přední střevo (endoderm)
obklopeno mezodermem
laterální ploténky
Vznik laryngotracheálního
žlábku na
ventrální straně faryngu.
Kaudálně rozdělení –
dorzálně základ jícnu,
ventrálně tracheální
trubice
Vznik plicních pupenů a
rozšíření v primární plicní
bronchy, obklopeno
mezenchymální vrstvou
Násobné zvětšení plicních
pupenů, jednoduchý
vakovitý útvar, jedna
vrstva epitelových buněk
obklopená mezenchymem
s cévami, plíce začínají být
funkční
Plíce se dělí septací –
vytvoření sept ze stěny
plicního pupene, vznik
alveolárních váčků.
Diferenciace povrchového
mezenchymu do hladké
svaloviny a chrupavek
průdušnice a bronchů
Rankin et al., 2015. Dev Dyn
Vývoj dýchacích svalů
omezižeberní svaly
oproliferace a migrace buněk myotomu – vznik
progenitorových svalových buněk - myoblasty
oHypaxiální svaly:
o mezižeberní svaly – obaly ze somitů (nefůzují)
BI6140 EMBRYOLOGIE 30
Sefton and Kardon, 2019. Curr Top Dev Biol
Vývoj dýchacích svalů
BI6140 EMBRYOLOGIE 31
o bránice (diafragma)
o hlavní sval pro inspirační fázi, oddělení hrudní a břišní
dutiny
o bránice:
o myoblasty – somity (krční oblast)
o svalová pojivová tkáň – mezoderm laterální ploténky
Sefton and Kardon, 2019. Curr Top Dev Biol
o migrace prekurzorových buněk mezodermu
laterální ploténky v pleuroperitoneální oblasti
o migrace myoblastů ze somitů do oblasti
pleuroperitonea, asociace tkání
o krurální bránice – dýchání, jícnový švěrač
o kostální bránice - dýchání
krurální bránice
kostální bránice
Vývojové vady dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 32
o vývojové vady – specifické pro stádia vývoje plic
o 1. embryonální
o Tracheoesofageální fistula (píštěl)
o neúplné rozdělení průdušnice a jícnu
o zachovaná komunikace mezi dýchací a trávicí soustavou
o operace brzy po porodu
o Pulmonární ageneze
o zastavení vývoje plic v primitivním stádiu
o jednostranné nebo oboustranné nevyvinutí plic
o vzácné, často letální
Serrado et al. 2016. ECR 2016
Vývojové vady dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 33
o 2. pseudoglandulární fáze
o Tracheální atrezie
o vrozená absence průdušnice
o ve většině případů letální
o Kongenitální diafragmatická hernie
o nedostatečné vyvinutí bránice
o prostup břišních orgánů do hrudní dutiny
o narušení vývoje plic – hypoplazie plic, vysoká úmrtnost (50%)
o Pulmonární hypoplazie
o nedostatečně vyvinuté plíce
o malé množství bronchopulmonárních segmentů a alveolů
o často sekundární projev jiných vývojových vad
Texas Children Fetal Center
St. Louis Fetal Care Institute
Vývojové vady dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 34
o 3. kanalikulární fáze
o 4. sakulární fáze
o Respirační nedostatečnost
o neschopnost plic efektivní výměny plynů
o nedostatečné množství bronchiolů
o nedostatečná vaskularizace plic
o Syndrom akutní dechové tísně novorozenců
o nedostatečně vyvinuté plíce
o plíce neprodukují dostatečné množství surfaktantu
o namodralé rty, prsty na nohou i rukou
o rychlý dech
Vývojové vady dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 35
o 5. alveolární fáze
o Bronchopulmonární dysplázie
o nedostatečně nebo abnormálně vyvinuté plíce
o menší množství alveolů se silnými stěnami
o nedostatečná výměna dýchacích plynů
o může být způsobeno předčasným narozením
o nedostatečně vyvinutý lymfatický systém plic - záněty
Vývojové vady dýchací soustavy
BI6140 EMBRYOLOGIE 36
o Laryngeální atrézie
o částečná nebo úplná uzávěra laryngeální trubice
o způsobeno nedostatečnou rekanalizací
o způsobuje roztažení dolních cest dýchacích
o chirurgické odstranění
Poznatky z dnešní přednášky
oDýchací systémy živočichů
oPůvod a vývoj dýchací soustavy bezobratlých
oPůvod a vývoj žaber a přídavného aparátu
oPůvod a vývoj vodivé části dýchacího systému
oPůvod a vývoj respirační části dýchacího systému
oPůvod a vývoj dýchacích svalů
oVývojové vady
BI6140 EMBRYOLOGIE 37