Induction of Bile Ducts in Embryonic Liver by Mesenchyme: A New Perspective for the Treatment of Biliary Atresia?

Summary

Presently only those forms of Extrahepatic Biliary Atresia (EHBA) with minimal or no intrahepatic manifestations can be treated successfully by extensive hepatoportoenterostomy. Intraoperative macro- and microscopic observations show that the typical pathogenetic manifestations in EHBA are most prominent at the porta hepatis. We therefore postulate that EHBA is the result of a defective embryonic development of the porta hepatis. In rat embryos hepatic bile duct formation is initiated at the porta hepatis and in this context mesenchyme from the periportal region seems to play a major inductive role. In order to demonstrate the role of invading periportal mesenchyme for the process of bile duct rudiment formation we establishedan organ culture model of the embryonic porta hepatis by recombining periportal mesenchyme with peripheral liver fragments from 15 days old rat embryos (Carnegie Stage 21). The degree of mesenchyme invasion as well as the formation of mesenchyme-surrounded liver cell clusters, rosettes or vesicles (bile duct rudiments) were assessed. Mesenchyme from the porta hepatis invaded the peripheral liver fragments and induced the formation of mesenchyme-surrounded liver cell clusters and rosettes with the beginning of lumen formation. Kidney mesenchyme recombined with liver fragments as a mesenchymal alternative showed almost the same effect, lung mesenchyme showed only a very weak inductive effect. To assess the effect of a diffusible factor versus direct cell contact, a millipore filter with and without paraffin coating was interposed between mesenchyme containing tissue and peripheral liver tissue fragments. Without direct cell contact to mesenchyme no hepatoblast cluster or rosette formation could be observed. Comparing this result to the normal development of the liver in rats our investigations suggest that the embryogenesis of the porta hepatis is probably defined by the following two developmental steps: First, differentiation of the intrahepatic bile duct system which is induced by invading mesenchyme originating from the extrahepatic periportal region and realized by epithelium mesenchyme interaction. Second, fusion of extra- and intrahepatic bile duct systems at the level of the later porta hepatis. Disturbances of this complex process can possibly lead to biliary atresia. Further investigations regarding details of the role of the mesenchyme, its inductive factors and the kidney mesenchyme's inductive potential in liver development may provide a new perspective for future treatment of biliary atresia.

Résumé

A l'heure actuelle, seules les formes d'atrésie des voies biliaires extra-hépatiques (EHBA) avec un minimum ou aucune altération intra-hépatique peuvent être traitées avec succès pas une hépato-porto-entérostomie. L'observation macro et microscopique per-opératoire montre que les manifestations pathogéniques de l'EHBA prédominent au niveau de la porta hepatis. Nous avons donc postulé que l'EHBA est le résultat d'un défaut du développement embryonnaire de la porta hepatis. Chez les embryons de rats, la formation des canaux biliaires débutent à la porta hepatis, et dans ce contexte, le mésenchyme de la région péri-portale semble jouer un rôle inducteur majeur. Pour démontrer le rôle du mésenchyme péri-portal dans la formation des voies biliaires, nous avons réalisé un modèle de cultures de tissus de la porta hepatis embryonnaire en recombinant le mésenchyme péri-portal avec des fragments de foie périphériques d'embryons de rats de 15 jours (Carnegie Stage 21). Le degré d'envahissement du mésenchyme comme la formation du mésenchyme entouré de cellules hépatiques, de rosettes, ou de vésicules (canaux biliaires rudimentaires) est apprécié. Le mésenchyme de la porta hepatis envahit les fragments de foie périphériques et induit la formation de mésenchyme entouré de cellules hépatiques et de rosettes avec le début de formation de lumière. Le mésenchyme rénal associé avec des fragments de foie comme alternative montre presque le même effet. Le mésenchyme pulmonaire montre seulement un très bref effet inducteur. Pour apprécier l'effet d'un facteur soluble versus un contact direct cellulaire, un filtre millipore avec et sans paraffine était interposé entre le mésenchyme et les fragments de tissu hépatiques. Sans contact cellulaire direct avec le mésenchyme, aucun hépatoblaste ni formation de rosettes ne pouvaient être observé. En comparant ce résultat au développement normal du foie chez les rats, nos investigations suggèrent que l'embryogénèse de la porta hepatis est probablement définie par un développement en deux étapes: Premièrement, différenciation du système des canaux biliaires intra-hépatique qui est induite par du mésenchyme originaire de la région péri-portale et réalisée par une interaction avec le mésenchyme. Deuxièmement, fusion des canaux biliaires extra et intra-hépatiques au niveau de la porta hepatis. Des perturbations dans ce processus complexe peuvent probablement conduire à l'atrésie des voies biliaires. Des investigations ultérieures appréciant mieux le rôle du mésenchyme, ses facteurs d'induction et le potentiel d'induction du mésenchyme rénal dans le développement du foie peuvent entraîner de nouvelles perspectives dans le futur traitement des atrésies des voies biliaires.

Resumen

En la actualidad sólo las formas de atresia biliar extrahepática (EHBA) con pocas o sin manifestaciones intrahepáticas puede ser tratada con éxito mediante hepato-portoenterostomía ampliada.

Observaciones intraoperatorias macro y microscópicas muestran que las manifestaciones patogénicas típicas en la EHBA son más prominentes en la porta hepatis. Proponemos, por lo tanto, que la EHBA es el resultado de un defecto del desarrollo embrionario de ésta porta hepatis. En embriones de rata la formación de conductos biliares hepáticos se inicia en la porta hepatis donde el mesénquima de la región periportal parece jugar un papel inductivo mayor. Para demostrar el papel invasivo de este mesénquima periportal en el proceso de la formación de rudimentos de canales biliares, establecemos un modelo de cultivo de órganos de la porta hepatis embrionaria recombinando mesénquima periportal con fragmentos de hígado periférico de embriones de rata de 15 días (estadio 21 de Carnegie). Evaluamos el grado de invasión mesenquimatosa, así como la formación de mesénquima alrededor de acúmulos de células hepáticas, rosetas o vesículas (rudimentos de conductos biliares). El mesénquima de la porta hepatis invadió los fragmentos periféricos del hígado e indujo la formación de acúmulos de células hepáticas y de rosetas con inicio de formación de luz. El mesénquima renal recombinado con fragmentos de hígado mostró casi el mismo efecto, mientras que el de pulmón solamente tuvo un mínimo efecto inductivo. Para evaluar el efecto de un factor difusible o de contacto celular directo, se interpuso un filtro millipore con o sin recubrimiento de parafina entre el mesénquima que contenía el tejido y los fragmentos de tejido hepático periférico. Sin contacto directo con el mesénquima no se formaron acúmulos de hepatoblastos ni hubo rosetas. Comparando estos resultados con el desarrollo normal del hígado en ratas, nuestras investigaciones sugieren que la embriogénesis de la porta hepatis está probablemente definida por los siguientes dos pasos de desarrollo:

1. Diferenciación del sistema ductal intrahepático que se induce por el mesénquima invasor originado en la región extrahepática periportal y mediado por interacción epitelio-mesenquimatosa.

2. Fusión del sistema ductal intra y extra-hepático a nivel de la futura porta hepatis.

Las alteraciones de este complejo proceso pueden, posiblemente, dar lugar a atresia biliar. Otras investigaciones sobre detalles del papel del mesénquima y de los factores inductivos pueden proporcionar una nueva perspectiva para el tratamiento de la atresia biliar.

Zusammenfassung

Zur Zeit können nur diejenigen Formen der Extrahepatischen Gallengangsatresie (EHGA) erfolgreich durch Hepatoporto-Enterostomie behandelt werden, die keine oder nur minimale intrahepatische Manifestationen zeigen. Intraoperative makro- und mikroskopische Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die pathognomischen Veränderungen bei der EHGA am ausgeprägtesten an der Leberpforte manifestieren. Wir postulieren deshalb, dass die EHGA die Folge einer embryonalen Fehlentwicklung der Leberpforte ist. Die Embryonalentwicklung des hepatischen Gallengangssystems wird bei der Ratte an der Leberpforte initiiert, und in diesem Zusammenhang scheint das periportale Mesenchym eine wesentliche induktive Rolle zu spielen. Um die Bedeutung des periportalen Mesenchyms für die Entwicklung von Gallengangsvorstufen an der Leberpforte der Ratte aufzuzeigen, haben wir in Organkultur ein Modell einer embryonalen Leberpforte entwickelt, indem wir periportales Mesenchym mit peripheren Leberfragmenten aus 15 Tage alten Rattenembryonen (Carnegie Stage 21) rekombinierten. Der Grad der Mesenchymeinwanderung und der Bildung von Leberzellclustern, -rosetten und -vesikeln, die von Mesenchym umgeben sind (Gallengangsvorstufen), wurde beurteilt. Das periportale Mesenchym wanderte in die peripheren Leberfragmente ein und induzierte die Formation von Leberzellclustern und Rosetten mit beginnender Lumenbildung. Nieren-Mesenchym als Mesenchym-Alternative in Rekombination mit peripherer Leber zeigte fast den gleichen Effekt, Lungen-Mesenchym hatte nur einen sehr geringen induzierenden Effekt. Um den Einfluss eines rein diffusiblen Faktors gegenüber direktem Zellkontakt zu untersuchen, wurde ein Milliporefilter mit und ohne Paraffinbeschichtung zwischen die Organblöcke eingebracht. Ohne direkten Zellkontakt zum Mesenchym bildeten die Leberzellen keine Cluster und Rosetten. Beim Vergleich der in vitro Experimente mit der Normalentwicklung der Leber der Ratte liegt der Schluss nahe, dass die Embryonalentwicklung der Leberpforte durch die folgenden zwei Entwicklungsschritte definiert werden kann: Erstens die Differenzierung des intrahepatischen Gallengangssystems, welche durch einwanderndes periportales Mesenchym induziert wird, und über Epithel-Mesenchym-Interaktion erfolgt. Zweitens die Fusion zwischen extra- und intrahepatischem Gallengangssystem in der Ebene der späteren Leberpforte. Störungen dieses komplexen Prozesses können möglicherweise zur Gallengangsatresie führen. Weitere Untersuchungen zur Rolle des Mesenchyms, seiner induktiven Faktoren und warum Nierenmesenchym ein induktives Potenzial für die Leberentwicklung hat, werden möglicherweise eine neue Perspektive für die Behandlung der EHGA aufzeigen.

Key words

Biliary atresia - Embryonic genesis - Porta hepatis

Mots-clés

Atrésie biliaire - Embryogénèse - Porta hepatis

Palabras clave

Atresia biliar - Embriogénesis - Porta hépatis

Schlüsselwörter

Gallengangsatresie - Embryonale Genese - Leberpforte

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