Neuer 3D-Anatomieatlas des Afrikanischen Krallenfrosches verbessert Verständnis von Entwicklung und Metamorphose

Ein dreidimensionaler Anatomieatlas des Modellorganismus Xenopus laevis (Afrikanischer Krallenfrosch) ist jetzt verfügbar, um Forschern dabei zu helfen, die embryonale Entwicklung und Metamorphose zu verstehen – den faszinierenden Prozess, bei dem sich eine Kaulquappe in einen erwachsenen Frosch verwandelt.

Die mangelnde Verfügbarkeit dieser Art von Daten hat die Möglichkeiten zur Bewertung und zum Verständnis dieser komplexen Prozesse stark eingeschränkt. Um den Zugang und die Interaktivität für Forscher, Wissenschaftspädagogen und sogar 3D-Druck-Enthusiasten zu verbessern, wurden diese Daten in frei verfügbare, einbettbare digitale Dateien für die 3D-Ansicht mit Sketchfab und als 3D-Druckdateien auf Thingiverse umgewandelt. Diese Arbeit wurde zusammen mit allen verfügbaren Daten in der Zeitschrift veröffentlicht GigaScience.

Der Afrikanische Krallenfrosch (Xenopus laevis) hat sich zu einem gut verstandenen und vielseitigen Wirbeltier-Modellorganismus für Studien in der Entwicklungsbiologie und anderen Disziplinen entwickelt. Dies ist auf die Verfügbarkeit vielfältiger Datentypen zurückzuführen, von grundlegenden Transplantationsexperimenten im Bereich der Embryologie im frühen 20. Jahrhundert bis hin zu heutigen Experimenten unter Einsatz hochwertiger Genomsequenzierungstechnologie.

Dieser leicht zu züchtende Frosch eignet sich besonders für Studien zur Neuorganisation des Körperbaus während der großen Veränderungen, die bei der Verwandlung der Kaulquappe in einen erwachsenen Frosch auftreten (ein Prozess, der Metamorphose genannt wird). Um diese Prozesse jedoch besser zu verstehen, besteht ein großer Bedarf an zusätzlichen Daten.

Dr. Jakub Harnos von der Masaryk-Universität (Tschechische Republik), einer der leitenden Wissenschaftler der Studie, erklärt, dass „eine erhebliche Lücke hinsichtlich der Verfügbarkeit umfassender Datensätze besteht, die die späten Entwicklungsstadien von Xenopus umfassen.“

Um diese Lücke zu füllen, stellt das Forscherteam nun diese fehlenden Daten zur Verfügung. Die Autoren verwendeten Röntgenmikrotomographie, eine 3D-Bildgebungstechnik, um einen anatomischen Atlas zu erstellen, der die verschiedenen Stadien der Entwicklung von X. laevis genauer beschreibt. Durch detaillierte Analysen ihrer 3D-Rekonstruktionen der verschiedenen Entwicklungsstadien konnten die Autoren wichtige Veränderungen bestimmen, die während der anatomischen Transformationen in den Stadien von der Kaulquappe über das Jungfröschchen bis zum erwachsenen Tier auftreten.

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Formveränderungen, die mit diesen neuen hochauflösenden Daten detailliert verfolgt werden können, ist die Anpassung der Position der sich entwickelnden Froschaugen und der genaue Zeitpunkt dieser Veränderung. Mit fortschreitender Entwicklung verringert sich der Abstand zwischen den Augen zunehmend.

„Diese Anpassung passt gut zur Lebensstrategie des Frosches, der sich von einer im Wasser lebenden Kaulquappe mit seitlichen Augen zu einem erwachsenen Tier mit oben auf dem Kopf positionierten Augen entwickelt und einen unter Wasser lebenden Lebensstil führt, der an Krokodile erinnert“, stellen die Autoren fest.

Auch der Darm des Frosches wird während der Metamorphose erheblich umgestaltet. Innerhalb von 8 Tagen verkürzt sich der Darm um etwa 75 %, und das Windungsmuster ändert sich drastisch. Dieser Prozess, der mit anderen Methoden nur schwer zu untersuchen ist, kann mithilfe der von den Forschern erstellten Röntgenmikrotomografie im Detail verfolgt werden.

Weitere anatomische Fakten, die im neuen 3D-Atlas in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung dargestellt werden, sind die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Fröschen (Weibchen sind insgesamt größer) und die sehr subtile Positionierung der Zähne von X. laevis, die hinter dem Oberkieferbogen verborgen sind.

„Unsere Studie stellt sämtliche Daten der Röntgen-Mikrotomographie offen zur Verfügung und ermöglicht es anderen Forschern, sowohl weiche als auch harte Gewebe in diesem wichtigen Wirbeltiermodell in beispiellosem Detail zu untersuchen“, betont Dr. Harnos.

Um Wissenschaftlern, Pädagogen und der 3D-Druck-Community einen einfachen Zugang zu druckbaren Modellen zu ermöglichen, steht auf der Designplattform Thingiverse eine Sammlung von 40 oberflächengerenderten 3D-Modellen aus dem anatomischen Atlas des Xenopus laevis zur Verfügung. Einbettbare digitale Modelle können auch von der Sketchfab-Website heruntergeladen und im Forschungspapier angezeigt werden.