EMBRIOLOGÍA Y EVOLUCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS CRÁNEOFACIALES

Transcripción

1 EMBRIOLOGÍA Y EVOLUCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS CRÁNEOFACIALES Ruth Herrera. Claudia Ariza. Adriana Burbano. Ana Cevallos. Jenny Guerrero. Cristina León. José Cristiano. Paola Hernández. Juliana Millán. Carolina Ortegón. Claudia Bonilla. Sandra Cujia. Claudia Chazy. Liliana Otero. El cráneo está formado a partir del mesodermo vecino a las vesículas encefálicas, presenta dos sectores muy bien definidos denominados Neurocráneo y viscerocráneo o splacnocráneo, y ambos están integrados por huesos que se desarrollan tanto por osificación intramembranosa como por endocondral. 1 El neurocráneo constituye el habitáculo que aloja el encéfalo y además conforma las cápsulas que encierran los órganos olfatorios, los ojos y los oídos. En el neurocráneo se pueden considerar a su vez dos porciones: 1) la boveda craneal (calota) llamada también osteocráneo o desmocráneo y 2) la base del cráneo o condrocraneo, denominada así por el mecanismo de osificación endocondral. El viscerocráneo forma el esqueleto de la cara y aporta algunos huesos y cartílagos al sector del cuello. La base del cráneo en la línea media o sagital, está compuesta principalmente por tres huesos: 1) El occipital, alrededor del agujero occipital 2) El esfenoides, situado debajo de la región hipofisiaria del cerebro que corresponde al cuerpo del esfenoides 3) El etmoides, situado debajo del sector anterior del telencéfalo y que se extiende hasta la región nasal. La base de cráneo parasagital esta compuesta por: 1) El esfenoides, alas mayores. 2) El temporal, lo que corresponde al peñasco, región petrosa. EMBRIOLOGIA DE LA BASE CRANEAL 1 Cráneo: tomado del griego kraníon, diminutivo de Krános casco, yelmo. Derivado craneal, craneano. Caja ósea que encierra el encéfalo, protegiéndolo. Siglo XVI, Cartílago: tomado del latín cartílago agines, derivación idéntica: cartílago, Vísceras: tomado del latín víscera, plural del poco usado, derivación idéntica Esplácnico: relacionado con los órganos internos como visceral. Visceral: relativo a las vísceras u órganos internos de la cavidad abdominal, también Esplácnico.

2 Los eventos específicos que conllevan a la diferenciación prenatal y crecimiento postnatal de la base del cráneo, dictan las características morfológicas finales de esta compleja área anatómica. Solo a través del entendimiento de estos eventos puede el clínico involucrarse en el tratamiento de condiciones congénitas, neoplásicas, y traumáticas del desarrollo de la base del cráneo, y tener un fundamento firme para las intervenciones terapéuticas y las investigaciones científicas de estas condiciones. Tomando el contexto de todo el desarrollo embriológico de cabeza y cuello, la base del cráneo se desarrolla a través de intrincadas interacciones de proliferación celular, migración, reabsorción y crecimiento. Los componentes esqueletales de la base craneal se derivan de las células de la cresta neural y el mesodermo paraaxial, el cual se condensa durante la cuarta semana de crecimiento intrauterino y en última instancia dan formación a los cartílagos y estructuras óseas de la base del cráneo. El mesénquima no es encontrado antes del día 18, mientras las células de la cresta neural invaden la región. La interacción mutua de la superficie del ectodermo, neuroectodermo y mesénquima, permite el desarrollo craneofacial en este estadio temprano. Los eventos más tempranos de la formación del cráneo son precedidos por un desarrollo temprano del cerebro, nervios craneales, ojos, y oídos. La formación normal del condrocráneo es dependiente de la presencia de estas estructuras previamente formadas. 2 MIGRACIÓN CELULAR DE LA CRESTA NEURAL La formación del neurocráneo y el basicráneo es presagiada por la migración del mesodermo para axial y por las células de la cresta neural desde el tubo neural hasta el área entre el cerebro y el cerebelo. La migración de estas células es compleja, con procesos multivariables que son iniciados y controlados en tiempo y espacio por numerosos factores. Los estudios de transplantes heterotrópicos 3 han demostrado que la mayor parte de la bóveda craneal, incluído el basicráneo, se derivan de los somitas occipitales del mesodermo para axial. Las células de la cresta neural dispersadas desde el 2 EDWARD J. RICCIARDELLI, MD. Embriology and anatomy of the cranial base. Clinics in Plastic Surgery, July 1995, 22: 3 3 Transplante Heterotópico: transferencia de tejido desde una parte del cuerpo del donante a una zona diferente en el cuerpo del receptor.

3 plato neural centralizado, migran para formar porciones del basicráneo en adición a la mitad de la cara y estructuras viscerales. La iniciación y direccionalidad de la migración de las células de la cresta neural es altamente dependientes de los factores medioambientales locales. Los patrones de migración específica no son irreversiblemente predeterminados pero las células mantienen un comportamiento de migración pluripotencial. Los factores medioambientales en la forma de sustrato extracelular y los factores difusibles con el medio circundante están determinando primariamente estas características migracionales. La interacción del neuroepitelio con la matriz extracelular circundante involucra una serie de eventos complejos donde interaccionan célula-célula y célula-sustrato. En el momento que ocurre la migración neuroepitelial, un rompimiento inicial de la adhesión célula-célula toma lugar. Esta adhesión célula- célula es en parte mediada por la adhesión de numerosas moléculas celulares expresadas sobre la superficie de la membrana celular. Estas migraciones celulares del tubo neural han sido demostradas con la pérdida de la expresión de la adhesión de moléculas celulares. Este patrón de baja regulación de las proteínas de adhesión de moléculas celulares de la membrana de las células de la cresta neural se correlaciona con la migración activa. En adición a la disminución de las interacciones célula-célula, la interacción con el sustrato extracelular se incrementa. La aparición y concentración de dos sustratos extracelulares, fibronectina y laminina, están en tiempo y espacio relacionados con la migración de las células de la cresta neural. Se ha visto que la fibronectina es importante en el agregado, propagación y movilidad celular. La interacción de la célula con la matriz extracelular no es el único factor responsable de la migración celular de la cresta neural durante la embriogénesis. Se han implicado varios factores difusos en la influencia de la migración celular. La migración celular de la cresta neural ocurre con los espacios extracelulares primariamente, y no por la invasión de tejidos embriónicos. Los glicosaminoglicanos, el ácido hialurónico, están presentes en estos espacios a través de los cuales migran las células de la cresta neural. El rol del ácido hialurónico es a través del mantenimiento y el incremento de espacios entre las fibras colágenas, las cuales podrían aumentar potencialmente la facilidad de la migración. DIFERENCIACION Y DESARROLLO DE LA BASE DE CRANEO La migración de las células de la cresta neural craneal comienza aproximadamente en la cuarta semana de desarrollo.

4 A través de un proceso de migración, estas células forman una serie de condensaciones colectivas conocidas como el desmocráneo. Estas condensaciones representan la evidencia más temprana de formación de cráneo. Estos eventos están precedidos por el desarrollo inicial del cerebro y otras estructuras neurales. La condrogénesis podrá ocurrir solo con interacciones apropiadas entre el neuromesénquima con el neuroepitelio. Esto enfatiza la importancia del medioambiente circundante sobre la migración de las células de la cresta neural. Las condensaciones de las células de la cresta neural del condrocráneo se diferenciarán directamente en la membrana ósea o en el hueso endocondral por la vía de formación inicial de cartílago. Las condensaciones van a formar los múltiples centros de condrificación comenzando aproximadamente en la séptima semana del desarrollo. Estos centros individuales eventualmentre se fusionan para formar el condrobasicráneo entre el cerebro y el cerebelo en desarrollo. En este punto, el nervio y la vesícula óptica han comenzado a formarse, el diencéfalo es reconocible y ha comenzado la formación del sistema ótico y de las cavidades nasales. El desarrollo craneofacial y su evolución ha sido un asunto intrigante de la morfología de los vertebrados. El número de segmentos incorporados dentro del cráneo fue también un asunto de debate que persistió como la pregunta central de la embriología comparativa. El cráneo de los vertebrados fue percibido como un ensamblaje de vértebras como lo encontrado en el tronco post-craneal. Científicos trataron de describir el cráneo como un modelo unificado consistente de un invariable número de vértebras. La pregunta de la segmentación de la cabeza tiene un tópico central, y fue, al menos en parte, estimulado por el descubrimiento de las cavidades de la cabeza en el embrión del tiburón. Las cavidades de la cabeza son actualmente el origen de los músculos extrínsecos del ojo, y parece que surgen segmentariamente, típicamente como tres pares, asociados cada uno con un solo arco faríngeo. Las cavidades fueron designadas desde la anterior a la posterior como: premandibular, mandibular, e hioidea, inervadas por los nervios oculomotor, troclear y abducente respectivamente. Así, la cabeza de los vertebrados fue entendida como una disposición de segmentos, cada uno consistente de una parte somática dorsal y una parte visceral ventral. El cráneo de los vertebrados fue explicado como una sola parte del modelo morfológico, secundariamente modificado por variaciones y diferenciaciones de grupos específicos de animales. Con el advenimiento de la embriología experimental, el papel del desarrollo del ectomesenquima derivado de la cresta neural en la cranéogénesis de los vertebrados, y la importancia de las interacciones tejido-tejido se volvieron generalmente aceptados. Basado en las técnicas de genética molecular y embriología experimental, actuales investigaciones sobre craneogénesis y evolución

5 de vertebrados se han centrado sobre el mecanismo de desarrollo involucrado en la diferenciación del ectomesénquima derivado de la cresta neural, los mecanismos reguladores subyacentes a los modelos de expresión coordinados de varios genes reguladores, incluyendo los genes Hox y Dlx, y los caminos de señalización inductivos que conducen a la diferenciación de poblaciones celulares específicas. Segmentos en el mesodermo-somitomerismo. Mesodermo Preótico: corresponde a la clasificación de las somitas. El problema de la segmentación de la cabeza puede ser dividido en dos partes, la preotica y la postotica, correspondientes a problemas relacionados al mesodermo cefálico y a los somitas en el embrión respectivamente. La región Preotica-Las cavidades de la cabeza: Las cavidades de la cabeza no pueden ser una característica primitiva para todos los vertebrados. Ellas parecen disminuir en una dirección caudal-rostral a lo largo de los árboles filogenéticos. Direccción anteroposterior a través de las especies: El concepto de un límite es importante para el modelo segmentario en desarrollo: ciertos modelos establecidos tempranamente en el embrión afectarán subsecuentemente el modelado en una manera restrictivamente conservadora. El tronco de las células de la cresta neural y las fibras nerviosas motoras no están inicialmente segmentadas, pero son secundariamente subdivididas por la presencia de somitas, resultando en el modelo segmentario de los nervios espinales. Somitomeros o la regionalización del mesodermo de la cabeza: Otra estructura seudosegmentaria de valor son los somitomeros. Los somitomeros son mesenquima y fueron originalmente observados en el mesodermo paraxial de la región del tronco previo a la somitogénesis. Los somitomeros no pueden ser iguales con las cavidades de la cabeza que cuentan menos de la mitad de somitomeros. Si los somitomeros representan un resto de modelo segmentario, el modelo morfológico de la cabeza de los vertebrados no está segmentada como el tronco muestra en los modelos generados por los somitas. Regiones específicas de mesodermo pueden ser identificadas en una manera comparable entre especies animales, no por la segmentación de las células del mesodermo pero si por la regionalización del mesodermo dentro de dominios por la presencia de algunas otras estructuras embriónicas. De las regiones de mesodermo reconocibles, el mesodermo premandibular, el cual surge relativamente tarde en el desarrollo desde la placa precordal, y tiene un límite claro posterior, puede representar un segmento real. Transposición y Transformación homeótica: La parte posterior del neurocráneo está segmentado dentro de somitas. Diferentes números de segmentos pueden tener la misma identidad morfológica. Así la homología

6 morfológica de los elementos esqueléticos no puede ser reducida a una serie de compartimentos desarrollados. Los genes Hox codifican los factores de trascripción y son ordenados sobre el DNA que constituye el grupo de los Hox. Estos genes son usualmente expresados desde ciertos niveles antero-posteriores, cada somita a través del eje expresa un juego específico de Hox transcriptos con un modelo anidado. Este modelo de la expresión de los genes Hox es llamado el código Hox y ha sido mostrado experimentalmente que funciona como un sistema, confiriendo un valor posicional sobre los somitas a cada nivel, que los puede diferenciar durante el desarrollo a su apropiada identidad morfológica. La regulación del código Hox probablemente cambió a través de la evolución, creando una fórmula que difiere en cada grupo animal. Versión moderna de la teoría de la capa germinal: Las estructuras homólogas morfológicamente son derivadas desde idénticas capas germinales. Esta idea es llamada la teoría de la capa germinal. Al parecer un linaje de células específicas son utilizadas para un espectro específico de tipos celulares o componentes esqueléticos. El espíritu de la teoría de la capa germinal puede ser reexpresada de una manera que las estructuras homologas morfológicamente son o tienden a ser producidas desde linajes celulares conservados. Cresta neural Versus Mesodermo de la cabeza: El neurocráneo está localizado en la parte dorsal de la cabeza, encapsulando el sistema nervioso central, mientras el viscerocraneo soporta la faringe, con los arcos faringeos. El exoesqueleto termal, y el cartílago preformado endoesqueletal están asociados con ambos componentes. Es generalmente aceptado que el esqueleto visceral es de origen de la cresta. La mayoría de las estructuras craneofaciales son derivadas de células de la cresta neural mientras el neurocraneo es parcialmente de origen mesodermico. El cráneo y la base pueden ser divididos en dos porciones correspondientes a la presencia o ausencia de la notocorda, reflejando una diferencia en los orígenes de las células (cresta o mesodermo), así como una diferencia en el mecanismo de señalización que causa que ellos se diferencien en diferentes tejidos esqueléticos. Cada tipo celular tiende a ocupar una posición específica en el embrión como resultado de modelos de migración específica de las células de la cresta y la distribución original del mesodermo cefálico. Origen del techo del cráneo: De acuerdo al concepto morfológico el desmocraneo puede ser dividido en componentes visceral y neural, y si la parte posterior del endoesqueleto del neurocraneo es de origen mesodermico, entonces el techo del cráneo es termal. Sin embargo Couli y colaboradores mostraron que estos elementos esqueléticos también se originan de la cresta neural.

7 Evolución y desarrollo del viscerocraneo: Noden mostró que cuando el destino de la cresta neural para poblar el arco mandibular (PA1) fue trasplantado al nivel de arco hioideo (PA2) del anfitrión, algunos elementos esqueléticos en PA2 desarrollados con identidades mandibulares mas que con elementos esqueléticos del arco hioideo. El código Hox también funciona en el ectomesenquima del PA. El gen Hox PG2 esta expresado en PA2 y posterior a esto el gen PG3 en PA3. No hay genes Hox expresados en PA1, y la diferenciación de la mandíbula parece ser especificada por la ausencia de transcritos en el ectomesenquima. La disrupción de Hoxa-2, expresados en PA2, conduce a la transformación de PA2 a formar una identidad parcial con PA1. La sobre expresión de Hoxa-2 resulta en la transformación de PA1 dentro de la identidad de PA2. La regulación del código Hox en el Pas parece no haber sido cambiada a través de la evolución el origen de la mandíbula parece tener involucrado un cambio en las interacciones de los tejidos, no simplemente transformando el arco mandibular. El código Hox no es más que un sistema de desarrollo con el cual se asigna un valor posicional a cada uno de los arcos. Mandíbula y trabécula: La disrupción de Hoxa-2, involucra únicamente la parte proximal del arco mandibular. El gen Otx-2 puede ser el responsable por el modelamiento de esta región. La expresión De Otx-2 y el codigo Hox forman un modelo en PA1 de una manera complementaria. La acción inductiva del FGF8 localizado en el ectodermo ventral son específicas como células de la cresta neural. Los elementos esqueléticos premandibulares requieren la presencia de endodermo, pero no de notocorda. La parte premandibular del cráneo depende sobre una interacción con el endodermo. Cuando un continuo ectomesenquima es secundariamente regionalizado a través de interacciones de tejido dentro de regiones segmentarias faringeas, nosotros reconocemos una distinción entre el ectomesenquima premandibular y madibular. La presencia de ectomesenquima derivado de la cresta no necesariamente predice la presencia de segmentos braquiomericos. Rejilla cartesiana de la expresión de los genes Homeobox y señales del medio ambiente: En el ratón, Dlx1 y Dlx2 son expresados en el ectomesnquima PA, mientras la expresión de Dlx5 y Dlx6 está restringida a la mitad ventral de Pas. Dlx3 y Dlx7 están expresados únicamente en la parte ventral de Pas. La simultánea disrupción de Dlx5 y Dlx6 resulta en la duplicación de los elementos superiores mandibulares. Los genes Hox y Dlx son sistemas simples que proporcionan una posición. La inactivación de la función del gen Hox en el segundo arco resulta en la transformación del Arco hioideo dentro de la identidad del arco mandibular, las formas de especies especificas del esqueleto derivado de la cresta parece ser

8 codificado en la creta premigratoria no en el ambiente del huésped incluyendo el endodermo. El endodermo envía hacia las células de la cresta una señal que define las identidades morfológicas que son comúnmente encontradas en diferentes grupos de animales. Que determina la forma? Cuántos tipos de formas? : se ha creído que la forma esquelética esta predeterminada en la cresta neural premigratoria el ambiente embrionico del tejido del huésped probablemente envía las mismas señales inductivas, pero las células de la cresta que reciben estas señales pueden únicamente responder basadas en el genoma presente en su núcleo. El concepto de homología morfológica no requiere ningún parecido de forma o función, pero pueden ser basados sobre posiciones relativas equivalentes en las partes del cuerpo. De nuevo la posición topográfica denota una inducción epigénetica idéntica en ambos tejidos. La embriología comparativa del cráneo de los vertebrados ha mostrado la presencia de un modelo de desarrollo restringido y las interacciones de tejido resultante que dan salida a ciertos modelos específicos de elementos esqueléticos 4. 4 Kuratani S. Craneofacial development and evolution of the vertebrates: the old problems on a new background. Zoological Science. 2005:22, 1-19.