Histologie des Hodens und des Nebenshodens der Maus II

[Dieter Stoffels]

(Fortsetzung des Beitrages: Histologie des Hodens und des Nebenhodens der Maus I)

In Abbildung 3 ist ein größeres Blutgefäß mit angrenzenden Hodenkanälchen bei 400-facher Vergrößerung aufgenommen worden. Das  Blutgefäßen liegt frei und wird von mehreren Hodenkanälchen umgeben. Angrenzend zur Unterseite des Blut-gefäßes ist ein ,,schaumig" erscheinender Zellverband zu erkennen. Hierbei handelt es sich um interstitielle Zellen, sogenannte Leydig-Zellen, die Testosteron produzieren und sich in Gruppen an Blutgefäße oder an die interstitielle Seite der Lamina propria limitans anlegen. In Abbildung 4 wird eine Detailaufnahme einer Gruppe von Leydig´schen Zellen, aufgenommen im Differential-Interferenzkontrast, gezeigt. Zwei größere Blutgefäße werden von vier Hodenkanälchen begrenzt. Der Raum


Abb. 3:  Aufnahme eines Blutgefäßes mit anliegender Gruppe interstitieller Leydig`scher Zellen

zwischen den Blutgefäßen und den Hodenkanälchen wird durch Leydig´sche Zellen ausgefüllt. Die unregelmäßig geformten Zellkerne der Leydig´schen Zellen liegen einem ,,schaumigen" Zytoplasma an. Das Erscheinungsbild ist typisch für Steroid-produzierende Zellen, bei denen der Inhalt im Verlauf der histologischen Präparation durch entfettend wirkende Lösungsmittel verloren gegangen ist. Vergleichbare Zellen lassen sich in der Nebennierenrinde der Maus beobachten. Die direkte Lage der Leydig´schen Zellen an den Blutgefäßen garantiert, dass das Testosteron auf kürzestem Wege in den Blutkreislauf des Hodens gelangt und hier von den Sertoli-Zellen aufgenommen werden kann. Das Einbringen des Testosterons in die Blutgefäße wird vermutlich durch ein interstitielles Transportprotein vermittelt. Auch besteht die Vermutung, dass das Testosteron passiv durch Diffusion über die Lamina propria limitans (siehe unten) zu den Sertoli-Zellen gelangt. Die Sertoli-Zellen stellen das aufgenommene Testosteron den reifenden Keimzellen zur Verfügung und stellen so sicher, dass die Spermatogenese fortgesetzt wird und befruchtungsfähiger Spermatozoen (Spermien) gebildet werden.


Abb. 4:  Detailaufnahme zweier Blutgefäße, umgeben von einer Gruppe Leydig´scher Zellen

Nach einer Beschreibung der interstitiellen Zellen soll nun der Verlauf der Keimzellentwicklung im Hodenkanälchen (Tubuli seminiferi convoluti) vorgestellt werden. Die Entwicklung lässt sich histologisch besonders deutlich an längs angeschnittenen Kanälchen zeigen (Abb. 5). Die Hodenkanälchen werden von Seiten des Interstitiums von der Lamina propria limitans umgeben. Diese besteht aus einer dünnen Basalmembran (Basalmembran, nicht Basallamina, da sie als molekularer Filter der interstitiellen Flüssigkeit wirkt) und aus mehreren Lagen von Myofibrozyten, die sich in Art einer glatten Muskelzelle rythmisch kontrahieren können, deren Druckwelle auf den flüssigen Inhalt der Hodenkanälchen übertragen wird. Auf diese Weise werden die zunächst unbeweglichen, in die Samenflüssigkeit abgegebenen Spermatozoen von ihrem Bildungsort weg transportiert. Der Lamina propria limitans liegen basal die sich mitotisch teilenden Spermatogonien an. Nach apikal schließen sich primäre und sekundäre Spermatozyten I und II, Spermatiden unterschiedlicher Reifestadien sowie die teilreifen Spermatozoen, deren Schwänze sich weit in das Lumen des Hodenkanälchens vorstrecken, an. Als herausragender Zelltyp sind die somatischen, diploiden Sertoli-Zellen zu nennen, deren Vorläufer bereits als Produzenten des Sry-Genproduktes vorgestellt wurden. Wie bereits beschrieben, entscheidet das Vorhandensein des Sry-Genproduktes darüber, ob sich aus der Genitalleiste ein Ovar oder ein Hoden entwickelt.


Abb. 5:  Übersichtsaufnahme eines längs angeschnittenen Hodenkanälchens

Die wesentlichen Mermale der Sertoli-Zellen soll im Folgenden aufgelistet werden:

1. Die Sertoli-Zellen sezernieren das Anti-Müllerian-Hormon, das die Entwicklung des weiblichen Genitaltraktes unterdrückt, und dazu führt, dass sich der Müller´sche Gang als Grundbildungsstruktur von Ovidukt, Uterus und Vagina, rückbildet.

2. Produkte der Sertoli-Zellen veranlassen somatische Zellen, in die Gonadenanlage einzuwandern und die für die geregelte Spermatozoenbildung notwendigen Bindegewebsstrukturen anzulegen und aufzubauen.

3. Die Sertoli-Zellen veranlassen somatische Zellen, sich zu Leydig´schen Zellen zu differenzieren, deren Testosteron sie aufnehmen, um damit die Spermatogenese und Spermiohistogenese zu unterhalten.

4. Die Sertoli-Zellen dienen als Stütz- und Ammenzellen für die reifenden Keimzellen. Sie schützen und ernähren den vorrückenden Keimzellverband, bauen aber auch anfallende Restkörper (abgestorbene Zellen sowie cytoplasmatische Restkörper z. B. der reifenden Spermatiden) durch Phagozytose ab.

5. Die Sertoli-Zellen bilden durch Zellverbindungen die Blut-Hoden-Schranke, die sicherstellt, dass die Genprodukte der in der Prophase I der Meiose genetisch veränderten Spermatozyten, Spermatiden und Spermatozoen keine Autoimmunreaktion auslösen.

Die unter Punkt 4 und 5 aufgeführten Merkmale sollen anhand einer Detailaufnahme des Keimepitheles genauer erläutert werden (siehe Abb. 6). Wie bereits beschrieben, liegen die Spermatogonien der Lamina propria limitans direkt an. Die Spermatozyten I der Maus fallen durch ihr rundes Erscheinungsbild und die dunkel angefärbte, hoch kondensierte Chromatinstruktur auf. Die Spermatozyten II sind größer als die Spermatozyten I, wobei die Chromatinstrukturen aufgelockerter erscheinen. Die frühen Spermatiden sind kleiner als die zuvor beschriebenen Zellen und besitzen einen kugelrunden Zellkern, was in Abbildung 4 gut zu erkennen ist. Die reifenden Spermatiden besitzen eine spindelförmige Gestalt und fallen durch ihre intensive blauschwarze Färbung auf. Ob die Anfärbung auf hoch kondensiertes Chromatin oder auf Material des aufliegenden Acrosoms zurückzuführen ist,  bleibt offen.

Die Sertoli-Zellen sind die ,,Füllung" des Keimepithels. Der basale Anteil der Sertoli-Zelle sitzt der Lamina propria limitans unmittelbar auf. Auf einen schlanken, basalen Anteil (Fuß) mit transparentem, nahezu runden Zellkern setzt sich die Sertoli-Zelle pyramidal bis tulpenförmig bis zum Lumen des Hodenkanälchens fort. Im basalen Anteil des Zytoplasmas der Sertoli-Zelle sind eine Vielzahl kleiner, im apikalen Bereich großer Vesikel (Abbau cytoplasmatischer Spermatidenreste) zu beobachten. Im Zuge einer Stützfunktion wird der zum Kanallumen vorrückende, durch zytoplasmatische Brücken verbundene Keimzellverband in Membraneinstülpungen der Sertoli-Zellen geführt. Während der Passage werden die reifenden Keimzellen mit Testosteron versorgt, ernährt und anfallende Restkörper (abgestorbene Zellen, zytoplasmatische Reste) phagozytotisch beseitigt. Haben die Spermatozoen das Lumen erreicht, werden sie unter Mitwirkung kontraktiler Elemente des apikalen Zytoplasmas der Sertoli-Zelle freigesetzt und gelangen in die Samenflüssigkeit. Bei einer Betrachtung der Verteilung der Keimzellen im histologischen Schnitt fällt auf, dass die Zellen nicht raupenkettenartig vorgeschoben werden, sondern dass ein spiraliger Versatz eingehalten wird. Im Schnitt ist dieser Versatz daran zu erkennen, dass zum Beispiel Zellen reifender Spermatiden auf Höhe primärer oder sekundärer Spermatozyten zu beobachten sind (siehe auch Abb. 4). Der Versatz stellt sicher, dass zur jeder Zeit reife Spermatozoen an der apikalen Oberfläche der Sertoli-Zellen abgegeben werden können. Als besonderes Merkmal ist die Blut-Hoden-Schranke zu nennen. Sie verläuft in einem Bereich, der die Spermatogonien und die im präleptotän befindlichen Spermatozyten I im basalen Abschnitt einschließt. Es sei daran erinnert, dass im präleptotänen Stadium der Prophase I (Meiose) noch keine genetischer Rekombination stattgefunden hat, so dass die Spermatozyten I in diesem Vorstadium noch genetisch unverändert sind. Der ungefähre Verlauf der Blut-Hoden-Schranke wird in Abbildung 6 durch eine weiße, gepunktete Linie angedeutet. Die Blut-Hoden-Schranke teilt das Keimepithel in ein basales und ein adluminales Kompartiment. Auf Höhe der Blut-Hoden-Schranke sind die Sertoli-Zellen basolateral durch Tight junctions (kammartige, durch Transmembranproteine ,,verschweißte"  Verbindungen der  Zellmembranen benachbarter Sertoli-Zellen) miteinander verbunden, so dass die Zellen des vorrückenden Keimzellverbandes eine Art ,,Schleuse" durchwandern müssen. Eine Passage von Immunglobulinen (vor allem von Gamma-Globulinen), die zu einer Autoimmunreaktion führen könnten, wird so unterbunden. Als weitere, wichtige Aufgabe bilden die Sertoli-Zellen die Samenflüssigkeit. Wasser und Elektrolyte dringen von Seiten des Interstitiums durch die Lamina propria limitans in die Sertoli-Zellen ein. Ein Teil dieser Lösung wird an die sich entwickelnden Keimzellen weitergeleitet. Das Restvolumen von den Sertoli-Zellen zur Bildung der Samenflüssigkeit eingesetzt. Die Samenflüssigkeit wird apikal in das Lumen des Hodenkanales abgegeben.


Abb. 6:  Detailaufnahme des Keimepithels eines Hodenkanales im differentiellen Interferenzkontrast

Von den Hodenkanälen gelangen die in der Samenflüssigkeit befindlichen Spermatozoen (Spermien) über die Tubuli recti in das Rete Testis (Hodennetz). In Abbildung 7 wird der Abschnitt des Hodens gezeigt, in dem sich das Rete Testis befindet. Beim Rete testis handelt es sich um ein labyrinthartiges Netzwerk, das im histologischen Schnitt durch schmale Septen gekennzeichnet ist. Die Septen (Septula testis) sind bindegewebig strukturiert, kapillarisiert und beidseitig mit einem sehr flachen, isoprismatischen Epithel belegt.  Die abgegrenzten Räumen der Rete Testis sind mit Samenflüssigkeit und Spermien gefüllt. Das Rete Testis wird von der Tunica albuginea umgeben. Zwischen dem Rete Testis und der Tunica albuginea sind Blut- und Lymphgefäße zu beobachten. Des Weiteren ist am unteren Bildrand der Abbildung 7 ein Anschnitt des Nebenhodens zu erkennen.


Abb. 7:  Aufnahme des Rete Testis des Hodens der Maus (Mus Musculus)

Vom Hodennetz werden die in der Samenflüssigkeit befindlichen Spermien über die Ductuli efferentes in den Nebenhoden (Epididymis) besser Nebenhodengang (Ductus epididymis) transportiert. Der Nebenhoden besteht aus einem langen, aufgeknäulten Gang, in dessen Lumen die Spermien weiter reifen und in seinem Endabschnitt gespeichert werden. Des Weiteren ist das Epithel des Nebenhodens sekretorisch und resoptiv aktiv. Die Samenflüssigkeit wird durch die Leistungen des Epithels stetig verändert und so den Bedürfnissen der Spermien optimal angepasst. Neben Sekretion und Resorption können in der Samenflüssigkeit enthaltene Zellen und Zellreste durch Phagozytose aufgenommen und lysosomal abgebaut werden. Der Nebenhodengang zeichnet sich durch ein zweireihiges, hochprismatisches Epithel aus. Im Epithel lassen sich drei Zelltypen, die Hauptzellen, die hellen und die basalen Zellen voneinander unterscheiden. Die hellen Zellen, die durch ein nahezu transparentes Zytoplasma charakterisiert sind, fallen nur in dickeren Schnitten von 4 bis 5 µm auf. Bei einem Schnitt dieser Dicke sind in ,,einer Ebene" zwei bis drei dieser hellen Zellen zu beobachten. In Abbildung 8 wird eine entsprechende Übersichtsaufnahme gezeigt.


Abb. 8:  Übersichtsaufnahme eines Anschnittes des Nebenhodens der Maus (Mus Musculus)

Als bestimmender Zelltyp sind die Hauptzellen zu nennen (Abb. 9, 10 und 12). Sie prägen das Bild des Epithelverbandes. Der Basalmembran liegen wenige runde bis pyramidenförmige Basalzellen an, deren Membranen mit den Membranen der Haupt-zellen verzahnt sind (hier nicht zu erkennen). Die ultrastrukturellen Ausstattungen aller drei Zelltypen sind bekannt, ihre jeweiligen, detailierten Aufgaben (Sekretion und Resorption) werden aber noch erforscht. Ein besonderes Merkmal stellen die Oberflächendifferenzierungen der Epithelzellen dar. Hierbei handelt es sich um Stereozilien, Auswüchse von Mikrovilli, die nicht aktiv beweglich sind und somit keine Basalkörperchen besitzen. Im Nebenhodengang sind die Stereozilien in typischer Weise zu Schöpfen verbunden.


Abb. 9:  Aufnahme des mehrfach angeschnittenen Nebenhodenganges (Ductus epididymis)

Im Unterschied zu den Tubuli seminiferi convoluti des Hodens, bei denen sich die Lamina propria limitans durch den Besitz von unterliegenden Myofibrozyten als kontraktile Elemente auszeichnete, wird der Nebenhodengang (im Anschnitt: die Gänge) durch Stränge glatter Muskulatur begleitet, deren rythmische Kontraktion für Transport und Entleerung des Nebenhodens verantwortlich ist. Im interstitiellen Raum sind in den Zwickeln Blut- und Lympfgefäße zu beobachten. Im vitalen Zustand enthält das Lumen des Nebenhodens reife Spermien, Sammenflüssigkeit, aber auch abgelöste Zellen sowie Zellreste.


Abb. 10:  Detailaufnahme dreier aneinander grenzender Anschnitte des Nebenhodenganges

In Abbildung 11 wird eine Aufnahme des Epithels des Nebenhodens gezeigt, an dem eine Sekretion zu beobachten ist. Hierbei handelt es sich um eine apokrine Sekretion, bei der ein Teil des Zytoplamas der Zelle verloren geht. Die zytoplasmatischen Abschnürungen werden Protrusionen genannt. Der zytoplasmatische Verlust der Epithelzelle muss im Zuge einer Regeneration ersetzt werden.  Neben den Protrusionen sind im verbliebenen Zytoplasma der Hauptzellen eine Vielzahl, hier rot gefärbter Vesikel zu erkennen, ein weiteres Indiz für eine stark sekretorisch und resorptiv aktive Zelle. Bei einer mikroskopischen Betrachtung der Hauptzellen im differentiellen Interferenzkontrast verleihen die Vesikel dem Zytoplasma ein krisseliges Erscheinungsbild (siehe Abb. 12).


Abb. 11:  Aufnahme von sekretorisch aktiven Zellen des Nebenhodenganges

Nach den bisher gezeigten, histologischen Aufnahmen ist ein Anschnitt des Nebenhodenganges bei hoher Vergrößerung im Differential-Interferenzkontrast (DIK) mikroskopiert worden (siehe Abb. 12). Die bereits beschriebenen Zelltypen (Hauptzellen, helle Zellen und Basalzellen) sind erneut zu beobachten. Das Zytoplasma der Hauptzellen erscheint krisselig (siehe oben), ein Ausdruck der hohen sekretorischen und resorptiven Aktivitäten dieser Zellen. Im Bereich der Oberflächendifferenzierung des Epithels ist unterhalb der überstehenden, zu  Schöpfen zusammengeschlossenen Stereozilien eine Art ,,gepunktetes Band" zu erkennen. Hierbei handelt es sich aber nicht um eine Reihe aneinanderliegender Basalkörper (den Stereozilien sind nicht aktiv beweglich), sondern um Schlussleisten, die durch das Zusammenwirken von Tight junctions (direkte Membranverbindungen) und Zonula adhaerens (Gürteldesmosomen) gebildet werden und einen interzellulären Stoffaustausch unterbinden. Ein wesentliches Merkmal des differentiellen Interferenzkontrastes stellt die plastische Darstellung von Zellstrukturen dar. Aus diesem Grunde ist das DIK augewählt worden, um die Spermien plastischer zeigen zu können (siehe Abb. 12).


Abb. 12:  Detailaufnahme eines Nebenhodenganges im Differential-Interferenzkontrast

Die Spermien der Maus besitzen einen rundovalen, hakenförmig gebogenen Kopf und einen langen, am Ende spitz zulaufenden Schwanz, dessen Verlauf sich im Präparat nur schwer im Ganzen verfolgen lässt. Im Kopf des reifen Spermiums sind mikroskopisch keine Zellstrukturen zu beobachten. Die bei den reifenden, haploiden Spermatiden des Keimepithels zu beobachtende, blauschwarze Färbung des hoch kondensierten Chromatins (oder des aufliegenden Acrosomen; siehe Abb. 6), ist nicht mehr vorhanden. Worauf der Verlust der Anfärbbarkeit beruht, konnte in dieser Untersuchung nicht geklärt werden. Ein Hinweis könnte sein, dass das Chromatin der Spermien im Zuge der Reife nicht mehr auf hochmolekulare, basische Histone aufgewickelt, sondern durch niedermolekulare, elektrisch geladene Teilchen gepackt wird. Zum Abschluss wurden die reifen Spermien vermessen. Im Präparat besitzt der ovoide, hakenförmig gebogene Kopf einen mittleren Durchmesser von 7,1 µm und eine Breite von 3,2 µm. Die Länge des Schwanzes lässt sich nur schwer erfassen. Nach mehreren Messung wurde eine ungefähre Länge von 45 µm bestimmt (die Angaben sind als grobe Richtwerte zu verstehen!). Die reifen Spermien sind nun zum ,,Absprung" bereit und ein verschwindend kleiner Teil von ihnen bekommt die Chance sich im Zuge einer Besamung und Befruchtung an der Erhaltung der Art zu beteiligen!

Ich wünsche viel Freude beim Lesen dieses Beitrages.

Wer mehr wissen will, klickt HIER.

Dieter (Homepage)


Danksagung:  An dieser Stelle möchte ich mich ausdrücklich bei der Firma Leica Microsyteme Vertrieb GmbH, namentlich bei Herrn O. Pohlmann für die Leihgabe eines Hartmetall-D-Messers zur Herstelllung der Kunststoff-Schnitte bedanken!

[Ronald Schulte]

Dieter,

Gratuliere mit einen wunderschönen Beitrag die eigentlich alles sagt was da zu erzählen ist und eindeutig klar macht wie schön die Histologie ist.
Die Morphologie in Kunststoff ist Fantastisch.

Grüße Ronald

PS da hast du vergangene Woche wenige Stunden am Fernseher verbracht.

[Fahrenheit]

Lieber Dieter,

da schließe ich mich Ronald gerne an! Dank Deiner ausführlichen Erläuterungen ist es auch für mich als Laie gut zu verstehen, was es auf Deinen schönen Schnitten zu sehen gibt.

Du scheinst ja ein Problem mit der maximalen Größe der Forenbeiträge gehabt zu haben, was mir auch schon mal passiert ist. Um den Beitrag dann zusammen zu halten, würde ich auf den ersten Thread antworten, statt den zweiten Teil in einem neuen zu eröffnen. Damit ist sicher gestellt, dass die einzelnen Teile schön zusammen bleiben.

Gerade hier wäre es schade, wenn die beiden Threads auseinander gerissen werden. Vielleicht können die Admins helfen?

Herzliche Grüße
Jörg

[Dieter Stoffels]

Lieber Ronald,

vielen Dank für Deine Rückmeldung. Das Schreiben dieses Beitrages hat mir viel Freude bereitet, da die Thematik Kernbereiche der Biologie zusammenführt. So etwas mikroskopisch zeigen zu können, ist ein Geschenk. Zudem handelt es sich in Teilen um eine holländisch-deutsche Zusammenarbeit, was mir viel Freude gemacht hat!

Danke für Deine Unterstützung!

Dieter

[JB]

Hallo Dieter,

Ein phantastischer Beitrag! Die Schnitte sind atemberaubend.

Koennten Sie noch etwas zur Schnittechnik und Faerbung ergaenzen? Das wuerde mich auch noch interessieren.

Mit freundlichen Gruessen,

Jon

[Dieter Stoffels]

Hallo Jon,

vielen Dank für Deine Rückmeldung. Bei den hier gezeigten Präparaten handelt es sich um Technovit-Schnitte des Typ 7100. Die Blöcke wurden vollständig (!) polymerisiert  und zeichnen sich durch eine maximal erreichbare Härte aus. Die Schnitte wurden an einem motorisch getriebenen  LKB-Mikrotom hergestellt, bei dem der Vorschub nicht durch den ,,Hub", sondern durch einen beweglichen Messerschlitten bewerkstelligt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Semischnittbereich großflächig und reproduzierbar geschnitten werden kann. Technovit lässt sich mit Einwegklingen, eingespannt in einen entsprechenden Halter, mit Metallmessern der Schliffart D sowie mit Glas oder Diamant schneiden. Leider gibt es zur Zeit große Probleme bei der Lieferung der Einwegklingen.

Aus diesem Grund habe ich mich u. a. mit der Firma Leica in Verbindung gesetzt um nach einer Lösung zu suchen. Hier wurde mir das Hartmetall-D-Messer empfohlen und ich bekam die Möglichkeit ein derartiges Messer zu testen (siehe Leihgabe). Die Ergebnisse waren unübertroffen!!!

Die Schnittqualitäten stehen denen eimwandfreier Glasmesserschnitte um Nichts nach. Das D-Hartmetallmesser mit Wolframcarbidschneide zeichnet sich durch eine hohe Stabilität beim Schnitt, aber auch durch eine hohe Standzeit (bezogen auf das Technovit) aus. Durch die Breite der Schneide können auch großflächige Schnitte (entsprechend der Dimension von Paraffinschnitten) hergestellt und verarbeitet werden.

Gefärbt wurden die Schnitte  nach Ausführungen des Romeis für Semidünnschnitte. Der Einschluss erfolgte in DePeX.

Vielleicht helfen Dir diese Ausführungen ein wenig weiter.

Herzliche Grüße!

Dieter