Desarrollo embrionario humano

La fecundación se produce cuando el espermatozoide ha penetrado con éxito en el óvulo y los dos conjuntos de material genético que portan los gametos se fusionan, dando lugar al cigoto (una única célula diploide ). Este proceso suele tener lugar en la ampolla de una de las trompas de Falopio . El cigoto contiene el material genético combinado de los gametos masculino y femenino, que consiste en los 23 cromosomas del núcleo del óvulo y los 23 cromosomas del núcleo del espermatozoide. Los 46 cromosomas experimentan cambios antes de la división mitótica , que da lugar a la formación del embrión, compuesto por dos células.

La fertilización exitosa es posible gracias a tres procesos que también actúan como controles para asegurar la especificidad de la especie. El primero es la quimiotaxis , que dirige el movimiento del espermatozoide hacia el óvulo. ^{[ 2 ]} En segundo lugar, se produce una compatibilidad adhesiva entre el espermatozoide y el óvulo. Una vez adherido el espermatozoide al óvulo, tiene lugar el tercer proceso de reacción acrosómica ; la parte frontal de la cabeza del espermatozoide se cubre con un acrosoma que contiene enzimas digestivas para descomponer la zona pelúcida y permitir su entrada. ^{[ 3 ]} La entrada del espermatozoide provoca la liberación de calcio, que bloquea la entrada de otros espermatozoides. ^{[ 3 ]} En el óvulo tiene lugar una reacción paralela llamada reacción de la zona pelúcida . Esta implica la liberación de gránulos corticales que liberan enzimas que digieren las proteínas receptoras de los espermatozoides, previniendo así la polispermia . ^{[ 4 ]} Los gránulos también se fusionan con la membrana plasmática y modifican la zona pelúcida de tal manera que impiden la entrada de más espermatozoides.

El inicio del proceso de segmentación se marca cuando el cigoto se divide por mitosis en dos células. Esta mitosis continúa y las dos primeras células se dividen en cuatro, luego en ocho, y así sucesivamente. Cada división dura entre 12 y 24 horas. El cigoto es grande en comparación con cualquier otra célula y experimenta segmentación sin un aumento general de tamaño. Esto significa que con cada subdivisión sucesiva, la proporción de material nuclear con respecto al citoplasmático aumenta. ^{[ 5 ]}

Inicialmente, las células en división, llamadas blastómeros ( blastos, del griego, brote), están indiferenciadas y agrupadas en una esfera encerrada dentro de la zona pelúcida del óvulo. Cuando se han formado ocho blastómeros , comienzan a compactarse . ^{[ 6 ]} Comienzan a desarrollar uniones comunicantes , lo que les permite desarrollarse de forma integrada y coordinar su respuesta a señales fisiológicas y estímulos ambientales. ^{[ 7 ]}

Cuando el número de células ronda las dieciséis, la esfera sólida de células dentro de la zona pelúcida se denomina mórula . ^{[ 8 ]}

La segmentación es la primera etapa de la blastulación , el proceso de formación del blastocisto . Las células se diferencian en una capa externa llamada trofoblasto y una masa celular interna . Con la compactación, los blastómeros externos individuales, los trofoblastos, se vuelven indistinguibles. Todavía están encerrados dentro de la zona pelúcida . Esta compactación sirve para que la estructura sea impermeable, conteniendo el líquido que las células secretarán posteriormente. La masa celular interna se diferencia para convertirse en embrioblastos y se polariza en un extremo. Se cierran y forman uniones comunicantes , que facilitan la comunicación celular. Esta polarización deja una cavidad, el blastocele , creando una estructura que ahora se denomina blastocisto. (En animales que no son mamíferos, se llama blástula ).

Los trofoblastos secretan líquido en el blastocele. El consiguiente aumento de tamaño del blastocisto provoca su eclosión a través de la zona pelúcida, que posteriormente se desintegra. ^{[ 5 ]} Este proceso se denomina eclosión de la zona pelúcida y tiene lugar el sexto día del desarrollo embrionario, inmediatamente antes de la implantación. La eclosión del embrión humano está facilitada por proteasas secretadas por las células del blastocisto, que digieren las proteínas de la zona pelúcida, creando un orificio. Posteriormente, debido a la expansión y contracción rítmicas del blastocisto, se produce un aumento de la presión en su interior, el orificio se expande y, finalmente, el blastocisto emerge de esta envoltura rígida.

La masa celular interna dará origen al preembrión , ^{[ 9 ]} el amnios , ^{[ 10 ]} el saco vitelino y el alantoides , mientras que la parte fetal de la placenta se formará a partir de la capa externa del trofoblasto. El embrión más sus membranas se llama conceptus , y en esta etapa el conceptus ha llegado al útero . La zona pelúcida finalmente desaparece por completo, y las células ahora expuestas del trofoblasto permiten que el blastocisto se adhiera al endometrio , donde se implantará . La formación del hipoblasto y el epiblasto , que son las dos capas principales del disco germinal bilaminar, ocurre al comienzo de la segunda semana. ^{[ 11 ]} Tanto el embrioblasto como el trofoblasto se convertirán en dos subcapas. ^{[ 12 ]} Las células internas se convertirán en la capa del hipoblasto, que rodeará la otra capa, llamada epiblasto, y estas capas formarán el disco embrionario que se desarrollará en el embrión. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

El trofoblasto también desarrollará dos subcapas: el citotrofoblasto , que está delante del sincitiotrofoblasto , que a su vez se encuentra dentro del endometrio . ^{[ 11 ]} Luego, aparecerá otra capa llamada membrana exocelómica o membrana de Heuser y rodeará al citotrofoblasto, así como al saco vitelino primitivo. ^{[ 12 ]} El sincitiotrofoblasto crecerá y entrará en una fase llamada etapa lacunar, en la que aparecerán algunas vacuolas que se llenarán de sangre en los días siguientes. ^{[ 11 ] [ 12 ]} El desarrollo del saco vitelino comienza con las células planas hipoblásticas que forman la membrana exocelómica, que recubrirá la parte interna del citotrofoblasto para formar el saco vitelino primitivo. Una erosión del revestimiento endotelial de los capilares maternos por las células sincitiotrofoblásticas da lugar a la formación de los sinusoides maternos desde donde la sangre comenzará a penetrar y fluir hacia y a través de las lagunas trofoblásticas para dar origen a la circulación uteroplacentaria. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Posteriormente, nuevas células derivadas del saco vitelino se establecerán entre el trofoblasto y la membrana exocelómica y darán origen al mesodermo extraembrionario , que formará la cavidad coriónica . ^{[ 12 ]}

Al final de la segunda semana de desarrollo, algunas células del trofoblasto penetran y forman columnas redondeadas en el sincitiotrofoblasto. Estas columnas se conocen como vellosidades primarias . Al mismo tiempo, otras células migrantes forman en la cavidad exocelómica una nueva cavidad llamada saco vitelino secundario o definitivo, más pequeño que el saco vitelino primitivo. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Tras la ovulación , el revestimiento endometrial se transforma en un revestimiento secretor para recibir al embrión. Se engrosa, sus glándulas secretoras se alargan y se vuelve cada vez más vascularizado . Este revestimiento de la cavidad uterina (o útero) se conoce ahora como decidua y produce un gran número de células deciduales grandes en su tejido interglandular aumentado. Los blastómeros del blastocisto se organizan en una capa externa llamada trofoblasto . El trofoblasto se diferencia en una capa interna, el citotrofoblasto , y una capa externa, el sincitiotrofoblasto . El citotrofoblasto contiene células epiteliales cúbicas y es la fuente de las células en división , mientras que el sincitiotrofoblasto es una capa sincitial sin límites celulares.

El sincitiotrofoblasto implanta el blastocisto en el epitelio decidual mediante proyecciones de las vellosidades coriónicas , formando la parte embrionaria de la placenta. La placenta se desarrolla una vez implantado el blastocisto, conectando el embrión a la pared uterina. La decidua en esta zona se denomina decidua basal; se encuentra entre el blastocisto y el miometrio y forma la parte materna de la placenta . La implantación es asistida por enzimas hidrolíticas que erosionan el epitelio . El sincitiotrofoblasto también produce gonadotropina coriónica humana , una hormona que estimula la liberación de progesterona del cuerpo lúteo . La progesterona enriquece el útero con una gruesa capa de vasos sanguíneos y capilares para que pueda oxigenar y mantener al embrión en desarrollo. El útero libera azúcar del glucógeno almacenado en sus células para nutrir al embrión . ^{[ 15 ]} Las vellosidades comienzan a ramificarse y contienen vasos sanguíneos del embrión. Otras vellosidades, llamadas vellosidades terminales o libres, intercambian nutrientes. El embrión se une a la envoltura trofoblástica mediante un tallo conector estrecho que se desarrolla en el cordón umbilical para unir la placenta al embrión. ^{[ 12 ] [ 16 ]} Las arterias en la decidua se remodelan para aumentar el flujo sanguíneo materno hacia los espacios intervellosos de la placenta, lo que permite el intercambio de gases y la transferencia de nutrientes al embrión. Los productos de desecho del embrión se difundirán a través de la placenta.

A medida que el sincitiotrofoblasto comienza a penetrar la pared uterina, también se desarrolla la masa celular interna (embrioblasto). Esta masa celular interna es la fuente de las células madre embrionarias , que son pluripotentes y pueden diferenciarse en cualquiera de las tres capas germinales, y que tienen la capacidad de dar origen a todos los tejidos y órganos.

El embrioblasto forma un disco embrionario de dos capas: la capa superior se llama epiblasto y la inferior, hipoblasto . El disco se extiende entre lo que se convertirá en la cavidad amniótica y el saco vitelino. El epiblasto es adyacente al trofoblasto y está formado por células columnares; el hipoblasto es el más cercano a la cavidad del blastocisto y está formado por células cúbicas. El epiblasto migra desde el trofoblasto hacia abajo, formando la cavidad amniótica, ^{[ 10 ]} cuyo revestimiento se forma a partir de amnioblastos desarrollados a partir del epiblasto. El hipoblasto es empujado hacia abajo y forma el revestimiento del saco vitelino (cavidad exocelómica). Algunas células del hipoblasto migran a lo largo del revestimiento interno del citotrofoblasto del blastocele, secretando una matriz extracelular en el camino. Estas células del hipoblasto y la matriz extracelular se denominan membrana de Heuser (o membrana exocelómica) y cubren el blastocele para formar el saco vitelino (o cavidad exocelómica). Las células del hipoblasto migran a lo largo de los bordes externos de este retículo y forman el mesodermo extraembrionario; esto altera el retículo extraembrionario. Pronto se forman cavidades en el retículo, que finalmente se fusionan para formar la cavidad coriónica (celoma extraembrionario).

Las células madre hematopoyéticas que dan origen a todas las células sanguíneas se desarrollan a partir del mesodermo. El desarrollo de la formación de la sangre tiene lugar en grupos de células sanguíneas, conocidos como islotes sanguíneos , en el saco vitelino . Los islotes sanguíneos se desarrollan fuera del embrión, en la vesícula umbilical, el alantoides, el pedículo de conexión y el corion, a partir de hemangioblastos mesodérmicos .

En el centro de un islote sanguíneo, los hemangioblastos forman las células madre hematopoyéticas que son precursoras de todos los tipos de células sanguíneas. En la periferia de un islote sanguíneo, los hemangioblastos se diferencian en angioblastos , precursores de los vasos sanguíneos. ^{[ 21 ]}

El corazón es el primer órgano funcional en desarrollarse y comienza a latir y bombear sangre alrededor de los 22 días. ^{[ 22 ]} Los mioblastos cardíacos y los islotes sanguíneos en el mesénquima esplacnopleural a cada lado de la placa neural dan origen a la región cardiogénica . ^{[ 12 ] : 165} Esta es un área en forma de herradura cerca de la cabeza del embrión. Hacia el día 19, siguiendo la señalización celular , dos filamentos comienzan a formarse como tubos en esta región, a medida que se desarrolla una luz dentro de ellos. Estos dos tubos endocárdicos crecen y hacia el día 21 han migrado uno hacia el otro y se han fusionado para formar un único tubo cardíaco primitivo, el corazón tubular . Esto es posible gracias al plegamiento del embrión que empuja los tubos hacia la cavidad torácica . ^{[ 23 ]}

También al mismo tiempo que se forman los tubos endocárdicos, comienza la vasculogénesis (el desarrollo del sistema circulatorio). Esto comienza el día 18 con la diferenciación de células en el mesodermo esplacnopleural en angioblastos que se desarrollan en células endoteliales aplanadas. Estas se unen para formar pequeñas vesículas llamadas angiocistos que se unen para formar vasos largos llamados cordones angioblásticos. Estos cordones se desarrollan en una red generalizada de plexos en la formación de la red vascular. Esta red crece por la gemación y brote adicional de nuevos vasos en el proceso de angiogénesis . ^{[ 23 ]} Después de la vasculogénesis y el desarrollo de una vasculatura temprana, tiene lugar una etapa de remodelación vascular .

El corazón tubular se divide rápidamente en cinco regiones distintas. De la cabeza a la cola, estas son el infundíbulo , el bulbo cardíaco , el ventrículo primitivo , la aurícula primitiva y el seno venoso . Inicialmente, toda la sangre venosa fluye hacia el seno venoso y es impulsada desde la cola hacia la cabeza hasta el tronco arterioso . Este se dividirá para formar la aorta y la arteria pulmonar ; el bulbo cardíaco se desarrollará en el ventrículo derecho (primitivo); el ventrículo primitivo formará el ventrículo izquierdo; la aurícula primitiva se convertirá en las partes anteriores de las aurículas izquierda y derecha y sus apéndices, y el seno venoso se desarrollará en la parte posterior de la aurícula derecha , el nódulo sinoauricular y el seno coronario . ^{[ 22 ]}

El bucle cardíaco comienza a dar forma al corazón como uno de los procesos de morfogénesis , y este se completa al final de la cuarta semana. La muerte celular programada ( apoptosis ) en las superficies de unión permite que tenga lugar la fusión. ^{[ 23 ]} A mediados de la cuarta semana, el seno venoso recibe sangre de las tres venas principales: la vitelina , la umbilical y las venas cardinales comunes .

Durante los dos primeros meses de desarrollo, comienza a formarse el tabique interauricular . Este tabique divide la aurícula primitiva en una aurícula derecha y una izquierda . Inicialmente, se forma como un fragmento de tejido en forma de media luna que crece hacia abajo como el septum primum . La forma de media luna impide el cierre completo de las aurículas, permitiendo que la sangre pase de la aurícula derecha a la izquierda a través de la abertura conocida como ostium primum . Esta abertura se cierra con el desarrollo posterior del sistema, pero antes de que esto ocurra, comienza a formarse una segunda abertura (el ostium secundum ) en la aurícula superior, lo que permite la continuación del flujo sanguíneo. ^{[ 23 ]}

Un segundo tabique (el tabique secundum ) comienza a formarse a la derecha del tabique primum. Este también deja una pequeña abertura, el foramen oval , que se continúa con la abertura previa del ostium secundum. El tabique primum se reduce a una pequeña solapa que actúa como válvula del foramen oval y permanece así hasta su cierre al nacer. Entre los ventrículos también se forma el tabique inferius , que se desarrolla hasta convertirse en el tabique interventricular muscular . ^{[ 23 ]}

El sistema digestivo comienza a desarrollarse a partir de la tercera semana y, para la duodécima semana, los órganos ya se han posicionado correctamente. Como resultado del plegamiento cefalocaudal y lateral del embrión, una porción de la cavidad del saco vitelino revestida de endodermo se incorpora al embrión para formar el intestino primitivo . En las partes cefálica y caudal del embrión, el intestino primitivo forma un tubo, el intestino anterior y el intestino posterior, respectivamente. La parte media, el intestino medio, permanece conectada temporalmente al saco vitelino mediante el conducto vitelino . ^{[ 13 ]}

El intestino anterior da origen al esófago, la tráquea, los brotes pulmonares, el estómago y el duodeno proximal a la entrada del conducto biliar. Además, el hígado, el páncreas y el aparato biliar se desarrollan como evaginaciones del epitelio endodérmico de la parte superior del duodeno. Dado que la parte superior del intestino anterior está dividida por el tabique traqueoesofágico en el esófago posteriormente y la tráquea y los brotes pulmonares anteriormente, la desviación del tabique puede dar lugar a aberturas anormales entre la tráquea y el esófago. Los cordones epiteliales del hígado y el sistema biliar que crecen hacia el tabique transverso se diferencian en parénquima. Las células hematopoyéticas (presentes en el hígado en mayor número antes del nacimiento que después), las células de Kupffer y las células del tejido conectivo se originan en el mesodermo. El páncreas se desarrolla a partir de un brote ventral y un brote dorsal que posteriormente se fusionan para formar el páncreas definitivo. A veces, las dos partes rodean el duodeno ( páncreas anular ), provocando una constricción del intestino. ^{[ 24 ]}

El intestino medio forma el asa intestinal primaria, desde la cual se origina el duodeno distal hasta la entrada del conducto biliar. El asa continúa hasta la unión de los dos tercios proximales del colon transverso con el tercio distal. En su ápice, el asa primaria permanece temporalmente en conexión abierta con el saco vitelino a través del conducto vitelino . Durante la sexta semana, el asa crece tan rápidamente que protruye hacia el cordón umbilical ( herniación fisiológica ). En la décima semana, regresa a la cavidad abdominal. Mientras ocurren estos procesos, el asa del intestino medio rota 270° en sentido antihorario. Las anomalías comunes en esta etapa del desarrollo incluyen restos del conducto vitelino, la falta de retorno del intestino medio a la cavidad abdominal, malrotación, estenosis y duplicación de partes. ^{[ 13 ]}

El intestino posterior da origen a la región que se extiende desde el tercio distal del colon transverso hasta la parte superior del canal anal. La parte distal del canal anal se origina a partir del ectodermo. El intestino posterior penetra en la región posterior de la cloaca (futuro canal anorrectal ), y el alantoides penetra en la región anterior (futuro seno urogenital ). El tabique urorrectal divide ambas regiones, y la ruptura de la membrana cloacal que recubre esta zona proporciona comunicación con el exterior para el ano y el seno urogenital. La parte superior del canal anal deriva del endodermo del intestino posterior. La parte inferior (un tercio) deriva del ectodermo que rodea el proctodeo . El ectodermo, en la región del proctodeo sobre la superficie de parte de la cloaca, prolifera y se invagina para formar la fosa anal. Posteriormente, la degeneración de la membrana cloacal establece la continuidad entre las partes superior e inferior del canal anal. Las anomalías en el tamaño de la región posterior de la cloaca desplazan la entrada del ano hacia adelante, causando fístulas y atresias rectovaginales y rectouretrales . ^{[ 25 ]}

El sistema respiratorio se desarrolla a partir del brote pulmonar , que aparece en la pared ventral del intestino anterior aproximadamente a las cuatro semanas de gestación. El brote pulmonar forma la tráquea y dos crecimientos laterales conocidos como brotes bronquiales, que se agrandan al comienzo de la quinta semana para formar los bronquios principales izquierdo y derecho . Estos bronquios, a su vez, forman los bronquios secundarios (lobulares); tres en el lado derecho y dos en el izquierdo (en función del número de lóbulos pulmonares). Los bronquios terciarios se forman a partir de los bronquios secundarios.

Si bien el revestimiento interno de la laringe se origina en el esbozo pulmonar , sus cartílagos y músculos se originan en los arcos faríngeos cuarto y sexto . ^{[ 26 ]}

La capa superficial de la piel , la epidermis , deriva del ectodermo . La capa más profunda, la dermis , deriva del mesénquima .

La formación de la epidermis comienza en el segundo mes de desarrollo y adquiere su estructura definitiva al final del cuarto mes. El ectodermo se divide para formar una capa plana de células en la superficie, conocida como peridermo. La división celular posterior forma las distintas capas de la epidermis .

El mesénquima que formará la dermis se deriva de tres fuentes:

• El mesénquima que forma la dermis en las extremidades y la pared corporal deriva del mesodermo de la placa lateral.
• El mesénquima que forma la dermis en la espalda deriva del mesodermo paraxial.
• El mesénquima que forma la dermis en la cara y el cuello deriva de células de la cresta neural ^{[ 26 ].}

A finales de la cuarta semana, la parte superior del tubo neural se dobla ventralmente como la flexión cefálica a la altura del futuro mesencéfalo : el mesencéfalo . ^{[ 27 ]} Por encima del mesencéfalo está el prosencéfalo (futuro cerebro anterior) y por debajo de él está el rombencéfalo (futuro cerebro posterior).

Las células de la cresta neural craneal migran a los arcos faríngeos como células madre neurales , donde se desarrollan en neuronas mediante el proceso de neurogénesis .

La vesícula óptica (que finalmente se convierte en el nervio óptico , la retina y el iris ) se forma en la placa basal del prosencéfalo. La placa alar del prosencéfalo se expande para formar los hemisferios cerebrales (el telencéfalo), mientras que su placa basal se convierte en el diencéfalo. Finalmente, la vesícula óptica crece para formar una prolongación óptica.

Entre la tercera y la octava semana se desarrollan la cara y el cuello . Estos constan de tres capas diferentes: el ectodermo , el mesodermo y el endodermo .

En la cuarta semana se forman los arcos faríngeos , que contribuyen a la apariencia física del embrión al ser los componentes principales de lo que se convertirá en la cara y el cuello. La lengua también comienza a desarrollarse en la cuarta semana. ^{[ 28 ]}

La tiroides también se forma en esta etapa temprana y desciende hasta donde permanecerá en la séptima semana; sin embargo, no comienza a funcionar hasta el tercer mes, cuando empieza a producir coloide . ^{[ 29 ]}

Las fosas nasales comenzarán a profundizarse aún más y a formar sacos nasales en la sexta semana; estos crecerán delante del cerebro y comenzarán a desconectarse de la cavidad oral debido a la membrana oronasal. Esta membrana desaparece en la séptima semana, conectando ambas estructuras. ^{[ 29 ]}

El oído interno , el oído medio y el oído externo tienen orígenes embriológicos distintos.

Los ojos comienzan a desarrollarse desde la tercera semana hasta la décima semana.

Al final de la cuarta semana comienza el desarrollo de las extremidades . Los brotes de las extremidades aparecen en la cara ventrolateral del cuerpo. Constan de una capa externa de ectodermo y una parte interna compuesta de mesénquima , que se deriva de la capa parietal del mesodermo de la placa lateral . Las células ectodérmicas en el extremo distal de los brotes forman la cresta ectodérmica apical , que crea un área de células mesenquimales de rápida proliferación conocida como zona de progresión . El cartílago (parte del cual finalmente se convierte en hueso ) y el músculo se desarrollan a partir del mesénquima. ^{[ 26 ]}