Non-invasive imaging and 3D visualization techniques for the study of sea urchin internal anatomy | Nicht-invasive bildgebende Verfahren und 3D-Visualisierungstechniken zur Darstellung der inneren Anatomie von Seeigeln

Echinoidea (sea urchins) are a group of benthic marine invertebrates that belong to the deuterostome taxon Echinodermata. Although extensive data have been gathered on larval and adult hard-part anatomy of sea urchins, for several reasons the knowledge of echinoid soft tissue anatomy is still fragmentary. For example, published works report differences in various taxa regarding the presence or absence of prominent internal organs such as the primary siphon, the gastric caecum, or the spongy bodies. The major aim of the present study was therefore to evaluate the potential of two non-invasive imaging techniques, namely magnetic resonance imaging (MRI) and micro-computed tomography (μCT), to visualize, in combination with advanced 3D modeling protocols, internal structures of sea urchins and to apply these techniques for large-scale comparative morphological analyses. In order to significantly extend taxon sampling, valuable specimens from museum collections were selected to be included in this study. MRI proved to be ideally suited to depict internal structures of invertebrates non-invasively, especially soft tissues, at isotropic resolutions well below 100 μm. Due to the simple specimen preparation as well as straight-forward imaging protocols, a high specimen throughput could be accomplished. Based on the digital tomographic datasets, 3D models were assembled in order to visualize selected features of echinoid soft tissue anatomy. Although imaging of soft tissues was practically impossible using conventional desktop μCT equipment due to the physical properties inherent in X-ray technology, this technique was successfully employed to visualize sea urchin hard-part anatomy at isotropic resolutions below 20 μm. MRI and μCT can therefore be seen as complementary non-invasive imaging techniques, especially for echinoderm specimens in which soft- and hard-part anatomy are equally present. To explore novel ways of communication and deposition of the acquired datasets as well as 3D models, these were made publicly available through the Internet and by integrating 3D data into PDF- based scientific publications. This approach included also the use of data from a central data repository for protein structures. The axial complex, a highly specialized organ also found in other echinoderm taxa, was then selected for an exemplary comparative study involving dozens of sea urchin species in order to highlight the possibilities offered by non-invasive imaging techniques combined with dissection, histology, and a reappraisal of information from published work. The results suggest an architectural interdependence of the axial complex with various other internal organs present in sea urchins. Finally, an attempt was made to evaluate the potential of echinoid soft tissue structures to extend the current list of morphological characters used for phylogenetic inferences. A set of selected soft tissue characters was therefore assembled and evaluated for every major sea urchin taxon. The results provide significant phylogenetic information and open the prospect for a comprehensive cladistic analysis including hard-part, larval and molecular characters as well as extensive soft tissue anatomy.

Die Echinoidea (Seeigel) sind eine Gruppe von marinen Invertebraten, welche zu den Echinodermaten (Stachelhäutern), einem Taxon innerhalb der Deuterostomia, gehört. Obwohl umfassende Daten zur Larval- und Hartteilanatomie vorliegen, sind die Kenntnisse der Weichteilstrukturen der Seeigel aus verschiedenen Gründen noch bruchstückhaft. Darauf weisen u.a. gravierende Unterschiede in der Literatur bezüglich des Vorhandenseins von Strukturen wie beispielsweise des Siphons, des Caecums oder der Tiedemann’schen Körperchen bei verschiedenen Seeigeltaxa hin. Das wesentliche Ziel der vorliegenden Studie war die Ermittlung des Potentials von zwei nicht-invasiven bildgebenden Verfahren, nämlich der Magnetresonanztomographie (MRT) sowie der Mikro- Computertomographie (μCT), zur Darstellung von inneren Strukturen der Seeigel in Kombination mit modernen 3D-Visualisierungstechniken. Eine umfassende vergleichende Analyse sollte durch die Verwendung von seltenem Museumsmaterial ermöglicht werden. Für die Darstellung von internen Strukturen bei Wirbellosen, speziell von Weichteilen, stellte sich die MRT als ein geeignetes Verfahren heraus, da hier Strukturen bei einer isotropen Auflösung bis weit unter 100 μm analysiert werden konnten. Aufgrund der relativ einfachen Vorbereitung des Tiermaterials konnte ein hoher Probendurchsatz realisiert werden. Anhand der Daten wurden 3D-Modelle zur Visualisierung von ausgewählten Weichteilmerkmalen erstellt. Die Darstellung von Weichteilen war mit Hilfe der μCT auf Grund des dort angewandten Röntgenverfahrens nicht möglich. Allerdings konnten interne Hartteilstrukturen mit einer isotropen Auflösung bis unter 20 μm dargestellt werden, welche die MRT-Daten sinn-voll ergänzten. Dieser Ansatz ist vor allen Dingen bei Echinodermaten erfolgversprechend, da hier sowohl Weich- als auch Hartteilstrukturen vorliegen. Um neue Wege bei der Kommunikation und der Speicherung der Daten zu beschreiten, wurden diese per Internet öffentlich zugänglich gemacht sowie als interaktive 3D-Modelle direkt in wissenschaftliche Publikationen eingebettet. Dieser Ansatz beinhaltete auch die Verwendung von Daten aus einer zentralen Datenbank mit Proteinstrukturen. Zur Verdeutlichung der Anwendungsmöglichkeiten von nicht-invasiven bildgebenden Verfahren wurden die erhobenen MRT-Daten zum Axialkomplex, einer hochspezialisierten Struktur bei Echinodermaten, mit Resultaten aus histologischen Schnittserien sowie einer umfassenden Literaturrecherche verknüpft. Die Ergebnisse belegen eine strukturelle Interdependenz des Axialkomplexes und verschiedener anderer Weichteile bei Seeigeln. Schlussendlich sollte das Potential der Weichteilstrukturen von Seeigeln zur Erweiterung der bestehenden morphologischen Datenmatrix untersucht werden. Eine Auswahl von Weichteilmerkmalen wurde daher eingehend analysiert und für eine umfassende Anzahl von Seeigeltaxa beschrieben. Die Ergebnisse zeigen die phylogenetische Relevanz dieser Strukturen und eröffnen die Aussicht auf eine umfassende kladistische Analyse basierend auf Hartteil-, Larval-, und molekularen Merkmalen in Kombination mit Weichteilmerkmalen.