Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Morphologische Untersuchungen an den Atemwegen von Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) unter besonderer Berücksichtigung von Clara-Zellen

Seidel, Victoria

In the present study, morphological examinations were performed on the lungs of common marmosets. Macroscopical, histological, immunohistochemical and electron microscopic methods were applied on 37 clinically healthy common marmoset lungs. Animals were assigned to 3 study groups: adult, juvenile and newborn animals. Due to the fact that non-ciliated cells play an important role in chronic respiratory diseases such as asthma and COPD, the current study was focused on the non-ciliated cells in the intrapulmonary airways in common marmosets. In this study the lungs of newborn, juvenile and adult marmosets were for the first time described macroscopically, including their size and weight. The lungs of the common marmoset consist of six separate lobes: four on the right side and two on the left. The cranial lobes on either side were found to possess a notch. Morphologically, the bronchial tree was found to be similar in all age groups. By employing a method of producing corrosion lung casts and performing subsequent CT scans on them, followed by an analysis with special software, it was possible to show the dichotomous branching of the bronchial tree, the topographical relationships between each segment, the intraluminal diameter of the segment and its distance from the bifurcation in the distal direction. The intraluminal diameter of the trachea of an adult marmoset measured 1000 to 1150 µm, the right bronchus ca. 850 to 1150 µm and the left bronchus 600 to 800 µm, the lobar bronchi 450 to 650 µm, and the segmental bronchi from 250 to 500 µm. For a juvenile marmoset, the intraluminal diameter of the trachea was 1000 to 1150 µm, the right bronchus ca. 800 to 1050 µm and the left bronchus 650 to 800 µm, the lobar bronchi 350 to 650 µm, and the segmental bronchi from 250 to 500 µm. For a newborn marmoset, the intraluminal diameter of the trachea measured 700 to 800 µm, the right and left bronchi ca. 500 to 650 µm, the lobar bronchi 250 to 500 µm, and the segmental bronchi from 100 to 300 µm. Regarding the distribution of the non-ciliated cells, major differences were present within the Clara cell fraction. Clara cells in common marmosets were found throughout the respiratory epithelium of the intrapulmonary airways, and were the dominant cell fraction. They secreted primarily CCSP, but also surfactant proteins B and C. The results obtained via immunohistochemistry regarding CCSP-positive cells were evaluated using statistical methods. Within the bronchus, CCSP-positive cells accounted for 25 % of all epithelial cells for adult animals, 27 % for juveniles and 16 % for newborn marmosets. In the bronchioles, Clara cells accounted for 19 % of all epithelial cells in adult, 27 % in juvenile, and 17 % in newborn marmosets. Ultrastructurally, Clara cells showed an apocrine type of secretion. They had characteristic electron-dense granules of different diameters in the apical cytoplasm. Scanning electron microscopy revealed microvilli and micropores on the luminal surface. Mucus-producing goblet cells were found to be much less present in common marmosets than in other species. They also did not show the typical goblet cell morphology. With the help of the histological staining agent Alcian blue, it was possible to detect acidic mucopolysaccharides in individual goblet cells. The PAS reaction displayed neutral and acidic mucopolysaccharides within goblet cells, but also glycogen particles, especially in basal cells of newborn animals. The immunohistochemical staining with antibodies against MUC5AC was the most reliable method for the detection of goblet cells. It was shown that, statistically, MUC5AC-positive goblet cells make up 4 % of all epithelial cells in the bronchi of adult and newborn marmosets, and 3 % in juveniles. Hardly any MUC5AC-positive cells were found in the bronchioles. Neuroendocrine cells in common marmosets were detected in the segmental bronchi, where they made up 1 % of the epithelial cells across all age groups. In the bronchioles, the fraction of neuroendocrine cells increased to 2 % in adult and juvenile marmosets, but remained 1 % in newborn animals. They were encountered either as isolated individual cells or as a group (NEBs). Neuroendocrine cells showed many similarities with human und laboratory animal lungs concerning morphology and distribution. Finally, it can be concluded that the lungs of the common marmoset, despite some differences in the distribution and morphology of non-ciliated cells, are very similar to the human lung in many morphological aspects. Therefore, the common marmoset seems to be an appropriate animal model for human chronic respiratory diseases.

Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden morphologische Untersuchungen an der Lunge bei Weißbüschelaffen durchgeführt. Es wurden 37 klinisch gesunde Lungen mittels makroskopischer, histologischer, immunhistochemischer sowie elektronenmikroskopischer Methoden untersucht. Alle Tiere wurden in eine von 3 Untersuchungsgruppen eingeteilt: adulte, juvenile und neugeborene Tiere. Aufgrund der Tatsache, dass die nicht-zilierten Zellen eine wichtige Rolle bei chronischen Atemwegserkrankungen wie Asthma und COPD spielen, lag der Schwerpunkt dieser Studie auf den nicht-zilierten Zellen in den intrapulmonalen Atemwegen bei Weißbüschelaffen mit Schwerpunkt bei den Clara-Zellen. In dieser Arbeit wurde zunächst eine allgemeine makroskopische Beschreibung der Lungen inklusive Gewicht und Größe bei neugeborenen, juvenilen und adulten Weißbüschelaffen vorgenommen. Die Lungen von Weißbüschelaffen bestehen aus sechs eigenständigen Lappen: vier auf der rechten und zwei auf der linken Seite. Bei beiden kranialen Lungenlappen wurde jeweils eine Einkerbung festgestellt. Die Morphologie des Bronchialbaumes war bei allen Altersgruppen grundsätzlich ähnlich. Mit Hilfe von Ausgusspräparaten und nachfolgenden CT-Scans und deren Auswertung mit speziellen MeVisLab-basierten Bildanalyseverfahren des Fraunhofer Instituts MEVIS in Bremen konnten die dichotome Verzweigung des Bronchialbaums, die topographischen Verhältnisse zwischen den einzelnen Bronchien, der Durchmesser der Ausgüsse der Bronchien sowie die Distanz von der Bifurkation nach distal gezeigt werden. Bei dem Ausgusspräparat von einem adulten Tier maß der Durchmesser der Trachea ca. 1000 bis 1150 µm, des rechten Hauptbronchus ca. 850 bis 1150 µm und des linken 600 bis 800 µm, der Durchmesser der Lobarbronchien von 450 bis 650 µm und der Segmentbronchien zwischen 250 und 550 µm. Bei dem Ausgusspräparat von einem juvenilen Tier betrug der Durchmesser der Trachea 1000 bis 1150 µm, des rechten Hauptbronchus ca. 800 bis 1050 µm, des linken 650 bis 800 µm, der Lobarbronchien von 350 bis 650 µm und der Segmentbronchien zwischen 250 und 500 µm. Bei dem Ausgusspräparat von einem neugeborenen Tier betrug der Durchmesser der Trachea 700 bis 800 µm, bei rechten und linken Hauptbronchien 500 bis 650 µm, bei den Lobarbronchien von 250 bis 500 µm und bei den Segmentbronchien zwischen 100 und 300 µm. Hinsichtlich der Verteilung der nicht-zilierten Zellen konnten die größten Unterschiede in der dominierenden Clara-Zellpopulation festgestellt werden. Clara-Zellen bei Weißbüschelaffen kamen im gesamten respiratorischen Epithel der intrapulmonalen Atemwege vor. Sie sezernierten hauptsächlich CCSP, aber auch die Surfactant-Proteine B und C. Die mit immunhistochemischen Methoden erzielten Ergebnisse bezüglich CCSP-positiver Zellen wurden statistisch ausgewertet. Im Bereich des Bronchus erreichten sie von allen Epithelzellen einen Anteil von 25 % bei adulten Tieren, 27 % bei juvenilen und 16 % bei neugeborenen Tieren. Im Bereich des Bronchiolus lag der Anteil der Clara-Zellen an der Gesamtheit von allen Epithelzellen bei adulten Tieren bei 19 %, bei juvenilen bei 27% und bei neugeborenen bei 17 %. Ultrastrukturell waren der typische apokrine Sekretionstyp sowie die charakteristischen elektronendichten Granula unterschiedlichen Durchmessers nachweisbar. Rasterelektronenmikroskopisch konnten auf der Oberfläche Mikrovilli sowie Mikroporen erkannt werden. Schleimproduzierende Becherzellen kamen bei Weißbüschelaffen viel seltener als bei anderen Spezies vor. Außerdem wiesen sie keine deutliche Becherzellmorphologie auf. Mit Hilfe der histologischen Färbung Alcian Blau konnte nur in einzelnen Becherzellen ein Nachweis von sauren Mukopolysacchariden erbracht werden. Die PAS-Reaktion stellte neutrale und saure Mukopolysaccharide in Becherzellen dar. Zusätzlich konnten Glykogengranula in Basalzellen nachgewiesen werden, besonders bei neugeborenen Tieren. Die immunhistochemische Färbung mit einem Antikörper gegen MUC5AC konnte die Becherzellen am zuverlässigsten darstellen. Statistisch wurde gezeigt, dass MUC5AC-positive Becherzellen im Bereich des Bronchus bei adulten und neugeborenen 4 % der gesamten Epithelzellen ausmachten, und bei juvenilen etwa 3 %. Im bronchiolären Bereich waren kaum MUC5AC-positive Zellen vorhanden. Neuroendokrine Zellen bei Weißbüschelaffen kamen erst in den Segmentbronchien vor, wo sie bei allen Altersgruppen konstant einen Anteil von 1 % hatten. Bei adulten und juvenilen Tieren nahm der Anteil der neuroendokrinen Zellen in den Bronchiolen auf 2 % zu, bei neugeborenen blieb der Anteil bei 1 %. Sie konnten vereinzelt oder als NEBs angetroffen werden. Aufgrund der beschriebenen PNEZ-Morphologie und ihrer geringen Anzahl ist festzustellen, dass diese Zellen mit denen anderer Labortiere sowie mit denen in menschlichen Lungen morphologisch überein stimmen. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Weißbüschelaffen trotz einiger Unterschiede in der Verteilung und Morphologie der nicht-zilierten Zellen dennoch in vielen anderen morphologischen Aspekten dem Menschen, bezogen auf die Lunge, sehr ähnlich sind, und scheinen daher ein geeignetes Tiermodell für chronische Atemwegserkrankungen des Menschen zu sein.

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Seidel, Victoria: Morphologische Untersuchungen an den Atemwegen von Weißbüschelaffen (Callithrix jacchus) unter besonderer Berücksichtigung von Clara-Zellen. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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