In Vitro Analysis of Esophageal Atresia Using a Whole-Embryo Culture System

Abstract

Background/Purpose

Administration of Adriamycin to pregnant rats leads to the development of esophageal atresia with tracheo-esophageal fistula. This defect arises from failure of the trachea to develop normally from the primitive foregut; instead, the upper foregut differentiates into trachea, then continues to the lower esophageal segment as a tracheo-esophageal fistula. Our aim was to explore the possibility of growing Adriamycin-exposed embryos using a whole-embryo culture technique and to determine whether or not esophageal atresia with tracheo-esophageal fistula could be prevented in an Adriamycin-treated rat model.

Methods

Rat embryos were exposed to Adriamycin in utero on days 6 - 9 of gestation, removed on day 10 and grown in vitro as described by New ([11]) for 48 hours using 100 % serum from animals not exposed to Adriamycin.

Results

Thirty Adriamycin-exposed embryos were grown in vitro using normal serum. Histologic assessment of tracheo-esophageal development showed that 14 embryos had normal development, while 16 developed esophageal atresia.

Conclusions

Growth of Adriamycin-exposed embryos was successful using “whole-embryo culture technique”; abnormal tracheo-esophageal development could in some cases be altered by removing the embryos at day 10 and exposing them to normal serum for 48 hours.

Esophageal atresia · Embryo culture · Adriamycin

Résumé

But

L'administration d'Adriamycine à des rates femelles enceintes conduit au développement d'une atrésie de l'œsophage avec fistule oeso-trachéale. Cette anomalie résulte de l'impossibilité de la trachée de se développer normalement. Le but est de prévenir une atrésie de l'œsophage avec fistule trachéo-œsophagienne, en utilisant une technique de culture embryonnaire totale, chez les embryons exposés à l'Adriamycine.

Méthodes

Les embryons de rats sont exposés à l'Adriamycine du 6 ^e au 9 ^e jour de gestation, extraits au 10 ^e jour et cultivés in vitro, comme décrit par New ([11]), pendant 48 heures, en utilisant un sérum d'animal non exposé à l'Adriamycine.

Résultats

Trente embryons exposés à l'Adriamycine ont grossi in vitro. Le bilan histologique du développement trachéo-œsophagien montre que 14 embryons ont un développement normal, alors que 16 ont développé une atrésie de l'œsophage.

Conclusion

La croissance d'embryons exposés à l'Adriamycine est possible en utilisant la technique de culture de l'embryon. Par ailleurs, un développement anormal trachéo-œsophagien pourrait être dans quelques cas modifié en extrayant les embryons à J10 et en les exposant à du sérum normal pendant 48 heures.

Atrésie de l'œsophage · Culture d'embryons · Adriamycine

Resumen

Antecedentes/objetivo

La administración de adriamicina a ratas gestantes conduce al desarrollo de atresia de esófago con fistula traqueo-esofágica. Este defecto se produce como consecuencia de un fallo del desarrollo normal de la tráquea a partir del intestino primitivo diferenciándose éste hacia una tráquea que se continúa con el segmento esofágico inferior en forma de fistula traqueoesofágica. Nuestra intención fué explorar la posibilidad de cultivar embriones expuestos a adriamicina en un sistema de cultivo embrionario para determinar si se puede evitar la fistula traqueoesofágica con atresia en este modelo.

Métodos

Se expusieron los embriones de rata a adriamicina in utero durante los días 6 a 9 de gestación. Se obtuvieron los embriones en el día 10 y se hicieron crecer in vitro como se describió por New ([11]) durante 48 horas en suero de animales no expuestos a adriamicina al 100 %.

Resultados

Crecieron 30 embriones expuestos a adriamicina con suero normal. El estudio histológico del desarrollo traqueoesofágico mostró que 14 embriones tenían desarrollo normal y 16 tenían atresia de esófago.

Conclusiones

Los embriones expuestos a adriamicina se desarrollaron usando la técnica de cultivo embrionario total y se pudo alterar en algunos casos el desarrollo traqueoesofágico anormal exponiendo el embrión retirado en el día 10 a suero normal durante 48 horas.

Atresia esofágica · Cultivo embrionario · Adriamicina

Zusammenfassung

Die Gabe von Adriamycin an schwangere Ratten führt zur Entwicklung einer Ösophagusatresie mit tracheo-ösophagealer Fistel. Die Fehlbildung entsteht, da eine normale Entwicklung der Trachea aus dem primitiven Vorderdarm nicht erfolgt, und sich stattdessen der Vorderdarm in die Trachea hinein entwickelt und dann in den unteren Ösophagus als tracheo-ösophageale Fistel fortsetzt. Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, Adriamycin-exponierte Embryos in einer embryonalen Kultur zu züchten, um zu prüfen, ob im Adriamycin-behandelten Rattenmodell eine tracheo-ösophageale Fistel vermieden werden kann.

Methode

Die Rattenembryonen wurden in utero am 6. und 9. Gestationstag Adriamycin ausgesetzt und am 10. Tag entfernt. Sie wurden dann in vitro entsprechend dem von New beschriebenen Verfahren für die Dauer von 48 h weitergezüchtet, wobei 100 %iges Serum von Tieren, die nicht Adriamycin bekommen hatten, verwandt wurden.

Ergebnisse

In diesem normalen Serum konnten 30 zuvor mit Adriamycin behandelte Embryos gezüchtet werden. Die histologische Untersuchung der tracheo-ösophagealen Entwicklung zeigte, dass 14 Embryos eine normale Entwicklung von Ösophagus und Trachea aufwiesen, während 16 Embryos eine Ösophagusatresie entwickelten.

Schlussfolgerungen

Die von New ([11]) beschriebene Technik zur Kultivierung gesamter Embryos war auch bei Tieren, die mit Adriamycin behandelt wurden, erfolgreich. Entfernte man die Embryos am 10. Gestationstag aus dem Uterus und züchtete sie in normalem Serum für 48 h weiter, so konnte die abnorme tracheo-ösophageale Entwicklung in einigen Fällen verhindert werden.

Ösophagusatresie · Embryonen-Kultur · Adriamycin

Reference

• 1 Arcamone F, Cassinelli G, Franceschi G. Structure and physicochemical properties of adriamycin (doxorubicin). Carter SK, Di Marco A, Ghione M International Symposium on Adriamycin. New York; Springer 1972: 9-22
• 2 Barber C V, Fantel A G. The role of oxygenation in embryotoxic mechanisms of three bioreducible agents.  Teratology. 1993;  47 209-223
• 3 Diez-Pardo J A, Baoquan Q, Navarro C, Tovar J A. A new rodent experimental model of esophageal atresia and tracheoesophageal fistula: preliminary report.  J Pediatr Surg. 1996;  31 498-502
• 4 d'Incalci M, Broggini M, Buscaglia M, Pardi G. Transplacental passage of doxorubicin.  Lancet. 1983;  1 75
• 5 Fantel A G, Greenaway J C, Juchau M R. The embryotoxicity of adriamycin in rat embryos in vitro.  Toxicol Appl Pharmacol. 1985;  80 155-165
• 6 Garcia V, Miguel J S, Borrasca A L. Doxorubicin in the first trimester of pregnancy.  Ann Intern Med. 1981;  94 547
• 7 Karp G I, von Oeyen P, Valone F, Khetarpal V K, Israel M, Mayer R J, Frigoletto F D, Garnick M B. Doxorubicin in pregnancy: possible transplacental passage.  Cancer Treat Rep. 1983;  67 773-777
• 8 Merei J, Kotsios C, Hutson J M, Hasthorpe S. Histopathological study of esophageal atresia and tracheoesophageal fistula in an animal model.  J Pediatr Surg. 1997;  32 12-14
• 9 Merei J, Farmer P, Hasthorpe S, Qi B Q, Beasley S W, Myers N A, Hutson J M. Timing and embryology of esophageal atresia and tracheo-esophageal fistula.  Anat Rec. 1997;  249 240-248
• 10 Merei J, Hasthorpe S, Farmer P, Hutson J M. Relationship between esophageal atresia with tracheo-esophageal fistula and vertebral anomalies in mammalian embryos.  J Pediatr Surg. 1998;  33 58-63
• 11 New D A. Whole-embryo culture and the study of mammalian embryos during organogenesis (Review).  Biol Rev Camb Philos Soc. 1978;  53 81-122
• 12 Nogawa H, Ito T. Branching morphogenesis of embryonic mouse lung epithelium in mesenchyme-free culture.  Development. 1995;  121 1015-1022
• 13 Tobias J S, Bloom H J. Doxorubicin in pregnancy.  Lancet. 1980;  1 776
• 14 Thompson D J, Molello J A, Strebing R J, Dyke I L. Teratogenicity of adriamycin and daunomycin in the rat and rabbit.  Teratology. 1978;  17 151-157
• 15 Wessells N K. Mammalian lung development: interactions in formation and morphogenesis of tracheal buds.  J Exp Zool. 1970;  175 455-466
• 16 Young R C, Ozols R F, Myers C F. The anthracycline antineoplastic drugs.  N Engl J Med. 1981;  305 139-153