Développement embryonnaire pré-implantation

Après la fécondation, le zygote et ses membranes associées, collectivement appelés le conceptus, continuent d'être projetés vers l'utérus par le péristaltisme et les battements des cils des cellules épithéliales de la trompe de Fallope. Au cours de son trajet vers l'utérus, le zygote subit cinq ou six divisions cellulaires mitotiques rapides. Bien que chaque segmentation entraîne plus de cellules, elle n'augmente pas le volume total du conceptus (Figure 28.4). Chaque cellule fille produite par segmentation est appelée un blastomère (blastos = « germe », au sens de graine ou de pousse).

Environ 3 jours après la fécondation, un conceptus de 16 cellules atteint l'utérus. Les cellules qui étaient lâchement regroupées sont maintenant compactées et ressemblent davantage à une masse solide. Le nom donné à cette structure est la morula (morula = « petite mûre »). Une fois à l'intérieur de l'utérus, le conceptus flotte librement pendant plusieurs jours encore. Il continue de se diviser, créant une boule d'environ 100 cellules, et consommant des sécrétions endométriales nutritives appelées lait utérin pendant que la paroi utérine s'épaissit. La boule de cellules maintenant étroitement liées commence à sécréter du liquide et à s'organiser autour d'une cavité remplie de liquide, le blastocoele. À ce stade de développement, le conceptus est appelé un blastocyste. Au sein de cette structure, un groupe de cellules forme une masse cellulaire interne, destinée à devenir l'embryon. Les cellules qui forment l'enveloppe externe sont appelées trophoblastes (trophe = « nourrir » ou « alimenter »). Ces cellules se développeront en sac chorionique et en portion fœtale du placenta (l'organe d'échange de nutriments, de déchets et de gaz entre une personne enceinte et la progéniture en développement).

La masse interne de cellules embryonnaires est totipotente à ce stade, ce qui signifie que chaque cellule a le potentiel de se différencier en n'importe quel type de cellule du corps humain. La totipotence ne dure que quelques jours avant que le destin des cellules ne soit fixé comme étant les précurseurs d'une lignée cellulaire spécifique.

Figure 28.4 Segmentations pré-embryonnaires Les segmentations pré-embryonnaires utilisent le cytoplasme abondant du conceptus, les cellules se divisant rapidement sans modifier le volume total.

Au fur et à mesure que le blastocyste se forme, le trophoblaste excrète des enzymes qui commencent à dégrader la zone pellucide. Dans un processus appelé « éclosion », le conceptus se libère de la zone pellucide en préparation de l'implantation.

Implantation

À la fin de la première semaine, le blastocyste entre en contact avec la paroi utérine et y adhère, s'implantant dans la muqueuse utérine via les cellules trophoblastiques. Ainsi commence le processus d'implantation, qui marque la fin du stade pré-embryonnaire du développement (Figure 28.5). L'implantation peut s'accompagner de saignements mineurs. Le blastocyste s'implante généralement dans le fond de l'utérus ou sur la paroi postérieure. Cependant, si l'endomètre n'est pas entièrement développé et prêt à recevoir le blastocyste, celui-ci se détachera et trouvera un meilleur endroit. Un pourcentage significatif (50 à 75 pour cent) de blastocystes ne parviennent pas à s'implanter ; lorsque cela se produit, le blastocyste est éliminé avec l'endomètre pendant les menstruations. Le taux élevé d'échec d'implantation est l'une des raisons pour lesquelles la grossesse nécessite généralement plusieurs cycles d'ovulation pour être menée à terme.

Figure 28.5 Développement pré-embryonnaire L'ovulation, la fécondation, le développement pré-embryonnaire et l'implantation se produisent à des endroits spécifiques du système reproducteur féminin sur une période d'environ 1 semaine.

Lorsque l'implantation réussit et que le blastocyste adhère à l'endomètre, les cellules superficielles du trophoblaste fusionnent entre elles, formant le syncytiotrophoblaste, un corps multinucléé qui digère les cellules endométriales pour fixer fermement le blastocyste à la paroi utérine. En réponse, la muqueuse utérine se reconstruit et enveloppe le blastocyste (Figure 28.6). Le trophoblaste sécrète la gonadotrophine chorionique humaine, une hormone qui ordonne au corps jaune de survivre, de grossir et de continuer à produire de la progestérone et des œstrogènes pour supprimer les menstruations. Ces fonctions de l'hCG sont nécessaires pour créer un environnement propice au développement de l'embryon. En conséquence de cette production accrue, l'hCG s'accumule dans la circulation sanguine maternelle et est excrétée dans l'urine. L'implantation est complète au milieu de la deuxième semaine. Quelques jours seulement après l'implantation, le trophoblaste a sécrété suffisamment d'hCG pour qu'un test de grossesse urinaire à domicile donne un résultat positif.

Figure 28.6 Implantation Pendant l'implantation, les cellules trophoblastiques du blastocyste adhèrent à l'endomètre et digèrent les cellules endométriales jusqu'à ce qu'il soit solidement fixé.

La plupart du temps, un embryon s'implante dans le corps de l'utérus à un endroit qui peut soutenir sa croissance et son développement. Cependant, dans un à deux pour cent des cas, l'embryon s'implante soit en dehors de l'utérus (une grossesse extra-utérine), soit dans une région de l'utérus qui peut créer des complications pour la grossesse. Si l'embryon s'implante dans la portion inférieure de l'utérus, le placenta peut potentiellement se développer sur l'ouverture du col, une condition appelée placenta prævia.

Troubles de...

Développement de l'embryon

Dans la grande majorité des grossesses extra-utérines, l'embryon ne termine pas son trajet vers l'utérus et s'implante dans la trompe utérine, ce que l'on appelle une grossesse tubaire. Cependant, il existe également des grossesses extra-utérines ovariennes (dans lesquelles l'œuf n'a jamais quitté l'ovaire) et des grossesses extra-utérines abdominales (dans lesquelles un œuf a été « perdu » dans la cavité abdominale lors du transfert de l'ovaire vers la trompe utérine, ou dans lesquelles un embryon issu d'une grossesse tubaire s'est réimplanté dans l'abdomen). Une fois dans la cavité abdominale, un embryon peut s'implanter dans n'importe quelle structure bien vascularisée — la cavité recto-utérine, le mésentère des intestins et le grand omentum sont des sites courants.

Les grossesses tubaires peuvent être causées par du tissu cicatriciel à l'intérieur de la trompe suite à une infection bactérienne sexuellement transmissible. Le tissu cicatriciel entrave la progression de l'embryon dans l'utérus — dans certains cas, il « accroche » l'embryon et, dans d'autres cas, il bloque complètement la trompe. Environ la moitié des grossesses tubaires se résolvent spontanément. L'implantation dans une trompe utérine provoque des saignements, ce qui semble stimuler les contractions des muscles lisses et l'expulsion de l'embryon. Dans les cas restants, une intervention médicale ou chirurgicale est nécessaire. Si une grossesse extra-utérine est détectée tôt, le développement de l'embryon peut être arrêté par l'administration du méthotrexate, un médicament cytotoxique qui inhibe le métabolisme de l'acide folique. Si le diagnostic est tardif et que la trompe utérine est déjà rompue, une réparation chirurgicale est essentielle.

Même si l'embryon a réussi à atteindre l'utérus, il ne s'implante pas toujours à un endroit optimal (le fond ou la paroi postérieure de l'utérus). Le placenta prævia peut survenir si un embryon s'implante près de l'orifice interne de l'utérus. À mesure que le fœtus grandit, le placenta peut partiellement ou complètement couvrir l'ouverture du col (Figure 28.7). Bien qu'il ne survienne que dans 0,5 % des grossesses, le placenta prævia est la principale cause d'hémorragie antepartum (saignement vaginal abondant après la 24e semaine de grossesse mais avant l'accouchement).

Figure 28.7 Placenta prævia Un embryon qui s'implante trop près de l'ouverture du col peut entraîner un placenta prævia, une condition dans laquelle le placenta recouvre partiellement ou complètement le col.

Membranes embryonnaires

Au cours de la deuxième semaine de développement, l'embryon étant implanté dans l'utérus, les cellules du blastocyste commencent à s'organiser en couches. Certaines se développent pour former les membranes extra-embryonnaires nécessaires pour soutenir et protéger l'embryon en croissance : l'amnios, le sac vitellin, l'allantoïde et le chorion.

Au début de la deuxième semaine, les cellules de la masse cellulaire interne forment un disque de cellules embryonnaires à deux couches, et un espace — la cavité amniotique — s'ouvre entre celui-ci et le trophoblaste (Figure 28.8). Les cellules de la couche supérieure du disque (l'épiblaste) s'étendent autour de la cavité amniotique, créant un sac membraneux qui forme l'amnios à la fin de la deuxième semaine. L'amnios se remplit de liquide amniotique et finit par entourer l'embryon. Au début du développement, le liquide amniotique est presque entièrement constitué d'un filtrat de plasma maternel, mais à mesure que les reins du fœtus commencent à fonctionner vers la huitième semaine, ils ajoutent de l'urine au volume de liquide amniotique. Flottant dans le liquide amniotique, l'embryon — et plus tard, le fœtus — est protégé des traumatismes et des changements rapides de température. Il peut se déplacer librement dans le liquide et se préparer à déglutir et à respirer hors de l'utérus.

Figure 28.8 Développement du disque embryonnaire La formation du disque embryonnaire laisse des espaces de chaque côté qui se développent en cavité amniotique et en sac vitellin.

Sur la face ventrale du disque embryonnaire, opposée à l'amnios, les cellules de la couche inférieure du disque embryonnaire (l'hypoblaste) s'étendent dans la cavité du blastocyste et forment un sac vitellin. Le sac vitellin fournit certains nutriments absorbés par le trophoblaste et assure également une circulation sanguine primitive à l'embryon en développement pendant la deuxième et la troisième semaine de développement. Lorsque le placenta prend le relais pour nourrir l'embryon vers la 4e semaine, le sac vitellin a été considérablement réduit en taille et sa fonction principale est de servir de source de cellules sanguines et de cellules germinales (cellules qui donneront naissance aux gamètes). Au cours de la semaine 3, une évagination en forme de doigt du sac vitellin se développe en allantoïde, un conduit excréteur primitif de l'embryon qui deviendra une partie de la vessie urinaire. Ensemble, les pédicules du sac vitellin et de l'allantoïde établissent la structure externe du cordon ombilical.

La dernière des membranes extra-embryonnaires est le chorion, qui est la membrane qui entoure toutes les autres. Le développement du chorion sera discuté plus en détail prochainement, car il est lié à la croissance et au développement du placenta.

Embryogenèse

Au début de la troisième semaine de développement, le disque de cellules à deux couches devient un disque à trois couches par le processus de gastrulation, au cours duquel les cellules passent de la totipotence à la multipotence. L'embryon, qui prend la forme d'un disque ovale, forme une indentation appelée la ligne primitive le long de la surface dorsale de l'épiblaste. Un nœud à l'extrémité caudale ou « queue » de la ligne primitive émet des facteurs de croissance qui dirigent les cellules à se multiplier et à migrer. Les cellules migrent vers et à travers la ligne primitive, puis se déplacent latéralement pour créer deux nouvelles couches de cellules. La première couche est l'endoderme, un feuillet de cellules qui déplace l'hypoblaste et se trouve adjacent au sac vitellin. La deuxième couche de cellules s'interpose pour former la couche moyenne, ou mésoderme. Les cellules de l'épiblaste qui restent (n'ayant pas migré à travers la ligne primitive) deviennent l'ectoderme (Figure 28.9).

Figure 28.9 Couches germinales La formation des trois couches germinales primaires se produit au cours des 2 premières semaines de développement. L'embryon à ce stade ne mesure que quelques millimètres de long.

Chacune de ces couches germinales se développera en structures spécifiques de l'embryon. Alors que l'ectoderme et l'endoderme forment des feuillets épithéliaux étroitement connectés, les cellules mésodermiques sont moins organisées et existent comme une communauté cellulaire lâchement connectée. L'ectoderme donne naissance à des lignées cellulaires qui se différencient pour devenir les systèmes nerveux central et périphérique, les organes sensoriels, l'épiderme, les poils et les ongles. Les cellules mésodermiques deviennent finalement le squelette, les muscles, le tissu conjonctif, le cœur, les vaisseaux sanguins et les reins. L'endoderme forme la muqueuse épithéliale du tractus gastro-intestinal, le foie et le pancréas, ainsi que les poumons (Figure 28.10).

Figure 28.10 Destin des couches germinales chez l'embryon Après la gastrulation de l'embryon à la troisième semaine, les cellules embryonnaires de l'ectoderme, du mésoderme et de l'endoderme commencent à migrer et à se différencier en lignées cellulaires qui donneront naissance aux organes et systèmes d'organes matures chez le nourrisson.

Développement du placenta

Au cours des premières semaines de développement, les cellules de l'endomètre — appelées cellules déciduales — nourrissent l'embryon naissant. Pendant les semaines prénatales 4 à 12, le placenta en développement prend progressivement le rôle de nourrir l'embryon, et les cellules déciduales ne sont plus nécessaires. Le placenta mature est composé de tissus dérivés de l'embryon, ainsi que de tissus maternels de l'endomètre. Le placenta se connecte au conceptus via le cordon ombilical, qui transporte le sang désoxygéné et les déchets du fœtus par deux artères ombilicales ; les nutriments et l'oxygène sont transportés de la personne enceinte au fœtus par la seule veine ombilicale. Le cordon ombilical est entouré par l'amnios, et les espaces à l'intérieur du cordon autour des vaisseaux sanguins sont remplis de gelée de Wharton, un tissu conjonctif muqueux.

La portion maternelle du placenta se développe à partir de la couche la plus profonde de l'endomètre, la décidue basale. Pour former la portion embryonnaire du placenta, le syncytiotrophoblaste et les cellules sous-jacentes du trophoblaste commencent à proliférer avec une couche de cellules mésodermiques extra-embryonnaires. Celles-ci forment la membrane chorionique, qui enveloppe l'ensemble du conceptus sous forme de chorion. La membrane chorionique forme des structures en forme de doigts appelées villosités chorioniques qui s'enfouissent dans l'endomètre comme des racines d'arbre, constituant la portion fœtale du placenta. Les cellules cytotrophoblastiques qui tapissent les villosités chorioniques chorioniques, s'enfouissent plus profondément dans l'endomètre et remodèlent les vaisseaux sanguins maternels pour augmenter le débit sanguin maternel entourant les villosités. Pendant ce temps, les cellules mésenchymateuses fœtales dérivées du mésoderme remplissent les villosités et se différencient en vaisseaux sanguins, y compris les trois vaisseaux sanguins ombilicaux qui relient l'embryon au placenta en développement (Figure 28.11).

Figure 28.11 Coupe transversale du placenta Dans le placenta, les composants sanguins maternels et fœtaux sont acheminés à travers la surface des villosités chorioniques, mais les circulations sanguines maternelle et fœtale ne se mélangent jamais directement.

Le placenta se développe tout au long de la période embryonnaire et pendant les premières semaines de la période fœtale ; la placentation est complète entre les semaines 14 et 16. En tant qu'organe pleinement développé, le placenta assure la nutrition et l'excrétion, la respiration et la fonction endocrine (Tableau 28.1 et Figure 28.12). Il reçoit le sang du fœtus par les artères ombilicales. Les capillaires des villosités chorioniques filtrent les déchets fœtaux du sang et renvoient du sang propre et oxygéné au fœtus par la veine ombilicale. Les nutriments et l'oxygène sont transférés du sang maternel entourant les villosités à travers les capillaires et dans la circulation sanguine fœtale. Certaines substances traversent le placenta par diffusion simple. L'oxygène, le dioxyde de carbone et toute autre substance liposoluble empruntent cette voie. D'autres substances traversent par diffusion facilitée. Cela inclut le glucose hydrosoluble. Le fœtus a une forte demande en acides aminés et en fer, et ces substances sont transportées à travers le placenta par transport actif.

Le sang maternel et fœtal ne se mélange pas car les cellules sanguines ne peuvent pas traverser le placenta. Cette séparation empêche les lymphocytes T cytotoxiques de la personne enceinte d'atteindre et de détruire ensuite le fœtus, qui porte des antigènes « non-soi ». De plus, elle garantit que les globules rouges fœtaux n'entrent pas dans la circulation de la personne enceinte et ne déclenchent pas le développement d'anticorps (s'ils portent des antigènes « non-soi ») — du moins jusqu'aux derniers stades de la grossesse ou de la naissance. C'est la raison pour laquelle, même en l'absence de traitement préventif, une personne Rh⁻ ne développe pas d'anticorps qui pourraient provoquer une maladie hémolytique chez son premier fœtus Rh⁺.

Bien que les cellules sanguines ne soient pas échangées, les villosités chorioniques offrent une vaste surface pour l'échange bidirectionnel de substances entre le sang maternel et fœtal. Le taux d'échange augmente tout au long de la gestation à mesure que les villosités deviennent plus minces et de plus en plus ramifiées. Le placenta est perméable aux substances fœtotoxiques liposolubles : alcool, nicotine, barbituriques, antibiotiques, certains agents pathogènes et de nombreuses autres substances qui peuvent être dangereuses ou fatales pour l'embryon ou le fœtus en développement. Pour ces raisons, les personnes enceintes devraient éviter les substances fœtotoxiques. La consommation d'alcool par les personnes enceintes, par exemple, peut entraîner une série d'anomalies appelées troubles du spectre de l'alcoolisation fœtale. Celles-ci incluent des malformations organiques et faciales, ainsi que des troubles cognitifs et comportementaux.

Figure 28.12 Placenta Ce placenta et ce cordon ombilical post-expulsion sont vus du côté fœtal.

Organogenèse

Après la gastrulation, les rudiments du système nerveux central se développent à partir de l'ectoderme au cours du processus de neurulation (Figure 28.13). Des tissus neuroectodermiques spécialisés le long de l'embryon s'épaississent pour former la plaque neurale. Au cours de la quatrième semaine, les tissus de chaque côté de la plaque se replient vers le haut pour former un pli neural. Les deux plis convergent pour former le tube neural. Le tube repose sur une notochorde en forme de bâtonnet, dérivée du mésoderme, qui deviendra finalement le noyau pulpeux des disques intervertébraux. Des structures en forme de blocs appelées somites se forment de chaque côté du tube, se différenciant finalement en squelette axial, en muscle squelettique et en derme. Au cours des quatrième et cinquième semaines, le tube neural antérieur se dilate et se subdivise pour former des vésicules qui deviendront les structures cérébrales.

Le folate, l'une des vitamines B, est important pour le développement sain du tube neural. Une carence en folate maternel au cours des premières semaines de grossesse peut entraîner des anomalies du tube neural, notamment le spina bifida — une malformation congénitale dans laquelle le tissu spinal fait saillie à travers la colonne vertébrale du nouveau-né, qui n'a pas réussi à se fermer complètement. Une anomalie du tube neural plus grave est l'anencéphalie, une absence partielle ou complète de tissu cérébral.

Figure 28.13 Neurulation Le processus embryonnaire de neurulation établit les rudiments du futur système nerveux central et du squelette.

L'embryon, qui commence comme un feuillet plat de cellules, commence à acquérir une forme cylindrique par le processus de plicature embryonnaire (Figure 28.14). L'embryon se plie latéralement et à chaque extrémité, formant une forme en C avec des extrémités céphalique et caudale distinctes. L'embryon enveloppe une partie du sac vitellin, qui fait saillie avec le cordon ombilical de ce qui deviendra l'abdomen. Le plissement crée essentiellement un tube, appelé intestin primitif, qui est tapissé par l'endoderme. Le sac amniotique, qui était posé sur l'embryon plat, enveloppe l'embryon lorsqu'il se plie.

Figure 28.14 Plicature embryonnaire La plicature embryonnaire convertit un feuillet plat de cellules en une structure creuse en forme de tube.

Au cours des 8 premières semaines de gestation, un embryon en développement établit les structures rudimentaires de tous ses organes et tissus à partir de l'ectoderme, du mésoderme et de l'endoderme. Ce processus est appelé organogenèse.

Comme le système nerveux central, le cœur commence également son développement chez l'embryon sous la forme d'une structure tubulaire, connectée via des capillaires aux villosités chorioniques. Les cellules du cœur primitif en forme de tube sont capables de conduction électrique et de contraction. Le cœur commence à battre au début de la quatrième semaine, bien qu'il ne pompe réellement le sang embryonnaire qu'une semaine plus tard, lorsque le foie surdimensionné a commencé à produire des globules rouges. (Il s'agit d'une responsabilité temporaire du foie embryonnaire que la moelle osseuse assumera pendant le développement fœtal.) Au cours des semaines 4 à 5, les fossettes oculaires se forment, les bourgeons de membres deviennent apparents et les rudiments du système pulmonaire sont formés.

Au cours de la sixième semaine, des mouvements incontrôlés des membres fœtaux commencent à se produire. Le système gastro-intestinal se développe trop rapidement pour que l'abdomen embryonnaire puisse l'accueillir, et les intestins s'enroulent temporairement dans le cordon ombilical. Les mains et les pieds en forme de pagaie développent des doigts et des orteils par le processus d'apoptose (mort cellulaire programmée), ce qui provoque la désintégration des tissus entre les doigts. À la semaine 7, la structure faciale est plus complexe et comprend des narines, des oreilles externes et des cristallins (Figure 28.15). À la huitième semaine, la tête est presque aussi grande que le reste du corps de l'embryon, et toutes les principales structures cérébrales sont en place. Les organes génitaux externes sont apparents, mais à ce stade, les embryons mâles et femelles sont indiscernables. L'os commence à remplacer le cartilage dans le squelette embryonnaire par le processus d'ossification. À la fin de la période embryonnaire, l'embryon mesure environ 3 cm (1,2 po) de la couronne au coccyx et pèse environ 8 g (0,25 oz).

Figure 28.15 Embryon à 7 semaines Un embryon à la fin de 7 semaines de développement ne mesure que 10 mm de long, mais ses yeux en développement, ses bourgeons de membres et sa queue sont déjà visibles. (Cet embryon provenait d'une grossesse extra-utérine.) (source : Ed Uthman)