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Forschungsartikel

Die kausalen Auswirkungen von Plasmametaboliten auf eine Achillessehneenverletzung: Eine Mendelsche Randomisierungsstudie

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DOI:

10.3791/69807

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27. März 2026

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In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein kombiniertes mendelsches Randomisierungs- und experimentelles Validierungsprotokoll zur Identifizierung kausaler Metaboliten bei Achillessehnenverletzungen, identifizieren 19 Plasmametaboliten mit kausalen Verbindungen zur Achillessehnenverletzung und demonstrieren die therapeutische Anwendung von 5,6-Dihydrothymin und Hydroxyasparagin zur Förderung der Gewebereparatur und zur Entzündungsreduktion.

Zusammenfassung

Um die kausalen Auswirkungen von Plasmametaboliten auf das Fortschreiten und die Genesung einer Achillessehnenverletzung (ATI) zu untersuchen, wurde die mendelsche Randomisierung (MR) mit einem Zwei-Stichproben-Ansatz und genetischen Daten aus zwei großen Datensätzen angewandt. ATI-Daten stammten aus dem IEU-OpenGWAS-Projekt (ebi-a-GCST90018895), während die Plasmametabolitendaten 1.400 Metaboliten enthielten. Signifikante instrumentelle Variablen (IVs) für Metaboliten wurden identifiziert, und fünf MR-Methoden – IVW, MR-Egger, gewichteter Median, einfacher Modus und gewichteter Modus – wurden angewandt, um kausale Zusammenhänge zu bewerten. Eine umgekehrte MR-Analyse wurde durchgeführt, um die Auswirkungen von ATI auf die Metabolitenspiegel zu untersuchen. Gewebereparatur und die Expression von IL-6, TNF-α, VEGFA und TGF-β1 im Achillessehnengewebe der Maus wurden am 7. Tag nach der Behandlung mit 5,6-Dihydrothymin (Dih) und Hydroxyasparagin (Hyd) mittels H&E-Färbung und Western Blot bewertet. MR-Analyse identifizierte 19 Metaboliten mit signifikanten kausalen Zusammenhängen mit ATI. Davon waren 12 Metaboliten, darunter Dih (IVW: OR = 1,197, 95%-KI: 1,074–1,334; P = 0,001) und Pregnanediol-3-Glucuronid (IVW: OR = 1,098, 95%-KI: 1,023–1,177; P = 0,001), waren positiv mit der ATI-Progression assoziiert. Im Gegensatz dazu sind 7 Metaboliten, wie Hyd (IVW: OR = 0,789, 95%-KI: 0,707–0,880; P < 0,001), wurden mit der ATI-Wiederherstellung verknüpft. Die umgekehrte MR-Analyse zeigte keine signifikanten kausalen Effekte von ATI auf die Metabolitenspiegel, was auf eine unidirektionale Beziehung hindeutet. Röntgen- und H&E-Analysen zeigten, dass die Behandlung von Dih und Hyd die Heilung der Achillessehne dosisabhängig signifikant verbesserte. Darüber hinaus reduzierten die Dih- und Hyd-Behandlungen deutlich die Expression von IL-6 und TNF-α (P < 0,05) und erhöhten die VEGFA- und TGF-β-Spiegel (P < 0,05), was auf eine Verringerung der Entzündung und Förderung der Gewebereparatur hinweist. Diese Studie identifizierte potenzielle kausale Zusammenhänge zwischen bestimmten Plasmametaboliten und ATI-Endpunkten. Diese Erkenntnisse könnten zukünftige Therapiestrategien informieren und den Nutzen der MR bei der Erforschung von Metabolit-Krankheits-Assoziationen verdeutlichen.

Einleitung

Eine Achillessehnenverletzung (ATI) ist eine weit verbreitete und lähmende muskuloskelettale Erkrankung, insbesondere bei Sportlern und körperlich aktiven Personen 1,2. Die Achillessehne, die größte und stärkste Sehne im menschlichen Körper, spielt eine entscheidende Rolle bei der Fortbewegung, indem sie Kräfte von den Wadenmuskeln auf die Ferse bei Aktivitäten wie Gehen, Laufenund Springen überträgt. Seine begrenzte Blutversorgung und die hohe mechanische Belastung machen es besonders anfällig für Überbeanspruchung und Verletzungen 2,7. ATI äußert sich in verschiedenen Formen, von leichter Tendinopathie bis hin zu vollständigem Riss, was erhebliche Schmerzen, eingeschränkte Mobilität und eine verlängerte Rehabilitation verursacht 8,9. Trotz Fortschritte in der Behandlung führt ATI oft zu anhaltenden Schmerzen, verminderter Beweglichkeit und verlängerten Erholungszeiten, mit einem erhöhten Risiko für chronische Komplikationen und erneute Verletzungen 5,10,11,12.

Neuere Studien haben die entscheidende Rolle der Plasmametaboliten im Heilungsprozess von ATI13,14 hervorgehoben. Diese Metaboliten, die an verschiedenen biochemischen Wegen beteiligt sind, sollen Schlüsselfaktoren wie Entzündung, Gewebereparatur und Sehnengesundheit beeinflussen15. Zum Beispiel sind spezifische Aminosäuren und Lipide für die Kollagensynthese und die Bewältigung oxidativen Stresses unerlässlich, die beides entscheidend für die Sehnenpathologiesind. Thrombozytenreiches Plasma (PRP), reich an Wachstumsfaktoren wie PDGF, TGF-β, VEGF und IGF, hat Potenzial zur Förderung der Sehnenheilung gezeigt, obwohl seine Wirksamkeit bei der Behandlung der chronischen Achillessehnen-Tendinopathie weiterhin umstrittenist 14. In den letzten Jahren haben Hochdurchsatz-Omics-Technologien wie Metabolomik und Proteomik beispiellose Möglichkeiten geboten, die molekulare Landschaft komplexer Bedingungen wie ATI18,19 zu erforschen. Fortschrittliche metabolomische Technologien haben die Identifizierung von Biomarkern im Zusammenhang mit ATI-Ergebnissen erleichtert und Einblicke darin geliefert, wie bestimmte Metaboliten das Fortschreiten und die Genesung von Verletzungen beeinflussen.

Metabolitenprofilierung und die Analyse von Stoffwechselwegen sind zu wirkungsvollen Ansätzen zur Identifizierung von Biomarkern und Verletzungswegegeworden. Mendelsche Randomisierung (MR) ist eine robuste kausale Inferenzmethode, die genetische Varianten als instrumentelle Variablen (IVs) nutzt, um Störverzerrungen zu adressieren, wie sie in traditionellen epidemiologischen Studien häufig sind 22,23,24,25,26,27. MR ist besonders nützlich, um kausale Zusammenhänge zwischen Expositionen, wie Plasmametaboliten, und Ergebnissen wie ATI zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beobachtungsstudien, die anfällig für Störungen und umgekehrte Kausalität sind, verwendet MR genetische Varianten als IVs, um stärkere kausale Inferenzen zu liefern. Ein tieferes Verständnis darüber, wie Plasmametaboliten die Sehnengesundheit beeinflussen, ist entscheidend, um therapeutische Strategien voranzutreiben und die Genesungsergebnisse zu verbessern.

Aufbauend auf diesen Fortschritten untersucht die vorliegende Studie die kausale Rolle von Plasmametaboliten bei ATI mittels MR. Genetische Variationen, die mit Metabolitenspiegeln assoziiert sind, wurden analysiert, um spezifische Metaboliten zu identifizieren, die mit ATI-Progression und -Erholung verbunden sind. Zusätzlich wurden Kandidatenmetabolite, wie 5,6-Dihydrothymin (Dih) und Hydroxyasparagin (Hyd), experimentell in Tiermodellen validiert, um deren Auswirkungen auf den Verlauf und die Heilung von ATI zu erläutern.

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Protokoll

Ethik-Genehmigung und Zustimmung zur Teilnahme

Alle Tierversuchspläne wurden strikt gemäß den Maßnahmen zur Tierverwaltung der Provinz Ningxia durchgeführt und vom Ethikausschuss des Volkskrankenhauses der Autonomen Region Ningxia Hui, Ningxia Medizinische Universität, genehmigt.

Studiendesign

Diese Studie untersuchte die kausalen Zusammenhänge zwischen 1.400 Plasmametaboliten und ATI unter Verwendung einer MR-Methode mit zwei Proben. Um die Validität von IVs in kausaler Schlussfolgerung zu gewährleisten, müssen drei entscheidende Annahmen erfüllt werden: (1) Die genetische Variation ist direkt mit der interessierenden Exposition verbunden; (2) die genetische Variation nicht durch potenzielle Störfaktoren zwischen Exposition und Ergebnis verwechselt wird; und (3) die genetische Variation beeinflusst das Ergebnis ausschließlich durch die Exposition und nicht über alternative Wege.

Quellen von GWAS-Daten für ATI

Die Daten für die Genome-Wide Association Study (GWAS) zu ATI stammten aus dem IEU-OpenGWAS-Projekt (https://gwas.mrcieu.ac.uk/), wobei speziell der Datensatz ebi-a-GCST90018895 verwendet wurde. Die GWAS-Analyse umfasste 357.658 Personen europäischer Abstammung, darunter 7.746 Fälle und 349.912 Kontrollpersonen. Nach Qualitätskontrollverfahren wurden insgesamt 19.072.056 Single-Nukleotid-Polymorphismen (SNPs) identifiziert. Die Qualitätskontrollverfahren umfassten die Entfernung von SNPs mit geringer Allelfrequenz<0,01, Hardy-Weinberg-Gleichgewicht P<1×10-⁶ und Genotyp-Rufrate <0,95. Die Populationsstratifizierung wurde mittels Hauptkomponentenanalyse bewertet, und der genomische Inflationsfaktor (λ) wurde berechnet, um systematische Verzerrungen zu bewerten.

GWAS-Datenquellen für Plasmametaboliten

Der Exposure Factors-Datensatz enthält GWAS-Daten für 1.400 Plasmametaboliten, bestehend aus 1.091 Metabolitenwerten und 309 Metabolitenverhältnissen, wie in der GWAS-Datenbank (https://www.ebi.ac.uk/gwas/studies/GCST90199621-90201020) katalogisiert. MR-Analysen beschränkten sich auf Personen europäischer Abstammung. Detaillierte Informationen zum Datensatz finden Sie in ergänzenden Materialien, Tabelle S1.

Auswahl der IVs

Bei der Identifizierung von IVs wurde die Schwelle für die statistische Signifikanz von plasmametabolitassoziierten 19.072.056 SNPs auf P < 1 × 10-5 gesetzt. Um die Unabhängigkeit der Analysen zu gewährleisten, wurden SNPs mit Schwellenwerten von r2 = 0,001 und Kilobase (kb) = 10.000 aggregiert, wobei 19.037.213 SNPs mit r2 > 0,001 und kb < 10.000 ausgeschlossen wurden, um potenzielle Linkage Disequilibrium (LD)-Effekte zu eliminieren. SNPs mit F-Statistikwerten < 10 wurden aufgrund ihrer hohen Heterogenität von weiteren Analysen ausgeschlossen, während 34.843 SNPs, die die Kriterien erfüllten, als gültige IVs beibehalten wurden.

Tiere und Versuchsdesign

Alle Tierversuche wurden in strikter Übereinstimmung mit den Labortiermanagementmaßnahmen der Provinz Ningxia durchgeführt und vom Ethikkomitee des Volkskrankenhauses der Autonomen Region Ningxia Hui, Ningxia Medizinische Universität, genehmigt. Männliche BALB/c-Mäuse (8 Wochen alt, SPF-Qualität) wurden von der Beijing Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd. (Peking, China) gekauft. Die Mäuse wurden eine Woche lang in einer kontrollierten Umgebung akklimatisiert (Temperatur 23 ± 1°C, Luftfeuchtigkeit 60 ± 10 %), mit freiem Zugang zu Standardnahrung und Wasser sowie einem 12-Stunden-Licht/12-Stunden-Dunkelzyklus. Nach der Akklimatisierung wurde ein Modell für eine Mausehnenverletzung entwickelt. Nach einem Längsschnitt in der Haut wurde die linke Achillessehne freigelegt und eine standardisierte, vollmächtige Querschnittsstrecke in der Mitte der Sehne mit mikrochirurgischer Schere durchgeführt. Die Sehne wurde sofort mit 6-0 nicht absorbierbaren Nähten unter einem Stereomikroskop repariert. Unmittelbar nach der Operation wurde eine Röntgenbildgebung durchgeführt, um die erfolgreiche Etablierung des ATI-Mausmodells zu überprüfen. Gleichzeitig wurden Röntgenbilder für die Kontrollgruppe unter identischen anästhesiebedingten Bedingungen aufgenommen, um alsBlank-Kontroll-28 zu dienen. Alle Eingriffe wurden unter Vollnarkose durchgeführt, die durch intraperitoneale Injektion von Pentobarbitalnatrium (50 mg·kg-1) induziert wurde, und postoperative Analgesie wurde Buprenorphin (0,05 mg·kg-1, subkutan) alle 12 Stunden für 48 Stundenund 29 Stunden verabreicht. Nach erfolgreicher Einleitung des Modells wurden Mäuse zufällig folgenden Gruppen zugeteilt: Kontroll-, Modell- und Behandlungsgruppen, die Dih in niedrigen (10 mg·kg-1, LD-Hyd), mittleren (30 mg·kg-1, MD-Hyd) und hohen (50 mg·kg-1, HD-Hyd) erhielten. Stichprobengrößenberechnung: Basierend auf vorläufigen Daten, die eine Verbesserung der Heilungswerte um 40 % bei der Metabolitenbehandlung zeigen (SD = 15 %), wurde festgestellt, dass n = 6 Mäuse pro Gruppe 80 % Leistung liefern würden, um diesen Unterschied bei α = 0,05 (zweischwänzig) zu erkennen. Die Randomisierung erfolgte mit computergenerierten Zufallszahlen durch einen Ermittler, der blind für die Gruppenzuweisung war. Experimentelle Verfahren und Ergebnisbewertungen wurden von Forschern durchgeführt, die auf dieGruppenzuweisungen 30 blind waren.

Hämatoxylin- und Eosin-(HE)-Färbung

Am siebten Tag nach der Behandlung wurden die Mäuse unter einer tiefen Anästhesie eingeschläfert, die durch intraperitoneale Injektion von Pentobarbitalnatrium (100 mg·kg-1) induziert wurde, wodurch ein vollständiger Reflexverlust vor der Gewebesammlung gemäß sichergestellt wurde. Das verletzte Achillessehnengewebe, einschließlich eines kleinen Teils des umliegenden Weichteils, wurde sorgfältig entnommen und verarbeitet. Ein 15mm großes Stück Haut, das auf der Achillessehne zentriert ist, wurde entfernt. Die Hautproben wurden 48 Stunden lang in einer 4%igen Paraformaldehydlösung bei Raumtemperatur fixiert, gefolgt von Dehydrierung, Paraffineinbettung und Schnitt von 5 μm. Strukturelle Eigenschaften der Wundhaut, Granulationsgewebebildung und entzündliche Zellinfiltration wurden mittels H&E-Färbung untersucht. Zur histologischen Begutachtung wurden die Schnitte in Xylol (2 × 10 min) deparaffinisiert, mit Ethanol (100 %, 95 %, 85 % und jeweils 75 % 5 Minuten) rehydriert und in destilliertem Wasser ausgespült. Die Objektträger wurden 5 Minuten lang mit Harris-Hämatoxylin gefärbt, 5 Minuten lang in fließendem Leitungswasser ausgespült, 10 Sekunden lang in 1 % Säurealkohol differenziert und 30 Sekunden in 0,2 % Ammoniakwasser gebläutet. Nach dem Waschen wurden die Abschnitte 2 Minuten lang mit 0,5 % Eosin gekontert, gefolgt von Dehydration, Reinigen und Montage. Zuverlässigkeit der histologischen Bewertung: Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, wurden 20 % der zufällig ausgewählten Stichproben unabhängig von zwei verblindeten Beobachtern bewertet. Die Inter-Rater-Zuverlässigkeit wurde anhand des intraklassigen Korrelationskoeffizienten (ICC) bewertet. Der ICC für Kollagenorganisation lag bei 0,89 (95 % KI: 0,81–0,94), für Gewebedegeneration 0,92 (95 % KI: 0,86–0,96) und für entzündliche Zellinfiltration 0,87 (95 % KI: 0,78–0,93), was auf eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit hindeutet. Die intra-Rater-Zuverlässigkeit wurde bewertet, indem ein Beobachter 15 % der Proben nach einem zweiwöchigen Intervall neu bewertete, was ICC-Werte > 0,85 für alleParameter 31 ergab.

Western-Blot-Analyse

Die Proteinexpression wurde mit Western Blot analysiert. Die Proteinquantifizierung wurde mit dem BCA-Proteinkonzentrations-Assay-Kit durchgeführt. Gleiche Mengen Protein wurden durch eine 10%ige Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) getrennt und auf eine Nitrocellulosemembran übertragen. Die Membran wurde 1 Stunde lang mit 5 % Magermilch in Tris-gepufferter Kochsalzlösung mit 0,1 % Tween-20 bei Raumtemperatur blockiert. Membranen wurden über Nacht bei 4°C mit primären Antikörpern für VEGFA (1:1000, ab46154), TGF-β1 (1:1000, 21898-1-AP), IL-6 (1:1000, 26404-1-AP) und TNF-α (1:1000, 17590-1-AP) inkubiert. Nach drei Waschen mit PBS wurden die Membranen mit sekundären Antikörpern (1:5000) 90 Minuten bei Raumtemperatur inkubiert. Die Proteinbänder wurden mit dem ECL-Chemilumineszenz-Substrat-Kit (siehe Materialtabelle für Details) nach dem Protokoll des Herstellers visualisiert und mit der ImageJ-Software analysiert (Version 1.8; National Institutes of Health). GAPDH (10494-1-AP) wurde als Ladesteuerung verwendet.

Statistische Analyse

Statistische Analysen wurden mit der R Studio-Software durchgeführt. Die TwoSampleMR- und ieugwasr R-Pakete wurden verwendet, um Expositionsdaten zu extrahieren und gültige IVs zu screenen, einschließlich Klumpen (r² < 0,001, Fenstergröße = 10.000 kb), Allelharmonisierung und F-Statistikberechnung (F = β²_exposure/SE²_exposure). Für MR- und Reverse-MR-Analysen nutzten wir die VariantAnnotation-, gwasglue- und TwoSampleMR-Pakete, die robuste kausale Inferenz- und Sensitivitätstests ermöglichten. Eine MRT-Studie mit zwei Proben wurde durchgeführt, um plasmametabolitenbezogene Merkmale zu untersuchen. Es wurden fünf unterschiedliche analytische Ansätze angewandt: Inverse Variance Weighting (IVW), MR-Egger, Weighted Median (WM), Simple Mode und Weighted Mode. Die primären Ergebnisse wurden mit der IVW-Methode bestimmt, wobei die statistische Signifikanz auf P < 0,01 gesetzt wurde. Die IVW-Methode weist Gewichtungen zu, um die Auswirkungen der Variation zu minimieren und liefert genauere Effektschätzungen. Die MR-Egger-Regression wurde verwendet, um die Pleiotropie zu bewerten (das Phänomen, bei dem Gene mehrere Merkmale beeinflussen), wobei die horizontale Pleiotropie anhand des P-Werts des Intercepts (P > 0,05) bewertet und die Heterogenität mit der IVW-Methode in Kombination mit MR-Eggers Q-Statistik getestet wurde. Bei P > 0,05 wurde keine signifikante Heterogenität beobachtet. Mehrfache Testkorrektur wurde mit der Benjamini-Hochberg-False Discovery Rate (FDR)-Methode angewendet, wobei FDR < 0,05 als signifikant gilt. Die Heterogenität wurde mit der Cochranschen Q-Statistik undder I2-Statistik quantifiziert, wobei I2 > 50 % erhebliche Heterogenität zeigten. Für I2-Werte wurden 95%-Konfidenzintervalle nach der von Ioannidis et al. beschriebenen Methode berechnet. Sensitivitätsanalysen wurden durchgeführt, indem jedes SNP sequentiell entfernt wurde, um den Einfluss einzelner Varianten auf die Gesamtergebnisse zu bewerten.

Um die Messzuverlässigkeit zu bewerten, wurden Test-Retest-Analysen an Schlüssel-Ergebnismaßen (WB-Quantifizierung und histologische Bewertung) unter Verwendung der intraklassigen Korrelationskoeffizienten (ICCs) durchgeführt. Das ICC wurde eingesetzt, um die Inter-Rater- und Intra-Rater-Zuverlässigkeit der Western Blot (WB)-Quantifizierung und der histologischen Bewertung zu bewerten. Die Kriterien wurden wie folgt interpretiert: unter 0,50 (schlecht), zwischen 0,50 und 0,75 (moderat), zwischen 0,75 und 0,90 (gut) und über 0,90 (ausgezeichnet)32. Drei unabhängige Forscher bewerteten blind dieselbe Probengruppe an zwei Zeitpunkten, die eine Woche voneinander entfernt waren. ICCs für die Western-Blot-Quantifizierung von IL-6, TNF-α, VEGFA und TGF-β lagen zwischen 0,87 und 0,93, was auf eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit hindeutet. ICCs für die histologische Bewertung lagen bei 0,85 für die Kollagenorganisation und 0,82 für die Bewertung der Neovaskularisation.

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Ergebnisse

Kausale Beziehung zwischen 1.400 Plasmametaboliten und ATIs

Eine umfassende MRT-Analyse von 1.400 Plasmametaboliten wurde durchgeführt, um deren kausale Auswirkungen auf ATI zu bewerten. Die Primäranalyse verwendete den IVW-Ansatz mit strengen Kontrollen für LD und potenzielle Störer, um Metaboliten zu identifizieren, die das Fortschreiten und die Genesung von ATI signifikant beeinflussen. Abbildung 1 zeigt die kausalen Assoziationen zwischen 144 ...

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Diskussion

Diese Studie führte eine umfassende MRT-Analyse durch, um die kausalen Zusammenhänge zwischen 1.400 Plasmametaboliten und ATI zu untersuchen. Neunzehn Plasmametaboliten wurden als signifikant mit ATI-Progression und -Heilung assoziiert identifiziert, wobei Dih und Hyd als Schlüsselfaktoren für die ATI-Ergebnisse hervorgingen. Nachfolgende In-vivo-Experimente bestätigten die vorteilhaften Rollen dieser Metaboliten bei der Förderung der Sehnenheilung. Die Behandlung mit Dih und Hy...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Danksagungen

Klinische Anwendung Forschung zur Bewertung der Darmflora und schrittbasierter Behandlung chronischer Geschwüre bei diabetischen Füßen, Yinchuan Science and Technology Innovation Project (2024SF005). Anwendungsforschung zu den Auswirkungen verschiedener chirurgischer Methoden auf die Blutversorgung des peritendalen Gewebes und die biomechanische Reparatur eines akuten geschlossenen Achillessehnenrupturs im Rahmen des Ningxia Key Research and Development Program (2019BEG3036).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
5,6-DihydrothyminReagenz696-04-8Reagenz
BCA-Protein-Assay-KitReagenzP0012Reagenz
ECL Chemilumineszenz-Substrat-KitReagenzP0018SReagenz
GAPDH-AntikörperAntikörper10494-1-APAntikörper
Hämatoxylin- und Eosin-FärbungssetReagenzG1120Reagenz
HydroxyasparaginReagenzH1126Reagenz
IL-6-AntikörperAntikörper26404-1-APAntikörper
ImageJSoftwareVersion 1.8Software
Nitrocellulose-MembranVerbrauchsmaterialHATF08130Verbrauchsmaterial
ParaformaldehydReagenzP0099-3LReagenz
RStudioSoftwareVersion 4.5.2Software
SDS-PAGE Gel-VorbereitungssetReagenzP0012ACReagenz
Natrium-PentobarbitalAnästhesie200-323-9Anästhesie
TGF-β 1 AntikörperAntikörper21898-1-APAntikörper
TNF-α AntikörperAntikörper17590-1-APAntikörper
VEGFA-AntikörperAntikörperab46154Antikörper
RöntgensystemInstrumentMX-20Instrument

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