Untersuchungen zur Frage der bilateral asymmetrischen Morphologie des adulten Zebrafischherzens
Studies on the bilaterally asymmetric morphology of the adult zebrafish heart
by Kaja Jill Schäfer
Date of Examination:2023-05-31
Date of issue:2023-05-30
Advisor:PD Dr. Jörg Männer
Referee:Prof. Dr. Theodoros Tirilomis
Referee:Prof. Dr. Margarete Schön
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9898
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Abstract
English
Specification of the right-left body axis plays an important role in the development of vertebrate hearts. The heart is the first organ to acquire a bilaterally asymmetric shape during the embryonic period of development. This is essential for proper circulatory function in lung-breathing vertebrates since it sets the scene for the correct development of the systemic and pulmonary flow pathways. Asymmetric morphogenesis of early embryonic vertebrate hearts is a phylogenetically conserved process. This is one reason why the zebrafish has become a well-established model organism to study cardiac ontogenesis. Asymmetric morphogenesis of the early embryonic vertebrate heart is called cardiac looping. In zebrafish development, cardiac looping occurs during the second day post-fertilization (dpf). Through the process of looping the originally linear and bilaterally symmetrical heart tube, which is aligned along the body midline, is transformed into a twisted heart loop whose shape resembles the letter S on a frontal plane. The ventricle is displaced from the body midline to the right side of the body, forming a right-convex curvature. The atrium, on the other hand, is displaced from the body midline to the left half of the body, forming a left-convex curvature. Recent data show that the chambers of the developing zebrafish heart are repositioned toward the body midline during the early post-embryonic period (dpf 5). Furthermore, it is frequently stated in the literature that the adult heart of bony fish (teleosts) is a median, bilaterally symmetric structure. This suggests that, in contrast to lung-breathing vertebrates, the formation of a bilaterally asymmetric heart might be a temporary phenomenon in teleosts, which might be confined to the embryonic period (dpf 1-4). If so, it is questionable as to whether the zebrafish is a good model for studying the asymmetric morphogenesis of higher vertebrate hearts. The present thesis was conducted to clarify the question as to whether the adult zebrafish heart is a bilaterally symmetric or a bilaterally asymmetric structure. For this purpose, the topography and morphology of the zebrafish heart was studied on 35 adult specimens (wild type; one year old) by stepwise micro-dissection and SEM (Zeiss Ultra-Plus FE-SEM). My data show that the adult zebrafish heart is a bilaterally asymmetric structure. The ventricle has the shape of a three-sided pyramid with dorsal, right-ventral and left-ventral walls. The base of the pyramid points to the cranial end of the pericardial cavity where it is connected to the bulbus arteriosus, which lies in the body midline. The ventricular apex points to the caudal end of the pericardial cavity and also lies in the body midline. The right-ventral wall of the ventricle is in contact with the pericardial wall. On the left side, however, the left atrial appendage is interposed between the ventricle and pericardial wall. The atrium has three appendages. Two of which are on the left side of the heart and only one is on the right side of the heart. The body of the atrium is located dorsal and to the left of the ventricle. It is connected to the base of the ventricle via a short, tubular AV-canal. The opening of the AV-canal into the ventricle has a valve composed of four leaflets (anterior, posterior, left and right lateral). It lies to the left of the body midline in the dorsal wall of the ventricle. Upstream, the atrium merges with the sinus venosus, which is situated in the body midline and has a bilaterally symmetrical shape. Downstream, the ventricle is connected to the bulbus arteriosus by a short, valve-bearing segment called the conus arteriosus. The valve of the conus arteriosus is a bicuspid valve whose plane of closure is in the body midplane. My findings show that, in zebrafish, the formation of a bilaterally asymmetric heart is obviously not confined to the embryonic period. These findings, therefore, conflict with the above-mentioned statement in the scientific literature, which says that the adult zebrafish heart is a bilaterally symmetric structure. Thus, despite the lack of a pulmonary circulation system, the zebrafish seems to be a valid model organism for the asymmetric morphogenesis of the embryonic heart of lung-breathing vertebrates. Asymmetric looping of the embryonic heart is said to set the scene for correct development of the circulatory pathways in lung-breathing vertebrates. The fact that the embryonic heart of gill-breathing fishes also undergoes asymmetric looping raises the question as to whether there might be other, phylogenetically much older functional roles for asymmetric heart looping. In this context, I discuss the possible contributions of cardiac looping to the pump function of the valveless embryonic heart tube and to the solution of the ‘packaging problem’ of a growing heart tube within a small pericardial cavity. Further studies are needed to support or disprove the latter ideas about the functional roles of cardiac looping.
Keywords: Asymmetry; Cardiac Looping; Visceral situs; Heart anatomy; Repositioning; Zebrafish
German
Der Zebrafisch ist derzeit ein beliebtes Tiermodell für die Embryonalentwicklung des Wirbeltierherzens. Die Etablierung der Rechts-Links-Körperachse spielt eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Wirbeltierherzen. Das Herz ist das erste innere Organ, das im Verlauf der Embryonalentwicklung eine bilateral asymmetrische Gestalt annimmt, was unabdingbar für die korrekte Kreislauffunktion von Lungen atmenden Wirbeltieren ist. Die asymmetrische Morphogenese der frühembryonalen Wirbeltierherzen ist ein phylogenetisch konservierter Prozess. Die asymmetrische Morphogenese des frühembryonalen Wirbeltierherzens wird als Cardiac Looping bezeichnet. In der Zebrafischentwicklung findet das Cardiac Looping während des zweiten Entwicklungstages statt. Der ursprünglich gestreckte und bilateral symmetrische Herzschlauch wird im Verlauf des Cardiac Loopings in eine mehrfach gewundene Herzschleife umgewandelt, deren Gestalt einem in der Frontalebene liegenden Buchstaben S ähnelt. Während des Cardiac Loopings wird der Ventrikel normalerweise von der Körpermitte in die rechte Körperhälfte verlagert und bildet eine rechts-konvexe Kurvatur. Das Atrium hingegen wird von der Medianebene in die linke Körperhälfte verlagert und bildet eine links-konvexe Kurvatur. Nach neueren Daten sollen die beiden Herzkammern des sich entwickelnden Zebrafischherzens postembryonal (etwa fünfter Entwicklungstag) wieder in eine mediane Position zurückverlagert werden (sogenanntes Repositioning). Weiterhin wird häufig angegeben, dass das adulte Herz von echten Knochenfischen (Teleostier) ein median liegendes, bilateral symmetrisches Gebilde sei. Hierdurch stellt sich die Frage, ob die Ausbildung einer bilateralen Asymmetrie bei Herzen von Knochenfischen lediglich ein auf die embryonalen Stadien begrenztes, zeitlich vorübergehendes Phänomen sein könnte. Sollte dem so sein, wäre es fraglich, ob der Zebrafisch ein taugliches Modell für die asymmetrische Morphogenese des embryonalen Wirbeltierherzens ist. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob das adulte Zebrafischherz ein bilateral symmetrisches oder ein bilateral asymmetrisches Organ ist. Zur Klärung dieser Frage wurden die Topografie und Morphologie der Herzen von 35 adulten Zebrafischen (Wildtyp; ein Jahr alt) nach Fixierung und anatomischer Präparation in situ mittels Rasterelektronenmikroskopie (Zeiss Ultra-Plus FE-SEM) untersucht. Es zeigte sich, dass der Ventrikel des Zebrafischherzens die Form einer dreiseitigen Pyramide mit einer dorsalen, rechts- und links-ventralen Seitenwand hat. Die Basis dieser Pyramide ist zum kranialen Ende der Perikardhöhle gerichtet. Die rechts-ventrale Seitenwand des Ventrikels berührt die rechte Perikardwand. Auf der linken Seite findet sich dagegen das links-ventrale Herzohr zwischen der Perikardwand und der links-ventralen Seitenwand des Ventrikels. Das Atrium liegt dorsal und links vom Ventrikel. Es ist mit dem Ventrikel über einen kurzen, schlauchförmigen AV-Kanal verbunden. Die Öffnung des AV-Kanals liegt links der Körpermitte in der dorsalen Wand des Ventrikels und hat eine aus vier Segeln (vorderes, hinteres, links- und rechts-laterales) bestehende Klappe. Stromaufwärts geht das Atrium ohne äußerlich erkennbare Grenze in den Sinus venosus über, der median liegt und eine bilateral symmetrische Form hat. Der Ventrikel ist stromabwärts mit dem Bulbus arteriosus über ein kurzes, Klappen tragendes Segment verbunden, den sogenannten Konus arteriosus. Die Klappe des Konus arteriosus ist eine bikuspide Klappe, deren Verschlussebene in der Medianebene liegt. Die Befunde zeigen, dass das adulte Zebrafischherz ein nach Lage und Form bilateral asymmetrisches Organ ist. Dieser Befund steht im Widerspruch zu Angaben in der Fachliteratur, die das Herz adulter Teleostier häufig als ein median liegendes, bilateral symmetrisches Organ beschreiben. Die Befunde legen weiterhin nahe, dass es beim Zebrafisch in der postembryonalen Phase während des sogenannten Cardiac Repositioning nicht zu einer vollständigen Rückverlagerung der Herzkammern in ihre ursprüngliche mediane Position kommt. Die Ausbildung eines bilateral asymmetrischen Herzens ist beim Zebrafisch offensichtlich nicht auf die embryonale Entwicklungsphase beschränkt. Ein unvollständiges Cardiac Repositioning ähnelt der letzten Phase des Cardiac Loopings bei Lungen atmenden Wirbeltieren, die durch einen Rückgang der helikalen Verformung der Herzschleife (sogenanntes Untwisting) gekennzeichnet ist. Der Zebrafisch scheint folglich, trotz Fehlens eines Lungenkreislaufes, als Modellorganismus für die asymmetrische Morphogenese des embryonalen Herzens von Lungen atmenden Wirbeltieren geeignet zu sein. Das Cardiac Looping wird allgemein als ein Formbildungsprozess angesehen, der die anatomischen Grundlagen für die korrekte Ausbildung der intrakardialen Strombahnen bei Lungen atmenden Wirbeltieren schafft. Die Tatsache, dass auch das embryonale Herz von Kiemen atmenden Fischen ein Cardiac Looping durchläuft, wirft die Frage auf, ob es nicht eine weitere, phylogenetisch wesentlich ältere Funktion gibt. Als mögliche Funktionen werden die Steigerung der Pumpeffizienz des klappenlosen embryonalen Herzschlauches und das Packungsproblem diskutiert.
Schlagwörter: Asymmetrie; Cardiac Looping; Eingeweidesitus; Herzanatomie; Repositioning; Zebrafisch