Ultrastructural Features of Nerve Fascicles and Basal Lamina Abnormalities in Hirschsprung's Disease

Abstract

Although the pathogenesis of Hirschsprung's disease (HD) is not completely resolved, both the absence of nerve cells and the hypertrophy of nerve fascicles within the aganglionic colonic segment have been attributed to an abnormal intestinal microenvironment. Studies on animal models for HD revealed an altered ultrastructure of ingrowing nerve fascicles and abnormalities of basal laminae (BL). Therefore, the purpose of this study was to examine the ultrastructure of hypertrophied nerve fascicles in human HD with special reference to structural abnormalities of BL. Colonic specimens were obtained from patients with HD (n=10) and controls (n = 5) and processed for electron-microscopical examination. Hypertrophied nerve fascicles were characterized by a prominent perineural sheath surrounded by large amounts of collagen bundles, a collagen-filled endoneurium, vasa nervorum and abundant glial cells of extraenteric ultrastructure, which were arranged in mono- or oligoaxonal units and frequently displayed different stages of myelination. As these ultrastructural characteristics resembled typical features of extrinsic nerves and were similar to those observed in subserosal nerves, the prominent intramural nerve fascicles were considered to be of extraenteric origin. Most likely their overabundance contributes to the functional obstruction of the terminal colon. Morphological abnormalities of BL encountered in the aganglionic colonic segment consisted of an extensive multilamination of BL surrounding glial processes and an irregular thickening of BL surrounding perineurocytes and smooth muscle cells of the muscularis mucosae. Similar alterations in BL have also been described in inherited peripheral and diabetic autonomic neuropathies and attributed to reactivated Schwann cells. Thus, the overproduction of BL material within the hypertrophied nerve fascicles in HD may reflect an increased activity of proliferating glial cells. Since the smooth muscle cells of the muscularis mucosae showed abnormalities of BL similar to those observed in murine models for HD, it is suggestive that also in human HD the aganglionic colon is affected by a disturbed intestinal microenvironment impairing the neuronal colonisation and promoting the ingrowth of extrinsic nerves. The ultrastructurally observed alterations in BL of both neuronal and non-neuronal cells, as well as the increased amount of perineural and endoneural collagen provide further evidence that extracellular matrix components are abnormally distributed and overproduced within the bowel wall of patients affected by HD.

Zusammenfassung

Obwohl die Pathogenese des Morbus Hirschsprung (MH) bisher nicht vollständig geklärt werden konnte, wurde das Fehlen von Nervenzellen und die Hypertrophie von Nervenfasern im aganglionären Kolonabschnitt auf ein abnormes intestinales ,,microenvironment" zurückgeführt. Untersuchungen bei Tiermodellen des MH zeigten eine veränderte Ultrastruktur einwachsender Nervenfasern und von Basallaminae (BL) glatter Muskelzellen der Lamina muscularis mucosae. Ziel dieser Studie war es deshalb beim menschlichen MH die Ultrastruktur hypertrophierter Nervenfasern insbesondere unter Berücksichtigung struktureller BL-Veränderungcn zu untersuchen. Kolonresektate von Patienten mit MH (n =10) und von Kontrollpatienten (n = 5) wurden für elektronenmikroskopische Untersuchungen aufgearbeitet. Die hypertrophierten Nervenfasern waren gekennzeichnet durch eine prominente, von zahlreichen Kollagenbündeln umgebene Perineuralscheide, ein mit Kollagen gefülltes Endoneurium, Vasa nervorum und zahlreiche Gliazellen. Die mono- oder oligo-axonalen Gliazellen wiesen eine extra-enterische Ultrastruktur und häufig unterschiedliche Myelinisierungsstadien auf. Da diese ultrastrukturellen Charakteristika typische Merkmale extrinsischer Nerven aufzeigten und denen von subserösen Nerven ähnelten, wurde ein extra-enterischer Ursprung der intramuralen Nervenfasern angenommen. Ihr vermehrtes Auftreten könnte die funktionelle Obstruktion des terminalen Kolon mitbedingen. Die morphologischen Veränderungen der BL, die sich im aganglionären Kolonabschnitt beobachten ließen, bestanden aus einer Mehrfachschichtung der BL von Gliafortsätzen und einer unregelmäßigen Verdiekung der BL von Perineurozyten und glatten Muskelzellen der Lamina muscularis mucosae. Ähnliche BL-Veränderungen wurden bisher bei hereditären peripheren und diabetischen autonomen Neuropathien beschrieben und teilweise auf eine Reaktivierung von Schwann-Zellen zurückgeführt. Entsprechend könnte die vermehrte Produktion von BL-Material innerhalb hypertrophierter Nervenfasern beim MH ebenfalls die Folge einer gesteigerten Aktivität proliferierender Gliazellen darstellen. Da die glatten Muskelzellen der Lamina muscularis mucosae ähnliche BL-Veränderungen aufzeigten wie bei Mäusemodellen des MH, ist anzunehmen, daß auch beim menschlichen MH das aganglionäre Kolon von einem gestörten intestinalen ,,microenvironment" betroffen ist, das die neuronale Besiedlung verhindert und das Einwachsen extrinsischer Nerven fördert. Die ultrastrukturellen Veränderungen der BL sowohl neuronaler als auch nicht-neuronaler Zellen sowie die Vermehrung von perineuralem und endoneuralem Kollagen weisen darauf hin, daß Komponenten der extrazellulären Matrix in der Darmwand von Patienten mit MH abnorm verteilt sind und vermehrt produziert werden.

Key words

Hirschsprung's disease - Enteric nervous system - Ultrastructure - Nerve fiber hypertrophy - Myelination - Basal lamina

Schlüsselwörter

Morbus Hirschsprung - Enterisches Nervensystem - Ultrastruktur - Nervenfaserhypertrophie - Myelinisierung - Basal lamina