人脑血管畸形分子分析的腔内活检
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摘要
背景及目标ras -丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号异常发生在大多数脑动静脉畸形(bAVMs)中。如果不进行开放手术,就无法对bAVMs进行分子分析,这限制了精准医学的治疗方法。在这里,我们报道了在活着的患者中使用bAVMs血管腔内活检来描述基因表达和血流介导的转录变化。
方法对成人未破裂动静脉畸形进行腔内活检和计算流体动力学建模(CFD),并进行脑血管造影。每个患者都接受了手术切除和相邻动脉段的细胞采样。荧光辅助细胞分选富集内皮细胞,在Illumina HiSeq 4000测序仪上测序。RNA测序(RNAseq)定量基因表达。进行差异基因表达、本体分析和相关分析。结果经定量反转录PCR (RT-qPCR)验证。
结果4例患者成功进行腔内活检,无并发症。腔内活检每次活检269.0±79.9个细胞(对照组309.2±86.6个细胞,bAVM 228.8±133.4个细胞)。RNAseq在bAVMs中鉴定出106个差异表达基因(DEGs)(误发现率≤0.05)。为bAVM致病级联富集了DEGs,包括Ras-MAPK信号(p< 0.05),并通过RT-qPCR和MAPK/细胞外信号调节激酶抑制剂反应预测面板证实。与患者匹配的手术切除组织相比,腔内活检检测到83.3%的基因,与全基因组表达强相关(Pearsonr= 0.77)。通过CFD测量壁面剪切应力与炎症通路上调相关。栓塞前和栓塞后样品的比较证实了流动介导的基因表达变化。
讨论腔内活检可以对活着的患者的bAVMs进行分子分析。基因表达谱与开放手术获得的组织相似,可识别bAVMs中潜在的靶向Ras-MAPK信号异常。与CFD集成可以确定流介导的转录组改变。腔内活检可能有助于促进精确医学方法在人类bavm的试验。
术语表
- 动静脉=
- 动静脉畸形;
- bAVM=
- 脑AVM;
- CBF=
- 脑血流;
- 计算流体动力学=
- 计算流体动力学;
- 度=
- 差异表达基因;
- DSA=
- 数字减影血管造影术;
- 流式细胞仪=
- 荧光激活细胞分选;
- 罗斯福=
- 错误发现率;
- MAPK=
- 丝裂原活化蛋白激酶;
- MEK=
- MAPK/细胞外信号调节激酶;
- qPCR=
- 定量聚合酶链反应;
- RNAseq=
- RNA序列;
- scRNAseq=
- 单细胞RNAseq;
- 鞭打=
- 时间平均壁面剪应力;
- 3 d=
- 三维
一种被称为动静脉畸形(AVM)的脑血管畸形是一种血管纠缠,在动脉和静脉之间形成直接连接。1脑动静脉畸形(bAVMs)的一个子集导致脑出血,是年轻人脑出血的主要原因。2然而,大多数bAVMs不出血。随机对照试验表明,介入治疗,如血管内栓塞、立体定向放射手术或手术切除,与观察相比,与更高的死亡率和中风相关,并且治疗方法仍存在争议。3.
精准医疗方法已经彻底改变了临床护理,尤其是在肿瘤学领域。大多数AVMs(>95%)被认为没有明确的遗传原因,4但最近,新的测序工作已经确定了ras -丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路中的体细胞激活变体,如原癌基因喀斯特而且BRAF在大多数零星的bAVMs中.5,6在实验模型中,靶向抑制Ras-MAPK通路可逆转bAVM病理,并正在颅外血管畸形中进行试验。6,7尽管立体定向脑活检技术能够识别治疗靶点,但由于脑出血的风险,对许多脑血管疾病来说并不安全。因此,分子显像只适用于开放手术切除的血管畸形。这有几个后果:(1)所获得的信息对临床决策的影响很小;(2)无法实现bamv分子谱指导的精准医疗;(3)未经手术切除的血管畸形没有分子信息。因此,目前还没有办法从活着的患者的脑血管病变中提取分子信息。
为了解决人类脑血管精准医学转译的这一障碍,我们试图使用诊断金标准——脑血管造影,从脑血管系统内对血管腔细胞进行取样。在这里,我们报告了我们的病例系列,证明了脑血管造影引导的腔内活检用下一代RNA测序(RNAseq)对bAVMs进行分子分析的可行性和准确性,以确定治疗靶向通路,并从活着的患者未破裂的bAVMs中推断出流介导的转录组改变。
方法
标准方案批准、注册和患者同意
人体bAVM样本和临床数据来自加州大学旧金山分校,经机构审查委员会和伦理委员会批准的人体实验方案(机构审查委员会No. 15-16403)。除了标准的手术同意外,还获得了书面的知情同意,允许在治疗期间为特定的研究目的收集额外的线圈。作为机构审查委员会的一部分,正式的停止规则已经到位,例如单一的程序性出血性或缺血性中风。
从门诊和住院人口普查名单中筛查患者。在最初的研究中,仅纳入了未破裂动静脉畸形的成年人(>岁,年龄18岁),他们在随后的显微外科手术中接受了行血流减少性栓塞术。排除标准包括先前或目前已破裂的动静脉畸形;存在高危特征,如血流相关动脉瘤,或不利于置管的脑血管解剖结构,如血管弯曲或主动脉弓解剖结构不利;或不能用手术切除的动静脉畸形。临床资料总结于表1.
血管内活组织检查
在Artis Q或Artis Zee双平面血管造影系统(Siemens Healthineers AG, Forchheim, Germany)上以标准方式进行数字减影血管造影(DSA)。如前所述,行血管内活检。8,9所有患者均行全身麻醉,超声引导下经股入路。对照股动脉造影后,置入0.035-in Benson或j曲线导丝,使其与髂动脉内皮衬里接触,并在此位置保持≈1分钟。取下钢丝,远端3cm切除,置于3ml LoBind Eppendorf微离心管中,其中含有冷冻细胞解离缓冲液(Thermo Fischer Scientific, Waltham, MA)。然后进行取样后的股动脉造影以排除任何手术相关的动脉夹层。该样本作为来自未受累全身动脉的患者匹配对照。
所有患者随后接受静脉注射肝素,以确保激活凝血时间为基线的2倍或>250秒;这是减少脑血管造影血栓栓塞并发症的标准做法。然后,根据每个患者的脑血管解剖结构,使用伸缩导尿管和微导管进行诊断性脑血管造影。使用Mark7功率注射器(MedRad, Beek,荷兰)进行三维(3D)旋转血管造影,注入动静脉畸形的主要动脉供应,并完全表征动静脉畸形的三维解剖结构。一条供血动脉蒂的短动脉段被预先确定为血管内活检的预期部位。选址取决于几个选择标准:(1)动脉打算随后栓塞,以减少第二天手术所需的流量;(2)微导管可安全进入动脉;(3)动脉段与动静脉畸形病灶并置(距离<≈1 cm)。由于手术风险较高,病灶未在血管内取样。
在确定活检部位后,在透视引导下对所需动脉段进行超选择性微导管穿刺。聚焦造影确认微导管位置。与母血管尺寸匹配的铂可拆卸线圈通过微导管展开,仅在所需的活检部位接触血管腔。在腔内接触1分钟后,将线圈从保护其不接触其他血管节段的伸缩导管中取出。然后将取出的线圈切割并放入含有冷冻细胞解离缓冲液的3 ml LoBind Eppendorf微离心管中。选择新的线圈,并按常规进行线圈栓塞,以减少流向动静脉畸形的血液,用于开放神经外科切除术。血管内活检的程序步骤见视频1.
计算流体动力学建模
计算流体动力学(CFD)方法被用来计算通过感兴趣的血管和通过心脏周期的速度场。CFD模拟需要精确规范边界条件,即腔表面几何形状和贯穿心脏周期的入口流波形。从Artis Q或Artis Zee双平面血管造影系统(Siemens Healthineers AG)获得的3D DSA图像中,用复杂表面的水平集表示提取管腔轮廓。图像转移到临床后处理工作站,在平滑HU核的512 × 512矩阵上重建,实际分辨率≈0.8 mm。结果重建的3D DSA体被导出,并与可用的CFD建模研究原型(Siemens Healthineers AG)一起加载到研究工作站。处理前,在3D体积中标记腔内活检的位置,以便对靠近病灶的同一血管段进行CFD分析。10
视频1
内腔活检。脑动静脉畸形腔内活检数字减影血管造影视频描绘技术。下载补充视频1通过http://dx.doi.org/10.1212/200109_Video_1
原型CFD求解器(Siemens Healthineers AG)使用了gpu优化的晶格-玻尔兹曼方法,具有多重松弛时间近似。11,12该方法采用有限体积法求解不可压缩Navier-Stokes方程,并在0.2 mm各向同性空间分辨率的笛卡尔网格上计算脉动速度场(3D + t,即空间内和整个心周期内)。这允许确定次级血流动力学描述符,如壁剪切应力。速度波形是根据之前描述的流入速度剖面进行调整的,这是基于二维相位对比MRI测量的。13,14为了保证收敛性,流量计算在2个心跳上进行,时间步长为5 × 10−4秒,结果每0.05秒输出一次。在所有流出边界处,压力均固定为0 Pa。血液密度和粘度假设为0.001 g/mm3.和0.004 Pa·s。
开放神经外科取样
患者在重症监护室过夜观察,第二天被带到神经外科手术室。所有患者均接受全身麻醉。使用神经导航软件以标准方式为每位患者量身定制开颅手术,并在蔡司OPMI Pentero 800手术显微镜(Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany)的辅助下进行显微手术切除。直接显微观察,包括术中吲哚青绿血管造影,15神经导航软件(BrainLab, Munich, Germany)确认了动静脉畸形的供血动脉、病灶和引流静脉。为了保持三维定位,将不同大小的动脉瘤夹和AVM微夹(Aesculap, Inc, Center Valley, PA)放置在直接可见的感兴趣的供血动脉上,包括血管内活检部位,并标记AVM病灶。动静脉切除后,从活组织部位和病灶处将动静脉显微解剖至动脉段,每个部位的组织样本置于预氧冷冻的Dulbecco改性Eagle培养基(Thermo Fisher Scientific)中,并运输至实验室进行随后的分离。
细胞制备和荧光激活细胞分选
对于血管内活检的细胞样本,样品在细胞游离缓冲液中涡旋30秒以释放细胞,并丢弃切割的金属丝或线圈。随后细胞旋转,红细胞在ACK溶解缓冲液中孵育(赛默飞世尔科学公司)。细胞用磷酸盐缓冲盐水冲洗。所有开放手术切除后的组织用15号手术刀显微解剖成≈1 × 1毫米的立方体,随后用0.2%胶原酶2型分离(Worthington生化公司,Lakewood, NJ)。红细胞在ACK溶解缓冲液中孵育,细胞悬液经40 μm无菌滤池滤除碎屑,用磷酸盐缓冲生理盐水洗涤。
细胞悬液在荧光激活细胞分选(FACS)缓冲液中重悬,并按照我们描述的修改后的方法进行染色。8,9,16用Alexa Fluor 647偶联的单克隆抗人CD31抗体(BD Biosciences, San Jose, CA)和4 ',6-二氨基氨基-2-苯基吲哚(DAPI, Thermo Fisher Scientific)对细胞进行染色。随后在BD FACSAria II流式细胞仪上对细胞进行荧光分类(BD Biosciences)。根据DAPI阳性排除非活细胞,通过阳性选择CD31细胞进行内皮富集。因此,内皮富集的活细胞被认为是cd31阳性,dapi阴性的细胞。
库准备和批量RNAseq
样本文库制备和测序由不了解病理的研究人员完成。cDNA测序文库由SEQuoia完整RNA文库准备试剂盒(Biorad Laboratories, Inc, Hercules, CA)直接应用于制造商所描述的整个细胞。rRNA通过专有技术后文库生成(Biorad Laboratories, Inc)被耗尽。所有最终的文库都用安捷伦D1000 ScreenTape系统(安捷伦科技,加州圣克拉拉)进行了质量控制分析,并在Illumina HiSeq 4000上测序,单端50碱基对读取,每通道6个样本进行多路复用。
定量聚合酶链反应
为了确认RNAseq结果,对生成的cDNA进行定量PCR (qPCR)。5个差异表达基因(DEGs)的子集,由−log确定最高评分10p-value × abs(β)和生物信息学面板对MAPK信号的激活敏感,并预测MAPK/细胞外信号调节激酶(MEK)抑制剂的反应。17使用Fluidigm D3检测设计软件设计引物18(Fluidigm Corp, South San Francisco, CA),化验鉴定见表1,links.lww.com/WNL/B817.qPCR采用SBYR绿色(Roche Applied Science, Penzberg, Germany)在LightCycler 480 II (Roche Applied Science)上进行。用δ - δ C计算相对基因表达量Tβ-肌动蛋白法(ACTB)作为管家基因。4个生物重复的数据以平均值±标准差表示。
单细胞RNAseq
为了通过FACS证实内皮细胞富集,我们对通过腔内活检获得的cd31阳性、dapi阴性细胞进行了分类,并使用Smart-seq2协议对96个分类细胞制备了单细胞RNAseq (scRNAseq)文库。19最终的文库使用安捷伦D1000 ScreenTape系统(安捷伦科技)进行质量控制分析,并在Illumina HiSeq 4000上进行测序,两端配对100碱基对。
数据分析
测序数据用FastQC确认测序质量,适配器用Cutadapt修整。Reads使用Kallisto与100个bootstrap样本假对齐到ENSEMBL GRCh38转录组。20.对于scRNAseq数据,用Seurat生成并分析基因计数矩阵。21检测到的基因被定义为每百万分之一的转录本。用Sleuth进行基因水平差异基因表达分析,β作为先前报道的折叠变化的估计值。22基因的错误发现率(FDR)调整值为问< 0.05为差异表达。对fdr调整值为的DEGs进行基因本体分析问富贵度< 0.1。23对于体内流动模型,使用Pearson相关系数来推导个体间每个转录本的时间平均壁面剪切应力(TAWSS)与基因表达(以每百万转录本表示)的关系。将相关系数≥0.6或≤- 0.6的基因定义为相关基因。所有数据分析和可视化均使用R 3.6.3版本(R统计计算基金会,维也纳,奥地利)进行。
数据可用性
未在本文中公布的匿名数据将在任何合格调查人员的要求下提供。
结果
腔内活检检测bAVMs的致病性和靶向性分子变化
所有患者均行腔内活检,无并发症(图1一个).患者人口统计学信息总结于表1.平均每个位点回收269.0±79.9个cd31阳性、dapi阴性活细胞(对照组309.2±86.6个,AVM 228.8±133.4个)(表1).使用FACS门控参数,scRNAseq证实内皮细胞富集,在典型标记物表达的基础上,内皮细胞占样本细胞的71.9%(图1A,links.lww.com/WNL/B817).腔内活检细胞RNAseq分析鉴定出106个deg (FDR <0.05) (图1 b表2,links.lww.com/WNL/B817).途径分析表明,在MAPK信号通路等bAVM致病途径中,DEGs富集,5,6血管生成(rho介导的细胞运动,血清反应因子激活,凝血酶信号),24,25而炎症(抗原处理)(图1 c).26本体分子功能分析证实丝氨酸/苏氨酸和蛋白激酶活性富集,并与小gtpase Ras和Rab结合(图1 c).
为了证实这些发现,我们接下来进行了逆转录qPCR分析,以验证DEGs和MAPK的激活。我们确认了5个基因的差异表达(NBPF19,IFITM1,FBLX18,TNFRSR10C,MARCHF8)中最受欢迎的10个(图2一个).我们研究MAPK激活的基因面板独立显示也预测人类癌症对MEK抑制剂的反应。17该分析显示,10个支持MAPK激活的基因中有7个在统计学上显著上调(图2 b).因此,腔内活检可以恢复反映畸形血管分子事件的原代细胞,实现直接分子分析,并在不需要手术的情况下确定潜在的治疗靶点。
腔内活检非常接近手术切除的动静脉畸形的基因表达谱
接下来,我们试图将从腔内活检细胞中获得的基因表达谱与来自同一患者的手术获得的组织进行比较,这是一个重要的技术验证基准。我们优化了一种显微外科技术,以保持bAVM的3D方向,并确保从与活检部位相邻的动脉段取样(图3一).RNAseq分析表明,腔内活检可检测到绝大多数(83.3%)手术组织中鉴定的基因(图3 b).来自腔内和手术获得的细胞的基因表达谱在全基因组范围内相关性良好(Pearsonr= 0.77,图3 c),支持技术之间良好的一致性。在手术获得性bAVMs中,也观察到RNAseq基因表达在供血动脉和病灶之间有很强的相关性(Pearsonr= 0.95,图3 d).这支持了从更容易接近的部位(如近侧供血动脉)进行腔内采样是AVM病灶分子特征的代表,而没有额外的手术风险。
结合CFD建模,允许腔内活检检测基因表达随脑血流改变的变化
脑血流(CBF)引起的血流动力学改变,如血管壁剪应力,与血管壁重塑、脑出血风险或bAVMs神经症状发作相关。27,-,29为了研究CBF如何改变转录组,我们使用脑血管造影的CFD建模来计算脑血管造影内腔活检部位和时间的TAWSS (图4一而且视频2).在个体中,11.0%的转录本中TAWSS和RNAseq基因表达具有良好的相关性(图4 b).我们确定了与TAWSS呈正相关或负相关的通路。该分析显示炎症和结构通路的富集与TAWSS呈负相关(FDR <0.05) (图4 c).本质性分子功能分析显示,与RNA和蛋白激酶以及肌动蛋白和钙粘蛋白等细胞骨架元素的结合富集,与调节变化一致(图4 c).
视频2
血管壁剪切应力与心脏周期的关系。视频显示脑动静脉畸形供血动脉腔内活检部位血管壁剪切应力超过1个心脏周期的计算流体动力学建模。下载补充视频2通过http://dx.doi.org/10.1212/200109_Video_2
栓塞是一种血管内手术,其中使用闭塞材料,如铂线圈或液体粘合剂,减少血流量和对bAVM的壁剪应力。30.为了证实我们在活体患者中的预测,我们接下来评估了流量减少栓塞对体内基因表达的影响。对同一bAVM动脉段栓塞前后的腔内活检进行RNAseq分析,证实少数转录物表达差异(7.3%)。与我们的相关分析一致,与剪切应力负相关的基因,例如,预测表达随着剪切应力的降低而增加,在响应流量减少时上调(图4 d).相反,与剪切应力正相关的基因在流量减少时被下调(图4 d).通过CFD建模与基因表达谱的集成,腔内活检可以促进未来的研究,以了解CBF的改变如何影响活着患者的脑血管分子变化。
讨论
在这里,我们报道了在活体患者中使用腔内活检作为分子分析bAVMs的一种手段。我们证明,基因表达谱可以检测bAVMs中的致病和潜在的靶向分子变化,而不需要侵入性手术。值得注意的是,与手术切除组织(金标准)相比,通过血管内活检获得的基因表达分析具有良好的一致性。我们的结果进一步支持先前报道的成人bAVMs中Ras-MAPK信号异常的参与。5,6靶向通路抑制,如MEK抑制剂,在体外和体内逆转了病理性的bAVM内皮变化,并正在颅外血管畸形中进行试验。6,7我们的研究结果表明,我们能够检测到预测人类癌症对MEK抑制反应的基因表达改变。17这是否预示了人类bAVMs对MEK抑制的反应仍有待确定,值得未来的研究。
结合CFD建模显示剪应力与基因表达变化之间存在关联,并通过比较栓塞前和栓塞后基因表达(一种调节剪应力的干预措施)在人体患者体内得到证实。这些分析支持先前的体外工作,支持剪切应力对内皮炎症或细胞骨架变化的调节作用。30.,-,32另一些人认为,生理剪应力对其他结构元素(如血脑屏障)也很重要。33,34然而,我们的观察仅限于腔内活检部位供血动脉的局灶段,使这些发现的解释和推广复杂化。bAVMs内的血流动力学环境非常复杂,目前对其了解甚少。35,36新兴技术如4维流动MRI和定量磁共振血管造影开始阐明bAVMs内的血流动力学改变。27,30.,37与CFD或定量MRI联合进行腔内活检时,可以作为一个实验平台,开始阐明bAVMs内血流动力学改变和细胞分子变化之间的界面。
本研究是描述应用腔内活检技术分子表征活体患者bAVMs的第一步,并不是没有局限性,最显著的是样本量小和单中心设计。因此,所有的发现都应被认为是初步的,直到来自其他中心的进一步独立确认,以确认其普遍性。我们的小样本量证明了最初的可行性,但不足以确定患者的安全性。为了验证腔内活检的有效性,我们与来自同一患者的手术取样细胞进行了比较。尽管将腔内取样和手术切除之间的间隔最小化(<24小时),炎症和血栓形成途径可能是导致腔内和手术取样细胞之间观察到的一些差异的原因。腔内活检技术安全性的不确定性也禁止从未受损伤的脑动脉中采集。比较采集自bAVM供血动脉的内皮与患者匹配的脑血管外接近通路部位的动脉(如髂动脉)。不同血管床之间的内皮细胞之间的转录差异已被报道38,39并可能促成了观察到的差异基因表达。随着安全性的建立,未来的腔内活检研究应在不栓塞的情况下进行,并应与未受累性脑血管进行比较以证实这些发现。
关键的下一步是进行更大规模的多中心研究,以描述与腔内活检相关的程序安全性和并发症概况。普遍存在的安全性担忧是腔内活检可能促进血栓形成或损害血管结构完整性,分别导致缺血性或出血性中风。缺血性或出血性脑卒中导致诊断性脑血管造影的永久性神经并发症的风险<1%。40,41临床前试验表明,部署可拆卸线圈获取细胞不会导致血管造影或显微损伤的样本动脉。8我们还采用了分层策略来降低缺血风险:(1)活检前全身肝素化,(2)避免展开线圈限制血流,(3)限制内皮细胞接触时间至1分钟,(4)在展开线圈或活检后立即进行活体荧光监测潜在的血栓形成。随着我们不断增长的机构经验,我们还没有遇到与应用这些策略的腔内活检相关的程序并发症。然而,在诊断性脑血管造影的同时进行腔内活检的附加风险目前仍未在人类患者中量化。
诊断分子基因组学在临床实验室中不断发展,特别是在神经肿瘤学领域。除了预测MEK抑制反应的PCR面板外,17目前的研究使用RNAseq和计算工具,这将很难在更大的临床环境中使用。正在进行的研究已经开始确定bAVMs的分子多样性,以及它与不同的自然史之间的关系。5,6,42随着候选基因列表得到更好的定义,下游分析应该使用更有针对性的基因组来预测治疗反应或破裂风险,我们目前正在迭代生产一个更有针对性的测试,不依赖于全基因组或外显子序列测序。
目前,治疗或监测血管畸形的临床决定是由不完善的放射学或临床替代物告知的,这可能导致不同的自然病史。43然而,随着腔内活检技术的进一步发展,有可能从分子上直接分类或连续监测血管畸形或其他血管疾病,就像肿瘤一样。在随机对照试验中,药物治疗具有良好的安全性,3.理论上,腔内活检可以帮助确定在实验模型中显示出前景的靶向精确方法的候选。6,7腔内活检是否有助于在人类患者中进行精确医疗治疗的试验,或更好地识别出血风险最大的血管畸形,需要进一步研究。
研究资金
E.W.由脑血管畸形联盟(BVMC)试点可行性项目赠款和脑动脉瘤基金会的Cynthia Lynn Sherwin和Buzz BAF研究主席资助。BVMC (U54NS065705)是国家促进转化科学中心罕见病临床研究网络(RDCRN)的一部分,并得到RDCRN数据管理和协调中心(U2CTR002818)的支持。D.C.由加州大学旧金山分校(UCSF)放射学和生物医学成像系、UCSF研究评估和分配委员会拨款以及西门子医疗公司支持。K.N.获得了BVMC早期职业发展奖(U54NS065705)的支持。
信息披露
作者报告没有披露与手稿相关的信息。去首页Neurology.org/N全面披露。
鸣谢
作者感谢Kenneth Xavier Probst在图1.
附录的作者
脚注
↵*这些作者贡献相同,是共同通讯作者。
去首页Neurology.org/N全面披露。作者认为相关的资金信息和披露(如果有的话)将在文章末尾提供。
文章处理费由作者出资。
- 收到了2021年6月3日。
- 最终接受2022年1月11日。
- 版权所有©2022由Wolters Kluwer健康公司代表美国神经病学学会出版。首页
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