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Herzensangelegenheit Neue Technik macht Fliegen-Herzschlag sichtbar

| Autor / Redakteur: Dr. Christina Heimken* / Christian Lüttmann

Winzigen Fliegen ins Herz geblickt: Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben eine neue Methode entwickelt, um den Herzschlag lebender Taufliegen-Puppen sichtbar zu machen. Dies könnte auch das Verständnis menschlicher Herz-Kreislauf-Erkrankungen verbessern.

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Eine Drosophila-Puppe, aufgenommen auf dem FIM-Tisch (der Kopf liegt im Bild oben, die Aufnahme wurde von der Rückenseite aus gemacht). Im rechten Bild sind wichtige Organe farblich gekennzeichnet (blau: Fettkörper, grün: Trachee (Atmungskanal), rot: Dorsalgefäß (Aorta und Herz; das Herz beginnt etwa in der Körpermitte und endet im Hinterleib)
Eine Drosophila-Puppe, aufgenommen auf dem FIM-Tisch (der Kopf liegt im Bild oben, die Aufnahme wurde von der Rückenseite aus gemacht). Im rechten Bild sind wichtige Organe farblich gekennzeichnet (blau: Fettkörper, grün: Trachee (Atmungskanal), rot: Dorsalgefäß (Aorta und Herz; das Herz beginnt etwa in der Körpermitte und endet im Hinterleib)
(Bild: Dimitri Berh, Benjamin Risse)

Münster — Die Apparatur, die den Blick auf das Fliegenherz möglich macht, ist der so genannte FIM-Tisch. Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Xiaoyi Jiang vom Institut für Informatik der WWU haben ihn gemeinsam mit Forschern um Prof. Dr. Christian Klämbt vom Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie entwickelt.

Eigentlich war der Tisch mit der Plexiglasplatte für einen anderen speziellen Zweck entwickelt worden, nämlich die Bewegungen von Fliegenlarven automatisiert aufzuzeichnen und auszuwerten. Aus diesen Verhaltensinformationen können Biologen beispielsweise Rückschlüsse auf die Funktionen von Genen ziehen.

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Woher der Name FIM-Tisch kommt

Der Name des FIM-Tisches beruht auf der verwendeten bildgebenden Messmethode: der „frustrierten totalen internen Reflexion“ von Licht, auf Englisch „frustrated total internal reflection“ (FTIR). Die Methode nutzt die Lichtreflexion innerhalb der Plexiglasplatte beziehungsweise die Beeinflussung der Reflexion durch die zu beobachtenden Organismen. Der Projektname FIM steht für „FTIR-based imaging method“.

Zufallsblick aufs Herz

Dass der FIM-Tisch nun eine weitere Anwendung hat, beruht auf einer zufälligen Beobachtung, erinnert sich Informatiker Dr. Benjamin Risse: „Irgendwann hatten wir Larven auf dem Tisch, die sich auf den Rücken drehten. So haben wir gesehen, dass man in dieser Position mit unserer FIM-Technik das Herz erkennt.“ Möglich wird die Beobachtung des schlagenden Fliegenherzens, weil die Puppen durchscheinend sind. Auf dieser Eigenschaft beruht die aktuelle Studie zum Herzschlag.

Den Puppen auf den Bauch geschaut

Die Visualisierung des Herzschlags verfolgten die Wissenschaftler systematisch weiter. Sie entwickelten Algorithmen, die die pulsierende Bewegung der Fliegenherzen in den Videobildern automatisch erkennen und quantifizieren. Für den optimalen Blick auf das Fliegenherz legen die Forscher die Tiere in einem frühen Entwicklungsstadium, als so genannte Prä-Puppen, mit der Bauchseite nach oben auf den FIM-Tisch. Das System kann dann den Puls der Tiere als Video aufzeichnen.

Den WWU-Forschern zufolge hat die Technik verschiedene Vorteile: Die Aufnahmen werden mit einer Kamera ohne aufwändige Mikroskopie-Technik gemacht. Des Weiteren ist das Verfahren nicht-invasiv, das heißt, es kann am lebenden Tier ohne Eingriff vorgenommen werden. Zudem ist es möglich, mehrere der etwa drei Millimeter langen Fliegenpuppen gleichzeitig zu beobachten.

Warum Fliegenherzen

Die Taufliege Drosophila melanogaster, die die Wissenschaftler untersuchen, ist in der Biologie ein wichtiges Forschungsobjekt. Ihr winziges Herz ist zwar deutlich anders aufgebaut als das von Wirbeltieren. Dennoch sind grundlegende Aspekte in der Entwicklung der Funktionen ähnlich wie beim Menschen. Untersuchungen an den Fliegen können daher helfen, das Verständnis menschlicher Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu verbessern, heißt es in einer Pressemitteilung.

Frustrierte Reflexion

Der Name des FIM-Tisches beruht auf der verwendeten bildgebenden Messmethode: der „frustrierten totalen internen Reflexion“ von Licht, auf Englisch „frustrated total internal reflection“ (FTIR). Die Methode nutzt die Lichtreflexion innerhalb der Plexiglasplatte beziehungsweise die Beeinflussung der Reflexion durch die zu beobachtenden Organismen. Der Projektname FIM steht für „FTIR-based imaging method“.

Orginalpublikation: Berh D. et al.: Automatic non-invasive heartbeat quantification of Drosophila pupae. Computers in Biology and Medicine Volume 93, 1 February 2018, Pages 189-199, DOI: 10.1016/j.compbiomed.2017.12.017

* Dr. Christina Heimken: Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU), 48149 Münster

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