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心率。作者手稿;PMC 2016年5月1日提供。
以最终编辑形式发布为:
2015年1月30日在线发布。 数字对象标识:2016年10月10日/j.hrthm.2015.01.045
PMCID公司:PMC4411181项目
NIHMSID公司:NIHMS676419
PMID:25640636

空间靶向心肌梗死后星状神经节神经元的重塑:神经肽和形态学变化

Olujimi A.Ajijola公司、医学博士、博士,* Daigo Yagishita公司,医学博士,* 纳文·雷迪、理学学士、,* 山川健太郎,医学博士, 马尔马尔·瓦塞吉医学博士、理学硕士、FHRS,* 安东尼·唐斯、理学学士、, 唐纳德·胡佛,博士, 杰弗里·阿德尔,博士,*卡利亚纳姆·什夫库马尔,医学博士,博士,FHRS*

摘要

背景

心肌梗死(MI)诱导星状神经节神经元(SGN)重塑。

目标

我们研究了梗死部位是否对星状神经节的形态变化或神经肽表达的偏侧性有任何影响。

方法

约克郡猪接受左回旋动脉(LCX,n=6)或右冠状动脉(RCA,n=5)闭塞,分别造成左侧和右侧心肌梗死(对照组:n=10)。心肌梗死后5±1周,分别采集左侧和右侧星状神经节(LSG和RSG),测定神经元大小、酪氨酸羟化酶(TH)和神经肽Y(NPY)免疫反应性。

结果

与对照组相比,LCX和RCA MI增加了LSG的平均神经元大小(451±25μm2与650±34μm相比2对比577±55μm2分别为p=0.0012);和RSG(433±22μm2与646±42μm相比2与530±41μm相比2分别为p=0.002)。TH-免疫活性存在于大多数SGN中。LCX和RCA MI均与TH阴性SGN百分比显著降低相关;LSG分别从对照组的2.58±0.2%到LCX和RCA MI的1.26±0.3%和0.7±0.3%(第页=0.001); RSG分别从对照组的3.02±0.4降至LCX和RCA MI的1.36±0.3%和0.68±0.2%(p=0.002)。LCX和RCA心肌梗死后,TH-阴性和TH-阳性神经元的大小均增加。LCX和RC心肌梗死也显著增加了两个神经节的神经肽Y免疫反应性。

结论

左、右侧心肌梗死同样引起LSG和RSG神经元的形态学和神经化学变化,与梗死部位无关。这些数据表明,MI后转导的传入信号导致双侧变化,并为针对交感链的双侧干预提供了心律失常调节的基本原理。

关键词:神经肽重塑,心肌梗死,自主神经系统,交感神经节,神经重塑

介绍

自主神经系统功能的改变与心室和心房心律失常有关1-心脏神经层次内的元素调节已用于心律失常的管理以及人类和动物模型ANS功能的研究4-7据报道,位于心脏内外神经节的神经元的形态学变化与心脏的缺血性和非缺血性损伤有关。在犬、兔和人的心肌梗死(MI)模型的星状神经节中,已经报道了神经元扩大、神经萌芽和神经信号增强8-10.

此外,在许多心血管疾病中,SGN的神经化学表达模式发生了改变。在大鼠非缺血性心力衰竭(HF)模型中,SGNs表现出从肾上腺素能向胆碱能表型的反式分化,表现为由gp130炎性细胞因子介导的TH阴性(胆碱能)神经元的增加11此外,低水平迷走神经刺激导致犬星状神经节TH-阴性神经元百分比增加12其中绝大多数胆碱乙酰转移酶(ChAT)染色阳性。这些数据表明,在非缺血性心力衰竭条件下,或在慢性迷走神经刺激期间,存在肾上腺素能-胆碱能表型转换。心脏缺血性损伤是否会导致类似的表型转换尚不清楚。

左、右星状神经节的心室神经支配模式(分别为LSG和RSG)已在电地形图研究中显示,LSG主要位于心室的后部和左侧;以及RSG心室的前部和右侧13,14梗死后神经节(LSG vs.RSG)中主要支配受损心肌床的神经元重塑是否更大尚不清楚。这个问题很重要,因为它可以指导旨在调节心脏交感神经张力的干预策略的侧方性,例如心肌梗死后的心脏交感失神经7.

本研究的目的是双重的;1) 以确定MI是否与肾上腺素能表型和神经肽的星状神经节神经元表达改变有关;评估梗死区同侧神经节(LSG vs.RSG)的星状神经节神经重塑是否最大。

材料和方法

动物模型与梗死诱导

动物实验是根据加利福尼亚大学动物护理和使用委员会(IACUC)和美国国立卫生研究院实验动物护理与使用指南的规定,经批准后进行的。共研究了22只动物(12只梗死,10只对照)。

心肌梗死是按照之前公布的结果诱发的14简单地说,给体重77±10lbs(n=12)的动物注射特拉唑(8-10mg/kg,肌肉注射)和芬太尼(50-1000cg,静脉注射)镇静剂。插管后,使用吸入异氟醚(0.8%-1.5%)维持气管内麻醉,并通过每小时注射芬太尼(50-100 mcg IV)维持镇痛。接下来,将球囊尖端冠状动脉成形术导管穿过导丝插入右冠状动脉(RCA,n=6)或左回旋动脉(LCX,n=5)。将球囊充气至亚闭塞压力,通过血管成形术导管在3-5分钟内缓慢注射10-20mL混悬液,混悬液中含有不透射线造影剂、无菌盐水和5-7.5mL聚苯乙烯微球(Polybead®90μm,Polysciences Inc.,Warrington,PA,USA)。下方或左侧ECG导联ST段抬高证实立即心肌损伤。在梗死后6周对一些动物进行了体外对比增强磁共振成像(CE-MRI)。

组织学和免疫组织化学研究

纸巾处理

处死前取出星状神经节,冲洗干净,立即转移至10%磷酸盐缓冲福尔马林(费希尔科学公司,匹兹堡,宾夕法尼亚州)中冷却5-7天,然后转移至70%乙醇(西格玛阿尔德里奇,圣路易斯,密苏里州)中,直至包埋(<1周)。

组织染色

根据之前出版的计算机化形态计量分析(Tissue Studio,Definiens Inc.,Parsippany,NJ),通过Thionin染色(Fisher Scientific,Pittsburgh,PA)测定神经元大小9.

免疫组织化学染色

使用抗酪氨酸羟化酶(-TH)抗体(1:200稀释,Abcam,Cat#ab112,马萨诸塞州剑桥市,美国)和抗胆碱乙酰转移酶抗体(1:100稀释,Abcam,Cat#ab18736,剑桥市,马萨诸塞诸塞州,美国)量化肾上腺素能表型,二氨基联苯胺检测(DAB,Life Technologies,Green Island,NY)按照制造商推荐的协议。使用计算机图像分析(Aperio ImageScope,Leica Biosystems,Nussloch,GmbH)对载玻片中的所有神经元进行计数,如果它们分别表现出TH或ChAT免疫反应水平,则视为肾上腺素能或胆碱能。以盲法对各组进行染色和定量。使用抗NPY抗体(1:500稀释,ImmunoStar,Cat#22940,Hudson,WI,USA)定量神经肽Y(NPY)免疫反应,并使用ImmPACT VIP过氧化物酶底物试剂盒(Vector)开发4分钟的恒定时间,以确保均匀染色强度。所有幻灯片都进行了数字扫描,并存储了电子图像以供分析(Aperio ImageScope,Leica Biosystems,Nussloch,GmbH)9NPY免疫反应性的评估与其他染色剂不同。在幻灯片的顶部、底部、左侧、右侧和中部的五个40X高功率场(hpfs)中进行量化。神经元要么标记为暗的、微弱的,要么完全阴性。对这些HPF中的所有神经元进行计数和分析,然而,只有那些染色较深的神经元被认为是NPY免疫反应性神经元,并被量化为百分比(每张幻灯片中染色较深神经元的百分比)。以盲法对各组进行染色和定量。

统计分析

数据报告为平均值±标准误差(SEM)。对每个数据集的正态性和同态性进行了评估。采用双向方差分析(ANOVA)和Tukey-Kramer最小显著性差异(MSD)检验进行多组比较。在以下情况下进行事后成对比较第页值<0.05,采用Wilcoxon秩和检验或Mann-Whitney U检验。对于所有比较P(P)值<0.05被认为具有统计学意义。

结果

心肌梗死模型

如图所示,右冠状动脉(RCA)和左回旋动脉(LCX)经皮微球栓塞可产生右侧和左侧心肌梗死图1(分别为顶部和中间面板)。通过磁共振成像和牺牲后心脏的大体检查来确认梗死的空间位置。特定左侧和右侧MI的典型示例如所示图1,底部面板。RCA闭塞导致右心室和下间隔梗死;然而,左心室的主要重量没有受到影响。

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心肌梗死模型

右冠状动脉(RCA)和左旋支(LCX)闭塞导致左右两侧心肌梗死的血管造影证据如图所示顶部中间的面板。蓝色箭头追踪基线处血管的走向,并指示微球闭塞后丢失的血管。红色箭头表示冠状动脉内导丝追踪闭塞RCA的路线。这个底部该面板显示RCA和LCX梗死(明亮组织)的延迟钆磁共振图像,也由白色箭头标识。从心尖观察心室的短轴图像。

心肌梗死诱导左右星状神经节神经元扩大与梗死部位无关

通过对硫堇染色神经节切片中所有神经元的自动分析,量化神经元的大小和分布。对照组LSG和RSG中每片分析的神经元数量分别为1997±325和1149±65。对于LCX MI,这些数字分别为1769±367和900±101;对于RCA心肌梗死,这些数字分别为1550±197和616±147。梗死动物LSG和RSG的神经元均大于对照组(图2A). 对照组、LCX和RCA心肌梗死患者的平均LSG神经元大小为451±25μm2与650±34μm相比2对比577±55μm2分别为(方差分析p=0.0012;CON与LCX p=0.001,CON与RCA p=0.015)。在RSG中,这些值为433±22μm2与646±42μm相比2与530±41μm相比2分别针对对照组、LCX和RCA动物受试者(方差分析p=0.002,CON vs LCX p=0.0002,CON vs RCA p=0.04)(图2B). 在所研究的任何条件下,LSG和RSG之间的神经元大小都没有显著差异。显示了各组神经元大小分布的直方图,如图3左右星状神经节。它表明神经元尺寸减小到390μm以下2至460微米2神经元百分比增加超过544μm2相对于两个神经节的对照,心肌梗死动物的大小。

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心肌梗死诱发星形神经元增大与侧性无关

答:。所示为对照动物右侧和左侧星状神经节硫堇染色切片的代表性图像,与左回旋(LCX)动脉和右冠状动脉(RCA)闭塞形成左侧和右侧心肌梗死相比。LCX和RCA梗死区中较大的神经元可以通过视觉识别。(标尺50μm)。B。对比LCX和RCA梗死,对对照组左右星状神经节的平均神经元大小进行量化*与对照组相比,p<0.05,**p<0.01,***p<0.001。

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星状神经节神经元大小在神经节和梗死部位的分布

对照动物受试者左侧和右侧星状神经节(分别为LSG和RSG)的神经元大小分布直方图,以及左回旋支(LCX)和右冠状动脉(RCA)梗死,分别造成左侧和右侧梗死。

心肌梗死与左右星状神经节肾上腺素能变化相关

心力衰竭模型中报告了肾上腺素能型到胆碱能型神经元的转分化11然而,缺血性梗死模型是否表现出这种现象尚不清楚。我们对来自对照组、LCX和RCA梗死的左右星状神经节进行酪氨酸羟化酶免疫染色。对照组、LCX MI和RCA MI的LSG中平均计数为2149±347、1304±332和2389±375个神经元。在RSG中,对照组、LCX MI和RCA MI的每片平均计数神经元数分别为1648±117、817±117和1654±369。我们测量了TH阴性神经元的百分比,令人惊讶的是观察到了减少,而不是增加(图4A)正如之前报道的心力衰竭。具体而言,LSG中TH-阴性(非肾上腺素能神经元)的百分比从对照组的2.58±0.2%下降到LCX和RCA MI中LSG的1.26±0.3%和0.7±0.3%(p=0.001);RSG分别从对照组的3.02±0.4降至LCX和RCA MI的1.36±0.3%和0.68±0.2%(p=0.004)。(图4B). 两两比较的结果也显示在图4B在所研究的动物群体中,LCX和RCA MI动物的酪氨酸羟化酶染色强度均高于对照组(图4A).

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心肌梗死诱导星状神经节神经元的神经化学重塑

答:。对照动物右侧和左侧星状神经节的典型酪氨酸羟化酶(TH)染色切片,与左回旋(LCX)动脉和右冠状动脉(RCA)闭塞进行比较,以产生左侧和右侧心肌梗死。与LCX和RCA梗死相比,对照组可以欣赏到更多的TH阴性神经元(用黑色箭头表示)。梗死神经节中较大的神经元也可以被识别。比例尺=50μm。B。对比LCX和RCA梗死,对对照组左右星状神经节TH-阴性神经元的百分比进行了量化。C、。对照动物(左侧面板)和LCX MI动物(右侧面板)的相邻4μm切片的示例,用TH和胆碱乙酰转移酶(ChAT)染色,显示神经元仅为TH染色(细黑色箭头),仅为ChAT染色(粗黑色箭头)或两者都染色(蓝色箭头),尽管这些神经元为TH着色较少。比例尺=50μm。

在一组动物(n=3)中,我们用TH和胆碱能神经元标记物胆碱酯酶(ChAT)对同一神经节相邻的4μm厚切片进行免疫染色。这表明所有TH阴性神经元都被ChAT染色(图4C,黑色粗箭头)。如同一张图所示,一小群神经元(用箭头识别)对TH和ChAT都进行了染色。

接下来,我们检查了心肌梗死后表现出增大的神经元数量是否主要是肾上腺素能或非肾上腺素能表型。在对照动物中,非肾上腺素能神经元的平均神经元大小明显大于肾上腺素能神经元(图5)(485±21微米2对比399±13μm2分别为p=0.001)。LCX和RCA心肌梗死后,两个神经元亚类的大小都增加到679±42μm2和558±70μm2非肾上腺素能神经元分别为(p=0.006);并达到616±31μm2和548±20μm2(p=0.001)(图5)分别用于肾上腺素能神经元。

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心肌梗死后肾上腺素能和非肾上腺素能神经元增大

本文给出了与LCX和RCA梗死相比,对照组受试者神经节中酪氨酸羟化酶(TH)阴性和阳性神经元平均神经元大小的图示。在对照动物中,TH阳性神经元小于TH阴性神经元。不仅梗死动物的两个神经元群都较大,而且对照组的大小差异也消失了**与对照组相比,p<0.01,***p<0.001。##对照组TH-阴性vs对照组TH阳性p<0.01。

心肌梗死后神经肽Y免疫反应性增强

NPY是一种肾上腺素能神经肽,与许多心血管过程有关,包括压力暴露后血管张力的调节、重塑和新陈代谢15如对照组、LCX和RCA梗死动物受试者的代表性左右星状神经节切片所述,对NPY免疫反应进行评估。在所分析的五个40X高功率场中,LSG和RSG中的平均神经元数分别为154±10和166±12,而LCX MI中分别为147±9和170±9;RCA MI分别为153±18和164±9个神经元。在对照神经节中,两个神经节中约一半的神经元分别呈NPY(40±0.9%)和LSG(46±2.5%)的深阳性染色。心肌梗死患者神经节内NPY免疫反应显著增强;(图6A)LSG中LCX和RCA MI分别为72±1.6%(p<0.001)和68±2%(p=0.002);在RSG中,LCX和RCA MI分别为(69±4%(p=0.002)和73±2.4%(p=0.002)(当比较LSG和RSG的三种条件时,方差p值分别为0.0004和0.006(图6B).

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心肌梗死后神经肽Y免疫反应增强

答:。对照动物左、右星状神经节(分别为LSG和RSG)的典型神经肽Y(NPY)染色切片,与左回旋支(LCX)动脉和右冠状动脉(RCA)闭塞进行比较,以造成左、右侧心肌梗死。LCX和RCA神经元中NPY免疫反应增强。黑色箭头表示染色较深的神经元。梗死神经节中较大的神经元也可以被识别。比例尺=50μm。B。与LCX和RCA梗死相比,对照组左右星状神经节NPY免疫反应的定量。

讨论

主要调查结果

本研究的主要发现是:1)梗死后LSG和RSG的神经元增大与MI的空间位置无关(左与右);2) MI与SGN的神经化学重塑有关,观察到神经元肾上腺素能表型和神经肽Y免疫反应神经元增加;3) 心肌梗死后,肾上腺素能和非肾上腺素能(胆碱能)神经元均可见神经元形态扩大。

心肌病的神经形态学改变

在缺血性心肌病模型中主要研究了SGN的形态学变化,梗死发生在冠状动脉左前降支8,16,主要关注LSG9然而,两个星状神经节都可能在心肌梗死后重塑10此外,这种重塑可能不同。本研究结果表明,左、右侧心肌梗死均可引起两个星状神经节的形态学改变,与梗死侧性无关。星状神经节刺激和电生理指标测量(基于对刺激反应最大的区域)表明,来自LSG的神经支配主要位于心室的后部和左侧;相反,在RSG心室的前部和右侧13,14,17左、右侧心肌梗死的神经重塑缺乏区域性,这可能反映出传入(心肌梗死后的信号转导)和传出交感神经激活到达心脏的方式不同。更重要的解释是内在心脏网络(ICN)18是将心脏损伤传递到中枢神经系统的主要部位,随后将重塑诱导信号分配到两个星状神经节19,20通过增加交感神经流出。左、右侧心肌梗死的ICN是否存在差异性重塑尚不清楚。这些形态学变化的另一个重要机制是心肌梗死对血流动力学的影响,即心血管的激活21,肾22和胸内传入,随后通过交感链向心脏传出交感信号增加。由于增强了电生理和代谢活性,SGN表现出已确定的形态变化。

星状神经节的大小分布分析表明,并非所有神经元在MI后都会增大,然而,一组神经元表现出形态学变化(图3),如其他模型中所述9这些神经元可能代表参与心血管(或心肺)调节的传出和/或局部回路神经元,而未改变的神经元可能介导其他胸廓结构和上肢内脏神经支配的神经传递(例如催汗胆碱能神经元)。这一假设并不排除某些神经元群体在没有形态学改变的情况下的功能重塑。

这些数据对使用心脏交感神经失神经治疗人类顽固性室性心律失常具有重要意义24单侧或双侧切除部分交感神经链(星状神经节下半部和T2-T4)是一个有争议的话题4,5,7。据报道,从患者身上切除的SGN的物理和功能重塑9去除这些元素和防止进一步的重塑,以及阻断传入和传出神经传递,可能是该手术所见有益效果的机制。单侧胸交感神经链的去除以及星状神经节水平的神经重塑和神经传递的不完全缓解可能是单侧与双侧交感神经切除术疗效较差的原因7.

星状神经节神经元的神经化学重构

在大鼠模型中,肾上腺素能神经元和胆碱能神经元的表型转分化被证明是非缺血性(高血压)心力衰竭的一个特征,由心力衰竭状态增强的gp130细胞因子介导11有趣的是,慢性低水平迷走神经刺激后也出现了类似现象12在之前的研究中,金泽等人证明了肾上腺素能对缺氧条件下胆碱能转运的保护作用。在后一项研究中,Shen等人证明,低水平迷走神经刺激可减少房性快速心律失常。然而,本研究的结果表明,心脏缺血损伤会导致不同的表型表现,其中可以观察到肾上腺素能神经元的增加。虽然这项研究评估了一个时间点,但这些数据表明胆碱能-肾上腺素能神经递质转换,可能反映了梗死后高肾上腺素能状态。除此之外,NPY的表达也增加了。

可以解释本研究中观察到的表型变化的机制包括增加到心脏神经轴(包括中枢神经系统)的传入信号,增加到交感链、内在心脏网络和心脏的传出交感流出。另一个可能的机制是心肌梗死后心脏NGF表达升高8,25通过逆行轴突运输机制25,26对于星状神经节,NGF诱导肾上腺素能神经递质的表达增加。

尽管左侧和右侧心肌梗死后肾上腺素能表型发生了变化,但这两种神经元亚型在心肌梗死后均表现出增大。此外,随着心肌梗死(LCX和RCA模型)的引入,在对照组中观察到的肾上腺素能和非肾上腺素能SGN的大小差异消失,因为在MI动物中,肾上腺素能神经元和非肾上腺素能神经元的大小没有显著差异。与形态学数据一致,这表明心肌梗死后存在整体的超肾上腺素状态,其结果是肾上腺素能神经元属性的表达增加。对神经化学表达的产后变化知之甚少且复杂27然而,它可能对维持神经可塑性至关重要。变化可能由靶组织、细胞环境或循环细胞因子(包括gp130类)驱动11这些变化可能会维持机体对神经需求的长期适应。在心力衰竭状态下,肾上腺素能转分化为胆碱能可能会降低交感神经张力,在我们的研究中,肾上腺素能标记物表达的增加可能会维持肾上腺素能亢进状态。

NPY在多种心血管或神经系统疾病中的多方面作用仍在深入研究中。NPY在心脏中丰富,与交感神经末梢相关。除了介导血管收缩外,它还参与高血压、左心室肥厚(LVH)的发展28在慢性心肌缺血时显著升高29增强去甲肾上腺素和血管紧张素的作用30NPY介导交感-副交感相声31也被证明可以减少心脏中的副交感神经传递32在我们的研究中,NPY在对照动物中的表达与Happola等人在猪中证明的范围密切相关33与我们的研究结果一致,与对照组相比,高血压大鼠颈上神经节神经元的NPY水平更高34,因为高血压动物的免疫反应性并没有像对照受试者那样随着年龄的增长而降低。神经节前传出交感信号对NPY表达和调节的影响35这表明,在我们的模型中观察到NPY表达增加(以及神经元TH表达增加)的一个可能机制是心肌梗死后传入神经传递增加,并产生传出交感信号。尽管星状神经节中NPY表达增加对心脏NPY表达和电生理学的影响尚不清楚,但上述多种证据表明存在不良影响。梗死后模型中NPY的增加,伴随着肾上腺素能表型的增加,都表明交感神经状态增加。

结论

总之,我们提供的数据表明,在分别分布于LSG和RSG神经支配区的空间靶向左侧和右侧MI后,左侧和右侧星状神经节在形态学和神经化学上都发生了重塑。星状神经节的形态或神经肽重塑程度与梗死的侧性无关。非肾上腺素能(胆碱能)和肾上腺素能神经元在两个神经节中都表现出形态学变化。最后,左、右侧心肌梗死后,星状神经节神经元中交感神经肽NPY的表达增加。总之,这些数据表明,心肌梗死由心轴两侧“感知”相同,导致肾上腺素能标记物的双侧表达增加。这些数据的主要含义是,在减轻星状神经节形态和神经肽重塑以及心脏神经传递方面,双侧心脏交感神经失神经优于单侧。

临床观点

在这份手稿中,我们提出证据表明,梗死后左右星状神经节的形态学和神经化学重塑与梗死部位(左侧或右侧梗死)无关。我们还发现,星状神经节神经元中酪氨酸羟化酶的相对表达增加,与神经肽Y的表达增加相关。由于梗死后肾上腺素能信号与心律失常发生有关,神经元肾上腺素能表达增加是缓解高肾上腺素能状态的新靶点。进一步研究确定神经元中肾上腺素能表达的关键驱动因素,可能会阐明药物或干预疗法,以防止肾上腺素能信号增加引起的心律失常。

致谢

作者感谢Eileen So、Jaspriet Singh、Jonathan Pang、Tayler Rodriguez和Emma Kurihara提供的出色技术援助。本研究得到了OAA的A.P.Giannii博士后奖、DBH的NIH GM107949和KS的NHLBI R01HL084261的支持。

缩略语词汇表

方差分析方差分析
ANS公司自主神经系统
CE-MRI公司对比度增强磁共振成像
中国税务局胆碱乙酰转移酶
控制器控制
心电图心电图
高频心脏衰竭
国际竞争网络固有心脏网络
LCX公司左冠状动脉环
LSG公司左侧星状神经节
LVH(低电压)左心室肥厚
医疗保险心肌梗死
NGF公司神经生长因子
NPY(净现值)神经肽Y
远程控制卡右冠状动脉
RSG公司右侧星状神经节
标准偏差标准偏差
扫描电镜平均值的标准误差
SGN公司星形神经节神经元
真实航向酪氨酸羟化酶

脚注

披露:无

利益冲突:作者没有要披露的利益冲突。

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工具书类

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