home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ BMUG PD-ROM BV3 / BMUG PD-ROM Version BV3 (CDRM1097900).iso / Education / Health / H&N Embryology 1 < prev    next >
Text File  |  1993-05-11  |  22KB  |  533 lines

  1. ENT Basic Science Course
  2. Head and Neck Embryology I
  3. 3 November 88
  4.  
  5. Please refer to the handout for illustrations
  6.  
  7. Development of the Head and Neck
  8.  
  9. I. Changes in the Cephalic Area During the Embryonic Period
  10.  
  11.    Head and neck really starts developing around the 3rd week of 
  12.    development but most people think about its development in the
  13.    embryonic period from the beginning of the 5th week to the 8th
  14.    week. This period is most susceptible to teratogenesis.
  15.  
  16. A. External Changes
  17.  
  18.    1. Surface ectoderm thickens at specific places called
  19.       PLACODES. The embryo at this time is fully covered with
  20.       ectoderm. These placodes are eventually covered up by the 
  21.       surrounding tissues and go on to form their respective
  22.       structures. Placodes supply cells that migrate and form
  23.       neurons that become sensory ganglia in conjunction with 
  24.       cells coming from the neural crest. About 60% of the 
  25.       primary sensory neurons within the cranial area come from
  26.       placode cells.
  27.  
  28.       a. Nasal: a thickening in front of the forebrain area that
  29.                 forms the nasal epithelium that lines the nasal 
  30.                 cavity esp the olfactory epithelium. 
  31.       b. Optic: forms the lens; is formed from the optic sulci
  32.                 that are present at 21 days
  33.       c. Otic (Auditory): form the structures of the ear; is
  34.                           present at 21 days. Also, coming off 
  35.                           the otic placode are cells that form
  36.                           CN8.
  37.       d. Epibranchial placodes: these ectodermal thickenings 
  38.          are not as noticeable and are present at the side of the 
  39.          brain. They are associated with the branchial apparati 
  40.          and provide cells for some of the cranial nerve sensory 
  41.          ganglia (specifically CN5, CN7, and the distal ganglia 
  42.          of CN9 and CN10). 
  43.   
  44.    2. PHARYNGEAL ARCHES  (also termed branchial or visceral)
  45.       "most important structures involved in head and neck 
  46.        development". The pharynx begins to bud out and form 
  47.        pouches which induces the ectoderm to form  grooves and
  48.        between each pair of grooves is an arch. They are numbered
  49.        1-4 and 6 as the 5th arch was rudimentary and disappeared
  50.        early on. There are four pouches inside. By the way, we 
  51.        never did have gills for all you people that didn't know 
  52.        that.
  53.  
  54.      a. Pharyngeal Clefts: These define the arches.
  55.  
  56.    3. FRONTAL (Frontonasal) PROMINENCE: The prominence in 
  57.       front of the forebrain
  58.  
  59.    4. LIMB BUDS AND CARDIAC BULGE: The cardiac bulge is 
  60.       inferior to the pharyngeal arches. This may apply pressure
  61.       to these areas and may help cause certain anomalies 
  62.       involving these areas. This bulge and the limb buds are 
  63.       also developing at the same time as the head and neck.
  64.  
  65. B. Internal Changes
  66.  
  67.    1. Foregut dilates to form the pharynx
  68.  
  69.       At 3- 4 weeks, the most anterior part of the foregut buds 
  70.       out to form the pharyngeal pouches, which in turn induce 
  71.       the clefts, that define the pouches, and later to goes on 
  72.       to form the pharynx. 
  73.  
  74.    2. Oral Cavity: at the anterior end of the embryo, these 
  75.                      structures surround the area of the future 
  76.                      mouth. Also called the stomadeum. The oral
  77.                      membrane ruptures and forms the oral cavity
  78.                      at about 21-28 days. This occurs either by 
  79.                      cell migration away from the area, 
  80.                      preprogrammed cell death, or loss of cell-
  81.                      to-cell adhesion. 
  82.  
  83.      Boundaries: cardiac bulge ventrally
  84.                  : brain and frontonasal process dorsally
  85.                  : 1st branchial arch laterally
  86.                  : oral (or buccopharyngeal) membrane caudally
  87.  
  88.       a. Lined with ectoderm since all these surfaces are outside 
  89.          the embryo and the oral membrane is actully in the pharynx
  90.          at about the area of the tonsillar pillars.
  91.  
  92.       b. Dorsal diverticulum  (Rathke's Pouch): precursor to
  93.          the anterior pituitary. In the roof of the oral cavity, 
  94.          at the junction of the oral cavity and pharynx, there is
  95.          a small dorsal diverticulum. It grows up toward the base 
  96.          of the diencephalon and meets a corresponding diverticulum
  97.          from the diencephalon called the infundibulum. These come
  98.          together to form the pituitary gland: the anterior 
  99.          glandular portion or adenohypophysis comes from Rathke's 
  100.          pouch and the posterior portion or neurohypophysis comes
  101.          from the infundibulum. This posterior portion attaches the
  102.          pituitary to the base of the hypothalamus. Rathke's pouch 
  103.          then loses its connection to the pharynx. If this closure
  104.          is incomplete, it can form a fistula or cyst. 
  105.  
  106.          Craniopharyngioma can occur from this type of incomplete
  107.          closure. This is a tumor seen in kids and young adults and
  108.          is usually benign but can be malignant. It can knock off
  109.          the optic chiasm as it is suprasellar. It is mainly of 
  110.          ectodermal derivation via the oral cavity. Some people
  111.          feel that it may also contain some secretory cells as well.
  112. __________________________________________________________________
  113.  
  114. SUPPLEMENT TO HEAD AND NECK DEVELOPMENT
  115.  
  116. A quick review of terms and definitions so we all know what the 
  117. heck is happening here.    
  118. I. Embryonic Tissues
  119.  
  120.    The embryo works with 2 types of tissue: epithelium and
  121.    mesenchyme. Morphogenesis is basically a modulation of these
  122.    two tissues. Morphogenesis is driven by the interaction of 
  123.    many cell types each cell line with a different history. 
  124.    This allows new tissue types to arise.
  125.  
  126.  
  127.    A. Epithelium: All tissues start out as an epithelium and may 
  128.       or may not have a basement membrane. These calls also begin
  129.       to exhibit molecular markers that are traceable such as
  130.       cell adhesion molecules and junctional adhesion molecules.
  131.       The germ layers are usually epithelial in nature.
  132.  
  133.    B. Mesenchyme: a free, often migratory, cell derivative of an
  134.       embryonic epithelium that devolps with or after gastrolation.
  135.       Mesenchyme and mesoderm are not always synonomous. These
  136.       cells migrate in 3 dimensions whereas epithelial cells 
  137.       migrate in the plane of the epithelium. There are substrate 
  138.       adhesion molecules on the surface of mesenchyme cells that
  139.       attach to the extracellular matrix molecules. Mesenchyme 
  140.       cells can be discrete cells that are loosely knit or can
  141.       be tightly packed and closely knit together. 
  142.  
  143. II. Organization of the Mesoderm
  144.   
  145.     A. Trunk: The notocord is the axis of the body and the 
  146.        tissues arrange themselves as somites on either side of
  147.        this structure. Somites are mesoderm
  148.       1. paraxial mesoderm: visibly segmented in the trunk region
  149.          as somites (from the neck down). From the somites arise
  150.          all the skeletal muscle and axial skeleton.
  151.       2. intermediate mesoderm: the urogenital system arises from
  152.          this (adrenal glands etc)
  153.       3. lateral plate: this is lateral to the somites which, 
  154.          early on, extends out into the extraembryonic areas and
  155.          is eventually closed off as the embryo becomes a closed
  156.          system. Some of the lateral plate tissue associates with
  157.          the ectoderm (somatic or body wall mesoderm) and some 
  158.          (visceral or splanchnic mesoderm) with the endoderm. The
  159.          characteristic of the trunk lateral plate mesoderm is 
  160.          the coelom develops from this. The appendicular skeleton
  161.          arises from the lateral plate mesoderm.
  162.  
  163.    B. Head: the mesoderms are arranged differently in the head
  164.  
  165.       1. paraxial: largely unsegmented under LM but under SEM can 
  166.          see definite tandem areas of mesoderm on either side of 
  167.          the notocord called somitomeres. These retain their 
  168.          mesenchymal character rather than becoming epithelial
  169.          like the somites. There are 7 somitomeres running along 
  170.          the brain. The first 4 somites are considered the 
  171.          occipital somites and part of the head. The first
  172.          cervical somite doesn't begin until somite #5.
  173.  
  174.       2. lateral plate: There is no coelom here so it doesn't
  175.          split into somatic and visceral parts.
  176.  
  177. III. Morphogenesis of the Neural Crest
  178.  
  179.    A. Origin
  180.      The neural crest is a mesenchyme that is derived from 
  181.      ectoderm. It is formed from the margins of the neural folds.
  182.      As these folds approach each other and fuse in the midline, 
  183.      the neural crest cells peel off and become separate cell 
  184.      populations external to the closing neural tube. The neural 
  185.      tube becomes the brain and the crest cells migrate away and 
  186.      become a variety of structures depending on what cell 
  187.      populations they interact with.
  188.  
  189.    B. Trunk vs. Cephalic
  190.  
  191.       1. Migratory Pathway and Derivatives
  192.  
  193.       In the trunk, the neural crest cells mainly go deep between
  194.       the neural tube and the somites altho there some cells that 
  195.       go out across the anterior portion of the somite. They then
  196.       form sensory neurons of the peripheral nervous system (dorsal
  197.       root ganglia and autonomic neurons) and melanocytes of the 
  198.       epidermis. They also form Schwann cells.
  199.  
  200.       In the head, they mainly go more superficial beneath the 
  201.       ectoderm and paraxial mesoderm. Just prior to this migration,
  202.       a small transient space is opened up to allow this migration.
  203.       Some cells do go deep however and pierce the paraxial 
  204.       mesoderm. Here they form sensory ganglia and autonomic 
  205.       ganglia as well as Schwann cells and melanocytes as they did 
  206.       in the trunk, but also have the capability of forming 
  207.       cartilage, bone (membranous and endochondral), connective
  208.       tissue, perivascular muscle, and other types of smooth muscle.
  209. __________________________________________________________________
  210.  
  211. II. Developmental History of the Pharyngeal Arches
  212.  
  213.   A. Anatomy
  214.  
  215.      1. Origin of pharyngeal arch mesenchyme
  216.  
  217.         Comes from 2 sources: mesoderm (paraxial and lateral plate)
  218.         and neural crest. Both of these types of cell migrate
  219.         together.
  220.  
  221.         a. mesoderm
  222.  
  223.            i.paraxial
  224.              -somitomeres
  225.              -occipital somites
  226.  
  227.            ii. lateral plate
  228.  
  229.         b. neural crest (ectomesenchyme)
  230.  
  231.         c. line of demarcation between neural crest and 
  232.            mesoderm-derived mesenchyme: this line is seen when
  233.            all migration has occured. The only mesodermally 
  234.            derived cells that pass this line are vascular precursor
  235.            cells and myogenic cells (progenitors of skeletal muscle).
  236.            Neural crest cells that cross over this line into
  237.            mesoderm territory are cells that become Schwann cells 
  238.            neurons, and melanocytes.
  239.  
  240.      2. Structures formed by mesenchyme
  241.  
  242.         Each arch has each of these components:     
  243.  
  244.         a. cartilage bar: mainly from neural crest cells
  245.         b. aortic arch: the endothelial lining is derived from 
  246.                         mesoderm and the perivascular structures
  247.                         and connective tissue are from neural 
  248.                         crest
  249.         c. muscle: all comes from paraxial mesoderm and myogenic 
  250.                    cells can cross the line. As it crosses the 
  251.                    line, it becomes a particular type of muscle
  252.                    depending on the  type of connective tissue
  253.                    (mesenchyme) it encounters. These myogenic 
  254.                    cells, then, are not preprogrammed.
  255.  
  256.  N.B.: Origin of the mesenchyme encountered by muscle precursors
  257.        determines the pattern of muscles- another example of a 
  258.        tissue interaction
  259.  
  260.        On the other hand, neural crest cells are preprogrammed
  261.        in that these cells do not form a certain structure 
  262.        because of the tissue they interact with but rather they
  263.        programmed from early on (prior to gastrolation and prior 
  264.        to leaving the neural tube)to become a certain structure.
  265.  
  266.      3. Origin of the epithelial linings
  267.  
  268.         a. internal surface- pharyngeal endoderm as it arises 
  269.            from the foregut; any area from the oral membrane
  270.            back will be lined with endoderm
  271.  
  272.         b. external surface- ectoderm lines any area external to
  273.            the oral membrane (about the tonsillar pillars)
  274.  
  275.      4. Closing plates: endoderm and ectoderm come closely 
  276.         together  at the closing plates within the cleft area
  277.         of the pouch/arch. There is a small amount of mesoderm 
  278.         in the plate area between the endo and ectoderm.
  279.  
  280.  B. Fate of the pharyngeal arch cartilages
  281.  
  282.      1. Arch I (Meckel's)- mandibular process
  283.         Meckel's cartilage becomes the malleus and incus, stylo-
  284.         mandibular ligament, and a remnant that provides a 
  285.         framework around which the intramembranous bone of the 
  286.         mandible forms around.
  287.  
  288.      2. Arch II (Reichart's) 
  289.         Stapes, styloid process, stylohyoid ligament, upper
  290.         body of the hyoid bone
  291.  
  292.      3. Arch III
  293.         Rest of the hyoid bone  (greater cornu)     
  294.  
  295.      4. Arch IV 
  296.         Laryngeal cartilages ? Laryngeal cartilages may come
  297.         from lateral plate mesoderm rather than neural crest
  298.         mesoderm            
  299.  
  300.      5. Arch VI
  301.         Laryngeal cartilages?  (see Arch 4)
  302.  
  303.  C. Non-cartilage Mesenchymal Derivatives of the Arches
  304.  
  305.      All comes from neural crest mesenchyme except as 
  306.                         indicated
  307.       
  308.      1. Arch I: Maxillary process
  309.         a. bones of the upper face: maxilla, zygoma, squamosa of
  310.            temporal bone
  311.         b. muscles of mastication: masseter and temporalis
  312.         c. maxillary teeth: only the enamel comes from surface 
  313.            ectoderm; all the rest from neural crest cells/
  314.            
  315.  
  316.      2. Arch I: Mandibular process
  317.         a. mandible
  318.         b. muscles of mastication: pterygoids, tensor tympani,
  319.            tensor veli palatini, mylohyoid, anterior belly of digastric
  320.         c. teeth: mandibular teeth
  321.  
  322.      3. Arch II: 
  323.         a. Muscles of facial expression, stapedius, stylohyoid,
  324.            posterior belly digastric
  325.  
  326.      4. Arch III: 
  327.         a. stylopharyngeus
  328.  
  329.      5. Arch IV and V:
  330.         a. Laryngeal muscles: intrinsic and extrinsic
  331.  
  332. All connective tissue in the arches comes from  neural 
  333. crest mesenchyme, including perivascular tissues but not the
  334. endothelium. 
  335.  
  336.   D. Innervation of Mesenchymal Derivatives
  337.  
  338.                Arch I   => CN5 except the ophthalmic division,
  339.                which has nothing to do with the branchial arches.
  340.                The gasserian ganglion is actually broken up into
  341.                ophthalmic and maxillomandibular division due to
  342.                this. The 4th somitomere supplies the myogenic 
  343.                cells for the 1st arch.
  344.  
  345.                Arch II  => CN7; 6th somitomere supplies myogenic 
  346.                            cells
  347.  
  348.                Arch III => CN9 : 7th somitomere
  349.  
  350.                Arch IV  => CN10- Superior branch of the Laryngeal
  351.                                  nerve
  352.                            Myogenic cells from the occipital
  353.                            somites
  354.  
  355.                Arch VI  => CN10- Recurrent branch of the Laryngeal
  356.                                  nerve
  357.                            Myogenic cells from the occipital
  358.                            somites
  359.  
  360.   E. Fate of the Pharyngeal Clefts
  361.  
  362.      The first branchial groove remains and becomes the external
  363.      auditory meatus. The rest of the grooves normally disappear
  364.      as the second arch overgrows them and merges with a process
  365.      (the operculum)coming off the last arch. As this overgrows,
  366.      as cyst is formed that gradually disappear. If it does not,
  367.      then persistent cysts and sinuses are formed.
  368.  
  369.       1. Posterior growth of Arch II creates a cervical sinus
  370.       2. Persistent cervical sinus = Cervical Cyst
  371.  
  372.          a. cyst lined with ectoderm and if any structures are 
  373.             formed within the cyst, they too will be ectodermal
  374.             such as teeth, hair, etc. 
  375.  
  376.          b. found in anterolateral neck below the hyoid bone and
  377.             anterior to the SCM muscle with a tract extending
  378.             to the tonsillar fossa.
  379.  
  380.          c. Cervical Fistula- the cleft remains connected to
  381.             the cervical sinus and can open externally thru the
  382.             skin of the neck or more rarely internally.
  383.  
  384.          d. Type I and type II arch I anomalies:
  385.             Type I is a duplication of the external ear canal
  386.             and lies posteriorly (but can lie anteriorly), 
  387.             whereas type II (also a duplication)dissects down 
  388.             further into the tissue of the face. Type II does 
  389.             not have to open into the meatus but is usually very 
  390.             close to it. Use a Blair superficial parotidectomy 
  391.             approach to excise this as facial nerve dissection 
  392.             is key to excision as one never knows how the facial 
  393.             nerve relates to this anomaly.
  394.  
  395. III. Development of the Tongue
  396.  
  397.    A. Epithelial Covering: derived from pharyngeal endoderm and 
  398.       largely comes from the 1st arch.
  399.  
  400.    N.B.: The tongue develops from the pharynx not the oral cavity.
  401.  
  402.    B. Mesenchymal Primordia
  403.  
  404.     1. Primordia of the connective tissue - 4 swellings at the 
  405.        base of the arches   
  406.       
  407.       a. Lateral lingual swellings (2): these overgrow the 
  408.          tuberculum impar and form the anterior 2/3 of the tongue.
  409.          This protrudes over the 1st arch into the oral cavity.
  410.  
  411.       b. Tuberculum Impar
  412.  
  413.       c. Hypobranchial swelling: only arches 1 & 2 unite in the 
  414.          midline; all the others are separated by the hypobranchial
  415.          swelling. This actually overgrows arch 2 so it really
  416.          has nothing to do with the tongue.
  417.  
  418.          -foramen cecum: the area between the tuberculum impar 
  419.           and the hypobranchial swelling. The thyroid originates
  420.           from here.
  421.  
  422.       d. final form achieved by merging (fusion) of primordia
  423.  
  424.          -lateral tongue swellings + tuberculum impar = body
  425.             (anterior 2/3)
  426.          -hypobranchial swelling = root (posterior 1/3)
  427.  
  428.         The terminal sulcus is the division between these areas.
  429.  
  430.     2. Muscle- comes from the occipital somites (both intrinsic 
  431.                and extrinsic muscles) except the palatoglossus
  432.                which does not originate from the occipital 
  433.                somites.
  434.  
  435.    C. Innervation of the Tongue
  436.  
  437.     1. Connective tissue and epithelium of the body: CN5
  438.        (It comes from the 1st arch.)
  439.     2. Connective tissue and epithelium of the root: CN9
  440.        (It comes from the 3rd arch.)
  441.     3. Skeletal muscle: CN12
  442.        (It comes from the occipital somites.)
  443.     4. Taste: CN7 (via chorda tympani),CN9,CN10
  444.  
  445.    D. Abnormal Development
  446.  
  447.     1. Median Rhomboid Glossitis: a highly vascular area 
  448.        of the posterior tongue that delineates where the 
  449.        tuberculum impar was
  450.     2. Hypertrophy, atrophy, absence, incomplete fusion (bifid/
  451.        trifid)
  452.     3. ankyloglossia: the tongue originally had a broad attachment 
  453.        to the floor of the mouth and this attachment normally 
  454.        undergoes a programmed cell death--if this does not occur,
  455.        the frenulum does not get released and tongue tie results.
  456.  
  457. **LARYNX**
  458. The posterior part of the hypobranchial swelling forms the 
  459. epiglottis. The 4th and 6th arches form the the aryepiglottic 
  460. folds. Not much research has been done regarding the 
  461. formation of the larynx. The laryngeal cartilages form by the 
  462. 2nd month and by the 7th week, there are tracheal rings forming.
  463.  
  464.  
  465.  
  466. IV. Formation of the Face
  467.  
  468.    A. Five Primordia
  469.  
  470.     1.Frontonasal prominence: forms as neural crest cells migrate
  471.       between the brain and the epithelium.
  472.     2.Maxillary process (2)
  473.     3.Mandibular Process (2): these merge together 4 days after the
  474.       oral membrane ruptures. Odontoblastic areas form for tooth
  475.       formation.
  476.     4.Fusion or Merging?: these different processes actually merge
  477.       rather than fuse because the mesenchyme builds up in the 
  478.       underlying areas and push epithelium out instead of two 
  479.       processes coming together with epithelial breakdown and 
  480.       mixing of mesenchyme. Fusion occurs mainly in the secondary
  481.       palate with true breakdown of epithelium. We know this
  482.       because if fusion occurs, epithelial "pearls" can form in
  483.       areas of fusion and this does not happen in facial formation.
  484.  
  485.    B. Changes During Week 5-6
  486.  
  487.     1. Growth of the FNP encloses nasal placodes = Nasal Processes
  488.  
  489.        As mesenchyme builds up, it forms ridges which makes the 
  490.        placodes appear to dive down and disappear from the
  491.        surface thus forming the lateral and medial nasal processes.
  492.  
  493.      a. lateral nasal process
  494.      b. medial nasal process
  495.         -premaxillary swellings bulge out at the tip of the MNPs
  496.  
  497.     2. Maxillary process merges with lateral nasal process
  498.        
  499.        This fills out the cheek area of the face.
  500.  
  501.      a. Nasolacrimal dust formed by a small block of cells in the
  502.         furrow where the maxillary process merges with the LNPs
  503.         -dacryostenosis occurs when this block of cells fails to
  504.          canalize.
  505.  
  506.     3. Mandibular processes merge: Heart is just beneath this
  507.        area
  508.  
  509.    C. Changes During Week 7
  510.  
  511.     1. Merging of medial nasal processes
  512.        
  513.        a. Intermaxillary segment: the premaxillary bulges come
  514.           together to form this. The IMS will help form the 
  515.           philtrum of the lip, the 4 incisors, and part of the 
  516.           palate (the primary palate/premaxilla).
  517.  
  518.     2. Maxillary processes merge with MNP: the entire upper lip
  519.        is formed by this process. The eyes start to come closer
  520.        together. The oral cavity is now separated from the nasal
  521.        cavity.
  522.  
  523.     3. Summary of nasal formation
  524.  
  525.        The alae => come from the LNPs
  526.        The bridge and bulb of the nose => come from the merging 
  527.           of the MNPs
  528.        The tip and the crest => from the MNPs
  529.  
  530.  
  531.  
  532. COMING ATTRACTIONS:  The choanae and the palate
  533.