Congenital Colonic Hypoganglionosis in Murine Trisomy 16 - An Animal Model for Down's Syndrome

Abstract

Human trisomy 21 (Down's syndrome) affects the development of multiple organ systems frequently including gastrointestinal anomalies such as Hirschsprung's disease. To elucidate the underlying morphogenetical mechanisms a murine model (trisomy 16 mouse) for Down's syndrome has been established. However, previous studies on trisomy 16 (TS 16) mice have been confined to non-enteric developmental disorders. Therefore, the aim of the present study was to assess the enteric nervous system and the morphology of the terminal colon in TS 16 mice during late intrauterine development. Immunohistochemical examination (protein gene product 9.5) revealed a reduction of myenteric ganglionic size and density as well as the presence of ectopic ganglia, thus resembling typical features of colonic hypoganglionosis and myenteric heterotopia. Enzyme histochemistry for NADPH-diaphorase showed a remarkable decrease of NADPH-positive neurons in TS 16 mice, whose sparse distribution was confined to a minor portion of the oligoneuronal myenteric ganglia. Electron microscopical studies of TS 16 mice confirmed the myenteric hypoganglionosis and, additionally, demonstrated the absence of submucosal neurons. Whereas neurons of controls were characterized by arborizing neuronal processes, neurons of TS 16 mice were reduced in' size and exhibited only few and shortened cytoplasmic protrusions. Additionally, prominent bundles of parallel nerve fibers passed through the intermuscular zone and lacked the arborization pattern of normal neuropil. They were not observed in controls and resembled features of extrinsic nerves. Approximately one third of TS 16 mice developed a colonic dilatation proximally to an obstructed segment characterized by a pronounced hypoganglionosis. Although TS 16 mice did not develop complete aganglionosis, the abundance of nerve fiber bundles and the colonic dilatation were consistent with the morphological characteristics of Hirschsprung's disease. The findings suggest that even a hypoganglionosis characterized by ultrastructurally altered and NADPH-diaphorase-deficient neurons may be capable of provoking a functional intestinal obstruction. Similar abnormalities of the enteric nervous system as observed in TS 16 mice may also be present in such trisomy 21 patients who suffer from chronic intestinal motility disorders which are not caused by complete aganglionosis.

Zusammenfassung

Die menschliche Trisomie 21 (Down-Syndrom) führt zu Entwicklungsstörungen zahlreicher Organsysteme, unter denen der Morbus Hirschsprung eine häufige gastrointestmale Fehtbildung darstellt. Um die zugrundeliegenden morphogenetischen Mechanismen aufzuklären, wurde für das Do«;n-Syndrom ein Mäusemodell (Trisomie-16-Maus) entwickelt, an dem bisher lediglich nichtenterische Entwicklungsstörungen untersucht wurden. In der vorliegenden Studie wurde daher das enterische Nervensystem und die Morphologie des terminalen Kolon der Trisomie 16 (TS 16) Maus während der späten intrauterinen Entwicklung untersucht. Der immunhistochemische Nachweis von Protein Gene Product 9.5 zeigte eine Venninderung der myenterischen Gangliengröße und -dichte sowie das Auftreten von ektopen Ganglien im Sinne einer Hypoganglionose und myenterischer Heterotopien. Der enzymhistochemische Nachweis der NADPH-Diaphorase ergab bei TS 16 Mäusen eine deutliche Verminderung NADPH-positiver Nervenzellen, die lediglich in einem kleineren Anteil der oligoneuronalen Ganglien des Plexus myentericus gefunden wurden. Durch elektronenmikroskopische Untersuchungen konnte die myenterische Hypoganglionose bestätigt und darüber hinaus das Fehlen submuköser Nervenzellen nachgewiesen werden. Während die Nervenzellen der Kontrolltiere zahlreiche verzweigte Fortsätze aufzeigten, waren die Nervenzellen trisomer Tiere durch eine reduzierte Zellgröße sowie verminderte und verkürzte zytoplasmatische Fortsätze gekennzeichnet. Darüber hinaus wurden innerhalb der Muskelloge prominente Bündel parallel verlaufender Nervenfasern beobachtet, die nicht das für ein normales Neuropil charakteristische Verzweigungsmuster besaßen. Die vermehrt vorliegenden Nervenfaserbündel ließen sich bei Kontrolltieren nicht nachweisen und zeigten typische Merkmale extrinsischer Nervenbahnen auf. Etwa ein Drittel der TS-16-Mäuse entwickelte eine Aufweitung des Kolon proximal eines obstruierten Kolonabschnitts, der durch eine besonders ausgeprägte Hypoganglionose gekennzeichnet war. Obwohl TS-16-Mäuse keine komplette Aganglionose ausbildeten, stellten das vermehrte Auftreten vergrößerter Nervenfaserstränge sowie die Kolonaufweitung typische morphologische Merkmale des Morbus Hirschsprung dar. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, daß auch hypoganglionäre Verhältnisse mit ultrastrukturell veränderten Nervenzellen und einem Defizit der NADPH-positiven Nervenzellsubpopulation in der Lage sind, funktionelle Darmobstruktionen hervorzurufen. Die bei TS-16- Mäusen gefundenen Veränderungen des enterischen Nervensystems könnten auch bei solchen Trisomie-21-Patienten vorhegen, deren chronische intestinale Motilitätsstörungen nicht durch eine komplette Aganglionose bedingt sind.

Key words

Enteric nervous system - Trisomy 16 mice - Hypoganglionosis - Down's syndrome

Schlüsselwörter

Enterisches Nervensystem - Trisomie-16-Maus - Hypoganglionose - Down-Syndrom