WHOLISTIC macht die Kommunikation von Zellen im ganzen Zebrafisch sichtbar

Der Körper funktioniert nicht Organ für Organ. Nervenaktivität, Blutkreislauf, Verdauung und Sinnesreaktionen können sich gleichzeitig verändern und gegenseitig beeinflussen. Bisherige Live-Bildgebung erfasste jedoch meist nur ein Gewebe oder ein einzelnes Organ. WHOLISTIC soll diese Lücke schließen: Das Kürzel steht für WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity.

Die Methode wurde für transparente junge Zebrafische (Danio rerio) entwickelt. Sie verbindet schnelle 3D-Fluoreszenzmikroskopie, genetisch kodierte Kalziumsensoren und computergestützte Auswertung. So lässt sich die zeitlich wechselnde Aktivität von Zellen im gesamten Körper im Sekundenbereich beobachten. 2

So funktioniert die Ganzkörperaufnahme

Zebrafischlarven sind transparent; dadurch können innere Gewebe optisch untersucht werden. Die Tiere tragen Kalziumsensoren in vielen Zellen. Verändert sich deren Fluoreszenz, liefert das einen Hinweis auf Veränderungen der intrazellulären Kalziumdynamik.

Das ist ein aussagekräftiger Aktivitätsmarker, aber kein direkter Nachweis synaptischer Verbindungen. Aus übereinstimmenden Kalziumsignalen lässt sich also nicht allein ableiten, dass eine Zelle die Reaktion einer anderen verursacht hat. 2

WHOLISTIC kombiniert dafür drei Bausteine:

• Volumetrische Fluoreszenzmikroskopie: Wiederholt entsteht ein dreidimensionales Bild des Tiers statt nur einer einzelnen Bildebene. 2
• Zellübergreifende Kalziummarkierung: Die Aktivität wird in unterschiedlichen Zelltypen und Organsystemen sichtbar – nicht ausschließlich in Nervenzellen. 2
• Computergestützte Auswertung und maschinelles Lernen: Die Verfahren helfen, aktive Zellstrukturen zu erkennen und die sehr großen Datensätze in interpretierbare Muster zu ordnen. 2

Damit wird es möglich, zelluläre Dynamik im lebenden Organismus in Echtzeit zu erfassen. Der entscheidende Perspektivwechsel: Mögliche Verbindungen zwischen Organen können innerhalb desselben Experiments sichtbar werden. 2

Was die Aufnahmen zeigen

Sauerstoffmangel lenkt den Blutfluss um

Unter Sauerstoffmangel registrierte WHOLISTIC koordinierte Aktivität zusammen mit Veränderungen im Kreislauf. Die WHOLISTIC-Galerie von Janelia zeigt bei Hypoxie einen verringerten Blutfluss im Mesenterialbereich – dem Gewebe um die Darmgefäße – sowie einen stärkeren Fluss in Richtung Gehirn und Herz. 8

Solche Beobachtungen können neuronale und kardiovaskuläre Reaktionen in einem einzigen Versuch zusammenführen. Sie passen zu der Annahme, dass der Körper die Sauerstoffversorgung lebenswichtiger Organe priorisiert. Den genauen ursächlichen Schaltkreis müssen gezielte Folgeexperimente allerdings erst noch klären. 28

Rückenmark und Ependymzellen

Die Plattform fand außerdem koordinierte Dynamiken im Rückenmark und in Ependymzellen. Diese Zellen kleiden das Ventrikelsystem des Gehirns aus. Die Beobachtung weist darauf hin, dass relevante Aktivitätsmuster über klassische, ausschließlich neuronenzentrierte Karten hinausgehen. 2

Die Ergebnisse liefern einen Ansatzpunkt für weitere Forschung: Zustandsabhängige Aktivität von Ependymzellen könnte mit schlafbezogener Physiologie zusammenhängen. Kalziumkorrelationen allein belegen eine Funktion im Schlaf jedoch nicht. WHOLISTIC kann solche Kandidaten im ganzen Körper aufspüren; anschließend lassen sie sich mit gezielteren Eingriffen prüfen. 2

Ketamin wirkt über Gewebegrenzen hinweg

Arzneimittel können mehrere Zelltypen und anatomische Bereiche gleichzeitig beeinflussen. Bei akuter Ketamin-Exposition beobachteten die Forschenden mit WHOLISTIC Effekte sowohl im Nervengewebe als auch in den Hirnhäuten, den Meningen. 2

Das unterstreicht einen praktischen Vorteil der Methode: Eine Messung, die nur auf Neuronen schaut, könnte Reaktionen benachbarter nicht-neuronaler Gewebe übersehen. Die Ganzkörperbildgebung bringt solche Effekte in demselben Experiment zusammen. 2

Kälteempfindliche, knorpelassoziierte Zellen

Auch bei Abkühlung wurden Kalziumreaktionen in knorpelassoziierten Zellen sichtbar. Das legt nahe, dass temperaturbezogene Aktivität nicht auf das Nervensystem beschränkt ist. Zugleich zeigt das Ergebnis, wie breit angelegte Zellbildgebung unerwartete mögliche sensorische Rollen nicht-neuronaler Gewebe aufdecken kann. 2

Warum WHOLISTIC wichtig ist

WHOLISTIC überträgt die Idee der Ganzhirnbildgebung beim Zebrafisch auf den übrigen Körper. Bereits 2013 zeigte die Ganzhirnbildgebung, dass sich neuronale Aktivität im gesamten Gehirn transparenter Wirbeltiere gleichzeitig aufzeichnen lässt. Der neue Ansatz erweitert den Blick nun auf mehrere Organsysteme und Zelltypen zugleich. 52

Das ist besonders für Fragen relevant, bei denen Biologie mehrere Systeme umfasst: Wie koordiniert das Gehirn den Kreislauf unter Stress? Wie wirken Medikamente auf neuronale und nicht-neuronale Gewebe? Oder wie werden Sinnesreize außerhalb klassischer neuronaler Bahnen verarbeitet? WHOLISTIC beansprucht nicht, bereits eine vollständige Kausalkarte zu liefern. Die Methode erstellt vielmehr eine körperweite Aktivitätskarte, die prüfenswerte Zusammenhänge sichtbar macht. 2

Ein ausbaufähiger Ansatz

Janelia stellt die zugrunde liegende Arbeit als Forschungsressource rund um hochentwickelte Mikroskopie und computergestützte Analyse vor. Zur WHOLISTIC-Website gehören auch Visualisierungen wie die Umleitung des Blutflusses bei Sauerstoffmangel. 28

Über Zebrafischlarven hinaus könnte der kleine Fisch Danionella interessant sein: Selbst erwachsene Tiere bleiben sehr klein, sodass sich Aktivität im gesamten entwickelten Gehirn aufzeichnen lässt. Das eröffnet Forschung zu einem weiter entwickelten Verhaltensrepertoire. Unabhängig davon berichtet Janelia, dass seine Ganzkörper-Expansionsmikroskopie auch mit ausgewachsenen Danionella-Proben funktioniert. 114

Die zentrale Einschränkung bleibt: Kalziumbildgebung zeigt korrelierte zelluläre Dynamik. Sie weist für sich allein weder direkte Verbindungen nach noch erklärt sie alle molekularen Mechanismen oder beweist Kausalität. Die Stärke von WHOLISTIC liegt darin, Hypothesen über das Zusammenspiel von Organen in einem lebenden Wirbeltier auf einer bislang schwer zugänglichen Skala sichtbar zu machen. 2