Einführung
In diesem Jahr möchten wir Ihnen „Frösche als Versuchstiermodelle“ vorstellen, die zu großen Errungenschaften in der biomedizinischen Grundlagenforschung geführt haben. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr über zwei häufiggenutzte Arten - den Afrikanischen Krallenfrosch (Xenopus laevis) und den Westlichen/Tropischen Krallenfrosch (Xenopus tropicalis). Die Namensgebung der Untergattung Xenopus lässt sich auf das griechischen Wörter „xenos“ für „der Fremde“ und „pous“ für „Fuß“ zurückführen und spielt auf das fremdartige Aussehen der Zehen der Hintergliedmaßen an, deren jeweils innere drei Glieder Krallen tragen, wohingegen, die beiden äußeren Glieder krallenlos sind. Die weitere Bezeichnung „laevis“ steht für „glatt“; „tropicalis“ für „tropisch“.
Im Folgenden haben wir Informationen zusammengestellt, die zeigen, warum und in welchen Bereichen Frösche in der Forschung eingesetzt werden, welche Eigenschaften sie haben und welche Meilensteine mit Fröschen erreicht wurden.
Warum werden Frösche in der Forschung verwendet?
Frösche gehören zu der Klasse der Amphibien und sind dem Menschen ähnlicher als Fische. Sie leben sowohl an Land als auch im Wasser und besitzen ähnliche innere Organe (z.B. Lunge, Niere, Thymus, Milz) und Skelettstrukturen (z.B. das Schlüsselbein)
In der Forschung werden neben den Fröschen auch deren Eier verwendet. Die Krallenfrösche können je nach Art, Alter und Häufigkeit der Hormonbehandlung 300 bis 9000 Eier auf einmal ablaichen, die z.B. in dem breiten Versuchsfeld der Toxizitätsstudien eingesetzt werden können. Da die Eier befruchtet werden können und sich außerhalb des Körpers zu erwachsenen Tieren entwickeln, kann man zudem die Embryonalentwicklung leicht beobachten und erforschen. 1
In welchen Bereichen der biomedizinischen Forschung spielen Frösche eine Rolle? 2
Die biomedizinischen Forschungsbereiche, in denen Frösche als Modell-Labortiere eingesetzt werden, sind:
- Erforschung der biologischen Grundlagen wie Zellteilung, DNA-Reparatur, Zellkernumprogrammierung (Veränderung von Zelltypen durch Eingriffe in die DNA) und Stammzellen, Entwicklung von Organen und Embryonen
- Nutzung grundlegender Kenntnisse bei krankheitsbezogenen Prozessen wie Immun- und Entzündungsreaktionen, Geweberegeneration, Toxizitätsreaktionen und Arzneimittelentwicklung
- Verstehen der Rolle von Genen bei Gesundheit und Krankheit, z. B. bei neurologischen Störungen, Krebs, Diabetes und Nierenerkrankungen
- Simulation menschlicher Krankheiten wie Tumorwachstum, Lungenentzündung, Funktionsstörungen der Blut-Hirn-Membranen, Herzkrankheiten
Steckbrief - Afrikanische vs. Tropische Krallenfrösche
Afrikanischer Krallenfrosch (Xenopus laevis)
- Ausgewachsene Tiere können bis zu 10-12 cm (Weibchen) bzw. 7-8 cm (Männchen) Körperlänge erreichen
- Sie werden in etwa 12 Monaten erwachsen
- Sie können 300 - 1000 Eier pro Laichablage produzieren, die bis zu 1,3 mm im Durchmesser groß sind
- Ihr Erbgut hat vier Kopien von jedem Gen
Westlicher/tropischer Krallenfrosch (Xenopus tropicalis)
- Ausgewachsene Tiere können bis zu 5 - 6 cm (Weibchen) und 4 cm (Männchen) lang werden
- Sie werden in etwa 6 Monaten erwachsen
- Sie können 1000 - 9000 Eier pro Laichablage produzieren, die einen Durchmesser von 0,8 mm haben
- Ihr Erbgut hat zwei Kopien von jedem Gen
Natürliche Lebensräume, Sozialstruktur und Ernährungspräferenzen von Xenopus
- X. laevis: Er stammt aus dem südlichen Afrika; X. tropicalis: Er stammt aus dem westlichen Afrika
- Vollständig aquatisch
- Schlammige und trübe Teiche und Seen
- Keine Hierarchie zwischen den Individuen, aber sie können um die Nahrung kämpfen
- Karnivoren, die sich von Insekten, Larven und kleinen Fischen ernähren
Anatomie und Physiologie
- Der Rippenkäfig besteht nicht aus Knochen
- Hintergliedmaßen und Kiefer haben starke Muskeln
- Relativ einfaches Nervensystem
- 7 Sinnesorgane: Augen, Ohren, Nase, Zunge, Seitenlinienorgan für Wasserströmungen und Vibrationen und vomeronasales Organ für Pheromone
- Die Haut hat eine sehr wichtige Funktion für die Atmung und den Schutz vor Mikroben
Reproduktion & Entwicklung
- Die Reproduktion ist das ganze Jahr über möglich
- Männchen haben Paarungsrufe
- Schnelle Entwicklung zum Kaulquappenstadium (X. laevis 4 Tage und X. tropicalis 3 Tage) und temperaturabhängig
- Die meisten Organe sind bereits in der Kaulquappe vorhanden
- Die Metamorphose wird durch Schilddrüsenhormone gesteuert, wobei die Gliedmaßenknospen entstehen und der Schwimmkörper verloren geht
Bitte folgen Sie den Links zu den Abbildungen und Fotos der sich entwickelnden Krallenfrösche:
Haltung, künstlicher Lebensraum und Fütterung
- Statische oder durchströmte Wasserbecken
- Ausgewachsene afrikanische Krallenfrösche benötigen niedrigere Wassertemperaturen (17°C - 20°C), während Kaulquappen und jüngere Frösche bei Wassertemperaturen zwischen 22°C und 25°C leben können. Sowohl die erwachsenen Tiere als auch die Kaulquappen des tropischen Krallenfrosches bevorzugen höhere Wassertemperaturen von 23°C bis 27°C.
- Die Wasserbecken enthalten Bereicherungsobjekte wie Röhren, Blätter und dunkle Verstecke.
- Der Boden der Becken ist abgedunkelt, um die natürliche Stressreaktion auf Raubtiere von unten zu verringern.
- Ausgewachsene Krallenfrösche jeder Art werden mit speziellen Futterpellets gefüttert. Kaulquappen und jüngere Frösche fressen hauptsächlich Spezialpellets, aber ihre Nahrung kann durch zerkleinertes Muskelfleisch wie Rinderherz, Blutwürmer, Algenpulver usw. angereichert werden.
Die in der biomedizinischen Forschung mit Fröschen am häufigsten verwendeten Techniken
- In-vitro-Fertilisation und Embryonenbildung für Entwicklungsstudien
- Entnahme unbefruchteter Eier aus den Eierstöcken für Zellkernstudien
- Injektion von Molekülen zur Veränderung der DNA in Eiern und frühen Embryonen zur Erzeugung genetisch veränderter Tiere oder zur Untersuchung der Funktion von Membrankanälen
- Entnahme oder Verschiebung von Gewebe für Entwicklungsstudien
Meilensteine in der Biomedizin mit Krallenfröschen
Seit fast einem Jahrhundert haben wir dank der Krallenfrösche Antworten auf wesentliche biologische Prozesse erhalten. In dem untenstehenden Zeitstrahl können Sie die wichtigsten bahnbrechenden Entwicklungen entdecken, die die biomedizinische Forschung prägen. 3,4,5,6,7,8,9
Für die interaktive Version, klicken Sie bitte hier: die Meilensteine mit den Krallenfröschen
Für die PDF-Version zum Herunterladen, klicken Sie bitte hier:
Anzahl der in der Forschung verwendeten Krallenfrösche 2022
Laut dem aktuellsten Bericht des Bf3R - Deutsches Zentrum für Schutz von Versuchstieren am Bundesinstitut für Risikobewertung machen Krallenfrösche 0,45 % der Gesamtzahl (1,73 Millionen Tiere) der im Jahr 2022 in Deutschland verwendeten Versuchstiere aus. 40 % dieser Frösche wurden für die Grundlagenforschung und 58 % für regulatorische Zwecke und die Routineproduktion eingesetzt. Der Rest diente der translationalen und angewandten Forschung, der Hochschulbildung und der Ausbildung beruflicher Fähigkeiten.
Ausgewählte Publikationen zu Forschungsprojekte mit Krallenfröschen aus NRW
RWTH Aachen
Establishment of the body condition score for adult female Xenopus laevis
Nuclear Pore Complex Assembly Using Xenopus Egg Extract
VPS72/YL1-Mediated H2A.Z Deposition Is Required for Nuclear Reassembly after Mitosis
Ruhr-Universität Bochum
Universität Bonn
Chromosome alignment maintenance requires the MAP RECQL4, mutated in the Rothmund-Thomson syndrome
Universität Duisburg-Essen
Red fluorescent Xenopus laevis: a new tool for grafting analysis
Der Krallenfrosch Xenopus laevis als Labortier: Biologie, Haltung, Zucht und experimentelle Nutzung
Growth of Xenopus laevis under different laboratory rearing conditions
Preference of Xenopus laevis for different housing conditions
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Seitenansicht eines Krallenfrosches der in der Studie "Establishment of the body condition score for adult female Xenopus laevis“ beobachtet wurde. -
Von oben gesehen ein Krallenfrosch der in der Studie „Establishment of the body condition score for adult female Xenopus laevis“ beobachtet wurde
Quellenangaben
- Kashiwagi, K., Kashiwagi, A., Kurabayashi, A., Hanada, H., Nakajima, K., Okada, M., Takase, M., & Yaoita, Y. (2010). Xenopus tropicalis: an ideal experimental animal in amphibia. Experimental animals, 59(4), 395–405.
- Moody, S.A., Sater, A.K. (2016). Xenopus Community White Paper https://www.xenbase.org/xenbase/static/community/xenopuswhitepaper/2016/2016-XenopusWhitePaper-Final.pdf
- Sander, K., & Faessler, P. E. (2001). Introducing the Spemann-Mangold organizer: experiments and insights that generated a key concept in developmental biology. The International journal of developmental biology, 45(1), 1–11.
- Gurdon, J. B., & Hopwood, N. (2000). The introduction of Xenopus laevis into developmental biology: of empire, pregnancy testing and ribosomal genes. The International journal of developmental biology, 44(1), 43–50.
- SHAPIRO, H., ZWARENSTEIN, H. (1934) A Rapid Test for Pregnancy on Xenopus lævis. Nature 133, 762.
- GURDON J. B. (1962). The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles. Journal of embryology and experimental morphology, 10, 622–640.
- Jackson P. K. (2008). The hunt for cyclin. Cell, 134(2), 199–202.
- Preston, G. M., Carroll, T. P., Guggino, W. B., & Agre, P. (1992). Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 protein. Science (New York, N.Y.), 256(5055), 385–387.
- Murugan, N. J., Vigran, H. J., Miller, K. A., Golding, A., Pham, Q. L., Sperry, M. M., Rasmussen-Ivey, C., Kane, A. W., Kaplan, D. L., & Levin, M. (2022). Acute multidrug delivery via a wearable bioreactor facilitates long-term limb regeneration and functional recovery in adult Xenopus laevis. Science advances, 8(4), eabj2164.
Danksagung
Wir möchten uns herzlich bei allen Netzwerkmitgliedern bedanken, die an dieser Seite „Krallenfrösche in der biomedizinischen Forschung“ von der Konzeption bis zur Erstellung mitgewirkt haben.