Computertomographie in Wildtiermedizin und -forschung für den Artenschutz

Computertomographie am Leibniz-IZW - ein ungewöhnlicher Einblick in Wildtiere und Fossilien: mit modernster Bildgebung, von klassischer Darstellung der Morphologie bis zur Visualisierung dynamischer Prozesse, beantworten wir sowohl klinische als auch wissenschaftliche Fragen zu Tierschutz, veterinärmedizinischer Diagnostik und Grundlagenforschung.

Projektdetails
Laufzeit: seit 2004
Drittmittelfinanziert: ja
Beteiligte Abteilung(en): Abt. Reproduktionsmanagement, Abt. Wildtierkrankheiten
Projektleitung im Leibniz-IZW: Thomas Hildebrandt (Abt. Reproduktionsmanagement)
Projektbeteiligte im Leibniz-IZW:

Guido Fritsch, Roland Frey, Frank Göritz, Susanne Holtze, Juliane Kühne (alle: Abt. Reproduktionsmanagement), Claudia A Szentiks, Gudrun Wibbelt, Zoltan Mezö, Oliver Krone (alle Abt. Wildtierkrankheiten)

Konsortialpartner:
  • Tierpark Berlin & Zoologischer Garten Berlin, Zoo Berlin AG
  • Technische Universtität Berlin, Institut für Mathematik
  • Humboldt-Universität zu Berlin (HU)
  • Universität Potsdam (GENOMICS)
  • University of Edinburgh, UK
  • LUPUS – Institut für Wolfsmonitoring und -forschung in Deutschland, Außenstelle Gelnhausen und Naturkundemuseum Görlitz der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung (SGN)
  • Bundesamt für Naturschutz (BfN)
  • Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU)
  • Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF)
  • Museum für Naturkunde Berlin
  • Naturkundemuseum der Martin-Luther-Universtiät Halle-Wittenberg (Geisetalsammlung)
  • Tierklinik Biesdorf, Tierarztpraxis Dr. H. Watzke
  • Brandenburgisches Landesamt für Denkmalpflege und Archäologisches Landesmuseum, Museum für Naturkunde
  • Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung
  • Tierärztekammer Berlin
Aktuelle Förderorganisation:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Infrastrukturförderung (INST 276/851-1) mit insgesamt 6 Partnern, Gesamtbudget 550 T€

Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR)

Forschungsschwerpunkte:
Verständnis von Merkmalen und evolutionären Anpassungen
Verständnis von Wildtiergesundheit und gestörter Homeostase
Verständnis der Herausforderungen für Wildtiere
Verbesserung der Lebensfähigkeit von Wildtierpopulationen
Entwicklung neuer Theorien, Methoden und Werkzeuge
Bildergalerie

 

Das Leibniz-IZW arbeitet seit 2004 mit der modernen Spiral-Computertomographie (CT). Zunächst mit einem sog. 4-Zeiler-System, dann ab 2009 mit einem 128-Schicht Gerät, 2015 ersetzt durch ein technisch bahnbrechendes 320-Zeilen-System, welches 2018 von einem in allen Bereichen technisch verbesserten Nachfolgegerät, dem Canon Aquilion ONE Genesis abgelöst wurde. Wir arbeiten mittlerweile mit der vierten Generation von Computertomogaphen. Zusätzlich wird ab Sommer 2021 (im Rahmen einer mit Partnern der Humboldt-Universität zu Berlin erhaltenen DFG-Infrastrukturförderung) ein Forschungszentrum mit einem State of the Art Mikro-CT-Scanner zur Beantwortung von Fragestellungen bezüglich kleinster biologischer Strukturen etabliert.

Vielfältige wissenschaftliche Fragestellungen wurden seitdem durch die Computertomographie am Leibniz-IZW bearbeitet, teils im Rahmen nationaler und internationaler Kooperationen. Entscheidende Arbeiten zur Lauterzeugung (Vokalisation) zahlreicher Tierarten, u. a. verschiedener Huftierspezies, Elefanten und Koalas wurden federführend von unseren Wissenschaftlern erstellt und in führenden wissenschaftichen Zeitschriften wie Science und Current Biology veröffentlicht. Dabei wurde klassische Präparationstechnik innovativ mit diesem in der Wildtierforschung neuen bildgebenden Verfahren kombiniert.  

Vielleicht auf den ersten Blick unerwartet ist der Einsatz der Computertomographie bei Fossilien und archäologischen Knochenfunden. Hier sind unsere Publikationen zur CT-gestützten Gewinnung von ancient DNA bei verschiedenen fossilen Kochenfunden zu erwähnen, wie zum Beispiel über Stellersche Seekuh, Höhlenbär und Mammut, entstanden in Zusammenarbeit unter anderem mit dem Berliner Naturkundemuseum und der Universität Potsdam. Berühmtestes Objekt bei dieser Forschungsarbeit waren das Berliner Exemplar des Archaeopteryx und Skelettteile eines Dicraeosaurus hansemanni. Einen mittelsteinzeitlichen Menschen konnten wir durch diese Technik mit umgebendem Erdreich sowie Grabbeigaben zerstörungsfrei wissenschaftlich untersuchen. Dies erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Brandenburgischen Landesamt für Denkmalpflege und dem Archäologischen Landesmuseum Wünsdorf.

Archaeopteryx                                                  Dicraeosaurus hansemanni                          Enaliosuchus schroederi

Steinzeitmensch (Grab)

 

Ein von der Bundesrepublik gefördertes neues Forschungsfeld ist die CT-basierte Analyse des Bodengefüges, eine Zusammenarbeit mit einem Schwesterinstitut, dem Zentrum für Agrarlandforschung Müncheberg (ZALF). Diese Untersuchungen helfen, ein neues Verständnis über die Struktureigenschaften und Dichte an biologischen  Komponenten in unterschiedlichen Bodentypen zu erlangen. Zukünftig ist eine umfassende Kategorisierung landwirtschaftlicher Böden unter Einsatz Künstlicher Intelligenz (KI) mit einem vorgenehmigten Projektantrag geplant.

Aktuell werden im Rahmen der neugeschaffenen Dokumentations- und Beratungsstelle des Bundes zum Thema Wolf (DBBW) alle in Deutschland tot aufgefundenen Wölfe am IZW einer computertomographischen Untersuchung unterzogen, um eine zerstörungsfreie Beurteilung des Tierkörpers zu gewährleisten und mögliche Geschossteile zu identifizieren. Dieser Untersuchung folgt dann die klassische pathologisch-anatomische Sektion einschließlich der Probengewinnung für zahlreiche Kooperationspartner (siehe Abt. Wildtierkrankheiten).

Wolf (Canis lupus)

 

Neben dem Einsatz in der Wildtier-Grundlagenforschung bietet das CT-Forschungszentrum nationalen und internationalen zoologischen Einrichtungen den Service an, schwierige diagnostische Fragestellungen bei Zoopatienten mit Hilfe dieses innovativen bildgebenden Verfahrens zu beantworten. Berühmte Patienten waren unter anderem das ausgewachsene Orang-Utan-Zuchtmännchen Bornie aus dem Zoo Köln, der männliche Große Panda Jiao Qing aus dem Zoo Berlin sowie der unerwartet verstorbene Eisbär Knut, ebenfalls aus dem Zoo Berlin. Das Analysewerkzeug Computertomographie erlaubt, Strukturen und Dynamiken in bisher ungekannter Qualität zu visualisieren. Zerstörungsfrei werden die Bilder in Form von unzähligen Schichten (z. B. bei Knut: > 5000) erstellt und dann mit Hochleistungs-Computertechnologie zu einem dreidimensionalen Datensatz zusammengefügt.

Asiatischer Elefant (Elephas maximus), neugeboren

 

Aufgrund der der einzigartigen Scangeschwindigkeit unseres Aquilion ONE Genesis ist es möglich, kleinere Tiere bis zur Größe eines Mopses ohne Narkose zu untersuchen. Diesen Service stellen wir - zusätzlich zur wissenschaftlichen Arbeit - den Berliner Tierärzten als Überweisungspraxis zur Verfügung.

 

Ausgewählte Publikationen

Wieland, R., Ukawa, C., Joschko, M., Krolczyk, A., Fritsch, G., Hildebrandt, T.B., Schmidt, O., Filser, J. and Jimenez, J.J. (2021). Use of deep learning for structural analysis of computer tomography images of soil samples. ROYAL SOCIETY OPEN SCIENCE, 8, 201275.
 

Dhellemmes F, Hansen MJ, Bouet SD, Videler JJ, Domenici P, Steffensen JF, Hildebrandt TB, Fritsch G, Bach P, Sabarros PS, Krüger A, Kurvers RHJM, Krause J (2020): Oil gland and oil pores in billfishes: in search of a function. J EXP BIOL 223, jeb.224956. doi:10.1242/jeb.224956

Schwab JA, Young MT, Neenan JM, Walsh SA, Witmer LM, Herrera Y, Allain R, Brochu CA, Choiniere JN, Clark JM, Dollman KN, Etches S, Fritsch G, Gignac PM, Ruebenstahl A, Sachs S, Turner AH, Vignaud P, Wilberg EW, Xu X, Zanno LE,  Brusatte SL (2020): Inner ear sensory system changes as extinct crocodylomorphs transitioned from land to water. PNAS V 117, Is 19 ID: 2020-02146R

Hansen MJ, Krause S, Breuker M, Kurvers RH, Dhellemmes F, Viblanc PE, Müller J, Mahlow C, Boswell K, Marras S, Domenici P, Wilson ADM, Herbert-Read JE, Steffensen JF, Fritsch G, Hildebrandt TB, Zaslansky P, Bach P, Sabarros PS, Krause J (2020): Linking hunting weaponry to attack strategies in sailfish and striped marlin. Proceedings of the Royal Society B, 287, 20192228. doi:10.1098/rspb.2019.2228

Frey R, Volodin IA, Volodina EV, Efremova KO, Menges V, Portas R, Melzheimer J, Fritsch G, Gerlach C, von Dörnberg K (2020): Savannah roars: The vocal anatomy and the impressive rutting calls of male impala (Aepyceros melampus) – highlighting the acoustic correlates of a mobile larynx. J ANAT 236, 398-424. doi:10.1111/joa.13114

Volodin IA, Nahlik A, Tari T, Frey R, Volodina EV (2019): Rutting roars in native Pannonian red deer of Southern Hungary and the evidence of acoustic divergence of male sexual vocalization between Eastern and Western European red deer (Cervus elaphus). MAMM BIOL 94, 54-65. doi:10.1016/j.mambio.2018.10.009

Frey R, Reby D, Fritsch G, Charlton BD (2018) The remarkable vocal anatomy of the koala (Phascolarctos cinereus): insights into low-frequency sound production in a marsupial species. J Anat 232, 575-595

Alberti F, Gonzalez J, Paijmans JLA, Basler N, Preick M, Henneberger K, Trinks A, Rabeder G, Conard NJ, Münzel SC, Joger U, Fritsch G, Hildebrandt TB, Hofreiter M, Barlow A (2018): Optimised DNA sampling of ancient bones using Computed Tomography (CT) scans, Molecular Ecology Resources. V16 Is6

Reby D, Wyman MT, Frey R, Charlton BD, Dalmont JP, Gilbert J (2018): Vocal tract modeling in fallow deer: Are male groans nasalized? J EXP BIOL 221, jeb179416. doi:10.1242/jeb.179416

Efremova KO, Frey R, Volodin IA, Fritsch G, Soldatova NV, Volodina EV (2016): The postnatal ontogeny of the sexually dimorphic vocal apparatus in goitred gazelles (Gazella subgutturosa). J MORPHOL 277, 826-844. doi:10.1002/jmor.20538

Frey R, Volodin IA, Fritsch G, Volodina EV (2016): Potential sources of high frequency and biphonic vocalization in the dhole (Cuon alpinus). PLOS ONE 11, e0146330. doi:10.1371/journal.pone.0146330

Schwarz, D., Kosch, J., Fritsch, G. & Hildebrandt, T. (2015). Dentition and tooth replacement of Dicraeosaurus hansemanni(Dinosauria, Sauropoda, Diplodocoidea) from the Tendaguru Formation of Tanzania.-  Journal of Vertebrate Paleontology, 35(6):e1008134. DOI: https://doi.org/10.1080/02724634.2015.1008134

Zaytseva AS, Volodin IA, Mason MJ, Frey R, Fritsch G, Ilchenko OG, Volodina EV (2015): Vocal development during postnatal growth and ear morphology in a shrew that generates seismic vibrations, Diplomesodon pulchellum. BEHAV PROCESS 118, 130-141. doi:10.1016/j.beproc.2015.06.012

Witzmann, F., Schwarz-Wings, D., Hampe, O., Fritsch, G., Asbach, P. (2014) Evidence of Spondyloarthropathy in the Spine of a Phytosaur (Reptilia: Archosauriformes) from the Late Triassic of Halberstadt, Germany. - PLoS ONE, 9(1): e85511. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0085511

Galateanu G, Hermes R, Saragusty J, Göritz F, Potier R, Mulot B, Maillot A, Etienne P, Bernardino R, Fernandes T, Mews J, Hildebrandt TB (2014): Rhinoceros Feet Step Out of a Rule-of-Thumb: A Wildlife Imaging Pioneering Approach of Synchronized Computed Tomography-Digital Radiography. PLOS ONE 9, e100415. doi:10.1371/journal.pone.0100415

Trinogga A, Fritsch G, Hofer H, Krone O (2013): Are lead-free hunting rifle bullets as effective at killing wildlife as conventional lead bullets? A comparison based on wound size and morphology. SCI TOTAL ENVIRON 443, 226-232. doi:10.1016/j.scitotenv.2012.10.084

Charlton BD, Frey R, McKinnon AJ, Fritsch G, Fitch WT, Reby D (2013) Koalas use a novel organ to produce unusually low-pitched mating calls. Curr Biol 23, R1035-R1036.