#Virtuelle Reise durch die „Raupe der Forschung“

Video: © Fraunhofer IME, Dr. Anton Windfelder

Das Innere eines besonderen Modell-Tiers der medizinischen Forschung lässt sich nun interaktiv und per 3D-Brille erkunden: Anhand von CT-Scan-Daten haben deutsche Wissenschaftler ein virtuelles Abbild der Anatomie der Tabakschwärmer-Raupe entwickelt. Dies führte bereits zu Neuentdeckungen im Verdauungstrakt der Larven. Das System kann jetzt der Erforschung von menschlichen Darmkrankheiten wie Morbus Crohn zugutekommen sowie in der universitären Lehre zum Einsatz kommen, sagen die Wissenschaftler.

Am Bildschirm oder mittels 3D-Brille interaktiv durch den Körper scrollen: Durch die Technologie der Virtual Reality ist dies im Fall des menschlichen Körpers bereits möglich. Die besonders eingängige Visualisierung anatomischer Strukturen kann Medizinern und Forschern dabei wichtige Hinweise liefern. Bisher gab es eine solche Möglichkeit der Darstellung aber nicht im Fall eines besonderen Modellorganismus: Vor allem bei der Erforschung von menschlichen Darmkrankheiten wie Morbus Crohn werden die bis zu acht Zentimeter langen Raupen des Tabakschwärmers (Manduca sexta) eingesetzt. „Der Darm von Säugetieren und Insekten ist in vielen Bereichen miteinander vergleichbar. Dies gilt insbesondere für das angeborene Immunsystem. Wenn wir chronische entzündliche Darmerkrankungen beim Tabakschwärmer verstehen, kann dies der Humanmedizin wichtige Hinweise liefern“, erklärt Erst-Autor Anton Windfelder von der Justus-Liebig-Universität Gießen.

Von CT-Scans zum 3D-Modell

Dazu sollte die Anatomie des Verdauungstrakts des Modelltiers natürlich so detailliert wie möglich bekannt sein. Um mehr Einblicke zu ermöglichen, haben Windfelder und seine Kollegen zunächst bildgebende Daten aus dem Inneren der Raupen mittels der Technik der Mikro-Computertomographie gewonnen. Dabei kam ein klinisches Kontrastmittel zum Einsatz, das eine hochauflösende Analyse der Strukturen ermöglichte. Aus den Informationen konnte das interdisziplinäre Forscherteam dann ein dreidimensionales Modell der inneren Anatomie der Larven entwickeln. Außerdem ließen sich die Forschungsdaten zur interaktiven Visualisierung in der virtuellen Realität aufbereiten.

Wie sich zeigte, hat sich der Aufwand gelohnt: Das Team entdeckte mithilfe der Ergebnisse bisher unbekannte anatomische Strukturen im Darm der Insektenlarven. Dabei handelt es sich um eine Kropf-Struktur, mehrere Blinddärme und weitere Besonderheiten. „Wir sind vom komplexen hexagonalen Faltenmuster überrascht – es zieht sich durch den gesamten Mittel- und Hinterdarm und hängt womöglich mit der Wasserresorption im Hinterdarm zusammen. Mit traditioneller Lichtmikroskopie war das bisher so nicht darstellbar“, sagt Co-Autor Andreas Vilcinskas vom Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie in Gießen. Auf Grundlage der Daten war es zudem erstmals möglich, das Darmvolumen der Tabakschwärmer-Raupen genau zu berechnen. Bei diesen sehr großen Insektenlarven umfasst es demnach rund 1,4 Milliliter, was etwa dem Darmvolumen einer Maus entspricht.

Potenzial für Biologie, Medizin und Lehre

Dieses Ergebnis ist wiederum für die medizinische Forschung an den Raupen wichtig, denn mit den Informationen lassen sich Dosierungen bestimmter Substanzen besser einstellen, sagen die Wissenschaftler. „Wir können so beispielsweise neue Medikamente gegen chronische Darmerkrankungen wie Morbus Crohn erforschen“, sagt Co-Autorin Gabriele Krombach von der Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie in Gießen.

Um die Wirksamkeit an dem Modelltier zu untersuchen, können Entzündungen in der Darmwand mithilfe von Kontrastmitteln sichtbar gemacht und anschließend durch Computertomographie erfasst werden. Die neuen Einblicke und technischen Möglichkeiten können nun dabei helfen, solche Untersuchungen besser zu planen und die Resultate auszuwerten, erklären die Forscher.

Abschließend hebt das Team hervor, dass die neue Methodik auch Studierenden zugutekommen kann: Im Rahmen seiner Lehrveranstaltungen zum Medizinstudium schickt Windfelder die Teilnehmer nun mithilfe von 3D-Brillen auf die Reise durch das Innere der Raupe. „Die virtuelle Realität ist ein Game-Changer und wird die Lehre revolutionieren“, ist der Wissenschaftler überzeugt. Für alle anderen Interessierten sind jetzt außerdem verschiedene animierte 3D-Videos aus dem Körper der Tabakschwärmer-Raupe online zugänglich.

Quelle: Justus-Liebig-Universität Gießen, Fachartikel: iScience, doi: 10.1016/j.isci.2023.106801

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