3. Étapes du développement embryonnaire
En une semaine, une cascade d'événements transforme l'œuf fécondé en zygote puis en morula et en blastocyste. Au terme d'une période de vie libre (période préimplantatoire), le blastocyste s'enchâsse dans la muqueuse utérine (implantation) au cours de la 2e semaine. La gastrulation survient pendant la 3e semaine et assure la formation des trois feuillets primitifs (ectoderme, chordomésoderme, endoderme). Les feuillets primitifs s'engagent dans des voies de différenciation spécifiques et assurent la mise en place d'organes dans des systèmes anatomiques et fonctionnels (organogenèse). Parallèlement s'effectue le façonnement de l'aspect extérieur de l'embryon. La délimitation transforme, au cours de la 4e semaine, le disque embryonnaire plan en une structure tridimensionnelle, « cylindre » fermé avec une polarité céphalocaudale et dorsoventrale, ainsi qu'une latéralité droite-gauche. À ce stade, les embryons des mammifères se ressemblent et la distinction du phénotype humain est encore impossible. La morphogenèse permet l'acquisition, au cours des 4 semaines suivantes, des caractéristiques du phénotype humain. À la fin de la période embryonnaire, en dehors des organes génitaux externes, tous les organes sont en place. L'organogenèse se prolonge durant la période fœtale par l'histogenèse qui permet la maturation tissulaire nécessaire à l'autonomie du nouveau-né. Dans l'espèce humaine, l'étude de la dynamique embryonnaire est limitée par des contraintes pratiques (développement intra-utérin). Ainsi, en dehors des modifications des premiers jours du développement (mieux connues depuis la fécondation in vitro), la plupart des données sur la dynamique de l'embryogenèse précoce sont admises par analogie avec d'autres espèces.
I. Naissance de la morula
Dès la fin de la fécondation, le zygote toujours entouré de sa zone pellucide s'engage dans une série de mitoses qui le divise en cellules de plus en plus petites, les blastomères. Les blastomères sont des cellules embryonnaires préimplantatoires, diploïdes, sexuées avec une hérédité biparentale (paternelle et maternelle), mais un cytoplasme d'origine uniquement maternelle (ovocytaire). Ils se regroupent dans un ensemble sphérique nommé « morula ». Ces modifications surviennent lors du transit tubaire. Dans l'espèce humaine, la première mitose survient environ 36 heures après la fécondation et se poursuit au rythme d'une division toutes les 20 heures.
Au cours de cette période de « vie libre » ou période préimplantatoire, les échanges avec le milieu environnant se font par transports actifs. La persistance de la zone pellucide est indispensable à ce stade pour la cohésion des premiers blastomères et empêche l'implantation ectopique dans les trompes (grossesse tubaire).
A. Stade de précompaction
Les premiers blastomères sont des cellules sphériques, apolaires (sans différence entre les pôles apical et basal), dépourvues de jonctions intercellulaires, dissociables les unes des autres (propriété utilisée pour le diagnostic préimplantatoire). Les blastomères occupent des positions équivalentes dans la morula, avec une face interne en regard d'autres blastomères et une face externe saillante au contact de la zone pellucide. Leur membrane cytoplasmique, perméable aux petites molécules, présente des microvillosités sur toute sa surface (fig. 3.1). Jusqu'au stade 8 blastomères, les blastomères sont totipotents, capables d'exprimer la totalité du programme génétique et de former tous les tissus extra- et intraembryonnaires.
B. Stade de compaction
À partir du stade 16 blastomères (j4), la morula « se compacte » en changeant de forme et de fonction (compaction). Les blastomères périphériques s'aplatissent et la morula prend un aspect lisse, « compacté ». Ces modifications, qui ne concernent que les blastomères périphériques, résultent d'une polarisation à la fois du cytoplasme (redistribution des organites, restriction des microvillosités au pôle apical de la cellule, réorganisation du cytosquelette) et de la membrane cellulaire (mise en place de jonctions) (fig. 3.1). La compaction provoque une modification de la perméabilité de la morula et la constitution à sa surface d'une coque cellulaire étanche qui l'isole du milieu extérieur. Il en résulte une perméabilité sélective aux ions et une orientation différente du fuseau mitotique. Selon l'orientation du plan de clivage du fuseau, les nouveaux blastomères seront de type polarisé ou non, ce qui détermine leur devenir.
La compaction signe l'apparition de deux populations cellulaires de même origine et de destinées différentes (lignage). Les cellules apolaires se placent au centre de la morula, et donnent la masse cellulaire interne (bouton embryonnaire). Les cellules polaires forment autour du bouton embryonnaire la coque de trophoblaste (trophectoderme). Cette différenciation signe la perte de la totipotence des blastomères qui abordent une période dite de « pluripotence », avec une expression préférentielle du génome d'origine paternelle dans le trophoblaste et du génome d'origine maternelle dans la masse cellulaire interne (empreinte génomique).
II. Formation du blastocyste
Lors du parcours tubaire, le pompage osmotique provoque une entrée de sodium et d'eau à l'intérieur de la morula. Se forment alors des microcavités qui confluent et créent, vers j5, la première cavité embryonnaire, le blastocèle. Dès lors, la morula prend le nom de « blastocyste » (ou « blastula ») (fig. 3.2). L'augmentation des jonctions étanches sur la face latérale des cellules trophoblastiques renforce leur étanchéité et isole le blastocyste. Ainsi, le blastocèle en expansion sépare le trophoblaste de la masse cellulaire interne, qu'il refoule au pôle dit « embryonnaire ». Le trophoblaste présente alors une zone polaire (en contact avec la masse cellulaire interne) et une zone murale (en contact avec le blastocèle).
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| Fig. 3.2 |
A. Trophoblaste
Le trophoblaste ne participe pas à l'édification de l'embryon, il est en revanche essentiel à formation du placenta (voir le chapitre 6). La polarisation confère au trophoblaste les caractères d'un épithélium, fait de petites cellules jointives avec une forte activité de synthèse. Le trophoblaste est une source d'enzymes requises pour l'implantation (ouverture de la zone pellucide, digestion de la matrice extracellulaire de l'endomètre) (voir les chapitres 6 et 7).
B. Embryoblastes
Les cellules de la masse cellulaire interne (embryoblastes) sont pluripotentes, capables de se remplacer les unes les autres et d'édifier un embryon. En revanche, elles ne peuvent plus se transformer en trophoblaste. Vers j8, l'agencement des embryoblastes prend une organisation laminaire à l'origine du disque embryonnaire (fig. 3.2). Une première ségrégation dans le massif cellulaire interne individualise l'endoderme viscéral ou primitif (hypoblaste), feuillet ventral éphémère qui constitue le plafond du blastocèle, et l'épiblaste, feuillet le plus dorsal, où se met en place la cavité amniotique.
1. Hypoblaste
La première poussée endodermique se fait le long du blastocèle et donne l'hypoblaste (endoderme extraembryonnaire primitif ou membrane de Heuser). La membrane de Heuser dessine les limites de la vésicule vitelline primaire (j10). Cette étape coïncide avec l'apparition d'une matrice acellulaire (réticulum extraembryonnaire), qui s'intercale entre le trophoblaste mural et la membrane de Heuser. La deuxième poussée endodermique, le long de la vésicule vitelline primaire, délimite une cavité plus restreinte, la vésicule vitelline secondaire (j13-j15).
2. Épiblaste
La cavité amniotique, future « poche des eaux », se forme dès j8 dans le massif épiblastique et se remplit de liquide. Les amnioblastes, cellules d'origine épiblastique, tapissent le plafond de la cavité (amnios) et l'isolent du trophoblaste polaire. Les amnioblastes sont en continuité avec le plancher de la cavité amniotique, constitué par l'épiblaste (fig. 3.2). La limite entre les deux tissus est appelée « jonction amnioectodermique ».
3. Mésenchyme extraembryonnaire
À partir de j10, une poussée cellulaire (a priori d'origine épiblastique) envahit le réticulum extraembryonnaire et constitue tout autour du blastocyste le mésenchyme extraembryonnaire, qui s'intercale entre le trophoblaste et les cavités embryonnaires (cavité amniotique et vésicule vitelline) à j13. Le mésenchyme extraembryonnaire se creuse de microcavités qui confluent et créent le cœlome externe (ou extraembryonnaire), sauf en regard de la cavité amniotique (j15). La formation du cœlome externe scinde le mésenchyme extraembryonnaire en deux feuillets de mésoderme extraembryonnaire viscéral et pariétal. Le feuillet pariétal double le trophoblaste et forme avec lui le chorion (partie fœtale du placenta). Le feuillet viscéral entoure les cavités embryonnaires. Autour de la cavité amniotique, le mésoderme extraembryonnaire porte le nom de « somatopleure extraembryonnaire » et autour de la vésicule vitelline, de « splanchnopleure extraembryonnaire » (fig. 3.3). La croissance de la cavité amniotique réduit progressivement le cœlome externe en une cavité virtuelle.
À la fin de la 2e semaine, le blastocyste peut être comparé à une sphère creuse constituée de deux hémisphères (cavité amniotique et vésicule vitelline), séparés par le disque embryonnaire. Cet ensemble, situé dans une troisième cavité (le cœlome externe), est rattaché à la « coque trophoblastique » par le pédicule embryonnaire.
III. Gastrulation
La gastrulation, événement capital de la période embryonnaire, survient au cours de la 3e semaine et permet l'individualisation de l'endoderme, du chordomésoderme et de l'ectoderme. La gastrulation fait intervenir deux processus concomitants associant déformations cellulaires (appelées « invagination » et « épibolie ») et déplacements des cellules épiblastiques (migration centripète, appelée « ingression ») le long d'un axe antéropostérieur, la ligne primitive.
A. Ligne primitive
La ligne primitive apparaît au début de la 3e semaine sous forme d'un épaississement de l'épiblaste caudal (fig. 3.4). La ligne primitive progresse rapidement en direction crâniale. L'épaississement de la ligne primitive résulte du recrutement de cellules épiblastiques, qui convergent vers l'axe médian. Le recrutement est suivi d'une migration cellulaire centripète (ingression) à l'origine de la gouttière primitive. La limite antérieure de la ligne primitive se situe à mi-distance du pôle céphalique. Elle est marquée par un renflement épiblastique centré par une dépression, le nœud de Hensen.
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| Fig. 3.4 |
La gastrulation progresse selon un gradient céphalocaudal induisant une avance du développement de la région rostrale. Il en résulte un allongement et un élargissement de l'extrémité crâniale du disque embryonnaire qui devient piriforme. Au terme des grands mouvements de migration cellulaire, le nœud de Hensen et la ligne primitive régressent. La régression de la ligne primitive, visualisable par le recul du nœud de Hensen, est accélérée par la croissance rapide de l'extrémité antérieure du disque. Au niveau de la région caudale, la gastrulation crée l'éminence caudale, à l'origine des différentes structures mésenchymateuses de la région caudale et siège de la neurulation secondaire.
B. Disque embryonnaire
L'ingression d'un premier contingent cellulaire issu de la ligne primitive forme l'endoderme. Une deuxième vague migratoire met en place, entre l'endoderme et l'épiblaste, un feuillet intermédiaire, le chordomésoderme. Dès lors, le disque embryonnaire devient tridermique et l'épiblaste prend le nom d’« ectoderme ». Le disque embryonnaire tridermique présente un axe de latéralité gauche-droite centré par la chorde et une polarité craniocaudale (rostrocaudale ou antéropostérieure) et dorsoventrale (l'ectoderme en position dorsale, séparé de l'endoderme ventral par le mésoderme).
1. Endoderme
Dès sa mise en place, l'endoderme remplace l'hypoblaste de la vésicule vitelline secondaire. L'allantoïde s'individualise dans la région caudale de la vésicule vitelline secondaire, sous forme d'un diverticule qui pénètre le pédicule embryonnaire et s'entoure de vaisseaux (fig. 3.5). La vésicule vitelline est une structure vitale pour l'embryon, mais éphémère. Elle assure la vasculogenèse (formation à la fois des vaisseaux et des cellules sanguines), ainsi qu'une forte synthèse protéique (α-fœtoprotéine). De plus, les premières cellules germinales font leur apparition à son niveau, près de l'allantoïde, dès la 5e semaine. L'activité de la vésicule vitelline décline après la mise en place du foie, qui prend la relève des fonctions d'hématopoïèse et de synthèse. Dès lors, la vésicule vitelline régresse à l'état d'un reliquat dans le cœlome externe.
2. Mésoderme
Les courants migratoires de la gastrulation mettent en place deux territoires mésodermiques dorsal et latéroventral (fig. 3.6). Le mésoderme dorsal, issu du nœud de Hensen, donne le processus chordal, précurseur de la chorde dorsale (notochorde). Le mésoderme latéroventral forme trois domaines, représentés par les mésodermes para-axial, intermédiaire et latéral, avec des devenirs différents.
Le mésoderme intraembryonnaire pénètre dans toute l'étendue du disque embryonnaire à l'exception de deux régions, situées à l'extrémité crâniale (membrane pharyngienne) et caudale (membrane cloacale), qui restent didermiques. En direction crâniale, les cellules mésodermiques contournent la membrane pharyngienne et forment d'avant en arrière le septum transversum (région du futur diaphragme) et l'aire cardiaque.
a. Chorde
L'ingression des cellules du nœud de Hensen se fait le long de l'axe médian du disque embryonnaire, en direction crâniale, vers la membrane pharyngienne. Dans un premier temps, un cordon cellulaire plein se forme (processus chordal), précédé de la plaque préchordale. Le processus chordal se creuse secondairement d'une lumière et forme le canal chordal (fig. 3.7). La fusion du plancher du canal chordal avec l'endoderme sous-jacent et sa résorption transforment le canal chordal en plaque chordale. Il en résulte une communication entre la cavité amniotique et la vésicule vitelline à partir du nœud de Hensen (canal neurentérique). La fusion des bords de la plaque chordale reconstitue un cordon cellulaire plein, la chorde définitive, et ferme le canal neurentérique.
b. Mésoderme latéroventral
Vers le milieu de la 3e semaine (j17), le mésoderme intraembryonnaire se condense de chaque côté de la chorde, en trois domaines contigus : successivement, le mésoderme para-axial, le mésoderme intermédiaire et les lames latérales (fig. 3.6). À la fin de la 3e semaine, le mésoderme para-axial se sépare du mésoderme intermédiaire tout en se segmentant dans le sens craniocaudal. Il en résulte la formation de massifs cellulaires distincts, les somites (fig. 3.8). Le nombre des somites sert à dater les premiers stades du développement. À la fin de la 5e semaine, un total de 42 à 44 paires de somites est identifiable. Au pôle céphalique, le mésoderme para-axial ne se segmente pas et forme le mésoderme céphalique, qui participe à l'édification du crâne et de la face. Le mésoderme intermédiaire se sépare à son tour des lames latérales et forme les cordons néphrogènes. Le mésoderme latéral se scinde en deux lames latérales (somatopleure et splanchnopleure intraembryonnaires) qui délimitent le cœlome interne (ou cœlome intraembryonnaire). Les lames latérales sont en continuité avec le mésoderme extraembryonnaire.
3. Ectoderme
L'ectoderme forme le plancher de la cavité amniotique. L'ectoderme, feuillet dorsal du disque embryonnaire, recouvre la chorde qui exerce sur lui un effet inducteur (induction primaire). L'induction primaire est à l'origine d'une cascade de transformations qui commence par la transformation neuroblastique de l'ectoderme et l'individualisation des cellules des crêtes neurales et se termine par l'internalisation du tube neural primitif (neurulation primaire) et la différenciation de l'épiderme (fig. 3.9).
IV. Délimitation
La délimitation transforme, au cours de la 4e semaine, le disque embryonnaire plan en une structure tridimensionnelle, un cylindre fermé avec une polarité céphalocaudale et dorsoventrale, ainsi qu'une latéralité droite-gauche. À ce stade, les embryons des mammifères se ressemblent et la distinction du phénotype humain est encore impossible. Deux types de mouvements concomitants (enroulement, plicature) transforment, entre la 4e et la 5e semaine, le disque embryonnaire plan en un cylindre clos. La différence entre la croissance rapide du disque embryonnaire et la stagnation de la vésicule vitelline détermine les mouvements de la délimitation. Celle-ci permet l'internalisation des feuillets embryonnaires ventraux (endoderme et mésoderme), la mise en place des téguments à partir du feuillet dorsal (ectoderme), l'individualisation de l'embryon par rapport aux annexes.
A. Enroulement du disque embryonnaire
L'enroulement du disque aboutit à la formation de l'anneau ombilical. La croissance rapide du disque embryonnaire (neurulation primaire, somitogenèse) provoque l'enroulement du disque et la formation de l'anneau ombilical primitif par convergence de la jonction amnioectodermique vers la région ventrale de l'embryon (telle une bourse que l'on ferme en tirant sur ses cordons) (fig. 3.10). L'enroulement entraîne l'étranglement et l'internalisation partielle de la vésicule vitelline, où trois segments s'individualisent. Le segment intraembryonnaire forme l'intestin primitif. Le reste de la vésicule vitelline demeure extraembryonnaire et devient la vésicule ombilicale, visible dans le cœlome externe. Le canal vitellin, portion étranglée de la vésicule vitelline, relie le tube digestif primitif à la vésicule ombilicale. Dans les régions suset sous-ombilicales, l'enroulement permet le rapprochement des somatopleures intraembryonnaires, l'étranglement du canal cœlomique et la séparation des cœlomes interne et externe. Enfin, l'enroulement place l'ectoderme (à l'origine de l'épiderme) à la surface de l'embryon. Progressivement, l'anneau ombilical se resserre et forme l'ombilic.
B. Plicature céphalocaudale
Le développement privilégié du pôle céphalique contribue à la plicature céphalocaudale de l'embryon, en forme de « C » (fig. 3.11). La croissance de l'encéphale imprime aux structures du pôle céphalique une rotation de 180˚ par rapport au point fixe du septum transversum (fig. 3.12). Dès lors, les rapports anatomiques du septum transversum, de l'aire cardiaque, de la membrane pharyngienne et de l'encéphale s'inversent et aboutissent à l'organisation définitive de l'étage susdiaphragmatique (encéphale-bouche-cœur-diaphragme). De même, la plicature caudale inverse l'ordre des structures par rapport à la membrane cloacale et amène l'allantoïde en avant du bourgeon caudal. Dès lors, une partie de l'allantoïde s'incorpore au niveau de la partie terminale de l'intestin primitif (cloaque), la partie distale de l'allantoïde restant dans le pédicule embryonnaire.
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| Fig. 3.11 |
C. Formation du cordon ombilical
La croissance de la cavité amniotique réduit le cœlome externe en une cavité virtuelle et permet la formation du cordon ombilical. Celui-ci, revêtu d'amnios, contient l'allantoïde et les vaisseaux ombilicaux (pédicule embryonnaire), le canal vitellin et des reliquats du cœlome externe (fig. 3.13).
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| Fig. 3.13 |
À la fin de la délimitation, l'embryon peut être comparé à un cylindre clos centré par l'endoderme et le mésoderme et entouré par l'ectoderme. Il fait saillie dans la cavité amniotique et est relié au placenta par le cordon ombilical.
▸ Les blastomères sont des cellules embryonnaires préimplantatoires, diploïdes, sexuées avec une hérédité biparentale (paternelle et maternelle), mais un cytoplasme d'origine uniquement maternelle (ovocytaire).
▸ La compaction signe l'apparition de deux populations cellulaires de même origine et de destinées différentes (lignage).
▸ Les cellules apolaires se placent au centre de la morula et donnent la masse cellulaire interne (bouton embryonnaire).
▸ Les cellules polaires forment autour du bouton embryonnaire la coque de trophoblaste (trophectoderme).
▸ Il existe une expression préférentielle du génome d'origine paternelle dans le trophoblaste et du génome d'origine maternelle dans la masse cellulaire interne (empreinte génomique).
▸ Les cellules de la masse cellulaire interne sont pluripotentes, capables de se remplacer les unes les autres et d'édifier un embryon.
▸ Le trophoblaste, essentiel à formation du placenta, ne participe pas à l'édification de l'embryon.
▸ La gastrulation est l'événement capital de la période embryonnaire.
▸ La gastrulation qui survient à la 3e semaine permet l'individualisation de l'endoderme, du chordomésoderme et de l'ectoderme.
▸ La délimitation (4e semaine) transforme le disque embryonnaire plan en un cylindre fermé avec une polarité céphalocaudale et dorsoventrale, ainsi qu'une latéralité droite-gauche.
▸ La délimitation permet l'internalisation des feuillets embryonnaires ventraux (endoderme et mésoderme), la mise en place des téguments à partir du feuillet dorsal (ectoderme), l'individualisation de l'embryon par rapport aux annexes.
▸ À la fin de la délimitation, l'embryon fait saillie dans la cavité amniotique et est relié au placenta par le cordon ombilical.
▸ Le cordon ombilical, revêtu d'amnios, contient l'allantoïde et les vaisseaux ombilicaux (pédicule embryonnaire), le canal vitellin et des reliquats du cœlome externe.