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Medicine

Micro-disección del órgano del esmalte de incisivo de la mandíbula de ratas expuestas a tóxicos ambientales

Published: March 29, 2018 doi: 10.3791/57081

Summary

Comprensión esmalte formación y posibles alteraciones requiere el estudio de la actividad de ameloblast. Aquí, describimos un método confiable y consistente para micro-disecar órganos del esmalte que contiene fase de secreción y maduración de ameloblastos que pueden utilizarse para los procedimientos experimentales más cuantitativos y cualitativos.

Abstract

Defectos del esmalte resultante de las condiciones ambientales y formas de vida son las preocupaciones de salud pública debido a su alta prevalencia. Estos defectos resultan de la actividad alterada de las células responsables de la síntesis del esmalte ameloblastos, que se presentan en el órgano del esmalte el nombre. Durante la Amelogénesis, la ameloblastos seguir una secuencia específica y precisa de los eventos de proliferación, diferenciación y muerte. Una rata en continuo crecimiento incisivos es un modelo experimental adecuado para el estudio de fases de actividad y diferenciación de ameloblast en condiciones fisiológicas y patológicas. Aquí, describimos un método confiable y consistente para micro-diseccionar el órgano del esmalte de las ratas expuestas a tóxicos ambientales. El epitelio dental micro disecados contiene fase de secreción y maduración de ameloblastos que pueden ser utilizado para experimentos cualitativos, tales como ensayos de inmunohistoquímica y la hibridación en situ , así como para los análisis cuantitativos como RT-qPCR, RNA-seq y Western blotting.

Introduction

Muchos defectos del esmalte del desarrollo pueden resultar de la exposición a tóxicos ambientales o estilo de vida inadecuado1,2,3,4. Caracterización de alterar moléculas de amelogenesis utilizando el procedimiento descrito en la actualidad y eventos promoverá el uso de defectos del esmalte resultante como marcadores tempranos de la exposición a varias sustancias tóxicas y puede ayudar a reconstituir la historia de la salud de cada paciente durante el período perinatal cuando el esmalte es sintetizado1,2. Síntesis del esmalte pueden dividirse en cuatro etapas principales dependiendo de ameloblast actividad5. El primer paso reagrupa la proliferación celular y pre-ameloblast precursor. Durante el segundo paso, la ameloblastos diferenciados secretan proteínas de la matriz del esmalte (EMPs), principalmente amelogenina, enamelin y ameloblastin, que determinan el grosor del esmalte final. Así, cualquier interrupción de la síntesis de EMP conduce a defectos cuantitativos del esmalte. Después de la deposición del grueso esmalte completo, comienza la etapa de maduración. Durante esta etapa, el crecimiento de cristalitos de apatita en anchos y espesores permite el esmalte alcanzar el cociente más alto de mineralización en un tejido biológico, hasta el 96% en peso. Alterar los eventos que ocurren durante la maduración etapa pueda cualitativa defectos del esmalte. Por último, ameloblastos entran en una fase de maduración posterior, también llamada pigmentación en roedores y experimentan apoptosis durante la erupción de diente haciendo defectos del esmalte (si cualquier) irreparable e irreversible, así defectos proporcionan potenciales grabación retrospectiva de ameloblast tensiones. En roedores, Amelogénesis siguen una secuencia similar de eventos con la particularidad que sus incisivos crecen continuamente y que hace que sean un modelo adecuado para estudiar el proceso general de amelogenesis. Por lo tanto, cualquier alteración de la Amelogénesis produce alteraciones de esmalte calidad y/o cantidad, dependiendo de la ventana de tiempo de los eventos disruptores. En ese sentido, la exposición a dioxinas, plomo y productos químicos interrupción endocrina (EDCs) tales como Bisfenol A (BPA), genisteína y vinclozolina, han demostrado generar esmalte hypomineralizations1,2,3 ,6,7,8. Manchas opacas blancas asimétricas se identificaron en los incisivos de ratas expuestas a una dosis BPA dosis bajas durante el período fetal y el primer mes después del nacimiento1. Estos defectos del esmalte en ratas y los de incisivo molar humano hypomineralization (MIH), comparten características clínicas, estructurales y bioquímicas similares. MIH es una patología del esmalte dental recientemente descrita, para que la etiología sigue siendo incierta9,10 a pesar de muchos factores causales haber presumido9,10,11 ,12.

Otra patología de hypomineralization del esmalte importante debido a factores ambientales es fluorosis dental (DF), que es la consecuencia de la absorción de fluoruro excesivo (> 0,1 mg/kg/día)13,14. La principal fuente de flúor es el agua potable que es complementado o enriquecido naturalmente con fluoruro. El fluoruro también a menudo se prescribe para prevenir la caries dental, pero la dosis profiláctica es de sólo 50% menos que el tóxico uno (≤0. 05 mg/kg/día). MIH y DF, dos patologías frecuentes, resultantes de la exposición a factores ambientales, pueden presentar características comunes que se caracteriza por la potenciación de los efectos hypomineralizing de flúor combinado con otras sustancias tóxicas como interruptores endocrinos2 o amoxicilina15.

Micro-la disección del órgano del esmalte de rata que contiene ameloblastos en etapas diferentes de la diferenciación le ayudará a entender el mecanismo de acción de moléculas capaces de perturbar la actividad de ameloblast y causar defectos del esmalte a ser diagnosticado después de la erupción dentaria. En otras palabras, la caracterización de los cambios de esmalte gene expresión y esmalte matriz composición debido a las sustancias tóxicas ambientales permite la reconstitución de la historia de exposición a sustancias tóxicas y facilita el monitoreo de seguridad ambiental para el público salud.

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Protocol

Todos los animales utilizados en el presente estudio se mantuvieron con arreglo a las directrices para el uso y cuidado de animales de laboratorio del Ministerio francés de Agricultura (A-75-06-12).

1. animal exposición a sustancias tóxicas

  1. Antes de realizar este protocolo, obtener aprobación institucional necesario y asegúrese de cumplir con todas las pautas de cuidado de los animales.
  2. Aplicar el diseño del Protocolo de investigación que permite la Constitución de los diferentes grupos experimentales para probar el impacto de la molécula (s) investigado en la etapa de secreción de ameloblast y la etapa de maduración de ameloblast. Aquí, se constituyeron cuatro grupos de ratas Wistar macho dependiendo de su exposición a fluoruro (NaF) en combinación o no con BPA (figura 1A)2. Todos los animales fueron observados y disecados en el día 65 (figura 1B).

2. disección de Hemi-mandíbulas de ratas adultas

  1. Eutanasia ratas por CO2 asfixia, opcionalmente seguida por decapitación a la cabeza separada del resto del cuerpo. Exponer a ratas a CO2 por 5 min en una caja dedicada16.
  2. Retire toda la piel de los labios inferiores con bisturí #11 para obtener fácil acceso a los incisivos inferiores.
  3. Con el mismo bisturí, haga una incisión entre los dos incisivos inferiores con una ligera presión y la mandíbula se dividirá en dos mitades.
  4. Cortar la articulación temporal mandibular con un escalpelo para separar la mandíbula y mantenga la mandíbula hemi con pinzas finas.
  5. Corte de los tejidos blandos circundantes con un bisturí y retire todos los músculos, tendones y ligamentos con una espátula hasta que el hueso esté completamente limpio.

3. aislamiento del incisivo17,18

  1. Cepille cuidadosamente el hueso colocando la hoja paralela al eje longitudinal mayor del incisivo. Desde la cresta ósea cerca de las puntas de la incisivo (extremo proximal) hasta el final de la incisivo cerca el lazo cervical. El movimiento de la incisión se procede desde proximal hacia distal.
  2. Realizar un primer corte distal en el bucle cervical con el escalpelo para quitar el gonion de la mandíbula de hemi y permiten sacar la incisivo fácilmente sin dañar el bucle cervical o la etapa secretoria de la ameloblastos (línea roja en la figura 2).
  3. Hacer un segundo corte por debajo de la segunda molar e insertar el bisturí entre el hueso y la superficie medial de la incisivo. Cuando se levantó por todo el hueso basal, gire hacia fuera el incisivo y despegar con cuidado para evitar el esmalte tejido órgano deterioran con unas pinzas finas.

4. micro-disección del órgano del esmalte bajo lente Binocular

  1. Colocar 200 μL de tampón de fosfato salino (PBS 1 X) en el incisivo con una pipeta. Tome el incisivo con pinzas finas con la superficie labial hacia arriba. Marque con un bisturí entre el incoloro y el naranja del tejido. Esta marca corresponde a la mancha blanca subyacente que es observable luego (figura 2).
  2. Raspar con un excavador o herramienta equivalente, la superficie celular de la marca de bisturí el extremo apical correspondiente a ameloblastos (incoloro) fase de secreción y de la marca del bisturí a la punta del incisivo de la ameloblastos de maduración etapa (naranja).
  3. Eliminar el tejido de 2 mm correspondiente a la etapa de transición, como el anteriormente descrito19. No abra el incisivo durante la disección de órganos del esmalte para evitar la contaminación por el mesénquima.
  4. Corte el bucle cervical situado inmediatamente en la parte apical del incisivo (figura 2) como se describió anteriormente20.
  5. Recoger en 10% formalina o lisis solución para posteriores investigaciones (véase Tabla de materiales).

5. colección de tejidos de órgano esmalte separado para otras investigaciones

  1. Colocar 200 μL de tampón de PBS 1 X en el incisivo.
  2. Con una hoja de bisturí #11, separar con cuidado las células epiteliales dentales gradualmente en el buffer, por separado para cada etapa con la ayuda de la marca del bisturí previamente.
  3. Para células RNA y proteína extracciones, poner el tejido en una solución de lisis que permite la extracción de proteínas y ARN (véase Tabla de materiales).
    Nota: Preparar alta calidad RNAs girando la excavadora de tejido en el tubo, y luego moler las células hasta obtener una mezcla homogénea. La mezcla está lista para las extracciones de RNA y proteína según procedimiento del fabricante, que fue previamente descrita2,8,17. Lo general, alrededor de 5-10 μg total RNAs y 150 μg de proteínas totales se obtuvieron para cada preparación.
  4. Para el análisis histológicos, inmunohistoquímica (IHQ) e hibridación en situ (ISH), ponen la capa de células en formalina al 10% durante 2 h, y después almacenar a 4 ° C en PBS 1 X. El tejido puede entonces ser embebido en cera/parafina o tejido OCT para secciones congeladas.
  5. Extracciones de EMP, tomar el incisivo con pinzas finas. Después de una breve exposición al aire (deshidratación leve), una mancha blanca será visible alrededor de la parte media de la superficie labial del incisivo, que representa la iniciación de la mineralización del esmalte. Esta mancha blanca corresponde a la transición- / principios etapas de maduración de ameloblastos, así que utilizarlo como un indicador para extracción de EMPs21.

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Representative Results

Muchos defectos del esmalte como resultado de condiciones ambientales debido a la absorción excesiva de fluoruro o similares a MIH debido a la exposición a algunos interruptores endocrinos1, hypomineralization del esmalte fluorosis dental12,13, 7,22. Estos defectos del desarrollo del esmalte pueden ser reproducidos experimentalmente en ratas (figura 1)1,2,7,23,24. La hemi-mandíbula de rata contiene una sola incisivo separada tres molares por una brecha llamada el diastema. El incisivo continuamente creciente contiene dos tejidos mineralizados, el esmalte dental producida por odontoblastos y el esmalte producida por ameloblastos presentes en el órgano del esmalte con otras células epiteliales (figura 2). El incisivo de roedor parece ser un modelo adecuado para estudiar la Amelogénesis, ya que, contrariamente a los molares, que contiene todas las etapas de proliferación/diferenciación de ameloblast durante toda la vida del animal.

Órgano del esmalte micro disección de incisivo de rata puede ser separado según la etapa de diferenciación de ameloblast con la ayuda de una mancha blanca que aparece después de una deshidratación leve, y esto puede utilizarse como un indicador de la etapa de transición entre la secreción y etapas de maduración19,21,25. La calidad del esmalte micro disección tejidos pueden comprobarse Masson Trichrome de tinción (Figura 3A). Observación microscópica demostró las células epiteliales típicas esmalte y ameloblast palizada. La ausencia de contaminación mesenquimal fue atestiguada por la ausencia de colágeno verde tinción (Figura 3A) y expresión (figura 3B). Estos tejidos micro disección pueden usarse para qualitative analyses como IHC (figura 3) y ISH y análisis cuantitativos como RT-qPCR (figura 3B), RNA-seq y Western blotting. Por ejemplo, el receptor de andrógenos fue localizado específicamente en la ameloblastos maduración etapa usando un anticuerpo específico contra esta proteína (véase Tabla de materiales) (figura 3)8. Las etapas de diferenciación de ameloblast principales se caracterizan por gen específico expresión patrones26 que pueden identificarse en el órgano del esmalte de micro disección. Por ejemplo, secreción-etapa ameloblastos expresan enamelin2 y etapas de maduración de ameloblastos expresan 4 de calicreína (KLK4) (figura 3B). Contienen altos niveles de ferritina que confieren la capacidad de almacenar grandes cantidades de hierro, que es responsable del color naranja del esmalte27.

Interrupción de fluoruro de Amelogénesis puede seguirse fácilmente por la observación de lysates de la célula para las extracciones de RNA: Control de lysates de la etapa de maduración fueron naranja, mientras que los tratados con fluoruro eran luz amarillo a incoloro (Figura 4A). Análisis de niveles de ARN extraído de etapas de maduración micro disección órgano del esmalte mostró KLK4 abajo-regulación sobre tratamiento con flúor (Figura 4B), que también fue evidenciado por un análisis transcriptómico a gran escala recientemente registrados2. Proteínas específicas expresan ya sea por secreción o maduración etapas ameloblastos se pueden también localizar usando esmalte micro disección órgano28. Por ejemplo, el receptor de andrógenos fue localizado específicamente usando esmalte micro disección órgano8,28.

Figure 1
Figura 1: esmalte defectos observados en las ratas expuestas al flúor (NaF) en combinación o no con el Bisfenol A (BPA). (A) representación esquemática de los cuatro grupos experimentales de ratas Wistar constituidas para el presente estudio, los grupos que dependían de las diferentes condiciones ambientales aplicadas a las ratas. De gestacional día 1 (demanda) hasta el destete día 21 (P21), 5 μg/kg BPA en 0,5 mL de aceite de maíz fue administrados por vía oral mediante sonda diariamente a las mujeres embarazadas y lactantes, mientras que el aceite de maíz solo se administró al grupo control. Después del destete, cada presa se identificó y se distribuyeron al azar en uno de los dos grupos correspondientes. Ratas macho fueron seleccionadas para este estudio y expuestas a 5 μg/kg/día BPA solo, 5 mM NaF solo, o ambos a la misma dosis hasta 65 días después del nacimiento (P65). Grupo control recibió solamente solvente. (B) en el día postnatal 30 (P30), las ratas expuestas crónicamente a bajas dosis BPA exhiben manchas blancas opacas y un fenotipo dental evidente no fue identificado para ratas adultas (P65). Bandas alternas de blancos y naranja de fluorosis dental típica (DF) se observaron en ratas tratadas con NaF. Un fenotipo más severo caracterizado por una decoloración importante incisivo fue identificado en las ratas expuestas a ambos agentes. Esmalte incisal naranja homogéneo caracterizado las ratas control. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: representación esquemática del procedimiento. Aislamiento de ameloblastos de secreción y maduración-etapas del órgano del esmalte de micro disección. La hemi-mandíbula de rata contiene tres molares y una incisivo continuamente creciente con dos tejidos mineralizados, el esmalte dental producida por odontoblastos (en amarillo) y el esmalte producida por ameloblastos (en naranja). Cuando el incisivo está aislado y un poco deshidratado, una mancha blanca cerca de la parte apical de la superficie labial es observable. Ayuda a identificar ameloblast etapa de diferenciación, ya que cubre la etapa de transición entre las fases secreción y maduración. El órgano del esmalte es cuidadosamente disecado micro, separado en 3 partes según las etapas de diferenciación de ameloblast y utilizado para análisis cualitativo (histológico) o aproximaciones experimentales cuantitativos (análisis de mRNA y proteína por RT-qPCR y Western Blot, respectivamente).

Figure 3
Figura 3: control de calidad de micro disección secreción y maduración-etapas del órgano del esmalte. Órgano del esmalte de rata se separa en 3 partes que contiene el bucle cervical la ameloblastos etapas de secreción y maduración etapa ameloblastos. De Masson Trichrome (A) la coloración de piezas micro disección demostró las diferentes células epiteliales y la ausencia de células mesenquimales. Escala de la barra, 100 μm. (B) análisis de expresión génica por RT-qPCR experimentos de ARN extraído de secreción y maduración etapa órgano del esmalte. Se observa un patrón típico de enamelin y KLK4 expresión, así como la ausencia del colágeno 1 en las células mesenquimales. (C) fluorescentes de tinción utilizado un anticuerpo (véase Tabla de materiales) específicamente dirigida contra el receptor de andrógenos expresado sólo por etapas de maduración de ameloblastos. Escala de la barra, 20 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: resultados representativos de órgano del esmalte de rata disecada micro. (A) cuando las células se resuspendió en un tampón de lisis para la extracción de RNA (véase Tabla de materiales), tejido de la etapa de maduración que contiene ameloblastos pigmentadas apareció naranja en condiciones control y BPA-tratados. La porción de la fase de secreción es de color amarilla sin importar las condiciones. En el tratamiento de la NaF, los lisados fueron luz amarillo a incoloro. (B) ejemplo de datos de RT-qPCR obtenidos con preparaciones de RNA de órganos del esmalte de ratas sometidas a diferentes condiciones ambientales. NaF regula KLK4 en la etapa de maduración, y BPA mayor expresión enamelin en la fase de secreción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Actividad de ameloblast alterada o interrumpida ameloblast proliferación, diferenciación y maduración procesos plomo a defectos del esmalte irreversible y, a su vez, la caracterización de los defectos del esmalte puede ayudar a desarrollar el entendimiento de la alteración actividad de ameloblast durante amelogenesis. Así, los estudios sobre el órgano del esmalte aislados son determinantes para dilucidar los eventos patológicos que al esmalte defectos cualquiera que sea su origen, ambiental o genética.

Esta técnica ha sido descrita originalmente por Hiller et al. 17 y Robinson et al. 18y se utiliza para demostrar efectos específicos en cada etapa de la diferenciación de órganos del esmalte. Luego ha sido adaptada para EMP extracciones19,24,25. En la actualidad utilizamos este procedimiento para separar las partes principales del órgano del esmalte y recoger las muestras biológicas en diferentes condiciones ambientales para analizar RNAs y proteínas (posiblemente cellular intra y extra) con cuantitativos y cualitativos técnicas.

La precisión de la micro disección requiere considerable entrenamiento antes de su aplicación, para permitir la colección del órgano del esmalte conservado y para evitar contaminaciones mesenquimal y cualquier destrucción de tejido. Por otra parte, es muy difícil tener éxito con ratones o ratas pequeñas. De hecho, la parte más delicada del procedimiento es preservar el tejido morfología, histología y orientación en IHC y ISH, en contraposición a técnicas clásicas que se realiza con frecuencia en incisivos para estos dos enfoques.

Una de las principales ventajas de usar el órgano del esmalte micro disección comparado con el hemi-mandíbula todo desmineralizada es el mantenimiento del esmalte RNAs y proteínas gracias a la falta de cualquier post-colección de tratamiento. El órgano del esmalte micro disección puede utilizarse directamente para todas las técnicas de biología molecular y bioquímica sin seleccionar o cultivo de células. La ventaja de este procedimiento es las mediciones directas de los niveles de ARN y proteína que refleja las cantidades específicas ameloblastos en vivo en condiciones fisiológicas o patológicas. Además, algunas sustancias tóxicas actúan en el escenario de una diferenciación específicamente, como es el caso de flúor, que actúa en la etapa de maduración de ameloblastos y no en la fase de secreción unos23,24. La micro disección de las diferentes regiones del órgano del esmalte permite el estudio del mecanismo de acción de algunas sustancias tóxicas o de determinados genes cuyos efectos pueden ser imperceptibles en el órgano del esmalte entero o en células aisladas. De hecho, ameloblastos, especialmente distinguido, son difíciles de recoger y a cultivo in vitro, que es atestiguada por la falta de estudios que informaron sobre el tema. Las células epiteliales solo dentales que pueden ser aisladas son pre-ameloblastos y las células de vástago del bucle cervical20. Además, las líneas de celulares reportados ameloblástico, principalmente la rata HAT-729, ratón LS830, ALC31y AM-1 humana32, a menudo pierden las características de la diferenciación de ameloblastos en vivo : expresan proteínas de matriz extracelular (EMPs) como ameloblastin semejantemente a ameloblastos fase de secreción y también KLK4 o SLC26A4/pendrin, como etapa de maduración de ameloblastos8, pero no logran más o menos expreso amelogenin y mineralizar el matriz para producir el esmalte. El aislamiento de células epiteliales dentales y ameloblastos embrionario puede constituir una opción para el estudio de las primeras etapas de la diferenciación de ameloblast, pero los estudios sobre el proceso de mineralización del esmalte terminal no pueden ser efectuados de manera diferente que con modelos en vivo . Esta última parte del amelogenesis es determinante para la calidad del esmalte. Mientras que factores clave implicados en el desarrollo del diente, como Bmp, Msx, Fgf, muesca, Shh, Wnt son bien descrito33,34, los firmemente involucrados en la calidad del esmalte son todavía poco conocidos. La caracterización de los factores clave en la calidad del esmalte es necesaria descifrar la caries dental y descubra el innovador tratamiento curativo o preventivo de la caries dental, que constituyen un problema de salud pública como el 92% de 20 a 64 años edad adultos en el mundo tiene o ha tenido al menos una caries35,36,37.

Roedores expuestos a tóxicos ambientales capaces de perturbar la Amelogénesis y alterar la calidad del esmalte pueden constituir un buen modelo para estudios de factores ambientales. Procedimientos similares podrían también usarse para estudios funcionales en genes de interés directa o indirectamente involucrados en la Amelogénesis. El órgano del esmalte micro disecado es un material adecuado para caracterizar los mecanismos de acción de sustancias tóxicas y de su blanco genes en vivo evitando cualquier sesgo experimental. Cuando se caracterizarán los defectos del desarrollo del esmalte, este enfoque podría utilizarse como un modelo de predicción de los impactos patológicos potenciales nuevos contaminantes.

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Disclosures

Los autores no tienen conflictos de interés divulgar.

Acknowledgments

Este trabajo fue financiado por la Universidad París-Diderot, el Instituto Nacional francés de salud e investigación médica (INSERM) y el Instituto francés de investigación odontológica (IFRO).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bisphenol A Sigma Aldrich, Saint Louis MO 239658
formalin 10% Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO HT5012
Tri-Reagent Euromedex, France TR118
RLT buffer Qiagen, Les Ulis, France 74126 RNeasy Protect Mini Kit
Androgen receptor antibody Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA) sc-816 rabbit polyclonal antibody
PBS 10x EUOMEDEX ET330.A
Sodium fluoride (NaF) Sigma-Aldrich, Saint Louis, MO S-1504
paraplast regular Leica microsystems, Nanterre cedex, France 39601006 called was/parafin in the text
tissue OCT VWR, Fontenay-sous-Bois, France 411243
Extra Fine Bonn Scissors - Straight/8.5 cm PHYMEP , Paris, France 14084-08
Handle for Scalpel Blades - 12.5 cm PHYMEP, Paris, France 10035-12
Curved Scalpel Blade PHYMEP , Paris, France 10035-20
Dissecting Knife - Fine/Straight Tip PHYMEP , Paris, France 10055-12
Circle Knife PHYMEP, Paris, France 10059-15
scalpel blades n°11 Swann-Morton VWR, Fontenay-sous-Bois, France 233-0024
binocular lens Leica biosystems, Nanterre cedex, France MZFLIII

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Retracción número 133 incisivo de rata órgano del esmalte Amelogénesis Mineral Hypomineralization del esmalte disruptores endocrinos fluoruro
Micro-disección del órgano del esmalte de incisivo de la mandíbula de ratas expuestas a tóxicos ambientales
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Houari, S., Babajko, S., Loiodice,More

Houari, S., Babajko, S., Loiodice, S., Berdal, A., Jedeon, K. Micro-dissection of Enamel Organ from Mandibular Incisor of Rats Exposed to Environmental Toxicants. J. Vis. Exp. (133), e57081, doi:10.3791/57081 (2018).

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