7.2 Hodenarchitektur

Lue et al. (2005, 2010a) berichteten, dass erwachsene 41,XXY-Mäuse kleine, feste Hoden haben, die SCO-Tubuli mit verringertem Durchmesser und einer erhöhten Anzahl von Leydig-Zellen im Interstitium enthalten. Diese Befunde sind identisch mit denen des alternativen KS-Modells, der 41,XXY*-Maus (Lewejohann et al., 2009a; Wistuba et al., 2010, Abb. 24.2) und ähneln perfekt dem Hodenphänotyp, der bei der großen Mehrheit der erwachsenen KS-Männer zu beobachten ist (Abb. 24.3). Darüber hinaus zeigten 41,XXY-Mäuse ein abweichendes Muster der Androgenrezeptor (AR)-Expression, das bisher bei KS nicht beobachtet wurde (Lue et al., 2005).

Abbildung 24.2. Hodenphänotyp des 41,XXY*-Mausmodells der KS.

(A) Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) der Geschlechtschromosomen in Interphasenkernen, die aus peripheren Blutproben von männlichen Mäusen des Stammes B6Ei.Lt-Y* gewonnen wurden. Linke Seite: Leukozytenkerne von 40,XY*, rechte Seite: Leukozytenkerne von 41,XXY* männlichen Mäusen. (a) Y*-Chromosomen (Pfeilspitzen), nachgewiesen durch eine grün fluoreszierende mausspezifische Sonde; (b) X-Chromosomen (Pfeile), nachgewiesen durch eine rot fluoreszierende mausspezifische Sonde; (c) DAPI-Kernfärbung; (d) Überlagerung von a-c. Man beachte die beiden X-Chromosomensignale in 41,XXY*-Leukozyten. Ein X-Chromosom befindet sich immer in enger Verbindung mit dem Y*-Signal. Eine partielle Überlappung dieser Chromosomen ist an der gelblichen Farbe zu erkennen. (B) Vergleich der Bitestäbchengewichte zwischen erwachsenen 41,XXY*-Männchen (n = 98) und ihren 40,XY*-Wurfgeschwistern (n = 91). Der Keimzellenverlust bei Männchen mit einem überzähligen X-Chromosom führte zu einer signifikant reduzierten Hodengröße. Die Werte sind Mittelwerte ± SEM. (C und D) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen der Hodenhistologie des Samenzellenepithels. (C) 40,XY*-Kontrollmaus, die eine vollständige Spermatogenese aufweist. (D) Hoden einer 41,XXY*-Maus. Alle Keimzellen wurden aus dem Hodenepithel entfernt, so dass nur noch Sertoli-Zellen vorhanden sind. Die Sertoli-Zellen zeigen den Beginn der Vakuolisierung. (E und F) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen der Hodenhistologie des interstitiellen Raums. (E) Bei den 40,XY*-Kontrollmäusen sind die Leydig-Zellen normal in den interstitiellen Räumen zwischen den Tubuluswänden angeordnet. (F) Im Gegensatz dazu ist bei den 41,XXY*-Mäusen die Anzahl der Leydig-Zellen erhöht und bildet eine Hyperplasie. Die Balken stellen 20 μm dar. Symbole: X, Sertoli-Zellen; *, differenzierende Keimzellen; #, Leydig-Zellen. Färbung: Hämatoxylin-Eosin.

Abbildung 24.3. Histologie des menschlichen Hodengewebes: Vergleich der normalen Spermatogenese und des SCO-Syndroms, das typischerweise bei Klinefelter-Patienten beobachtet wird.

(A, C und E) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen der normalen menschlichen Hodenhistologie, die eine vollständige Spermatogenese zeigen. (B, D und F) Repräsentative mikroskopische Aufnahmen der Hodenhistologie eines KS-Patienten mit SCO-Syndrom. (A und B) Übersicht der tubulären Querschnitte: Während das Kontrollgewebe eine normale Verteilung der interstitiellen und tubulären Bereiche aufweist, zeigt sich bei SCO ein vollständiger Verlust der Keimzellen und hyalinisierte tubuläre Wände. Die Hodenkanälchen enthalten nur noch Sertoli-Zellen. (C und D) Detailaufnahme des Hodenepithels: In der Kontrollgruppe sind alle Keimzellstadien bis hin zu reifen Spermien vorhanden. Typisch für erwachsene KS-Männer sind alle Keimzellen nicht vorhanden. Die Sertoli-Zellen zeigen den Beginn der Vakuolisierung. (E und F) Detailaufnahme des Zwischenzellraums. Im Kontrollhoden sind die Leydig-Zellen normalerweise in den interstitiellen Räumen zwischen den Tubuluswänden angeordnet. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl der Leydig-Zellen im Gewebe eines KS-Patienten erhöht und zeigt eine typische Hyperplasie. Die Balken stellen 20 μm dar. Symbole: X, Sertoli-Zellen; *, differenzierende Keimzellen; #, Leydig-Zellen. Färbung: Hämatoxylin-Eosin.

Sertoli-Zellen befinden sich in den Hodenkanälchen, wo sie die spermatogene Differenzierung unterstützen, indem sie Nahrung bereitstellen und die endokrine Signalübertragung vermitteln (Wistuba et al., 2007). Daher haben Veränderungen in diesen wichtigen Zellen einen tiefgreifenden Einfluss auf die Hodenfunktion. Es gibt Hinweise auf eine frühe Apoptose der Sertoli-Zellen bei KS, was zu der Annahme führt, dass der Verlust der Unterstützung und der Kommunikation zwischen den Sertoli-Zellen und den Keimzellen mit der bei diesem Syndrom beobachteten Verarmung der Keimzellen zusammenhängen könnte (Aksglaede et al., 2006; Wistuba et al., 2010). Sertoli-Zellen exprimieren den Androgenrezeptor (AR) und produzieren Androgen-bindendes Protein und Inhibin. Jede Störung der Zellen könnte daher die Menge an ITT in den Zwischenräumen beeinflussen und sich folglich auf die endokrine Rückkopplung entlang der Hypothalamus-Hypophysen-Gonaden-Achse auswirken. Empirisch belastbare Beweise für eine veränderte Präsenz, Entwicklung und/oder Funktion der Sertoli-Zellen konnten nicht erbracht werden, bis die ersten systematischen Ergebnisse aus den experimentellen Modellen vorlagen. Die Ergebnisse der ersten Studien (Lue et al., 2005) waren von besonderem Interesse und Bedeutung, da sie zeigten, dass AR in den Sertoli-Zellen von erwachsenen XY-Kontrollmäusen exprimiert wird, nicht aber in den XXY-Mäusen. Dies ist der Fall, obwohl beide Tiere bis zum 20. postpartalen Tag ein ähnliches Muster aufwiesen, was darauf hindeutet, dass der Verlust der AR-Expression bei den XXY-Mäusen um die Pubertät herum auftritt und darauf hindeutet, dass bei diesen Tieren die Reifung der Sertoli-Zellen verändert sein könnte, was darauf hindeutet, dass sie die abnorme Keimzellenentwicklung beeinflussen oder von ihr beeinflusst werden könnten. Eine histologische Untersuchung der Hoden des 41,XXY*-Modells, bei der festgestellt wurde, dass die Anzahl der Sertoli-Zellen im Vergleich zu den Kontrolltieren verringert ist, bestätigt diese Annahme.

Die bisher durchgeführten Untersuchungen liefern genügend Beweise, um zu vermuten, dass die Sertoli-Zellen bei männlichen Tieren mit einem überzähligen X-Chromosom verändert sind. Um die Grundlagen der Interaktion der Sertoli-Zellen mit den Keimzellen, der Apoptose der Sertoli-Zellen, der Reifung und der Differenzierung zu verstehen, sind eingehendere Untersuchungen erforderlich; Studien, die große Mengen an Material und die Aufzeichnung der Proliferation, Differenzierung und Reifung über einen langen Zeitraum erfordern. Diese Untersuchungen sind am Menschen nicht durchführbar. Nur mit Hilfe der Mausmodelle kann eine aussagekräftige Untersuchung der Veränderungen in dieser wichtigen somatischen Hodenzelle vorgenommen werden.

Es wurde berichtet, dass während der Hodendegeneration, die bei KS beobachtet wird, auch die Sertoli-Zellen im Laufe der Zeit degenerieren (Aksglaede und Juul, 2013; Aksglaede et al., 2006), eine Beobachtung, die mit den Daten in unserem Mausmodell übereinstimmt, die zeigen, dass die Anzahl der Sertoli-Zellen während der postnatalen Entwicklung verändert ist (Werler et al., 2014). Insgesamt erfordert die veränderte Physiologie der Sertoli-Zellen genauere Analysen dieses somatischen Zelltyps bereits während der pränatalen Entwicklung. Die Keimbahnvermehrung und -differenzierung ist in besonderem Maße von den Folgen der Chromosomenaberration betroffen. So könnten wichtige Kontrollpunkte und folglich Prozesse, die speziell in der Keimbahn ablaufen, durch das Chromosomenungleichgewicht verändert werden, d. h. die Entwicklung des primordialen und des spermatogonialen Stammzellsystems (PGC, SSC). Wie bereits erwähnt, haben In-vitro-Studien gezeigt, dass aneuploide undifferenzierte Keimzellen abstarben, wenn sie aus embryonalen Keimdrüsen isoliert wurden, und nur diejenigen mit einem zufällig korrigierten Karyotyp in der Kultur überlebten (Hunt et al., 1998; Mroz et al., 1999). Daher müssen SSC mit einem abweichenden Karyotyp während der intrauterinen Phase, spätestens aber in der perinatalen Periode, in einen Standardpfad eingetreten sein. Wenn nur Keimzellen mit einem korrigierten Karyotyp in vitro überleben, nachdem sie aus der embryonalen Keimdrüse isoliert wurden, während aberrante Keimzellen im Laufe der Zeit abstarben, stellt sich die Frage, warum – in vivo – der Keimzellverlust postnatal fortschreitet, wie kürzlich gezeigt wurde (Werler et al., 2014). Selbst wenn im perinatalen Hoden noch einige aberrante Keimzellen vorhanden sind, sollte ein gewisser Anteil der zum Zeitpunkt der Geburt vorhandenen Keimzellen einen korrekten Karyotyp aufweisen, und die Population der Spermatogonien sollte zumindest stabil bleiben, wenn sie sich nicht sogar vermehrt. Ausgehend von dieser teilweise widersprüchlichen Beobachtung und unter Annahme der plausibelsten Annahme, dass die Korrektur durch zufällige Vermehrung das Überleben einer reduzierten Population primordialer Keimzellen (PGCs; Mroz et al., 1999; Sciurano et al., 2009) und späterer Gonozyten in der postnatalen Periode erklärt, könnten einige dieser Überlebenden ihre Stammzelleigenschaften bereits vor der Geburt verlieren. Offenbar gehen sie während der peripubertären Differenzierung verloren, während nur sehr wenige gelegentlich überleben, alle relevanten Marker korrekt exprimieren und Foci der Spermatogenese vorantreiben können. Eine systematische Bewertung der phänotypischen Veränderungen während der Entwicklung in utero ist per se nur in einem Mausmodell möglich.

Die Störung der HPG-Achse, die den bei KS-Patienten häufig auftretenden hypergonadotropen Hypogonadismus verursacht, hat zusammen mit der vermuteten erhöhten Anzahl von Leydig-Zellen in Hodenbiopsien zu der Hypothese geführt, dass die Funktion und/oder Reifung der Leydig-Zellen durch die geschlechtschromosomale Unausgewogenheit beeinträchtigt sein könnte. Leydig-Zellen sind steroidogen, d.h. sie sind die Quelle von Testosteron, das für die Entwicklung des gesunden männlichen Phänotyps und für die Aufrechterhaltung und Vollendung der normalen Spermatogenese von entscheidender Bedeutung ist.

Wie bei den anderen Aspekten von KS ist der begrenzte Zugang zu Hodengewebe der einschränkende Faktor für jede eingehende Untersuchung. Mit der Verfügbarkeit der männlichen 41,XXY*-Mäuse wurden Studien an Leydig-Zellen von Männern mit einem überzähligen X-Chromosom möglich. Anhand dieses Modells bestätigten wir das Vorhandensein einer Leydig-Zell-Hyperplasie, wie sie durch stereologische Mikroskopie bestimmt wurde, und stellten außerdem fest, dass die ITT-Werte ähnlich wie bei den Kontrollmäusen waren (Wistuba et al., 2010). Dies war überraschend, wenn man bedenkt, dass sowohl bei KS-Patienten als auch bei 41,XXY*-Mäusen niedrige T-Serumspiegel beobachtet werden (Lanfranco et al., 2004; Smyth und Bremner, 1998; Wistuba, 2010). Im Einklang mit den niedrigen zirkulierenden T-Spiegeln stand die Feststellung, dass die Funktion der Leydig-Zellen des KS-Modells tatsächlich verändert war, sobald sie aus der Hodenumgebung entnommen, in vitro gezüchtet und hinsichtlich der Zellzahl normalisiert wurden. Sie war jedoch nicht beeinträchtigt, wie man zunächst annehmen würde, sondern hyperaktiviert. Wenn die mRNA-Expressionsprofile der Markergene Tsp2 (Thrombospondin 2: ein matrizelluläres Protein fetalen Ursprungs, das vorwiegend in juvenilen Leydig-Zellen exprimiert wird), Rlf (Relaxin-ähnlicher Faktor: Marker reifer Leydig-Zellen), Est (Östrogen-Sulfotransferase: Marker reifer Leydig-Zellen) und LHR (LH-Rezeptor: untersucht auf Korrelation mit Leydig-Zell-Stimulationsexperimenten, siehe später) bestimmt wurden, zeigten die isolierten XXY*-Leydig-Zellen ein reifes mRNA-Expressionsprofil und eine signifikant höhere Transkriptionsaktivität im Vergleich zu den Kontrollen (Wistuba et al., 2010; O’Shaughnessy et al., 2002). Die Genexpressionsanalyse zeigte eine insgesamt erhöhte Expression von XXY*-Leydig-Zellen-spezifischen Genen, wobei Est etwa 20-fach, Rlf 8-fach, Tsp2 5-fach und LHR 3-fach höher exprimiert wurden als in Wildtyp-Leydig-Zellen. Die Stimulierung der XXY*-Leydig-Zellen in vitro deutete auf einen reifen LH-Rezeptor hin, der sogar noch stärker auf die Stimulation mit humanem Choriongonadotropin (hCG, ein Surrogat für LH) reagierte als die Zellen der Kontrollgruppe. Darüber hinaus war die steroidogene Aktivität der XXY*-Leydig-Zellen erhöht, da als Reaktion auf hCG mehr T pro Zelle produziert wurde.

Diese aufregenden Ergebnisse führen nicht nur zu einem neuen Konzept über den Ursprung des hypergonadotropen Hypogonadismus, sondern demonstrieren auch die Gültigkeit des KS-Mausmodells mit seinen direkten Auswirkungen auf unser Verständnis von KS-Patienten. Die Ergebnisse des Mausmodells deuten darauf hin, dass die Funktion der Leydig-Zellen nicht per se beeinträchtigt ist, was darauf hindeutet, dass andere Faktoren in der Hodenumgebung für die bei KS-Patienten beobachtete gestörte Androgen-Endokrinologie verantwortlich sind. Insbesondere, da wir auch bei Patienten bestätigen konnten, dass sich die ITT-Werte nicht von denen der Kontrollen unterschieden (Tüttelmann et al., 2014). Möglicherweise behindert die veränderte Hodenarchitektur, die mit der Erkrankung einhergeht, den Transport der Endokrine in den Blutkreislauf, eine These, die durch den Befund gestützt wurde, dass KS-Patienten auch einen verringerten Blutgefäßdurchmesser aufweisen (Foresta et al., 2012). Vor diesem Hintergrund suchten wir nach einer möglichen „vaskulären“ Erklärung für die mangelnde Freisetzung von T in den Blutkreislauf der Hoden. Bei Hodenbiopsien von Patienten ist eine verlässliche Analyse der Gefäße jedoch nicht möglich, da die Dissektionstechnik, bei der größere Blutgefäße vermieden werden müssen, um Blutungen zu verhindern, zu Verzerrungen führt. Daher wurde die Beschaffenheit der Blutgefäße in ganzen Hodenschnitten von erwachsenen männlichen 41,XXY*- und 40,XY*-Mäusen untersucht. Das Verhältnis von Blutgefäßen zu Hodenoberfläche war bei diesen Mäusen im Vergleich zu den XY*-Kontrollen signifikant niedriger, wobei die kleineren Hoden der XXY*-Mäuse berücksichtigt wurden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die T-Produktion im Hoden bei Männern mit KS nicht beeinträchtigt zu sein scheint. Die Daten aus dem Mausmodell lassen vermuten, dass eine verminderte Gefäßversorgung an der geringeren Freisetzung von T in den Blutkreislauf beteiligt sein könnte.