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
