Neuer anatomischer 3D-Atlas des Afrikanischen Krallenfrosches verbessert das Verständnis von Entwicklungs- und Metamorphoseprozessen

Ein anatomischer 3D-Atlas des Modellorganismus Xenopus laevis (der afrikanische Krallenfrosch) ist jetzt verfügbar, um Forschern dabei zu helfen, die Embryonalentwicklung und Metamorphose zu verstehen, den faszinierenden Prozess, durch den sich eine Kaulquappe in einen ausgewachsenen Frosch verwandelt.

Die mangelnde Verfügbarkeit dieser Art von Daten hat die Fähigkeit, diese komplexen Prozesse einzuschätzen und zu verstehen, erheblich eingeschränkt. Um den Zugang und die Interaktivität für Forscher, Naturwissenschaftspädagogen und sogar 3D-Druck-Enthusiasten zu verbessern, wurden diese Daten in einbettbare digitale Dateien umgewandelt, die für die 3D-Visualisierung mit Sketchfab frei verfügbar sind, und in 3D-Druckdateien, die auf Thingiverse verfügbar sind. 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 Wirbeltiermodellorganismus für Studien in der Entwicklungsbiologie und anderen Disziplinen entwickelt, da zahlreiche Arten von Daten verfügbar sind, von grundlegenden Transplantationsexperimenten bis hin zum Bereich der Embryologie im frühen 20. Jahrhundert Jahrhundert bis hin zu aktuellen Experimenten mit hochwertiger Genomsequenzierungstechnologie.

Dieser leicht aufzuziehende Frosch eignet sich besonders für Studien zur Neuorganisation des Körperbaus während der großen Veränderungen, die auftreten, wenn sich die Kaulquappe in einen erwachsenen Frosch verwandelt, ein Prozess, der Metamorphose genannt wird. Um jedoch Fortschritte beim Verständnis dieser Prozesse zu erzielen, ist es unbedingt erforderlich, über eine zusätzliche Art von Daten zu verfügen.

Dr. Jakub Harnos von der Masaryk-Universität (Tschechische Republik), einer der leitenden Wissenschaftler der Studie, erklärt, dass es „eine bemerkenswerte Lücke in der Verfügbarkeit umfassender Datensätze gibt, die die späteren Entwicklungsstadien von Xenopus abdecken“.

Um diese Lücke zu schließen, hat das Forschungsteam nun diese fehlenden Daten bereitgestellt. Die Autoren verwendeten Röntgenmikrotomographie, ein 3D-Bildgebungsverfahren, um einen anatomischen Atlas zu erstellen, um die verschiedenen Stadien der Entwicklung von X. laevis genauer zu beschreiben. Durch eine detaillierte Analyse ihrer 3D-Rekonstruktionen in verschiedenen Entwicklungsstadien konnten die Autoren wichtige Veränderungen identifizieren, die während anatomischer Transformationen in Stadien von der Kaulquappe über den kleinen Frosch bis zum erwachsenen Erwachsenen auftreten.

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Formänderungen, die mit diesen neuen hochauflösenden Daten detailliert verfolgt werden können, ist die Anpassung der Position der sich entwickelnden Froschaugen und der genaue Zeitpunkt dieser Änderung. Mit fortschreitender Entwicklung nimmt der Abstand zwischen den Augen allmählich ab.

„Diese Anpassung passt gut zur Lebensstrategie des Frosches, der sich von einer im Wasser lebenden Kaulquappe mit seitlichen Augen zu einem Erwachsenen entwickelt, dessen Augen oben auf dem Kopf positioniert sind und so einen Lebensstil unter Wasser führen, der an Krokodile erinnert“, bemerken die Autoren.

Auch der Darm des Frosches erfährt während der Metamorphose einen erheblichen Umbau. Innerhalb von 8 Tagen verkürzt sich der Darm um etwa 75 % und das Wickelmuster verändert sich dramatisch. Dieser mit anderen Methoden nur schwer zu untersuchende Vorgang lässt sich mithilfe der von den Forschern durchgeführten Röntgenmikrotomographie im Detail verfolgen.

Weitere anatomische Fakten, die der neue 3D-Atlas in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung hervorhebt, sind die Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Fröschen (die Weibchen sind insgesamt größer) und die sehr subtile Positionierung der Zähne der Frösche, die sich dahinter verbergen der Oberkieferbogen.

„Unsere Studie stellt alle Röntgenmikrotomographiedaten offen zur Verfügung und ermöglicht es anderen Forschern, Weich- und Hartgewebe in diesem wichtigen Wirbeltiermodell mit einem beispiellosen Detaillierungsgrad zu untersuchen“, betont Dr. Harnos.

Um Wissenschaftlern, Pädagogen und der 3D-Druck-Community einen einfachen Zugang zu druckbaren Modellen zu ermöglichen, ist auf der Designplattform Thingiverse eine Sammlung von 40 oberflächengerenderten 3D-Modellen aus dem Anatomischen Atlas von Xenopus laevis verfügbar. Einbettbare digitale Modelle können auch von der Sketchfab-Website heruntergeladen werden und sind in der Forschungsarbeit sichtbar.