Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature: Röntgentomographie am lebenden Froschembryo

16.05.2013
Schon klassische Röntgenbilder erlauben es, in das Körperinnere von Lebewesen zu schauen. Nun liefern Röntgenstrahlen auch Informationen über die frühe Embryonalentwicklung von Wirbeltieren.

Im Fachmagazin Nature stellt ein deutsch-russisch-amerikanisches Forscherteam unter Leitung des KIT die neue Methode vor. Über zwei Stunden hinweg beobachteten sie die frühe embryonale Entwicklung des Afrikanischen Krallenfrosches mit zellularer Auflösung und in 3-D. Dazu nutzen sie statt der Absorption von Röntgenwellen, deren Beugung


Röntgenphasenkontrast-Tomografie: Der frühe Froschembryo in zellularer Auflösung (links) und mit Zell- und Gewebebewegung über Flussfeldalgorithmen (rechts).
(Bild: Alexey Ershov /KIT)

„Beugung von Röntgenstrahlung an Gewebe stellt eine hochauflösende Bildgebungsmethode für weiche Gewebe dar“, erklärt Ralf Hofmann, einer der Autoren der Studie und Physiker am KIT. „In unserer Studie konnten wir nicht nur einzelne Zellen und Teile derer Struktur auflösen, sondern auch die Wanderbewegung von Zellen und Zellverbänden.“

Die Röntgenbeugung erlaubt es, ähnliche Gewebe aufgrund winziger Variationen des Brechungsindexes zu unterscheiden. Sie kommt aber im Vergleich zur klassischen Absorptionsbildgebung ohne Kontrastmittel und mit geringeren Röntgendosen aus. Dies ist insbesondere bei empfindlichen Geweben wie bei Froschembryos von enormem Vorteil. In der Studie interessierten sich die Forscher insbesondere für die Verschiebungen und Formveränderungen der Zellverbände während der sogenannten Gastrulation.

Während der Gastrulation kommt es zur Ausbildung und Spezialisierung der Gewebestrukturen, sodass aus einer zunächst ballonförmigen Anordnung von wenigen Hundert Zellen ein komplexer Organismus mit differenzierten Geweben wie Nervenbahnen, Muskeln und inneren Organen entstehen kann. Dem renommierten Entwicklungsbiologen Lewis Wolpert wird in dem Zusammenhang der Satz zugeschrieben, dass „nicht die Geburt, die Hochzeit oder der Tod, sondern die Gastrulation der wichtigste Zeitpunkt für dein Leben ist.“

„Mit Hilfe der Röntgenbeugung konnten wir nun dabei zuschauen, welche koordinierten und individuellen Zellbewegungen während der Gastrulation ablaufen“, stellt der Zoologe Jubin Kashef, Coautor und Nachwuchsgruppenleiter am KIT, fest. Erstmals wurde am lebenden Embryo nachvollzogen, wie Zellen gemeinschaftlich agieren und dabei flüssigkeitsgefüllte Hohlräume entstehen und vergehen. „Es ist wie bei einer Völkerwanderung.“ Stimuliert durch die Wanderbewegung einzelner Zellgruppen beteiligen sich weitere Zellen. Sie bilden Zellverbände, die nicht nur gemeinsame Wegstrecken absolvieren, sondern sich während der Wanderung und in Abhängigkeit von ihrer Umgebung verändern. Dabei gruppieren sich Zellen neu, um Gewebearten der zukünftigen Organe, etwa dem Gehirn oder der Haut, zu bilden.

„Es ist faszinierend, diese Prozesse am einzelnen, lebenden Froschembryo – quasi live - ablaufen zu sehen“, so Hofmann und Kashef. „Wir gewinnen dadurch wichtige, grundlegende Erkenntnisse.“ Dies gilt sowohl für morphologische und dynamische Aspekte der Embryonalentwicklung als auch für die Klärung zugrunde liegender molekularbiologischer Mechanismen. Der Afrikanische Krallenfrosch (Xenopus Laevis) ist eines der wichtigsten Modellsysteme für die Entwicklungsbiologie und erlaubt die Untersuchung auch für Menschen und andere Säugetiere relevanter Entwicklungsmechanismen. In weiteren Studien könnten nun die abweichende Ausprägung von Merkmalen mit dem gezielten Ausschalten von Schlüssel-Eiweißen korreliert werden. Die neue Untersuchungsmethode, die aus dem Ineinandergreifen modernster Röntgenmesstechnik, intelligenter Bildanalyse und Biologie entsprungen ist, soll dazu an den Synchrotronanlagen ANKA in Karlsruhe und APS in Chicago fest etabliert und einem breiten wissenschaftlichen Anwenderkreis verschiedener Lebenswissenschaften zur Verfügung gestellt werden.

Für die Studie nutzte die Forschergruppe des KIT unterstützt von Biologen der Northwestern University kohärente Röntgenstrahlung aus der Synchrotronstrahlungsquelle Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory in Chicago. Die Methodenentwicklung dafür war zuvor an der Synchrotronstrahlungsquelle ANKA des KIT erfolgt. Bei der konkreten Messung durchläuft ein kohärentes Bündel von Röntgenlicht den noch kugelförmigen, rund ein millimeter-großen Froschembryo, der sich in 18 Sekunden ein halbes Mal um seine Achse drehte. Diese Variation der Durchstrahlungswinkel erlaubt es ein tomografisches dreidimensionales Bild zu erzeugen. Da das Licht die verschiedenen Gewebearten mit verschiedenen Brechungsindizes unterschiedlich schnell durchläuft, kommt es zur Beugung, die in einiger Entfernung nach Austritt aus dem Embryo durch Interferenzeffekte eine charakteristische Intensitätsverteilung entstehen lässt. In den 18 Sekunden der tomografischen Aufnahme wurden rund 1200 Bilder unter verschiedenen Durchstrahlungswinkeln aufgenommen. Jedes Bild besteht wie bei einer digitalen Fotokamera aus einigen Millionen Bildpunkten.

Aus dieser Flut von Bilddaten werden die dreidimensionale Struktur und die zeitliche Entwicklung des Embryos mit Mikrometerauflösung errechnet. Die dafür maßgeschneiderten Algorithmen der dreidimensionalen Bildrekonstruktionen der sogenannten Röntgen-Phasenkontrast-Mikrotomografie und der darauf aufbauenden Bild- und Bewegungsanalyse wurden an ANKA am KIT entwickelt. Wiederholt man den Prozess im Abstand einiger Minuten, so entsteht eine ganze Abfolge von 3-D-Bildern, die den zeitlichen Ablauf der Gastrulation im gesamten Embryo wiedergibt.

Wichtige Ergebnisse der aktuellen Studie sind die Entdeckung neuartiger morphologischer Strukturen, definitive Aussagen über den Ablauf von Flüssigkeitsumverteilungsprozessen sowie die Lokalisierung von Antriebszentren für die Gewebe- und Zellwanderung über sogenannte differentielle Flussfelder.

Referenz:
J. Moosmann, A. Ershov, V. Altapova, T. Baumbach, M. S. Prasad, C. LaBonne, X. Xiao, J. Kashef, and R. Hofmann, „X-ray phase-contrast in vivo mictotomography probes new aspects of Xenopus gastrulation“, Nature (2013), doi:10.1038/nature12116.

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Weiterer Kontakt:
Kosta Schinarakis, PKM – Themenscout, Tel.: +49 721 608 41956, Fax: +49 721 608 43658, E-Mail: schinarakis@kit.edu

Monika Landgraf | idw
Weitere Informationen:
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019
24.06.2019 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht Wie man Wellen an die richtige Stelle biegt
24.06.2019 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Plastik: Mehr Kreislauf gegen die Krise gefordert

21.06.2019 | Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Künstliche Intelligenz preisgekrönt „Made in Germany“

24.06.2019 | Förderungen Preise

Laserlicht spürt Tumore auf: Jenaer Forscher präsentieren neuartiges Gerät zur operationsbegleitenden Krebsdiagnose

21.06.2019 | Medizintechnik

Künstliche Intelligenz lernt Nervenzellen am Aussehen zu erkennen

21.06.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics