Contrast enhanced μCT of peripheral nerve and spinal cord

Abstract

Spinal cord and peripheral nerve injury are a common result of traumatic injury. The treatment options are still limited and consequences of these injuries can be severe and may result in permanent disability and reduction in quality of life. There is an urgent need for research into new treatment options. Novel imaging modalities may provide new insights into the mechanisms of injury and regeneration. Contrast enhanced computed tomography (CECT) allows the visualization of soft tissues with the use of contrast agents. In this work, we sought to investigate the viability of CECT for use in the context of peripheral nerve and spinal cord injury repair. We investigated the staining mechanisms of Lugol’s iodine staining on rat limbs by comparing repeated staining’s at various concentrations. The knowledge gained was employed to stain a peripheral nerve injury which was regenerated using a silk based nerve guidance conduit. Lugol’s iodine was further used to stain rat spinal cords after impact injury. We further investigated the staining of healthy and injured spinal cords using Lugol’s iodine, Accupaque and hafnium-substituted Wells-Dawson polyoxometalate (Hf-POM). Accupaque was then employed as a contrast agent in a rat spinal cord injury experiment. We were able to optimize Lugol’s iodine staining for a peripheral nerve and spinal cord injury regeneration context. The staining was successfully employed in studies on peripheral nerve and spinal cord injuries in rats. In the peripheral nerve, the degree of bridging and blood supply through macroscopic holes in the nerve guidance conduit could be evaluated. In the spinal cord, the geometry of the cysts and remaining healthy tissue were quantified on the CECT scans. We were further able to demonstrate the use of CECT in both the healthy and injured spinal cord in high resolution scans. In the Accupaque stained spinal cords, both the cyst and damaged tissue volume could be quantified in great detail. The CECT techniques demonstrated in this work enable non-destructive visualization of the healthy and injured spinal cord as well as injured peripheral nerve at a high level of detail. This new tool may provide new insights into the anatomy and injury mechanics of the spinal cord and peripheral nerves.

Verletzungen des Rückenmarks und peripherer Nerven sind häufige Folgen von Unfalltraumata. Die verfügbaren Behandlungsmöglichkeiten sind weiterhin begrenzt. Verletzungen können schwerwiegende Folgen haben und eine dauerhafte Behinderung und eine erhebliche Einschränkung der Lebensqualität nach sich ziehen. Es besteht ein dringender Bedarf an Forschung zu neuen Behandlungsoptionen. Neue Bildgebungsverfahren könnten neue Einblicke in die Mechanismen von Verletzungen und Regeneration ermöglichen. Die kontrastverstärkte Computertomographie (CECT) erlaubt durch den Einsatz von Kontrastmitteln die Visualisierung von Weichgeweben. In dieser Arbeit untersuchten wir die Eignung der CECT im Kontext der Reparatur von peripheren Nerven- und Rückenmarksverletzungen. Wir analysierten die Färbemechanismen von Lugol’scher Jodlösung an den Gliedmaßen von Ratten, indem wir wiederholte Färbungen mit unterschiedlichen Konzentrationen verglichen. Das gewonnene Wissen wurde verwendet, um verletzte periphere Nerven zu färben, die mit einer seidenbasierten Nervenleitungsprothese regeneriert wurde. Zusätzlich wurde Lugol’scher Jodlösung zur Färbung von Rattenrückenmark nach einer traumatischen Verletzung eingesetzt. Wir untersuchten weiterhin die Färbung von gesundem und verletztem Rückenmark mit Lugol’scher Jodlösung, Accupaque und Hafnium-substituiertes Wells-Dawson-Polyoxometallat (Hf-POM). Accupaque wurde anschließend als Kontrastmittel in einem Experiment bei Rückenmarksverletzung in Ratten eingesetzt. Es gelang uns, die Kontrastierung mit Lugol’scher Jodlösung für die Anwendung im Kontext der Regeneration von peripheren Nerven- und Rückenmarksverletzungen zu optimieren. Die Färbung wurde erfolgreich in Studien zu peripheren Nerven- und Rückenmarksverletzungen bei Ratten angewendet. Im Bereich der peripheren Nerven konnten der Grad der Überbrückung sowie die Blutversorgung durch makroskopische Öffnungen in der Nervenleitungsprothese evaluiert werden. Im Rückenmark wurden Geometrie der Zysten und verbleibendes gesundes Gewebe auf den CECT-Scans quantifiziert. Darüber hinaus konnten wir die Anwendung der CECT bei gesundem und verletztem Rückenmark in hochauflösenden Scans demonstrieren. Bei den mit Accupaque gefärbten Rückenmarkproben konnten sowohl das Zystenvolumen als auch das Volumen des geschädigten Gewebes detailliert quantifiziert werden. Die in dieser Arbeit demonstrierten CECT-Techniken ermöglichen eine zerstörungsfreie Visualisierung des gesunden und verletzten Rückenmarks sowie des verletzten peripheren Nervs mit einem hohen Detailgrad. Dieses neue Werkzeug ermöglicht neue Einblicke in die Anatomie und Verletzungsmechanismen des Rückenmarks und der peripheren Nerven.