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Die Entwicklung des Schädeldachs beginnt beim Menschen bereits in der frühen Embryogenese und ist erst im Erwachsenenalter abgeschlossen. Das Wachstum der Schädelknochen muss sich während der Entwicklung fortwährend dem Gehirnwachstum anpassen. An den Stellen, wo zwei Schädelknochen aufeinandertreffen, formen sich Schädelnähte, die aus mesenchymalem Bindegewebe bestehen und als Wachstumsfugen des Schädels dienen. Tritt eine frühzeitige Verknöcherung innerhalb einer oder mehrerer Schädelnähte auf, spricht man von einer Kraniosynostose. Als Konsequenz wird ein weiteres Knochenwachstum verhindert, sodass sich das Neurokranium in dieser Region nicht dem expansiven Wachstum des Gehirns anpassen kann. Dies geht in der Regel mit einem kompensatorischen Wachstum des Schädels und infolgedessen mit kraniofazialen Dysmorphien und einem erhöhten intrakraniellen Druck einher. Klinische Studien und Forschungen an Modellorganismen konnten bereits eine Vielzahl an Genen mit der Entstehung von Kraniosynostosen assoziieren, darunter die Transkriptionsfaktoren TCF12 und TWIST1. Beim Menschen sind heterozygote Mutationen in TCF12 und TWIST1 mit Kraniosynostosen der Koronarnaht assoziiert. Bei Mäusen hingegen führt eine heterozygote Tcf12 Mutation nur in Kombination mit einer heterozygoten Twist1 Mutation zu Fusionen der Koronarnaht.
Der Zebrabärbling (Danio rerio, überwiegend auch Zebrafisch genannt) weist eine bemerkenswerte Ähnlichkeit bezüglich der Anatomie und Morphologie des Schädeldachs zum Menschen auf. Um die genaue Funktion von TCF12 bei der Ausbildung der Schädelnähte zu untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Zebrafisch als in vivo Modell für die Entstehung tcf12-induzierter Kraniosynostosen etabliert. Zu Beginn der Arbeit wurde das Expressionsmuster von tcf12 über die Entwicklung hinweg analysiert. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einem Expressionsnachweis während der Entwicklung der Schädelplatten und der Schädelnähte. Ein erster Expressionsnachweis von tcf12 mittels PCR-Analysen und Whole-mount RNA in-situ Hybridisierungen zeigte eine breite Expression von tcf12 ab dem 1-3 Somiten Stadium an. Für tiefergehende in vivo Analysen wurden im Zuge dieser Arbeit tcf12:EGFP Reportergenlinien generiert. Mit diesen gelang ein Nachweis der tcf12 Expression entlang der Wachstumsfronten der Schädelplatten, innerhalb der Schädelnähte sowie im Periost und der Dura mater.
Mit den tcf12:EGFP Fischen als Referenz wurde in weiterführenden Experimenten die Aktivität drei hochkonservierter CNEs (engl. conserved non-coding elements) in vivo im Zebrafisch untersucht. Zwei der CNEs konnten als tcf12 Enhancer verifiziert werden, die eine Genexpression während der Neurogenese des zentralen Nervensystems (ZNS) steuern. Die beiden Enhancer-Elemente zeichnen sich durch eine hohe Konservierung vom Menschen bis hin zum Zebrafisch aus.
Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivität gegenüber einem Funktionsverlust von TCF12 und TWIST1 in Mensch und Maus sollte die Auswirkung eines Knockouts der orthologen Gene auf die Entwicklung der Schädelnähte des Zebrafisches untersucht werden. Mittels CRISPR/Cas9 wurden verschiedene Knockout-Linien für die Gene tcf12, twist1a und twist1b generiert. Analysen der Knockoutmutanten zeigten, dass ein heterozygoter Verlust von tcf12 und twist1b in seltenen Fällen zu partiellen Fusionen der Koronarnähte im Zebrafisch führt. Des Weiteren konnte bei tcf12 und twist1b Einzel- und Doppelmutanten ein abnormes Wachstum der Schädelplatten im Bereich der Suturen beobachtet werden. Die Expressionsstudien und die Analysen der Knockoutmutanten deuten auf eine Regulation von TCF12 bei der Differenzierung der Stammzellen sowie der Proliferation der Osteoblasten innerhalb der Schädelnähte hin.
Um die Auswirkung von TCF12 Mutationen auf funktioneller Ebene zu untersuchen wurden im Verlauf dieser Arbeit Luciferase-Reporter Assays durchgeführt. Anhand dieser konnte nachgewiesen werden, dass Mutationen, die die basic helix-loop-helix (bHLH)-Domäne beeinträchtigen, die Transaktivierungsfähigkeit von TCF12 aufheben. Co-Transfektions-Experimente mit TWIST1 offenbarten eine Regulation der Transaktivierung von TCF12 durch TWIST1, sowohl im Menschen, als auch im Zebrafisch. Im Rahmen dieser Arbeit konnten die genauen Expressionsorte von TCF12 während der Morphogenese des Schädeldachs nachgwiesen und die Funktion von TCF12 und seinem Interaktionspartner TWIST1 bei der Entstehung von Kraniosynostosen weiter aufgeklärt werden.
Innerhalb dieser Arbeit steht die Berechnung des prä-, peri- und teilweise postoperativen intrakraniellen Volumens bei Kindern mit isolierten und syndromalen prämaturen Kraniosynostosen anhand von Schädelcomputertomogrammen im Vordergrund. Die einzelnen Diagnosegruppen beinhalten die isolierten Kraniosynostosen Trigonozephalus, Plagiozephalus, Brachyzephalus und Skaphozephalus, die syndromalen Kraniosynostosen die Gruppen des Apert-, Crouzon-, Saethre-Chotzen-, Pfeiffer-, Muenke- und Cohen-Syndroms, welches auch als kraniofrontonasale Dysplasie in der Literatur beschrieben wurde. In der Einleitung wird ein umfassender theoretischer Teil über die Bedeutung, Entstehung und Problematik von Kraniosynostosen beschrieben. Insbesondere werden die unterschiedlichen Klassifizierungen von Kraniosynostosen und die damit verbundene Schwierigkeit einer einheitlichen Unterteilung aller prämaturen Kraniosynostosen dargestellt und erläutert. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die jüngsten humangenetischen Entdeckungen gelegt, die zu einer weiteren ätiologischen Differenzierung der syndromalen Kraniosynostosen beitragen. Für dieses Verfahren wurden von insgesamt 124 Kindern mit Kraniosynostosen im Zeitraum von 1982-1997 Schädel CT-Aufnahmen mit einem Schichtabstand von 5 mm im Bereich der Schädelbasis und 10 mm im Bereich der Schädelkalotte angefertigt. Zur Berechnung der Annäherungsvolumina wurden die Einzelschichten über einen Flachbettscanner digitalisiert. Anschließend erfolgte die Flächenberechnung der einzelnen CT-Schichten mit Hilfe eines Computers und einer speziellen Software (Ghostview), die zur Flächenberechnung die Funktion eines Planimeters besitzt. Durch die Mittelwert der Flächeninhalte und dem bekannten Schichtabstand der Ebenen zueinander können zylindrische Annäherungsvolumina bestimmt werden. Über die Summation der einzelnen zylindrischen Volumeninhalte und der Multiplikation mit dem Vergrößerungsfaktor des CT-Bildes ergibt sich ein intrakranielles Annäherungsvolumen.
Im Zeitraum 2000 - 2004 wurden dem Institut für Humangenetik der Universität Würzburg insgesamt 12.049 Patienten zur molekulargenetischen Diagnostik zugewiesen. Anforderungen zum Ausschluss von FGFR-/TWIST-Defekten machen hierbei 6% des gesamten Patientenguts aus (714 untersuchte Patienten). Innerhalb der Krankheitsgruppe der FGFR-/TWIST-Defekte steht die molekulargenetische Bestätigung bzw. der Ausschluss eines Muenke-Syndroms mit 219 Patienten im Zeitraum 2000-2004 an erster Stelle. An zweiter Stelle folgt das Saethre-Chotzen-Syndrom mit 180 untersuchten Patienten. Am dritthäufigsten wurden Anfragen zur molekulargenetischen Diagnostik bei Verdacht auf ein Crouzon-/bzw. Pfeiffer-Syndrom (152 Patienten) gestellt. Die Zahl der Anforderungen blieb im Fünfjahresverlauf relativ konstant, d. h. es gab in Bezug auf die Anzahl der untersuchten Patienten/Jahr nur geringfügige Fluktuationen. Die Anforderungen einer molekulargenetischen Diagnostik bei klinischem Verdacht auf FGFR-/TWIST- Defekte kamen schwerpunktmäßig aus Würzburg, München, Ansbach, Erfurt und Berlin. Am häufigsten konnte die klinische Verdachtsdiagnose beim Apert-Syndrom durch den Mutationsnachweis im FGFR2-Gen bestätigt werden (in 67% der Fälle). An zweiter Stelle, d. h. in 33% der Fälle, konnte durch die molekulargenetische Diagnostik des FGFR3-Gens die Verdachtsdiagnose der Achondroplasie bestätigt werden. Am dritthäufigsten, d.h. in 20% der Fälle konnten die Genanalysen die Verdachtsdiagnose Crouzon-/bzw. Pfeiffer-Syndrom bestätigen. Die grössten differentialdiagnostischen Schwierigkeiten bestehen klinischerseits offenbar beim Muenke-Syndrom (FGFR3) sowie beim Saethre-Chotzen-Syndrom (TWIST1) und der Hypochondroplasie (FGFR3). Bei diesen Entitäten konnte die klinische Verdachtsdiagnose lediglich in weniger als 15% der Fälle auf der molekulargenetischen Ebene bestätigt werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen die ausgeprägte phänotypische Variabilität die bei den einzelnen Erkrankungen besteht. Die molekulargenetische Bestätigung bzw. der Ausschluss der klinischen Verdachtsdiagnose bildet die Grundlage für Prognose und Therapie der Patienten. Dies wird insbesondere hinsichtlich der Implikationen der molekulargenetischen Differenzierung zwischen den phänotypisch ähnlichen Kraniosynostose-Syndromen (Saethre-Chotzen vs. Muenke) deutlich. Z. B. kennzeichnen progressive multisuturale Fusionen das Saethre-Chotzen-, nicht jedoch das Muenke-Syndrom. Wegen des hohen Risikos einer rekurrenten intrakraniellen Hypertension benötigen SCS-Patienten im Kindesalter eine regelmässige Kontrolle.
Delaire (1978) stellt in seiner kraniofazialen Analysemethode die Balance des neuro- und viszerokranialen Schädels in den Mittelpunkt. Er mißt der Ausgewogenheit der Proportionen eine zentrale Bedeutung bei der Beurteilung viszero- und neurokranialer Strukturen zu. In dieser Arbeit konnte ein Kollektiv von 81 Patienten mit prämaturen Kraniosynostosen nach der Delaire-Analyse untersucht werden. Von diesen 81 erfaßten Patienten (30 Saethre-Chotzen-, 24 Crouzon-, 13 Apert-, 6 Pfeiffer-, 3 Cohen- und 5 Muenke-Syndrom-Patienten) lagen insgesamt 183 auswertbare hochqualitative Fernröntgenbilder vor. Bedingung für die Aufnahme in diese Arbeit war das Mindestalter der Patienten von 3 Jahren, da während der ersten 3 Lebensjahre die Proportionen zwischen Kranium und Gesichtsschädel nicht mit denjenigen eines Erwachsenen vergleichbar sind. Erst ab dem Alter von 3 Jahren wächst der Gesichtsschädel in gleichem Maße wie das Neurokranium und erst dadurch wird die kraniofaziale Analyse nach Delaire aussagekräftig (Delaire et al. 1981). Um eine Vergleichsmöglichkeit der Meßwerte der Patienten mit syndromalen Kraniosynostosen zu erhalten, wurden die modifizierten Bolton-Standard-Werte herangezogen, die für die Delaire-Analyse mit einem Kalottendach versehen werden mußten. In dieser Arbeit wurden die Bolton-Standards von Broadbent et al. (1975) mit Werten von Dekaban (1977) ergänzt und ein Schädeldach hinzugefügt. Das Ergebnis wurde nach der Delaire-Analyse für den Zeitraum 1-18 Jahre ausgemessen und in einer Tabelle aufgeführt. Bei den Kindern mit Saethre-Chotzen-Syndrom zeigte sich, daß die anterior-posteriore Schädelausdehnung (C1, C3 und CF4) signifikant kürzer und „brachyzephaler“ war als bei den Crouzon- und Apert-Syndrom-Patienten. Besonders stellte sich heraus, daß dieser Längenunterschied primär Aufgrund der mangelhaften Ausformung des Os occipitale (CP-OI) und nicht etwa durch die Mittelgesichtshypoplasie bedingt ist. Weiterhin konnte festgestellt werden, daß die anteriore Schädelhöhe (CF1) der Saethre- Chotzen-Patienten durch das „frontal bossing“ signifikant größer ausgeprägt war als bei den Kindern mit Crouzon-Syndrom. Die Crouzon-Syndrom-Patienten waren vor allem durch die fliehende Stirn (CF1) und die verkürzte anteriore Schädelbasis (C1, M-Pts bzw. Pts-CP) charakterisiert. Hier konnte im Vergleich zu den Bolton-Standard-Werten hinsichtlich der Längeneinbuße der S-N-Strecke eine wesentlich genauere Aussage getroffen werden. Die Längeneinbuße liegt im zentralen Anteil der Schädelbasis in der Region um die Sella turcica. Alle untersuchten Apert-Syndrom-Patienten wiesen eine deutliche Turrizephalie auf. Die kraniale Höhe (C2) sowie die kraniofazialen Linien CF1, CF2 und CF3 zeigten eine in Relation zu den übrigen Syndromen signifikant größere Länge. Die Teilstrecke ANS-Na´ der „theoretischen Gesichtshöhe“ CF5 war bei den Kindern mit Apert-Syndrom signifikant verkürzt, übereinstimmend mit der vorliegenden Mittelgesichtshypoplasie. Die Untersuchung der Teilstrecke ANS-Me´ von CF5 ergab eine im Vergleich zu den Saethre-Chotzen- und Crouzon-Syndrom-Patienten längere Strecke. Dies bestätigt das längere Untergesicht und den häufig anterior offenen Biß bei Apert-Patienten. Die kephalometrische Analyse nach Delaire ermöglicht es, mit relativ einfachen Mitteln eine signifikante Aussage hinsichtlich der Unterschiede zwischen den einzelnen syndromalen Kraniosynostosen zu treffen. Dies beinhaltet die Möglichkeit, die folgende Diagnostik zu erleichtern. Das erforderliche laterale Fernröntgenbild wird generell zur eingehenderen Untersuchung erstellt und die spezifischen Strecken der Analyse nach Delaire sind schnell und bei entsprechender Bildqualität, eindeutig zu ermitteln. Die präoperativ spezifisch zuzuordnenden Strecken sind: C1 und insbesondere die Teilstrecke CP-OI, die beim Saethre-Chotzen-Syndrom signifikant kürzer als beim Crouzon- und beim Apert-Syndrom gemessen wurde; C3, die ebenfalls beim Saethre-Chotzen-Syndrom signifikant kürzer ist; CF1, CF2 und CF3, die v.a. beim Apert-Syndrom verlängert auftreten; CF4, die beim Saethre-Chotzen-Syndrom kürzer ist als bei Crouzon; Die präoperative Vermessung der Strecke C1 ergab bei den Saethre-Chotzen-Patienten einen Mittelwert MW von 12,60 cm, bei den Crouzon-Patienten einen Mittelwert MW von 14,90 cm (p=0,0032**), wobei sich für die Teilstrecke CP-OI beim Saethre- Chotzen-Syndrom ein MW von 5,60 cm und beim Crouzon-Syndrom ein MW von 7,30 cm (p=0,0038**) herausstellte. Bei der präoperativen Strecke C3 lag MW für die Saethre-Chotzen-Patienten bei 13,90 cm und für die Crouzon-Patienten bei 16,00 cm (p=0,0016**). Die Strecke CF1 zeigte präoperativ zwischen dem Saethre-Chotzen-Syndrom (mit dem MW von 18,90 cm), und dem Crouzon-Syndrom (mit dem MW von 16,10 cm) einen signifikanten Unterschied (p=0,020*). Auch bei CF4 waren präoperativ signifikante Unterschiede feststellbar. Die Saethre- Chotzen-Patienten wiesen einen MW von 12,40 cm auf, wohingegen die Crouzon- Patienten einen MW von 14,10 cm erreichten (p=0,030*). Die „Architekturelle und Strukturelle Kraniofaziale Analyse“ nach Delaire sollte als eine echte Alternative im Vergleich zur herkömmlichen Kephalometrie gesehen werden. Die in dieser Arbeit dargestellten Untersuchungen und Messungen bestätigen das, was Delaire 1981 postulierte: „Die architekturelle und strukturelle kraniofaziale Analyse stellt die Balance zwischen Neuro- und Viszerokranium dar und birgt so die Möglichkeit die Schädelbasis und das Schädeldach, und dann auch das Gesicht mit dem gesamten Schädel und der kraniospinalen Artikulation in Relation zu setzen. Unabhängig von statistischen Durchschnitten werden die individuellen Merkmale und Proportionen des Skelettes untersucht. Diese Analyse-Methode ist besonders für den Chirurgen interessant, da sie alle maxillofazialen Deformitäten und pathologischen Balancen die korrigiert werden müssen, klar darstellt. Gerade bei gravierenden kraniofazialen Malformationen bietet sie eine bessere Möglichkeit die verschiedenen kranialen und fazialen Anomalien aufzuzeigen, die gerade diese Situation charakterisieren“ (Delaire et al. 1981).