Glasfrösche verstecken rote Blutkörperchen in ihrer Leber, um transparent zu werden

Oct 26, 2023

27. Dezember 2022 | Michaela Kane

Mithilfe moderner biomedizinischer Bildgebungstechniken entschlüsseln Forscher endlich, wie eine Froschart zum Meister der Tarnung wird

Glasfrösche machen sich während ihrer Ruhezeit durchsichtig, indem sie rote Blutkörperchen aus dem Kreislauf entnehmen und in ihrer Leber verstecken. Ein universitätsübergreifendes Team aus Biologen und biomedizinischen Ingenieuren hat in einer am 23. Dezember in der Fachzeitschrift Science erschienenen Forschungsarbeit gezeigt, wie diese Frösche durchsichtig werden.

Es ist leicht, einen Glasfrosch in seiner natürlichen Umgebung zu übersehen. Der Nördliche Glasfrosch, Hyalinobatrachium fleischmanni, misst nicht mehr als ein paar Zentimeter und ist nachts am aktivsten, wenn seine grüne Haut ihm hilft, mit den umliegenden Blättern und Blättern zu verschmelzen.

Aber tagsüber, wenn sie schlafen, werden diese Amphibien zu wahren Meistern der Tarnung.

„Wenn Glasfrösche ruhen, werden ihre Muskeln und ihre Haut transparent und nur ihre Knochen, Augen und inneren Organe sind sichtbar“, sagte Carlos Taboada, Postdoktorand bei Duke und Co-Erstautor der Arbeit. „Diese Frösche schlafen auf der Unterseite großer Blätter, und wenn sie durchsichtig sind, können sie die Farben der Vegetation perfekt anpassen.“

Viele Tiere im Meer können ihre Hautfarbe ändern oder völlig durchsichtig werden, an Land ist diese Fähigkeit jedoch weitaus seltener. Ein Grund dafür, dass Transparenz so schwer zu erreichen ist, sind die roten Blutkörperchen im Kreislaufsystem. Rote Blutkörperchen sind in der Lage, grünes Licht zu absorbieren, die Farbe des Lichts, das normalerweise von Pflanzen und anderen Pflanzen reflektiert wird. Im Gegenzug reflektieren diese sauerstoffreichen Zellen rotes Licht und machen das Blut – und damit auch das Kreislaufsystem – gut sichtbar, insbesondere vor einem hellgrünen Blatt.

Glasfrösche gehören zu den einzigen Landwirbeltieren, die Transparenz erreichen können, was sie zu einem Ziel für Studien macht. Taboada begann mit der Erforschung von Glasfröschen als Postdoktorand im Labor von Sönke Johnsen, einem Biologieprofessor an der Duke University, der sich auf die Erforschung von Transparenz spezialisiert hat. In Zusammenarbeit mit Jesse Delia, der um die Welt reiste und für die Studie verschiedene Glasfrösche sammelte, beobachteten sie, dass rote Blutkörperchen aus dem zirkulierenden Blut zu verschwinden schienen, sobald die Frösche durchsichtig wurden.

Sie führten zusätzliche bildgebende Tests an den Tieren durch und bewiesen anhand optischer Modelle, dass die Tiere Transparenz erreichen konnten, weil sie rote Blutkörperchen aus ihren Gefäßen drückten. Er vermutete, dass die Zellen in einem der inneren Organe des Frosches gespeichert waren, die in einer reflektierenden Membran verpackt waren.

Für ein durchsichtiges Tier war es erschreckend schwierig, seine Biologie zu entschlüsseln. Die Forschung stützte sich auf die Expertise von Biologen und biomedizinischen Ingenieuren nicht nur bei Duke, sondern auch am American Museum of Natural History, der Stanford University und der University of Southern California.

„Wenn diese Frösche wach sind, gestresst sind oder unter Narkose stehen, ist ihr Kreislaufsystem voller roter Blutkörperchen und sie sind undurchsichtig“, erklärte Delia, jetzt Postdoktorandin am American Museum of Natural History. „Die einzige Möglichkeit, Transparenz zu untersuchen, besteht darin, dass diese Tiere glücklich schlafen, was in einem Forschungslabor schwer zu erreichen ist. Wir haben uns wirklich die Mühe gemacht, eine Lösung zu finden.“

Aber Taboada hatte von einer Bildgebungstechnologie namens photoakustische Mikroskopie (PAM) erfahren, als er Biliverdin untersuchte, die Verbindung, die bestimmten Froscharten ihre charakteristische grüne Farbe verleiht. Bei PAM wird ein sicherer Laserlichtstrahl in das Gewebe geschossen, der dann von Molekülen absorbiert und in Ultraschallwellen umgewandelt wird. Mithilfe dieser Schallwellen werden dann detaillierte biomedizinische Bilder der Moleküle erstellt. Das Bildgebungsgerät ist nicht-invasiv, leise, empfindlich und glücklicherweise bei Duke erhältlich.

„PAM ist das ideale Werkzeug für die nicht-invasive Bildgebung roter Blutkörperchen, da keine Kontrastmittel injiziert werden müssen, was für diese Frösche sehr schwierig wäre“, erklärte Junjie Yao, ein Assistenzprofessor für Biomedizintechnik bei Duke, der sich darauf spezialisiert hat in PAM-Technologien. „Die roten Blutkörperchen selbst sorgen für den Kontrast, da verschiedene Zelltypen unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren und reflektieren. Wir könnten unsere Bildgebungssysteme optimieren, um gezielt nach roten Blutkörperchen zu suchen und zu verfolgen, wie viel Sauerstoff im Körper des Frosches zirkuliert.“

In ihrer Bildgebungsanordnung schliefen die Frösche kopfüber in einer Petrischale, ähnlich wie sie auf einem Blatt schlafen würden, und das Team richtete einen grünen Laser auf das Tier. Die roten Blutkörperchen im Körper des Frosches absorbierten das grüne Licht und sendeten Ultraschallwellen aus, die dann von einem akustischen Sensor erfasst wurden, um ihren Aufenthaltsort mit hoher räumlicher Auflösung und hoher Empfindlichkeit zu verfolgen.

Die Ergebnisse waren verblüffend eindeutig: Als die Frösche schliefen, entfernten sie fast 90 Prozent ihrer zirkulierenden roten Blutkörperchen und speicherten sie in ihrer Leber.

In weiteren Tests stellte das Team auch fest, dass rote Blutkörperchen aus der Leber flossen und zirkulierten, wenn die Frösche aktiv waren, und sich dann in der Leber wieder aggregierten, während sich die Frösche erholten.

„Das Hauptergebnis ist, dass Glasfrösche immer dann, wenn sie durchsichtig sein wollen, was normalerweise der Fall ist, wenn sie ruhen und anfällig für Raubtiere sind, fast alle roten Blutkörperchen aus ihrem Blut filtern und sie in einer verspiegelten Leber verstecken – irgendwie vermeiden wir dabei die Bildung eines großen Blutgerinnsels“, sagte Johnsen. „Immer wenn die Frösche wieder aktiv werden müssen, bringen sie die Zellen zurück in den Blutkreislauf, was ihnen die Stoffwechselkapazität gibt, sich fortzubewegen.“

Laut Delia und Taboada wirft dieser Prozess die Frage auf, wie die Frösche fast alle ihre roten Blutkörperchen sicher in ihrer Leber speichern können, ohne zu gerinnen oder ihr peripheres Gewebe zu beschädigen. Ein möglicher nächster Schritt könnte darin bestehen, diesen Mechanismus zu untersuchen und zu untersuchen, wie er sich eines Tages auf Gefäßprobleme beim Menschen anwenden lässt.

Diese Arbeit stellt auch Glasfrösche als nützliches Modell für die Forschung vor, insbesondere in Kombination mit modernster photoakustischer Bildgebung. Als langjährige Glassfrog-Forscher sind sie begeistert von den neuen Forschungsmöglichkeiten, die ihnen und interessierten Mitarbeitern jetzt zur Verfügung stehen.

„Wir können mehr über die Physiologie und das Verhalten des Glasfrosches erfahren oder diese Modelle nutzen, um Bildgebungswerkzeuge für die biomedizinische Technik zu optimieren“, sagte Delia. „Es begann damit, dass Carlos und ich dachten, dieser Frosch mache etwas Seltsames mit seinem Blut, und das führte zu einer produktiven Zusammenarbeit sowohl bei Duke als auch auf der ganzen Welt.“

„Unsere erfolgreiche Zusammenarbeit war ein großartiges Beispiel dafür, wie mehrere Disziplinen gemeinsam die Wissenschaft auf synergetischste Weise voranbringen können“, sagte Yao. „Wir sind äußerst gespannt auf die zukünftige Interaktion zwischen den Biologie- und Ingenieurteams. Mit all der Kraft an Bord sind keine Grenzen gesetzt.“

Diese Arbeit wurde durch das Stipendium der National Geographic Society (NGS-65348R-19), das Postdoktorandenstipendium des Human Frontier Science Program (LT 000660/2018-L), das Gerstner Scholars Fellowship der Gerstner Family Foundation und die Richard Gilder Graduate School unterstützt das American Museum of Natural History, Startgelder der Stanford University und Startgelder der Duke University, die National Institutes of Health Grants (R01 EB028143 R01 NS111039 und RF1 NS115581 BRAIN Initiative), der National Science Foundation CAREER Award (2144788) , der Duke Institute of Brain Science Incubator Award, der American Heart Association Collaborative Sciences Award (18CSA34080277) und die Chan Zuckerberg Initiative (2020-226178).

ZITAT: „Glasfrösche verbergen Blut in ihrer Leber, um die Transparenz aufrechtzuerhalten“, Carlos Taboada, Jesse Delia, Maomao Chen, Chenshuo Ma, Xiaorui Peng, Xiaoyi Zhu, Liaming Jiang, Tri Vu, Qifa Zhou, Junjie Yao, Laureo O'Connell, Sonke Johnsen. Science, 22. Dezember 2022. DOI: 10.1126/science.abl6620