Z. Zellforsch. 115, 88--93 (1971) �9 by Springer-Verlag 1971

Catecholamine und 5-Hydroxytryptamin im Nervensystem yon Seesternen und Enteropneusten*

ULRICH WELSCH** ***

Anatomisches Institut der Universit~t Kiel

Eingegangen am 21. Dezember 1970

Catecholamines and 5 -Hydroxy t ryp tamine in the Starfish and En te ropneus t Nervous Systems

Summary. Noradrenaline and 5-hydroxytryptamine have been demonstrated with the fluorescence microscope and a microspectrofluorimeter in the primitive epithelial nervous systems of the starfish Astropecten irregularis and the Enteropneusts Harrimania kup//eri and Ptychodera/lava. In Astropecten noradrenaline is largely confined to a basal fibre layer in the ectoneural system, 5-HT occurs predominantly in an apical localization. Pericarya and synaptic thickenings emitting a characteristic fluorescence are rare and have been found mainly in the Enteropneust species. Presumably, noradrenaline is predominantly localized in the sensory part of nervous systems investigated.

Key- Words: Nervous system~Echinoderms--Enteropneusts--Neurotransmitters.

Zusammen/aesung. In den einfachen epithelialen Nervensystemen des Seesterns Astro- pecten irregularis und der Enteropneusten Harrimania kup//eri und Ptychodera /lava sind Noradrenalin und 5-Hydroxytryptamin flnorcszenzmikroskopisch und mikrospektrofluori- metrisch nachgewiesen worden. Noradrenalin ist bei Astropecten weitgehend auf eine basale Faserschicht des ektoneuralen Systems beschr~nkt, wghrend 5-HT vor allem apikal verbreitet ist. Flnoreszierende Perikaryen und synapsenartige Verdickungen sind selten und wurden vor allem bei den Enteropneusten gefunden. Vermutlich ist Noradrena]in in erster Linie im sensiblen Anteil der untersuchten Nervensysteme lokalisiert.

Einlei tung

I m Gegensatz zu den Verh/iltnissen bei den Ver tebraten befindet sich das Nervensys tem der Mehrzahl der fibrigen Deuterostomier auf einer relat iv einfachen Organisationsstufe. Das trifft besonders fiir die Hemichorda ten zu, deren epithe- liales Nervensys tem kaum fiber den Zus tand hinausgeht , der bei den Coelente- ra ten anzut ref fen ist. Das Nervensys tem der Echinodermen /ihnelt dem der Hemichorda ten grunds/itzlich, zeigt aber schon h6her entwickelte Zfige, z.B. eine Konzen t r a t i on des Nervengewebes in Fo rm yon Radi/~rnerven u n d einem Schlundring.

W/ihrend wir fiber den histologischen Aufbau dieser einfachen Nervensysteme gut un te r r ich te t sind (Meyer, 1906; Hans t r6m, 1928; Smith, 1937, 1950; Knight - Jones, 1952; Bullock, 1945) und auch fiber den Fe inbau einzelne Unter -

* Herrn Prof. Dr. Drs. h. c. W. Bargmarm zum 65. Geburtstag gewidmet. ** Die Untersuchungen wurden yon der I)eutschen Forschungsgemeinschaft nnterstiitzt.

*** Herrn Prof. A. G. E. Pearse, I)ept. of Histochemistry, und besonders Herrn Dr. F. W. I). Rost, Unit of Microspectrofluorimetry, Royal Postgraduate Medical School, London, danke ich f/it die Hilfe bei der Benutzung ihrer mikrospektrofluorimetrischen Anlage und des Computers beim Auswerten der I)aten.

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suchungen vorliegen (Bargmann, v. Harnack, Jacob, 1962; v. Hehn, 1970; Dilly, 1969; Drily, Welsch, Storch, 1970 u. a.), fehlen Angaben fiber die Verbreitung der neuronalen Transmittersubstanzen fast vollst~ndig. Allein Bullock und Nachmansohn (1942) schliel3en aus dem Vorkommen yon Cholinesterase im Nervensystem yon Asterias /orbesi auf das Vorkommen yon Acetylcholin. G. v. t tehn (1970) beschreibt gelbgrfinfluoreszierende Fasern im Ektoneuralsystem yon Asterias rubens und schliel]t auf das Vorkommen yon Catecholaminen.

In der vorliegenden Arbeit soll daher am Beispiel des ekto- und hypo- neuralen Nervensystems des Seesterns Astropecten irregularis und des intraepi- dermalen Nervensystems der Enteropneusten Harrimania kup/leri und Ptycho- dera /lava 1. die Verteilung der biogenen Amine fluoreszenzmikroskopisch untersucht werden und sollen 2. diese Amine mikrospektrofluorimetrisch diffe- renziert und analysiert werden.

Material und Methoden

Astropecten irreqularis, Harrimania kup/[eri und Ptychodera /lava wurden nach der Methode zur fluoreszenzmikroskopischen Darstellung yon Catecholaminen und Tryptaminen (Falck und Owman, 1965) verarbeitet. Die Differenzierung yon Noradrenalin (~A) und Dopamin (DA) erfolgte mit Hilfe yon HC1-Bedampfung nach BjSrklund, Ehinger und Falck (1968). Um m6gliche Adrenalinvorkommen sichtbar zu machen, wurde bis zu 5 h mit Paraformaldehyd bedampft. Zur optimalen Darstellung yon 5-Hydroxytryptamin (5-tIT) wurde in einer Atmosphere yon 90--100% re|ativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrtes Para- formaldehyd benutzt. Dabei diffundiert ein grol]er Tell der Catecholaminkondensate in die Umgebung, und 5-HT-haltige Neurone werden deutlicher sichtbar (Fuxe und Jonsson, 1967; Braak, Baumgarten und Falck, 1968). Formaldehydbedampfte und in fliissigem Paraffin eingebettete Schnitte yon gefriergetrocknetem Material wurden in einem Mikrospektro- fluorimeter mit Epiillumination und Photonenz~hler (Pearse und Rost, 1968) analysiert.

Die korrigierten Werte von Excitations- und Emissionsspektren wurden mit Werten aus der Literatur (Caspersson, Hillarp und Ritz~n, 1966; Bj6rklund, Ehinger und FaIck, 1968; Cegrell, 1968) vergliehen. Bei Betrachten und Photographieren der Gewebeschnitte wurde neben zus~tzlichem Excitationsfilter BG 12 und Barrierefilter Leitz K470 ein Interferenzfilter Schott A1 406 gew~hlt.

Befunde

Astropecten irregularis

Im gesamten ektoneuralen Nervensystem kommen grfinlich fluoreszierende feine Fasern vor, die jedoch nicht gleichm~Big verteilt sind, sondern basal und apikal eine deutliche Konzentrierung erkennen lassen (Abb. 1 a). Regionen mit kr/~ftiger grfinlicher Fluoreszenz sind weiterhin der l~bergangsbereich zu den Ambulakralffil3chen (Abb. l b) und zwei unterschiedlich deutliche, septenartige, vertikal verlaufende Faseransammlungen in der Mitre des Systems. Besondere kn6pfchenf6rmige Nervenendigungen wurden nicht beobachtet, auch Perikaryen yon Ganglienzellen treten nicht besonders hervor.

Da zwischen ein- und ffinfstfindig bedampftem Gewebe kein deutlich erkenn- barer Unterschied in der Verteilung und Intensit~t der fluoreszierenden Fasern besteht, dfirfte Adrenalin - - wenn fiberbaupt - - nur in unbedeutenden Mengen vorkommen.

Nach Behandlung mit ttC1-Dampf tritt ein ffir NA kennzeichnendes starkes Verblassen der Fluoreszenz auf.

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Abb. 1 a und b. Astropocten irregularis, a Ausschnitt aus dem ektoneuralen Nervensystem, links apikale Oberfl~che. Norma~le Bedampfung fiir den Nachweis yon Catecholaminen. Beachte die apikale und basale hell fluoreszierende Schicht. b Ubersicht iiber das gesamte Ekto- neuralsystem nach 5-HT-Bedampfung. Die Fluoreszenz tr i t t vorwiegend apikal auf. c und d Harrimania kup/]eri, normale Bedampfung fiir Nachweis von Catecholaminen. c Ausschnitt aus dem Bereich des Kragenmarks, L/~ngsschnitt. *Lumen des Kragenmarks. ]Beachte die Lage der fluoreszierenden Fasern um das Lumen; apikal (oben) vermutlich aminhaltige

Perikaryen. d Basal im Epithel lagernde aminerge Perikaryen. Objektiv-Vergr. a, c, d x 25; b x 10

Das fiir 5 - H T b e d a m p f t e Gewebe u n t e r s c h e i d e t sich yon d e m oben beschr ie-

benen ffir den N a c h w e i s de r C a t e c h o l a m i n e b e d a m p f t e n Gewebe deu t l i eh . 5 - H T - F l u o r e s z e n z is t v o r a l l em in e iner ap ika l en Zone a n z u t r e f f e n (Abb. 1 b),

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in der nach histologischen Untersuchungen (Meyer, 1906; Cuenot, 1948) vor allem Zellapices yon Epithel- und Sinneszellen liegen. Diese Fluoreszenz scheint ziemlich diffus verteilt zu sein und entspricht dem apikalen leuchtenden Saum der normal-bedampften Schnitte. Im hyponeuralen System wurden nut ganz spKrlich griinfluoreszierende Fasern gefunden.

Die mikrospektrofluorimetrische Analyse der basalen grfinfluoreszierenden Faserlage ergibt Emissions- und Excitationsspektren mit Kurvengipfeln, wie sie ffir Cateeholamine kennzeichnend sind: Der Gipfel des Emissionsspektrums liegt bei 470 m~, der des Excitationsspektrums bei 410 m~. Nach HC1-Bedampfung l ~ t sich zun~chst die sowohl ffir DA als auch ffir NA typische Verlagerung des Kurvengipfels nach links beobachten, und nach liingerer S/iure-Behandlung die nur f/ir NA kennzeichnende Umgestaltung der Kurve (Bj6rklund et al., 1963). Bei Gewebe, aus dem das Paraffin mit Xylol herausgel6st wurde, ver~ndert sich die Kurve nach 3 min in fiir NA kennzeichnender Weise. Bei Schnitten, in denen das Gewebe im Paraffin belassen wurde, t ra t diese Kurven-Vergnde- rung im Durchschnitt erst nach 1 h IIC1-Bedampfung auf.

Harrimania kup//eri und Ptychodera /lava Das intraepitheliale Nervensystem enth/~lt in allen untersuchten Abschnitten

grfinlichfluoreszierende Fasern, deren Menge im Bereich des sog. Kragenmarkes besonders grog ist (Abb. 1 c). In dem basalen Geflecht fallen einzelne knSpfchen- artige Verdickungen auf, die vermutlich Synapsen darstellten, wie sie auch elektronenmikroskopisch nachgewiesen wurden (Dilly, Welsch und Storch, 1970). Es handelt sich bier sowohl um axo-somatische als auch um axo-axonale Synapsen. Die Fluoreszenz schwindet nach HC1-Bedampfung weitgehend.

Im Epithel fallen einzelne grfirdichleuchtende flaschenfSrmige Zellen auf, deren Forts/~tze in das basale Geflecht eintauchen (Abb. I d).

Diskussion

Aus der vorliegenden Untersuchung geht hervor, da~ im Ektoneuralsystem von Astropecten sowoh] Catecholamine als auch 5-HT vorkommen. Im epider- malen System yon Harrimania und Ptychodera wurden nut Catecholamine nachgewiesen. Bei den Catecholaminen handelt es sich bei beiden Formen auf- grund der geschilderten Differenzierungsmethoden um Noradrenalin. Das Vor- kommen yon Adrenalin und Dopamin ist damit nicht ausgeschlossen, doch sind die mSglicherweise vorhandenen Mengen gering. Diese Dominanz yon Nor- adrenalin steht im auffallenden Gegensatz zu den Verhi~ltnissen bei den bisher untersuchten Protostomiern, in deren Nervensystem vor allem Dopamin ver- breitet ist (Dahl et a l , 1962; Sweeney, 1963; Dahl et al., 1966). Allerdings konnte neuerdings Storch (ira Druck) im peripheren Nervensystem yon Proso- branchiern auch Noradrenalin nachweisen. In der Gruppe der Coelenteraten, die ihrer Organisation unter Proto- und Deuterostomiern stehen, sind bei Hydra yon Wood und Lenz (1964) mit unterschiedlichen Methoden - - allerdings ohne fluoreszenzmikroskopische Nachweise - - Adrenalin, NA, 5-HT und Acetylcholin festgestellt worden. Bei Seeanemonen konnten bisher nur Catecholamine, ver- mutlich Dopamin, bei Metridium und Tealia nachgewiesen werden (Dahl et al.,

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1963). Bei der mit Hydra verwandten Hydractinia konnten diese Autoren dagegen keine fluoreszierenden Fasern finden.

Neben den genannten Cateeholaminen spielt aueh 5-HT eine Rolle als ~ber- tr~gersubstanz bei Evertebraten (Welsh, 1954; Florey und Florey, 1954; Dahl et al., 1966). Die Bedcutung der vorwiegcnd apikalen Lokalisierung im ekto- neuralen System yon Astropecten bleibt vorl/mfig unklar. Die diffuse Lokalisierung macht es sogar unmSglich, die fluoreszierenden Gewebeteile eindeutig mit ner- v5sen Elementen in Verbindung zu bringcn. Auffallend ist bei Astropecten die weitgehende Besehr/tnkung der noradrenalinhaltigen Fasern auf das ektoneurale System. Bei Seesternen entspricht n/s der morphologischen Trennung in ektoneurales und hyponeurales System eine funktionelle Zweiteflung in ein sen- sibles und motorisches System (Smith, 1950). Die Arbeit yon Smith 1/~l~t sich besonders gut mit den vorliegenden Untersuchungen vergleicheu, da in beiden F/~llen die gleiche Seesternart benutzt wurde. Die Lokalisation von Noradrenalin im sensiblen Teil des Nervensystems von Astropeeten steht in gewisser Uberein- st immung mit dem Vorkommen yon Dopamin in den sensiblen Nervensystemen einer Reihe von anderen Wirbellosen (Dahl et al., 1963). Auch die fluoreszierenden Zellen von Harrimania und Ptychodera sind vermutlich sensible Neurone. Damit erh~lt das Konzept der ,,adrenergen sensorisehen Neurone" yon Dahl et al. eine wesentliche Erweiterung. Einschr~nkend mul3 jedoch gesagt werden, dal3 diese Zuordnung (sensibel=adrenerg) nicht als ausschlie135eh anzusehen ist, denn bei Astropecten kommen adrenerge Fasern vereinzelt aueh im hyponeuralen System vor, nicht jedoch bei Asterias (v. Hehn, 1970}.

Synapsenartige Verdickungen sind selten und wurden nur bei den Entero- pneusten gefunden. Dieser fluoreszenzmikroskopische Befund entsprieht der Seltenheit von Synapsen im elektronenmikroskopischen Bild (Dilly, Welsch und Storch, 1970). Allerdings sind h/~ufiger Nervenprofile anzutreffen, die dense core vesicles enthalten. MSglicherweise entsprechen die Synapsen in den primitiven epithelialen Nervensystemen der Echinodermen und Hemichordaten allgemein einem noch niedrigen Organisationsgrad. Damit und aus der gleiehmgBigen Verteilung von Transmittersubstanzen wiirde sieh teilweise auch die weitge- hend ungerichtete Erregungsausbreitung und geringere Leistungsf/~higkeit dieser Systeme erkl/~ren.

L i t e r a t u r

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Dr. Ulrich Welsch Anatomisches Insti tut der Universit~t BRD-2300 Kiel Olshausenstr. 40--60 Deutschland