WHOLISTIC zeigt, wie Zellen im ganzen Körper kommunizieren

Die Biologie – die Wissenschaft von Lebewesen – kann die Wirklichkeit mitunter zu stark vereinfachen.

Je nachdem, aus welchem Blickwinkel ein Organismus betrachtet wird, lassen sich wichtige Zusammenhänge leicht übersehen. Mikroskope machen feinste Details eines Körpers sichtbar, Sektionen haben geholfen, unterschiedliche Organe zu bestimmen, und Röntgenaufnahmen liefern einen Überblick über grössere innere Systeme.

WHOLISTIC macht Kommunikation im ganzen Organismus sichtbar

Bislang war es jedoch schwierig zu beobachten, wie lebende Zellen über diese Systeme hinweg miteinander kommunizieren. Traditionell wurden sie getrennt untersucht, obwohl unser Körper letztlich als zusammenhängendes Ganzes funktioniert.

Nun haben Forschende einen Weg gefunden, Zellen aus weit voneinander entfernten Körperbereichen bei ihrer Kommunikation zu beobachten. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature vorgestellt.

„Diese Arbeit verbindet zwei grundlegende Ebenen der Biologie – die Zelle und den Organismus –, sodass wir diese Beobachtungslücke nun schliessen können“, sagt die Computational-Neurowissenschafterin Virginie Ruetten. Sie entwickelte die Technik gemeinsam mit einem Team des Howard Hughes Medical Institute in den USA.

„Einige wirklich grundlegende Eigenschaften blieben bislang verborgen, weil es sehr schwierig war, zelluläre Reaktionen in diesem Massstab zu untersuchen.“

Die neue Bildgebungstechnik trägt den Namen WHOLISTIC, kurz für „WHole-Organism Live-Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity“. Sie zeichnet die Zellaktivität im gesamten Körper Sekunde für Sekunde auf.

Bisher nutzten Ruetten und ihr Team die Methode, um Signalübertragungen in Echtzeit bei von Natur aus durchsichtigen Tieren abzubilden: zunächst bei Zebrafischlarven, anschliessend bei einer weiteren Süsswasserfischart, Danionella cerebrum, die auch als erwachsene Tiere durchsichtig bleibt.

Beide Fischarten sind bedeutende Modellorganismen für die wissenschaftliche Forschung.

Wenn sichtbar wird, wie die Zellen ihrer Körper über verschiedene Organsysteme hinweg kommunizieren, könnte dies Forschenden auch helfen zu verstehen, wie vergleichbare Systeme im menschlichen Körper arbeiten.

Kalziumsignale in Zebrafischen und Danionella cerebrum

Kalzium dient Zellen als nahezu universelles Kommunikationssignal und ist an verschiedensten biologischen Vorgängen beteiligt. Es unterstützt die Muskelkontraktion und das Auslösen von Synapsen; ausserdem ist es sowohl zu Beginn des Lebens bei der Befruchtung von Keimzellen als auch am Ende bei der programmierten Zelltodsteuerung entscheidend.

Bei WHOLISTIC werden mittels Gentechnik fast alle Körperzellen dazu gebracht, fluoreszierende Kalziumsensoren zu bilden. Verändert sich der Kalziumspiegel in den Zellen, beginnen diese Sensoren tatsächlich zu leuchten.

„Wir wissen, dass die Evolution funktionsfähige Organismen hervorgebracht hat, aber es war der Evolution egal, ob eine Entscheidung im präfrontalen Kortex des Gehirns oder über eine Verbindung zwischen Hirnstamm und Blase umgesetzt wurde“, sagt der Neurowissenschafter Misha Ahrens, in dessen Labor die Forschung durchgeführt wurde.

„Damit können nun all diese Bereiche – Physiologie, Neurowissenschaften, Verhalten und Zellbiologie – zusammengeführt und im selben Tier untersucht werden.“

Der Ansatz zur Bildgebung des gesamten Körpers hat bereits einige unerwartete Erkenntnisse geliefert.

So beobachteten die Wissenschafter, dass Kalziumsensoren in den Chondrozyten eines Fisches – den wichtigsten Zellen des Knorpelgewebes – als Reaktion auf Kälte aufleuchteten.

Überrascht waren sie auch, dass die schützenden Gewebeschichten des Gehirns, die Hirnhäute, und nicht nur dessen Neuronen auf Ketamin reagierten.

Aus einer weiter gefassten Perspektive wurden zudem die Rhythmen des Körpers so deutlich sichtbar wie noch nie.

„Im Massstab mehrerer Organe offenbarte sie bislang unbekannte Muskel-Synergien sowie Wechselwirkungen zwischen Muskeln und Organen“, berichten die Autorinnen und Autoren in ihrer Studie.

„Auf der Ebene des gesamten Organismus erfasste die Methode eine vom Hirnstamm gesteuerte Umverteilung des Blutflusses im ganzen Körper.“

Das Team hofft, dass Wissenschafterinnen und Wissenschafter weltweit die Methode für ihre eigene Forschung übernehmen können. Dadurch könnten sie beispiellose Einblicke in den Körper als Ganzes gewinnen.

Die Forschung wurde in Nature veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Rebecca Dyer auf Fakten geprüft und von Rebecca Dyer redigiert. Wir sind zwar stolz auf unseren Prozess, aber auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.