Ein Herz für den kleinen Zebrafisch

1. August 2006, 19:23
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Wachsen die Organe exakt nach einem genetischen Bauplan, oder spielen auch äußere Einflüsse eine Rolle? Der Zebrabärbling könnte bald Antworten liefern

Wie entwickeln sich Herzen? Wachsen die Organe exakt nach einem genetischen Bauplan, oder spielen auch äußere Einflüsse während der Embryonalphase eine Rolle? Der kleine Zebrabärbling könnte bald Antworten liefern.

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Seit einigen Jahren haben Genetik und Entwicklungsbiologie ein neues "Haustier": den Zebrabärbling (Danio rerio), einen bis zu sechs Zentimeter großen Süßwasserfisch, der sich in seiner indischen Heimat mit Vorliebe in langsam fließenden bis stehenden Gewässern aufhält und in unseren Breiten seit rund 100 Jahren ein beliebter Aquarienbewohner ist.

Der kleine Bärbling hat mehrere Eigenschaften, die ihn der Wissenschaft empfehlen, unter anderem hohe Vermehrungsraten, rasche Entwicklungszyklen und die verhältnismäßig einfache Hervorbringung von kontrollierten Mutanten. Diese machen ihn besonders attraktiv, denn wie sich inzwischen herausgestellt hat, eignen sie sich hervorragend als Tiermodelle für genetische Erkrankungen des Menschen.

Bernd Pelster vom Institut für Zoologie und Limnologie der Universität Innsbruck widmet sich dem Zebrabärbling aus einem anderen Grund: Mit finanzieller Unterstützung des FWF untersuchen er und seine Mitarbeiter, wie sich embryonale Herzen entwickeln.

Obwohl bei allen Wirbeltieren das Blut schon früh zu fließen und das Herz meist schon zu schlagen beginnt, ehe es noch völlig fertig ist, brauchen so winzige Lebewesen wie die Larven von Zebrabärblingen lange Zeit das Blut nicht für den Sauerstofftransport: Sie sind so klein, dass sie ausreichend Sauerstoff über die Körperoberfläche aufnehmen (in der Zwischenzeit spielt der Blutkreislauf eine Rolle bei der Ionen- und Osmoregulation). Pelster und sein Team gingen nun der Frage nach, ab wann der Blutkreislauf seine Transportfunktion aufnimmt.

Schwierige Messungen

Die Zebrabärblingslarven haben den großen Vorteil, vollkommen durchsichtig zu sein, andererseits aber sind sie winzig, was jede Form von invasiven Messungen (etwa mithilfe von Elektroden) extrem schwierig macht - ganz abgesehen davon, dass solche Vorgehensweisen für die Tiere so hohen Stress bedeuten, dass die Werte (gerade bei der Messung von Herzaktivität) höchst unzuverlässig wären.

Pelster und seine Mitarbeiter haben daher für ihre Forschungen eine ganz neue Methode entwickelt: Dabei ist ein Mikroskop mit einer digitalen Hochgeschwindigkeitskamera verbunden, die pro Sekunde bis zu 1000 Bilder des Herzens beziehungsweise des Blutgefäßsystems aufnimmt und direkt an einen Computer weitergibt, über den die Speicherung und Auswertung der einzelnen Aufnahmen erfolgt.

Wie Pelsters Gruppe feststellte, weist das Hämoglobin der Larven am zehnten bis zwölften Tag nach der Befruchtung eine deutliche Sauerstoff-Reduktion auf. Zu diesem Zeitpunkt sind die Tiere offenbar so gewachsen, dass die Sauerstoffversorgung über die Haut nicht mehr ausreicht.

Indem sie Larven verschiedenen Alters mit herzwirksamen Substanzen behandelten und die Reaktion beobachteten, konnten die Forscher auch Aussagen über die Entwicklung der Kontrolle des Herzens machen: Die Verabreichung von Acetylcholin, eines die Herzfrequenz senkenden Neurotransmitters, bewirkte eine deutliche Reaktion zwischen dem fünften und zehnten Tag nach der Befruchtung und das Herzfrequenz steigernde Isoproterenol bereits ab dem vierten Tag. Larven, die vorher mit den physiologischen "Gegenmitteln"dieser Neurotransmitter behandelt worden waren, zeigten hingegen keine signifikanten Veränderungen der Herzfrequenz.

Dass die Herzen der Fischembryonen auf von außen eingebrachte Substanzen reagieren, ist ein Nachweis dafür, dass die nötigen Rezeptoren bereits ausgebildet sind. Damit ist jedoch nicht gesagt, dass das vegetative Nervensystem, das für die Steuerung des Herzens bei adulten Tieren verantwortlich ist, schon Zugriff auf diese Rezeptoren hat.

Tatsächlich reagieren die Larven ab dem elften Tag nach der Befruchtung deutlich weniger stark auf Acetylcholin, was darauf schließen lässt, dass das Nervensystem zu diesem Zeitpunkt die Kontrolle über das Herz aufnimmt und die Reaktion auf externe Stimulantien abschwächt.

Pelster und sein Team gingen außerdem der Frage nach, inwieweit das embryonale Herz-Kreislauf-System sich während der Zeit, in der es noch keinen Sauerstoff transportiert, bereits an verschiedene Umweltbedingungen anpassen kann.

Zu diesem Zweck setzten sie neun bis 15 und 21 bis 32 Tage alte Larven für jeweils 16 bis 18 Stunden am Tag in einen Schwimmkanal, in dem eine Strömungsgeschwindigkeit von fünf Körperlängen pro Sekunde herrschte, und maßen die Entwicklung des Blutgefäßsystems dieser Tiere im Vergleich zu einer unter normalen Bedingungen gehaltenen Kontrollgruppe.

Das Ergebnis war eindeutig: Ältere trainierte Larven zeigten eine bessere Blutversorgung der Muskulatur und der Schwanzflosse, beide Gruppen eine deutliche Zunahme der Mitochondriendichte (Mitochondrien sind für die Energieversorgung der Zellen verantwortlich) in roten, auf Ausdauer spezialisierten Muskelfasern. Das belegt, dass schon in frühen Entwicklungsstadien nicht nur das Erbmaterial bestimmt, wie sich Organe entwickeln, sondern sehr wohl auch die Umwelt.

Dazu passen auch die Ergebnisse von einem früheren Projekt Pelsters, bei dem er nachweisen konnte, dass selbst drei Tage alte Larven bereits über funktionsfähige Rezeptoren verfügen, mit denen sie Sauerstoffmangel im Körper (Hypoxie) wahrnehmen und darauf reagieren können.

Schädliche Wirkung

Hypoxische Bedingungen kommen in der natürlichen Umwelt von Zebrabärblingen immer wieder vor, und erwachsene Tiere kommen damit zurecht, indem sie ihre Herzaktivität erhöhen oder sogar vermehrt rote Blutkörperchen erzeugen. Um zu sehen, inwieweit sich das embryonale Herz-Kreislauf-System an solche Zustände anpassen kann, zogen Pelster und sein Team Fische vom ersten bis zum 15. Tag nach der Befruchtung unter chronischem Sauerstoffmangel auf.

Die Larven zeigten eine im Vergleich zur Kontrollgruppe deutlich erhöhte Konzentration der roten Blutkörperchen. Mit zwölf Tagen war ihr Muskelgewebe 3,5-mal besser durchblutet als das der Kontrolltiere, ihr Darm dagegen nur halb so gut. Zwar normalisierten sich diese Dinge bis zum 15. Tag weit gehend, doch der Sauerstoffmangel hatte schädliche Folgen, die Larven waren im Wachstum zurückgeblieben.

Welche Grundlagen für die Unterschiede in der Organdifferenzierung während der frühen Larvalentwicklung verantwortlich sind, wollen Pelster und seine Mitarbeiter als Nächstes analysieren. (Susanne Strnadl/DER STANDARD, Printausgabe, 26. Juli 2006)

  • Der Zebrafisch, ein beliebtes Haustier von Biologen und Genetikern: Das kleine Tierchen soll nun Erkenntnisse zur Organentwicklung liefern.
    foto: der standard/ufz leipzig

    Der Zebrafisch, ein beliebtes Haustier von Biologen und Genetikern: Das kleine Tierchen soll nun Erkenntnisse zur Organentwicklung liefern.

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