„MouseMapper“: KI-Atlas deckt verborgene Ganzkörperschäden durch Adipositas auf

Mithilfe der neuen Plattform „MouseMapper“ haben Münchner Forschende weitreichende Entzündungsprozesse sowie bislang unbekannte Schädigungen sensorischer Gesichtsnerven infolge von Adipositas identifiziert. Das KI-gestützte Framework kartiert krankheitsbedingte Veränderungen im gesamten Mauskörper.

Adipositas betrifft weit mehr als nur Stoffwechsel und Fettspeicherung. Die Erkrankung verändert die Immunaktivität, die Nervenstruktur und die Gewebeorganisation in zahlreichen Organsystemen und erhöht das Risiko für Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Schlaganfälle, Neuropathien und Krebs. Trotz dieser weitreichenden systemischen Auswirkungen fehlten bislang Werkzeuge, mit denen sich krankheitsbedingte Veränderungen im gesamten Körper intakter Organismen hochauflösend untersuchen lassen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Ali Ertürk, Direktor des Institute for Biological Intelligence (iBIO) bei Helmholtz Munich und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, hat „MouseMapper“ entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Sammlung von Deep-Learning-Algorithmen auf Basis sogenannter Foundation Models zur Analyse biologischer Ganzkörperbilddaten. Das Framework segmentiert automatisch 31 Organe und Gewebetypen und kartiert gleichzeitig Nerven- und Immunzellen im gesamten Körper. Dadurch werden umfassende multiorganische Analysen in intakten Mäusen ermöglicht. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Transparenter Mauskörper in seiner Gesamtheit sichtbar

Um Ganzkörperkarten zu erstellen, markierten die Forschenden Nerven- und Immunzellen in Mäusen mit fluoreszierenden Markern. Anschließend machten sie die Tiere mithilfe spezieller Gewebe-Klärungstechniken transparent, wobei die Fluoreszenzsignale erhalten blieben. Dadurch wurden tiefe Einblicke in den intakten Körper möglich.

Mithilfe hochauflösender Lichtblattmikroskopie erfasste das Team detaillierte dreidimensionale Aufnahmen vollständiger Mauskörper. Dabei entstanden Datensätze mit mehreren zehn Millionen zellulären Strukturen aus unterschiedlichen Organen und Geweben. MouseMapper analysierte diese Daten anschließend automatisiert und identifizierte Nerven, Immunzellcluster sowie anatomische Regionen im gesamten Körper.

Auf diese Weise konnten die Forschenden präzise nachvollziehen, wo Entzündungen und strukturelle Schäden in verschiedenen Geweben auftreten – darunter Fettgewebe, Muskeln, Leber und periphere Nerven –, ohne im Vorfeld bestimmte Untersuchungsregionen festlegen zu müssen.

Neue Einblicke in Adipositas bei Maus und Mensch

Um zu untersuchen, wie Adipositas den Körper verändert, setzten die Forschenden Mäuse einer fettreichen Diät aus, die eine dem Menschen vergleichbare Form von Adipositas und Stoffwechselstörung auslöste. Mithilfe von „MouseMapper“ konnten sie weitreichende Veränderungen sowohl in der Organisation von Immunzellen als auch in der Nervenarchitektur des gesamten Körpers nachweisen.

Eine der auffälligsten Entdeckungen war die strukturelle Veränderung eines Abschnitts des Trigeminusnervs im Gesicht. Bei adipösen Mäusen wiesen diese sensorischen Nerven deutlich weniger Endigungen und Verzweigungen auf, was auf einen Verlust normaler Nervenfunktion hindeutet. Verhaltensstudien zeigten zudem, dass die Tiere schwächer auf sensorische Reize reagierten als schlanke Mäuse. Damit ließ sich der strukturelle Schaden direkt mit einer beeinträchtigten Sinnesfunktion verknüpfen.

Anschließend analysierten die Forschenden das Trigeminusganglion. Mithilfe räumlicher Proteomik identifizierten sie molekulare Veränderungen, die mit Nervenumbau und Entzündungsprozessen in Zusammenhang stehen. Bemerkenswerterweise fanden sich viele dieser molekularen Signaturen auch im Trigeminusgewebe von Menschen mit Adipositas. Dies deutet darauf hin, dass die bei Mäusen beobachteten Veränderungen auch beim Menschen auftreten.

„Wir haben bislang unbekannte strukturelle und molekulare Veränderungen im Trigeminusganglion und seinen Gesichtsnervenästen entdeckt – und dieselbe molekulare Signatur auch im menschlichen Gewebe nachgewiesen. Solche Zusammenhänge werden sichtbar, wenn man den Körper als Gesamtsystem untersucht und nicht nur einzelne Organe isoliert betrachtet“, erklärt Co-Erstautorin Doris Kaltenecker, Senior Scientist am Institute for Diabetes and Cancer (IDC) bei Helmholtz Munich.

Eine Plattform zur Erforschung systemischer Erkrankungen

Über Adipositas hinaus könnte „MouseMapper“ nach Ansicht der Forschenden die Erforschung komplexer Erkrankungen grundlegend verändern, die gleichzeitig mehrere Organsysteme betreffen. Dazu zählen zum Beispiel Diabetes, Krebs, neurodegenerative Erkrankungen und Autoimmunerkrankungen. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden, die sich meist auf einzelne Organe konzentrieren, ermöglicht MouseMapper eine integrierte Ganzkörperanalyse: Mit ihr lassen sich krankheitsbedingte „Hotspots“ im gesamten Organismus identifizieren.

„MouseMapper basiert auf einem „Foundation Model“. Das bedeutet, dass das System weit über die Daten hinaus generalisieren kann, mit denen es ursprünglich trainiert wurde“, ergänzt Co-Erstautorin Ying Chen. Außerdem hat das Team die Ganzkörper-Datensätze öffentlich zugänglich gemacht, sodass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit adipositasbedingte Veränderungen über verschiedene Gewebe- und Organsysteme hinweg untersuchen können.

„Unser Ziel ist es, einen umfassenden Rahmen zu schaffen, um zu verstehen, wie Krankheiten den Körper als vernetztes System beeinflussen“, sagt Ali Ertürk. „Unsere langfristige Vision ist die Entwicklung realistischer digitaler Zwillinge von Mäusen – sowohl im gesunden als auch im erkrankten Zustand. Solche zellulären Atlanten könnten rechnergestützt analysiert, gezielt verändert und simuliert werden. Das würde ermöglichen, früheste Krankheitsveränderungen zu identifizieren, präventive Interventionen zu entwickeln und die Entwicklung neuer Therapien zu beschleunigen – bei gleichzeitig reduzierter Zahl physischer Experimente.“