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Neuroscience

주문 제작 미세 투석 프로브 디자인

Published: July 21, 2015 doi: 10.3791/53048

Summary

미세 투석은 신경 과학 연구에 일반적으로 사용되는 기술이다. 따라서 상업 프로브는 큰 demand.In에 프로브 어셈블리가 $ 10 미만의 신뢰성, 동심, 맞춤형 미세 투석 프로브를 구축 상세하게 설명이 작품이다.

Abstract

미세 투석은 신경 과학 연구에 일반적으로 사용되는 기술이다. 따라서 상업 프로브는 뇌척수액에, 생리 약리학과 병리학 적 변화를 모니터링하는 수요에 있습니다. 불행하게도, 상업 프로브는 공공 기관의 연구 그룹에 대한 비싸다. 본 연구에서는 프로브 어셈블리는 $ 10 미만의 신뢰성, 동심, 맞춤형 미세 투석 프로브를 구축 상세하게 설명한다. 미세 투석 프로브는 30 kDa의의 분자 컷 - 오프와 폴리 설폰 막으로 구성되어 있습니다. 프로브는 시험 관내 (100-1,600 다의 범위에서) 다른 분자량이 서로 다른 물리 화학적 특성을 가진 물질의 회수율을 비교한다. 프로브는 작은 화합물 포도당, 락 테이트, 아세틸 콜린 및 ATP에 대한 약 20 %의 체외 회수를 산출. 2~6%에 1,000-1,600 다 량 사이의 분자량을 갖는 신경 펩타이드에 대한 시험 관내 회수율. 따라서, 고 분자량 w 반면신경 펩티드의 팔은, 체외 복구 값을 분자량의 낮은 범위 (최대 500 다)의 화합물의 투석 체외 회복 속도에는 큰 영향을주지 않습니다를 하향 조정했다. 본 방법은 다른 컷오프 값 및 멤브레인 재료와 투석막의 이용을 허용한다. 따라서,이 특별 주문품 프로브 조립체는 광범위한 분자량 범위의 물질을 투석하기에 충분한 유연성 이점을 갖는다. 여기, 우리는 마우스와 쥐의 뇌 영역에서 미세 투석에 적용 2mm의 교환 길이와 미세 투석 프로브를 소개합니다. 그러나, 탐침의 치수는 쉽게 큰 동물에 사용되는 큰 길이 교환하도록 할 수있다.

Introduction

미세 투석은 신경 과학 연구에 일반적으로 사용되는 기술이다. 지난 50 년 동안, 최소 침습 미세 투석 기법은 계속적으로 세포 외 공간에서 작은 분자량 화합물의 지방 농도를 모니터링하는 방법은 잘 확립 될 수 있도록 개선되었다. 거의 모든 조직 간질 유체가 자유롭게 움직이는 동물에서 연구 될 수있다.

Gaddum는 1960 년대에 푸시 - 풀 기술을 소개했다. 그는 Feldberg 등으로부터 접근 방식을 수정했습니다.하는 tubocurarine는 정맥이 측면 뇌실로 끝나는 및 정맥 (1)를 통해 또한 폐수를 수집을 통해 관류 하였다. Gaddum 동시에 끝이 주변의 뉴런으로부터 방출 신경 전달 물질을 제거하는 동안 두 개의 동심 강철 바늘로 이루어진 용액을 캐 뉼러에 의해 별개의 뇌 영역에 주입하고 관류시킨 푸시 풀 기술을 개발 하였다. 불행하게도, 조직 DAMA팁 주위의 정맥에 의한 GE는이 법의 적용을 제한했다. 이 방법의 추가의 발전으로, 비트 2 및 동료 수거 용액을 투석막에 의해 주변 조직으로부터 분리시킨 투석 백 방법을 도입했다. 그들은 개 목의 피하 조직에 투석 주머니를 이식. 투석 백의 함량은 무 단백질이며 이온 및 아미노산 많은 3 주 후에 분석 될 수있다. 다음 개발 dialytrode 원래 1972 4에 의해 설명되었다 델가도 프리미티브 미세 투석 프로브이었다.이 작았 적은 조직 5 변위되도록 마지막 Ungerstedt과 동료들은 미세 투석 프로브의 디자인을 향상시켰다.

동심 미세 투석 프로브는 모세 혈관과 유사하게 동작합니다. 시스템은 끊임없이 피검 결여하면서 주위 조직 유체 조성물을 갖춘 이온 용액으로 관류된다. 목외부 용액 또는 조직에 노출되는 전자 투석막이 반투과성이다. 그것은 자신의 농도 구배를 따라 6 프로브로 물질의 수동적 확산을 허용한다. 투자율은 분자량, 모양, 전하 및 화합물의 산도와 같은 많은 변수에 의존한다. 멤브레인 재료의 특성, 멤브레인의 기공 크기 및 레이트 7 흐름 인해 또한 제한된다.

도 1 및도 2는 동심원 미세 투석 용 프로브를 나타낸다. 관류 유체는 용융 실리카를 둘러싸는 금속 슬리브 내로 유입 관을 통해 들어간다. 금속 슬리브의 내부에서, 상기 용융 실리카를 따라 다운 스트림 및 그 선단에 나뭇잎. 투석막 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) (테플론 등) -tubing 사이의 공간에 관류 액은 상향 흐른다. 여기서, 조직으로부터 물질의 확산은 막을 둘러싸 이는 일어난다. 투석액은 PTF 통해 프로브 잎튜브를 콘센트에 접속되고, 회수 할 수있다 E-튜빙.

미세 투석 기법은 생체 내에서의 다른 기술에 대하여 여러 가지 장점을 갖는다. 프로브가 더 투석액 효소 또는 세포를 포함하지 않는 결과와 물리적 장벽을 구성한다. 따라서,이 종래 분석 용출액 정화용 필요가없고, 분석 물의 효소 적 분해는 더 일어나지 않는다. 산화 분해가 튜브에 분석 물이 통과하는 동안 발생할 수 있지만, 이것은 종종 관류에 산화 방지제 (예 : 아스코르브 산)를 추가로 방지 할 수있다. 대안 적으로, 신경 펩티드에 산화 적 손상은, 예를 들면, 효과적으로 투석액 8 수집 팁 출구 튜브를 대체함으로써 억제되었다. 투석액은 분석 방법의 거의 모든 종류를 직접 조사 할 수 있고, 다수의 분석 물을 동시에 회수 할 수있다. 이 시스템은 웨이크 동물에서 사용될 수 있으며, 거의 모든 뇌 영역이 될 수있다조사했다. 또한, 상기 프로브를 통한 약물의 주입이 가능 (retrodialysis)이다. 그러나, 또한 미세 투석 기술의 한계가있다. 다소 낮은 시간 해상도는 신경 전달 물질의 변화에​​ 관한 실시간 정보를 제공하지 않는다. 이 침습 기술이기 때문에, 프로브 주입이 단계 7,9,10 중에 요구되는 신경 전달 물질의 농도에 영향을 미칠 수있는 외과 외상 및 마취,시킨다.

투석액의 화합물의 농도는 세포 외액에서 실제 화합물 농도의 소량만을 포함한다. 세포 외액에서 미지 화합물의 농도 계산을 위해, 상대 체외 복구 계산되어야한다. 각각의 모든 프로브에 대한 시험 관내 회복 상대와 모든 화합물의 결정은 생체 내 실험을 시작하기 전에 필요하다. 이를 위해, 프로브를 함유하는 용액에 침지관류 유체 반면 관심 분석 종은 피검 결여 같은 해결책이다. 투석액 중의 화합물의 농도를 측정 한 후,이 데이터는 주위의 유체에서의 농도라고 할 수있다. 여러 가지 물질의 체외 회수 결정 동시에 구현 될 수있다.

많은 신경 과학 연구 그룹은 별개의 뇌 영역의 세포 외 공간에서 신경 전달 물질 및 대사 물질을 조사하기 위해 미세 투석 기법을 사용한다. 따라서, 상업 프로브는 신경 과학 연구 환경에서 큰 수요에 있습니다. 시중에서 판매하는 프로브의 큰 장점은 고 기능성 신뢰성이다. 상업 프로브 실험 장치는 잘 설립과 많은 잘 알려진 신경 전달 물질과 대사 산물에 대한 검증됩니다. 그러나, 시판되는 미세 투석 장비는 고가이고 번째로, 애플리케이션 (11)에서 적은 유연성을 갖는다 반면어떤 애플리케이션에 적용 할 수 있고, $ 10 미만으로 제작 될 수있는 마이크로 다이 프로브 조립체 상세히 제시 일이다. 이 주문 제작 프로브는 다양한 뇌 영역 (8)의 조사 시험을 동심 미세 투석 프로브입니다.

다른 분자량 (100-1,600 다의 범위)와와와 물질의 체외 프로브 회복에서 다른 물리 화학적 특성을 비교. 분자량과 분자량 200 미만 다, ATP와 포도당, 젖산 및 아세틸 콜린의 체외 복구 결정을 약 500 다 신경 펩티드 및 안지오텐신 II, 1000 다 상기 분자량 물질 P 및 소마토스타틴이 수행된다.

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Protocol

1. 준비 PTFE - 튜브

  1. 2.5 형상 조각으로 PTFE-튜브를 줄이십시오. 물리적 크기를 추정하는 규모의 용지를 사용하십시오. (그림 3a 참조)
  2. 출구 배관의 연결 용이하게하기 위해 각도에 하나의 끝을 잘라. (그림 3a 참조)
  3. 사포를 이용하여 거칠게 PTFE - 튜브 에폭시 접착제의 부착을 허용합니다.

2. 용융 실리카 준비

  1. 2.25 형상 조각으로 용융 실리카를 줄이십시오. (그림 3a 참조)

3. PTFE - 튜브에 용융 실리카를 삽입

  1. 평면 끝에서 1cm의 거리를 관통하는 중공 PTFE 섬유에 30 G 정맥을 삽입합니다. 프로세스를 단순화하기-PTFE 튜빙을 굽히고. (그림 3b 참조)
  2. 지도로 캐 뉼러를 사용하여 PTFE - 튜브에 용융 실리카를 삽입합니다. (도 3c 참조)
  3. 조심스럽게 정맥을 제거하고 용융 실리카를 고정합니다. (참조그림 3D)
  4. 용융 실리카는 평면 끝에 5mm을 투사 할 예정이다. (그림 3E 참조)
  5. 시아 노 아크릴 레이트 접착제에 의한 펑크 사이트에서 장소에 용융 실리카 접착제하고 밤새 강화 할 수 있습니다. (그림 3E 참조)

4. 준비 에폭시 접착제 (두 구성 요소 접착제)

  1. 미세 바늘의 도움으로 블랙 에폭시 접착제 (70) 부분에 노란색 경화제 (30) 부분을 추가하고 부드럽게 섞는다. 그것은 직접 사용할 수 있습니다.

5. 멤브레인 (모든 추가 단계가 현미경으로 수행해야하고, 규모 용지가 물리적 크기를 추정하는 데 사용되는) 적용

  1. 다음 PTFE - 튜브에 막 당겨 조심스럽게 용융 실리카를 통해 폴리 설폰 막을 당겨 날카로운 메스를 사용하여 5.5 mm로 멤브레인을 조정합니다. (그림 3 층 참조)
  2. 2mm의 교환 길이를 정의하는 좋은 펜으로 막에 표시 점을 설정막의 끝에서.
  3. 미세 바늘의 도움으로 멤브레인의 선단을 덮도록 에폭시 계 접착제의 적은 양을 적용한다. (그림 3g 참조)
  4. 에폭시 접착제와 단계 5.3에서 사용 된 것과 같은 미세 바늘)의 도움을 받아 투석막 및 PTFE 섬유 간의 접합부를 폐쇄한다. (그림 3g 참조)
  5. 2mm의 교환 길이를 보장하기 위해 표시 지점까지 막에 충분히 에폭시 접착제를 추가합니다. 이 밤을 통해 강화하도록 허용합니다. 교환 길이 결정하기 전에 (도 3g 참조), 상기 멤브레인은 5.5 mm이다. 막에 에폭시 접착제를 적용한 후, 멤브레인의 2mm 확산 사용할 수 있습니다.

6. 금속 슬리브를 적용

  1. 굽​​힘 펜치의 도움으로 1cm 금속 슬리브 조각으로 25 G 바늘을 잘라.
  2. 용융 실리카의 나머지 부분에 1cm 금속 슬리브 (25 G)를 당겨. 금속 슬리브 나중에 MICRODIA와 입구 관의 연결을 가능하게용해 프로브. (그림 3H 참조)
  3. 나머지 에폭시 접착제 금속 슬리브 및 PTFE - 튜브 사이의 공동 인감. 적어도 24 시간 동안 강화하도록 허용합니다. (그림 3I 참조)
  4. 추가 고정 및 안정화를위한 프로브의 분기 주위에 뜨거운 접착제를 적용.
    주 : 프로브의 입구 내부 용적은 0.045 μL와 출구 내부 부피가 2.5 μL이다. 따라서, 1 μL의 유량 / 분, 그 투석액의 수집을 시작하는 주입 관을 연결 한 후 약 2.5 분 걸린다. 본 프로토콜에 의해, 프로브 조립체 절차는 95 %의 신뢰성을 미세 투석 프로브를 산출한다.

체외 복구 실험 7. 성능

  1. 100을 함유 CSF로, 30 kDa의 컷오프와 ACSF 별도 실험에서 1 mM의 포도당과 1mM의 락트산을 함유 이루어지는 원액으로 2mm의 교환 길이 프로브를 담궈나노 ATP와 100 nm의 아세틸 콜린 (acetylcholine).
  2. ACSF으로 프로브를 관류. 1 μL / 분 유량을 설정하고 실내 온도 (22 ° C)에서 실험을 수행한다. 프로브는 원액에 1 시간 동안 평형 및 측정 할 때까지 -80 ° C에서 샘플마다 30 분 후 저장을 수집 할 수 있습니다.
  3. 체외 회수율의 산출에, 원액에 알려진 분석 농도 dialysates에서 분석 물의 농도를 비교한다. 원액 대 투석액에서 물질 농도의 비율과 같은 결과를 표현한다.

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Representative Results

동심 맞춤형 미세 투석 프로브는 30 kDa의의 분자 컷 - 오프와 폴리 설폰 막으로 구성되어 있습니다. 프로브 조립체는도 3에 도시되어있다.

그것은 각각 19.10 ± 1.2 % 21.2 ± 1.6 %의 작은 에너지 대사 포도당 (180.16 다) 및 락 테이트 (112.06 다)에 대한 시험 관내 회복을 나타내었다. 다 181.66의 분자량 양전하 아세틸 콜린의 경우, 22.6 ± 1.4 %의 체외 회수 값을 나타내었다. 551.62 다 세 음으로 하전 된 인산 잔류의 분자량 ATP는 유사한 정도 (22.4 ± 0.7 %)로 체외 복구를했다. 작은 분자의 체외 회복은 그림 4A에 표시됩니다.

작은 분자 (<500 다)에 비해 1000 다 위의 분자량 신경 펩타이드는 생체 복구 낮은 보여 주었다 (FI 참조 gure 4B). 테스트 신경 펩티드 중에서도, 안지오텐신 II (1,046.18 다)는 8 개의 아미노산으로 작은 펩티드이다. 이 6.1 ± 0.3 %의 체외 회복을 나타내었다. 11 아미노산 잔기 물질 P (1,347.63 다) 및 14 아미노산 소마토스타틴 (1,637.88 다)는 각각 2.2 ± 0.3 %과 2.3 ± 0.1 %의 체외 복구 값에서 대략 동일 하였다. 우리의 30 kDa의 프로브의 체외 회수율 시중에서 판매하는 미세 투석 프로브의 체외 회복 (CMA 미세 투석, 스톡홀름, 스웨덴)에 필적하는, 예를 들면. 23 % 락트산 13 % 포도당 (응용 프로그램은 더주의를 참조하십시오. 1)

그림 1
그림 1 : 맞춤형 프로브의 사진입니다.

8 / 53048fig2.jpg "/>
그림 2 : (. ELSEVIER에서 허가에서 Lietsche 등, 2014 년 재판) 미세 투석 프로브의 도식 이미지입니다.

그림 3
그림 3 : 프로브 어셈블리의 도식 이미지; 자세한 사항은 (ELSEVIER에서 허가에서 Lietsche 등. 2014 년, 재판) 프로토콜을 참조하십시오 단계는 인공 지능.

그림 4
그림 4 : 작은 분자 및 신경 펩티드의 회수율 (A) 포도당, 젖산, 아세틸 콜린과 ATP의 체외 회복.. 원액은 대안 1 포도당과 젖산의 mM의과, 100 나노 미터 ATP 각 실험 조건에 대한 100 nm의 아세틸 콜린이 포함되어 있습니다. 결과는 물질 conce의 백분율로 표시된다투석액 / 원액에 ntration. 시험 물질의 값은 ATP에 대한 아세틸 콜린과 N = 13 N = 포도당 (22), N = 22 젖산에있어서, n = 11 ± 표준 편차 수단이다. (B) 신경 펩티드 안지오텐신 II, 물질 P 및 소마토스타틴의 체외 회수율. 원액은 각 실험 조건 100 나노 안지오텐신 II, 물질 P와 소마토스타틴 (somatostatin)이 포함되어 있습니다. 결과는 투석 / 원액에서 물질 농도의 백분율로 표현된다. 컬럼의 값은 각 프로브에 대한 N = 6 ± 표준 편차 수단이다.

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Discussion

도 3은 예시적인 프로브 조립체를 도시한다. 올바른 내부 및 외부 직경의 크기는 밀접하게 관 관찰 할 필요가 (OD 1.6 mm, ID 350 μm의), 용융 실리카 (OD 105 μm의; μm의 ID 40)와 투석막 (OD 245 μm의; ID 210 μm의). 이 멤브레인 (105 μm의)와 막뿐만 아니라 튜브 (105 μm의) 사이의 용융 실리카 사이의 공간을 유지하는 것도 중요하다. 값이 다른 경우, 프로브의 압력이 상승하고 막 유출로 이어질 수 있습니다.

여기에서 우리는 마우스 뇌 영역의 미세 투석에 적용 2mm의 교환 길이와 미세 투석 프로브를 소개합니다. 그러나, 치수가 쉽게 큰 동물에 사용되는 더 큰 길이를 교환하도록 구성 될 수있다.

어셈블리의 일부는 대체 될 수있다. 예를 들어, PTFE-튜브를 사용할 필요가 없다. 폴리에틸렌 튜브의 응용 프로그램은 동일한 외부 및 여관 가능합니다직경 치수 어. PTFE-튜브를 사용할 때 튜브의 요철 만 필요하다. 투석막의 교체도 가능하다. 본 프로브 조립체를 들어, 30 kDa의 컷오프 막을 사용하지만, 임의의 다른 투석막은 동일 치수로 사용될 수있다. 따라서, 우리의 주문품 프로브 조립체는 넓은 분자량 범위 물질을 투석에 큰 유연성의 이점을 가진다; 투석 될 수있는 물질의 더 높은 분자량, 분자량 컷 - 오프 높은. 체외 회복은 보통 투석막의 분자량 컷오프 증가.

멤브레인의 선단을 덮도록, 에폭시 계 접착제는 투석막 및 PTFE-튜브 사이의 조인트를 닫고 교환 길이를 결정하기 위해 요구된다. 이 투석막에 영향을 미치고 있기 때문에 누설에 이르게 시아 노 아크릴 레이트 접착제를 도포하여,이 단계에서 가능하지 않다. 시아 노 아크릴 레이트 접착제는 PL 아교ASTIC는 천자 사이트에서 장소에 튜브와 용융 실리카의 고정을 위해 적용되어야한다.

그것은이 프로브 디자인 가이드 캐 뉼러 테스트되지 않았 음을 주목해야한다. 우리 연구소는 astrogliosis 프로브의 오작동을 야기하기 전에 우리가 실험 시간의 48 ~ 72 시간이있는 급성 실험을 위해 저 직경 프로브를 이식하는 것을 선호. 캐 뉼러 가이드가 더 크고 더 많은 조직 손상의 원인이 있기 때문에 이런 유형의 실험을 위해, 가이드 뉼러는 이점을 제공하지 않는다. 더욱이, 심지어 장소 가이드 뉼러와, 프로브는 항상 투석 분야의 급성 손상을 일으키는 건강한 뇌 조직에 삽입되어야한다. 반복 삽입 가이드 및 캐 뉼러를 통해 프로브를 제거하여, 즉 삽입 반복적 급성 손상, 일회성으로 회피 상황을 야기한다. 혈액 - 뇌 장벽 (12)을 주입 한 후 그대로 몇 시간 것으로 나타났다. 가이드 캐 뉼러는, 그러나, 직렬 측정 H 바람직AVE는 몇 일 또는 몇 주에 걸쳐 수행 할 수 있습니다. 주 사용 마취제 1-2 일 동안 후속 실험을 방해하기 때문에 마지막으로, 휘발성 마취제 프로브 주입에 사용되어야한다.

글루코스, 락 테이트, 아세틸 콜린 및 ATP에 대한 시험 관내 회수율 모두 작은 분자량의 물질을 시험 예를 들어, 약 20 %이고, 시험 관내 복구 거의 동일하다. 분명히 낮은 범위 (최대 500 다)에서, 분자량은 체외 회수율에는 큰 영향이 없다. 30 kDa의의 분자량 컷 - 오프는 신경 펩타이드을 투석 할 수 있습니다. 인해 신경 펩티드의 고 분자량으로, 체외 복구 값은 낮다. 물질 P (1348 다) 및 소마토스타틴 (1638 다)는 2~3%의 체외 복구 값과 동일한 정도로 투석 될 수있다. 두 펩타이드는 약 300 다의 질량 변화를 가지고 있지만, 체외 회복은 동일하게 유지됩니다. 두 SUBSTANCE P와 소마토스타틴은 긍정적으로 수용액에서 충전과 유사한 물리 화학적 특성을 보일 수 있습니다. 다 1,046의 분자량을 갖는 안지오텐신 II는 다른 두 신경 펩티드와 3 배 이상 크다 6 %로 높은 관내 복구해서 보여준다. 따라서 500 위의 분자량 다 명확 심지어 물질 수용액 중에서 중성 충전되면 경우, 체외 회수에 영향을 미친다. 이 경우, 체외 회복 투석 된 물질의 전하에 의해 영향을받지 않는다. 그러나, 다른 막 재료의 사용과, 충전 된 화합물의 회수율은 8 영향을받을 수있다.

결론적으로, 미세 투석 주문품 프로브 조립체는 프로브 상업적으로 허용 가능한 대안이다. 우리의 자체 제작 프로브는, 튼튼한 높은 신뢰성과 재현성이있다.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Epoxy glue SunChrom GmbH, Fiedrichsdorf, Germany    
Fused silica ID 40 µm OD 105 µm Ziemer-Chromatographie, Mannheim, Germany Art. No: 6.040105
Polysulfone membrane (haemodialysis filter FX Cor Diax 600) Fresenius Medical Care AG & Co. KGaA, Bad Homburg, Germany REF: F00001593
Cyanacrylate glue (Pattex® superglue plastic) Henkel AG&Co. KGaA, Düsseldorf, Germany
TEFLON-tubing 1.6 x 0.35 mm SunChrom® GmbH, Friedberg, Germany Art. No: 969-195.219
Scalpel (Feather® Surgical Blade No. 10) pfm medical ag, cologne, Germany Art. No: 07310
Microscope MEIJI Techno  EMZ-8TR
30 G x 11" (0.3 x 25 mm) cannula  Sterican® Z B.Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany REF: 9324500
25 G x 11/2" (0.5 x 40 mm) cannula 100 Sterican® B.Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany REF: 9186166
Fine pen (Stabilo point 88 fine 0.4) Schwan-STABILO Schwanhäußer GmbH & Co. KG Art. No: 88/36
Hot glue  (Glue sticks ULTRA Power x 11 mm) Steinel® GmbH, Herzebrock-Clarholz, Germany Art. No: 4007841046910
Sandpaper P60 230 x 280 Robert Bosch GmbH, Gerlingen-Schillerhöhe, Germany Catalog Number: 2608605397

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References

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Tags

신경 과학 친척 문제 (101) 주문 제작 프로브 미세 투석 프로브 신경 펩티드 분자 차단 수동 확산 프로브 어셈블리,
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Lietsche, J., Gorka, J., Hardt, S., Karas, M., Klein, J. Custom-made Microdialysis Probe Design. J. Vis. Exp. (101), e53048, doi:10.3791/53048 (2015).

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