7.2 Testicular Architecture

Lue et al. (2005, 2010a) meldden dat volwassen 41,XXY muizen kleine, stevige testikels hadden met SCO tubuli van verminderde diameter met verhoogde aantallen Leydig cellen in het interstitium. Deze bevindingen zijn identiek aan die voor het alternatieve KS model, de 41,XXY* muis (Lewejohann et al., 2009a; Wistuba et al., 2010, Fig. 24.2) en lijken perfect op het testiculaire fenotype dat gezien wordt bij de overgrote meerderheid van volwassen KS mannen (Fig. 24.3). Bovendien vertoonden 41,XXY muizen een afwijkend patroon van androgeenreceptorexpressie (AR), tot dusver niet waargenomen bij KS (Lue et al., 2005).

Figuur 24.2. Testiculair fenotype van het 41,XXY* muismodel van KS.

(A) Fluorescentie in situ hybridisatie (FISH) van geslachtschromosomen in interfase kernen verkregen uit perifere bloedmonsters van mannelijke muizen van de stam B6Ei.Lt-Y*. Links: leucocytkernen van 40,XY*, rechts: leucocytkernen van 41,XXY* mannelijke muizen. (a) Y * chromosomen (pijlpunten) gedetecteerd door groene fluorescerende muis specifieke sonde; (b) X-chromosoom (pijlen) gedetecteerd door rode fluorescerende muis specifieke sonde; (c) DAPI nucleaire vlek; (d) overlay van a-c. Let op de twee X-chromosoom signalen in 41,XXY * leukocyten. Eén X-chromosoom bevindt zich altijd in nauwe associatie met het Y*-signaal. Gedeeltelijke overlapping van deze chromosomen kan worden waargenomen door de gelige kleur. (B) Vergelijking van bitesticulaire gewichten tussen volwassen 41,XXY* mannetjes (n = 98) en hun 40,XY* nestgenoot controles (n = 91). Het verlies van kiemcellen bij mannetjes met een boventallig X-chromosoom resulteerde in een significant verminderde testisgrootte. Waarden zijn gemiddeld ± SEM. (C en D) Representatieve microfoto’s van testiculaire histologie van de zaadlobben epitheel. (C) 40,XY * controle muis met volledige spermatogenese. (D) 41,XXY * testis van de muis. Alle kiemcellen werden verwijderd uit het epitheel van de zaadlobben, waardoor alleen het syndroom van Sertoli cellen overbleef. Sertoli cellen tonen het begin van vacuolisatie. (E en F) Representatieve microfoto’s van testiculaire histologie van de interstitiële ruimte. (E) In de 40,XY * controle muizen Leydig cellen zijn normaal gerangschikt in de interstitiële ruimten tussen de tubulaire wanden. (F) In de 41,XXY* muizen daarentegen is het aantal Leydigcellen toegenomen, waardoor een hyperplasie ontstaat. De balkjes staan voor 20 μm. Symbolen: X, Sertoli cellen; *, differentiërende kiemcellen; #, Leydig cellen. Kleuring: Hematoxyline-Eosine.

Figuur 24.3. Histologie van menselijk testikelweefsel: Vergelijking van normale spermatogenese en het SCO-syndroom dat typisch is voor Klinefelter-patiënten.

(A, C, en E) Representatieve microfoto’s van de normale menselijke testiculaire histologie met volledige spermatogenese. (B, D, en F) Representatieve microfoto’s van de testiculaire histologie van een KS patiënt met SCO-syndroom. (A en B) overzicht van tubulaire doorsneden: terwijl de controle weefsel vertoont een normale verdeling van interstitiële en tubulaire gebieden, de SCO situatie vertoont volledig verlies van kiemcellen en gehyaliniseerd tubulaire wanden. De tubuli van de zaadlobben bevatten alleen Sertoli cellen. (C en D) Detail van het zaadlobbenepitheel: In de controle zijn alle kiemcelstadia tot en met rijpe spermatozoa aanwezig. Typisch voor volwassen KS mannen, ontbreken alle kiemcellen. Sertoli cellen vertonen het begin van vacuolisatie. (E en F) Detail van de interstitiële ruimte. In de controletestis, zijn de Leydig cellen normaal gerangschikt in de interstitiële ruimten tussen de tubulaire wanden. In tegenstelling tot het weefsel verkregen van een KS patiënt, Leydig cel aantal is verhoogd met typische hyperplasie. De balkjes staan voor 20 μm. Symbolen: X, Sertoli cellen; *, differentiërende kiemcellen; #, Leydig cellen. Kleuring: Hematoxylin-Eosin.

Sertolicellen bevinden zich in de zaadbuizen, waar ze de spermatogene differentiatie ondersteunen door voeding en bemiddeling van endocriene signaaltransductie (Wistuba et al., 2007). Wijzigingen in deze essentiële cellen hebben dan ook een grote invloed op de testiculaire functie. Er is bewijs gevonden voor vroege apoptose van Sertoli cellen in KS, wat leidt tot de stelling dat verlies van ondersteuning en communicatie tussen Sertoli cellen en kiemcellen gerelateerd zou kunnen zijn aan de kiemceluitputting die bij het syndroom wordt gezien (Aksglaede et al., 2006; Wistuba et al., 2010). Sertoli-cellen brengen de androgeenreceptor (AR) tot expressie en produceren androgeenbindend eiwit en inhibine. Een verstoring van de cellen zou daarom de hoeveelheid ITT in de interstitiële ruimten kunnen beïnvloeden en bijgevolg de endocriene feedback langs de hypothalamus-hypofyse-gonadale as kunnen beïnvloeden. Empirisch robuuste bewijzen over veranderde aanwezigheid, ontwikkeling en/of functie van Sertoli cellen konden niet worden verkregen totdat de eerste systematische bevindingen van de experimentele modellen beschikbaar kwamen. De bevindingen van de eerste studies (Lue et al., 2005) waren bijzonder interessant en belangrijk, omdat zij aantoonden dat AR tot expressie kwam in de Sertoli-cellen van volwassen XY-controlemuizen, maar niet in de XXY-muizen. Dit ondanks het feit dat beide dieren tot dag 20 na de geboorte (pp) een vergelijkbaar patroon vertoonden, wat erop wijst dat het verlies van AR-expressie bij de XXY-muizen rond de puberteit optreedt en suggereert dat bij deze dieren de rijping van de Sertoli-cellen mogelijk is veranderd, wat erop wijst dat zij de abnormale ontwikkeling van kiemcellen kunnen beïnvloeden of erdoor beïnvloed kunnen worden. Een histologische evaluatie van de testes van het 41,XXY* model, waaruit bleek dat het aantal Sertoli cellen was afgenomen in vergelijking met controles, heeft dit idee enigszins bevestigd.

De tot nu toe uitgevoerde onderzoeken leveren voldoende bewijs om te veronderstellen dat Sertoli cellen veranderd zijn bij mannen met een boventallig X chromosoom. Om de onderliggende factoren van de interactie tussen de Sertoli cellen en de kiemcellen, apoptose van de Sertoli cellen, rijping en differentiatie te begrijpen, zijn meer diepgaande evaluaties nodig; studies die aanzienlijke hoeveelheden materiaal vereisen en een chronologische registratie van proliferatie, differentiatie en rijping over een lange tijdsperiode. Deze onderzoeken kunnen onmogelijk bij de mens worden uitgevoerd. Alleen met behulp van de muismodellen kan een zinvolle verkenning van de veranderingen in deze cruciale somatische testiculaire cel worden ondernomen.

Er werd gemeld dat tijdens de testiculaire degeneratie die wordt waargenomen bij KS ook Sertoli cellen degenereren in de loop van de tijd (Aksglaede en Juul, 2013; Aksglaede et al., 2006), een observatie die in overeenstemming is met gegevens in ons muismodel waaruit blijkt dat het aantal Sertoli cellen verandert tijdens de postnatale ontwikkeling (Werler et al., 2014). Alles bij elkaar genomen vereist de veranderde Sertoli cel fysiologie meer gedetailleerde analyses van dit somatische celtype al tijdens de prenatale ontwikkeling. De voortplanting en differentiatie van de kiemlijn wordt in het bijzonder beïnvloed door de gevolgen van de chromosoomafwijking. Belangrijke controlepunten en bijgevolg processen die specifiek in de kiembaan plaatsvinden, kunnen door de chromosoomafwijking dus worden gewijzigd, namelijk de ontwikkeling van het primordiale en het spermatogoniale stamcelsysteem (PGC, SSC). Zoals eerder vermeld, hebben in vitro studies aangetoond dat aneuploïde ongedifferentieerde kiemcellen stierven wanneer zij uit embryonale geslachtsklieren werden geïsoleerd en dat alleen cellen met een willekeurig gecorrigeerd karyotype in cultuur overleefden (Hunt et al., 1998; Mroz et al., 1999). Dus, SSCs met een afwijkend karyotype moeten in een default pad terecht zijn gekomen tijdens de intra-uteriene fase maar het laatst in de perinatale periode. Wanneer alleen kiemcellen met een gecorrigeerd karyotype in vitro overleven nadat ze uit de embryonale gonade zijn geïsoleerd, terwijl afwijkende kiemcellen na verloop van tijd afsterven, rijst de vraag waarom-in vivo het verlies van kiemcellen postnataal vordert, zoals recent is aangetoond (Werler et al., 2014). Zelfs als er nog enkele afwijkende kiemcellen aanwezig zijn in de perinatale testis, zou een bepaald deel van de cellen die aanwezig zijn op het tijdstip van de geboorte een correct karyotype moeten hebben en zou de populatie van spermatogonia ten minste stabiel moeten blijven, zo niet zich moeten vermeerderen. Uitgaande van deze deels tegenstrijdige waarneming en uitgaande van de meest plausibele veronderstelling dat correctie door willekeurige voortplanting de overleving verklaart van een gereduceerde populatie van primordiale kiemcellen (PGC’s; Mroz et al., 1999; Sciurano et al., 2009) en vervolgens gonocyten in de postnatale periode, zouden sommige van die overlevenden hun stamceleigenschappen al voor de geboorte kunnen verliezen. Blijkbaar gaan ze verloren tijdens de peripuberale differentiatie, terwijl slechts weinigen af en toe kunnen overleven, alle relevante merkers correct tot expressie kunnen brengen en foci van spermatogenese kunnen aansturen. Systematische evaluatie van de fenotypische veranderingen tijdens de ontwikkeling in utero is op zich alleen mogelijk in een muismodel.

De verstoring van de HPG-as, die het hypergonadotrope hypogonadisme veroorzaakt dat vaak gezien wordt bij KS patiënten, samen met de gesuggereerde verhoogde aantallen Leydigcellen in testiculaire biopten heeft geleid tot de hypothese dat de functie en/of maturatie van Leydigcellen beïnvloed zou kunnen zijn door de geslachtschromosomale disbalans. Leydigcellen zijn steroïdogene cellen die de bron zijn van testosteron dat essentieel is voor de ontwikkeling van het gezonde mannelijke fenotype en cruciaal voor de voortzetting en voltooiing van de normale spermatogenese.

Zoals bij de andere facetten van KS, is de beperkende factor voor elk diepgaand onderzoek de beperkte toegang tot testiculair weefsel. Met de beschikbaarheid van de 41,XXY* mannelijke muizen, werd onderzoek van Leydig cellen van mannetjes met een boventallig X chromosoom haalbaar om te onderzoeken. Met behulp van dit model bevestigden wij de aanwezigheid van Leydig cel hyperplasie zoals bepaald door stereologische microscopie en vonden ook dat ITT niveaus vergelijkbaar waren met die in de controle muizen (Wistuba et al., 2010). Dit was verrassend gezien de lage serum T-spiegels die zowel bij KS-patiënten als bij 41,XXY* muizen worden waargenomen (Lanfranco et al., 2004; Smyth and Bremner, 1998; Wistuba, 2010). In lijn met de lage circulerende T niveaus was de bevinding dat zodra Leydig cellen van het KS model uit de testiculaire omgeving werden gehaald, in vitro werden gekweekt en genormaliseerd voor celaantal, hun functie inderdaad was veranderd. De functie was echter niet aangetast, zoals men op het eerste gezicht zou denken, maar overgeactiveerd. Wanneer de mRNA-expressieprofielen van de markergenen Tsp2 (trombospondine 2: een matricellulair eiwit van foetale oorsprong dat overwegend tot expressie komt in juveniele Leydig-cellen), Rlf (relaxine-achtige factor: marker van rijpe Leydig-cellen), Est (oestrogeensulfotransferase: marker van rijpe Leydig-cellen), en LHR (LH-receptor: onderzocht op correlatie met Leydig-cel-stimulatie-experimenten, zie later) werden bepaald, vertoonden de geïsoleerde XXY* Leydig-cellen een rijp mRNA-expressieprofiel en een significant hogere transcriptionele activiteit in vergelijking met controles (Wistuba et al., 2010; O’Shaughnessy et al., 2002). De genexpressie-analyse toonde een algehele toename in expressie van XXY* Leydig celspecifieke genen, waarbij Est ongeveer 20-voudig, Rlf 8-voudig, Tsp2 5-voudig en LHR 3-voudig hoger tot expressie kwamen dan bij wild-type Leydig cellen. Stimulatie van de XXY* Leydig-cellen in vitro gaf een rijpe LH-receptor aan die nog sterker reageerde op humaan choriongonadotrofine (hCG, een surrogaat voor LH) stimulatie dan cellen uit de controlegroep. Bovendien was de steroidogene activiteit van de XXY* Leydig cellen verhoogd, in die zin dat er meer T per cel werd geproduceerd als reactie op hCG.

Deze opwindende resultaten leiden niet alleen tot een nieuw concept over de oorsprong van hypergonadotroop hypogonadisme, maar tonen ook de validiteit aan van het KS muismodel, met zijn directe translationele consequenties voor ons begrip van KS patiënten. De resultaten van het muismodel geven aan dat de Leydig cel functie niet per se verstoord is, wat er op wijst dat andere factoren in de testiculaire omgeving verantwoordelijk zijn voor de verstoorde androgeen endocrinologie die gezien wordt bij KS patiënten. In het bijzonder omdat we ook bij patiënten konden bevestigen dat ITT waarden niet verschilden van controles (Tüttelmann et al., 2014). Mogelijk kan de veranderde testiculaire architectuur die geassocieerd wordt met de aandoening het endocriene transport in de circulatie belemmeren, een stelling die ondersteund werd door de bevindingen dat KS patiënten ook een verminderde diameter van de bloedvaten hebben (Foresta et al., 2012). Hiermee rekening houdend, gingen wij op zoek naar een mogelijke “vasculaire” verklaring voor het gebrek aan T-afgifte in de testiculaire bloedstroom. In testisbiopsies van patiënten is een betrouwbare analyse van de vaten echter niet mogelijk vanwege de bias die het gevolg is van de dissectie-techniek waarbij grotere bloedvaten moeten worden vermeden om bloeding te voorkomen. Bijgevolg werd de samenstelling van de bloedvaten geëvalueerd in volledige testissecties van volwassen mannelijke 41,XXY* en 40,XY* muizen. De verhouding bloedvaten/testesoppervlak, gecorrigeerd voor de kleinere testes van XXY* muizen, was inderdaad significant lager bij deze muizen in vergelijking met XY* controles. De conclusie is dat de productie van testiculair T niet verminderd lijkt te zijn bij mannen met KS. De gegevens van het muizenmodel laten ons speculeren dat een verminderde vasculaire toevoer betrokken zou kunnen zijn bij een lagere afgifte van T in de bloedbaan.