Einsatz und Evaluation computertomographischer Methoden zur zerstörungsfreien Analyse fossiler Knochen und Erforschung der Evolution ossärer Pathologien

Abstract

Zielsetzung: In den vorliegenden Studien wurden Computertomographie (CT)- basierte Bildgebungsmethoden zur zerstörungsfreien Analyse fossiler Knochen entwickelt und im Kontext etablierter paläontologischer Verfahren für die Erforschung ossärer Pathologien evaluiert. Methoden: Sechs fossile Objekte, darunter die Tyrannosaurus rex (T. rex)- Exemplare „Sue“ und „Tristan Otto (TO)“, und das Femur eines rezenten Bos taurus (Rind) wurden untersucht. Zunächst erfolgte mittels CT die radiologische Diagnostik der pathologisch veränderten Fibula und der fusionierten Schwanzwirbel von T. rex "Sue". Anschließend wurden Daten zur Häufigkeit von korrespondierenden Pathologien bei phylogenetisch eng verwandten Arten auf Kladenebene aus der Literatur zum Vergleich herangezogen (144.277 bzw. 13.299 Vogel- und Reptilienpräparate), um die radiologischen Differentialdiagnosen mit Daten zur Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Pathologien zu untermauern. Im Folgenden wurde die elementare Zusammensetzung des rezenten Rinderknochens und des Hämalbogens von T. rex "TO" mittels invasiver multimodaler Knochenanalyse analysiert. Diese diente anschließend als Grundlage für die Entwicklung eines quantitativen Dual-Energy (DE) CT-Algorithmus. Dieser wurde an in Sediment eingebetteten Fossilien validiert und schließlich an dem pathologisch veränderten Os dentale von T. rex "TO" angewendet, um Veränderungen der elementaren Zusammensetzung zerstörungsfrei zu charakterisieren. Ergebnisse: Die CT-Untersuchung des T. rex „Sue" zeigte Veränderungen, die radiologisch eine neoplastische oder infektiöse Genese nahelegen. Die Daten zur Häufigkeit von korrespondierenden Pathologien ergaben Neoplasieraten von 3% bei Vögeln und 2% bei Reptilien, während die Infektionsraten deutlich höher waren (32% und 54%) und somit die Diagnose einer Osteomyelitis nahelegten. Die multimodale Knochenanalyse der fossilen Knochen zeigte einen höheren Fluorgehalt als bei rezenten Knochen. Mittels fluorspezifischer DECT wurden ebenfalls höhere Fluorkonzentrationen im T. rex „TO" als im Bos taurus (p<0,001) detektiert. Der Fluorgehalt korrelierte zudem mit dem geologischen Alter der untersuchten terrestrischen Fossilien. Eine besonders hohe Fluorkonzentration wurde im pathologisch veränderten Os dentale von T. rex „TO" gemessen, welche in Zusammenschau mit der CT-Morphologie mit der Diagnose einer chronischen Osteomyelitis vereinbar ist. Schlussfolgerung: Die Kombination aus CT und Daten zur Häufigkeit von Erkrankungen bei phylogenetisch eng verwandter Arten konnte die Diagnose einer chronischen Osteomyelitis bei T. rex „Sue" und „TO" mit hoher diagnostischer Sicherheit stellen. Zudem wurde Fluor als Indikator für fossilen Knochen identifiziert und mittels eines innovativen DECT- Algorithmus quantifiziert. CT und fluorspezifische DECT eignen sich als nicht-invasive Werkzeuge zur Untersuchung fossiler Knochen und unterstreichen die Bedeutung innovativer radiologischer Bildgebung in den Naturwissenschaften.

Objectives: In the present studies, computed tomography (CT)-based imaging methods were developed as non-destructive analysis tools for fossil bone and evaluated in the context of established paleontological methods for the study of osseous pathologies. Methods: A total of six fossil specimens, including the Tyrannosaurus rex (T. rex) specimens "Sue" and "Tristan Otto (TO)", and the femur of a extant Bos taurus (cattle) were subject to multimodal examination. First, CT imaging was applied to the pathologically altered fibula and fused caudal vertebrae of T. rex "Sue" was performed. Subsequently, pathology reports from phylogenetically closely related species at the clade level (phylogenetic disease bracketing) were reviewed and data on the occurrence of disease (144,277 and 13,299 avian and reptile specimens, respectively) was curated to determine the most plausible and likely diagnosis of the T. rex "Sue". Secondly, elementary compositions of the extant cattle bone and fossilized haemal arch of T. rex “TO” were analyzed invasively using established material characterization techniques. Identified elements in fossilized bone were used to develop a quantitative dual-energy (DE)CT algorithm for non-destructive bone characterization. Finally, the developed DECT algorithm was validated on sedimentembedded fossils and applied to the diseased jaw bone of T. rex "TO" to nondestructively characterize changes in elemental composition. Results: CT imaging of T. rex "Sue" revealed bone alterations suggestive of a neoplastic or infectious pathogenesis. Subsequent data review revealed neoplasia rates as low as 3% and 2% while infectious-disease rates were substantially higher with 32% and 54% in extant dinosaurs (birds) and non-avian reptiles, respectively, suggesting the diagnosis of osteomyelitis. Multimodal bone analysis revealed a higher fluorine content in fossilized bone than in extant and thus, a DECT algorithm for quantification of fluorine was developed. The fluorine-specific DECT also detected a higher fluorine concentration in T. rex "TO" compared to Bos taurus (p<0.001). Additionally, the fluorine content in the DECT analysis correlated with the geological age of the investigated terrestrial fossils. Finally, the diseased jaw bone of T. rex “TO” showed areas of particularly high fluorine concentrations on DECT, while pathomorphological features supported the diagnosis of chronic osteomyelitis. Conclusions: Using clinical CT and data on disease occurrence in phylogenetically related species allowed the diagnosis of chronic osteomyelitis in T. rex "Sue" and "TO" with a high diagnostic confidence. Moreover, fluorine was identified as an indicator of fossil bone and could be quantified using an innovative DECT algorithm. Thus, this work presents clinical CT and fluorine-specific DECT as non-destructive tools for the examination of fossil bones and highlight the importance of innovative radiological imaging techniques for natural sciences.