Insektenanatomie in VR
Gießener Forschende erkunden Tabakschwärmer von Innen – virtuelle Realität ermöglicht Entdeckung bisher unbekannter Darmstrukturen und eröffnet Studierenden neue Einblicke.
Modelldarm in 3D: Vom lebendigen Organismus zum Computer 3D Modell
Links: Die virtuelle Realität erlaubt einen Flug durch den Darm des Tabakschwärmers. Hier ist ein Flug durch den Mitteldarm zu sehen. Fraunhofer IME | Anton Windfelder, rechts: Dr. Jan Scherberich mit einer VR-Brille und einem Tabakschwärmer. Fraunhofer IME | Kim Weigand.
Per Video oder 3D-Brille durch den Körper scrollen und virtuell die Anatomie entdecken – das ist dank moderner bildgebender Verfahren mittlerweile möglich: Ein Forschungsteam um den Gießener Biologen Dr. Anton Windfelder hat mithilfe von Mikro-Computertomographie erstmals die Raupen des Tabakschwärmers gescannt und eröffnet mit dreidimensionalen Modellen neue Einblicke in die innere Anatomie der Tiere. Das Team entdeckte bisher unbekannte anatomische Strukturen im Darm der Insektenlarven wie z.B. einen Kropf oder mehrere Blinddärme. Tabakschwärmer werden als Modellorganismen in der Erforschung von menschlichen Darmkrankheiten wie z.B. Morbus Crohn eingesetzt. Das internationale Fachmagazin iScience (Cell Press) hat die Studie veröffentlicht. Die Forschungsergebnisse fließen direkt in die Lehre an der Justus-Liebig-Universität Gießen ein: Studierende können in Kursen nun per VR-Brille die Anatomie der Raupen erkunden. Animierte 3D-Videos zur Ansicht am Computer sind öffentlich verfügbar (https://www.youtube.com/playlist?list=PLtL43oYX4J36My_U7ndmQg719PDbaOTlF).
Der Tabakschwärmer (Manduca sexta) ist eine amerikanische Nachtfalterart, deren bis zu acht Zentimeter lange Larven eine wichtige Rolle in der biomedizinischen Forschung spielen. „Der Darm von Säugetieren und Insekten ist in vielen Bereichen miteinander vergleichbar. Dies gilt insbesondere für das angeborene Immunsystem. Wenn wir Darmentzündungen beim Tabakschwärmer besser verstehen, bringt das auch wichtige Erkenntnisse für die Humanmedizin mit sich – das wissen wir auch aus unseren früheren Studien“, sagt Dr. Windfelder, der an der Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Justus-Liebig-Universität in Gießen forscht und lehrt sowie am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME arbeitet.
Modelldarm in 3D: Demo in VR
Unten Dr. Anton Windfelder und Viet Duc Vu bei der Demonstration der 3D-Daten in der virtuellen Realität. Fraunhofer IME | Kim Weigand.
„Mit bildgebenden Verfahren aus der Radiologie wie der Computertomographie können wir beispielsweise neue Medikamente gegen chronische Darmerkrankungen erforschen“, sagt Prof. Gabriele Krombach, Direktorin der Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie und Ko-Autorin der Studie. Mittels Computertomographie können Entzündungen in der Darmwand mithilfe von Kontrastmitteln sichtbar gemacht und dadurch die Wirksamkeit von neuen Medikamenten untersucht werden. Die Studie hilft dabei, diese Untersuchungen besser zu planen und zu quantifizieren.
Die Studie liefert zudem Einblicke in die Struktur von Verdauungsorganen bei Insekten. „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“, sagt Prof. Andreas Vilcinskas, Institutsteilleiter des Fraunhofer IME in Gießen. „Mit traditioneller Lichtmikroskopie war dies bisher so nicht darstellbar.“ Auf Grundlage der Daten war es zudem erstmals möglich, das Darmvolumen der Raupen zu berechnen. Mit 1,4 ml entspricht es in etwa dem Darmvolumen einer Maus.
Die aktuellen Forschungsergebnisse kommen auch den Studierenden der Justus-Liebig-Universität Gießen zugute. Anton Windfelder lehrt im Medizinstudium innovative Methoden der biomedizinischen Forschung anhand von alternativen Tiermodellen und lässt Studierende im Rahmen seiner Lehrveranstaltungen die dreidimensionalen Modelle der Raupen per VR-Brille erkunden. Virtuelle Realität oder Virtual Reality ist eine Technologie, durch die Benutzerinnen und Benutzer mit virtuellen Objekten interagieren können. Mit dieser Technik ist es auch möglich, durch den Darm der Tabakschwärmer zu schauen. Für die Übertragung der Forschungsdaten in die virtuelle Realität arbeitet das Gießener Team mit dem VR-Experten Viet Duc Vu und dem NWTmed-Team der Justus-Liebig-Universität Gießen zusammen. NWTmed - kurz für - (Natur)Wissenschaft und Technik in der Medizin ist eine interdisziplinäre Lehr- und Lernplattform unter der Projektleitung von Dr. Johannes Lang und Dr. Holger Repp, die sich unter anderem für die Nutzung der virtuellen Realität in der naturwissenschaftlichen und medizinischen Lehre stark machen. Dr. Anton Windfelder ist überzeugt: „Die virtuelle Realität ist ein Gamechanger und wird die Lehre revolutionieren.“
Publikation:
Windfelder, A.G., Steinbart, J., Flögel, U., Scherberich, J., Kampschulte, M., Krombach, G.A., and Vilcinskas, A. (2023). A quantitative micro-tomographic gut atlas of the lepidopteran model insect Manduca sexta iScience 26. http://doi.org/10.1016/j.isci.2023.106801.
Modelldarm in 3D: Insektenanatomie per VR-Brille
Links: Die Gießener Biologen Dr. Anton Windfelder (mitte) und Dr. Scherberich (links) mit dem Informatiker Viet Duc Vu (rechts) und einem Tabakschwärmer. Fraunhofer IME | Kim Weigand, Rechts: Das Verdauungssystem des Tabakschwärmers einer großen, kleinen und mittelgroßen Larve in der virtuellen Realität. Der Vorderdarm ist in grün, der Mitteldarm in rosa und der Hinterdarm in blau dargestellt Fraunhofer IME | Anton Windfelder.
Kontakt:
Dr. Anton G. Windfelder
- Labor für Experimentelle Radiologie
Fachbereich 11 Medizin
Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU)
Biomedizinisches Forschungszentrum Seltersberg
Schubertstraße 81
- Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Institutsteil Bioressourcen
Ohlebergsweg 12
35392 Gießen
- Anton.G.Windfelder@radiol.med.uni-giessen.de
Anton.Windfelder@ime.fraunhofer.de
Telefon: +49-(0) 641/97219166
Viet Duc Vu (M. Sc)
- Viet.D.Vu@radiol.med.uni-giessen.de
- Informatik (Schwerpunkt: KI und VR)