Summary
为组件的粘接剂和可溶性的梯度在显微镜室,用于活细胞迁移研究的方法,进行说明。该工程环境结合溶液梯度的防污表面和粘接剂的轨道,并因此允许一个确定指导线索的相对重要性。
Abstract
细胞可以感知并移向较高浓度的粘合剂线索,如糖蛋白如生长因子的细胞外基质和可溶性线索。在这里,我们列出了反对梯度的粘合剂和可溶性线索,微流控室,这是兼容与活细胞成像的方法来创建。聚-L-赖氨酸和聚乙二醇(PLL-PEG)的共聚物,以钝化玻璃的盖玻片和防止生物分子和细胞的非特异性吸附。往下,微接触印刷或蘸笔光刻被用来创建轨道的链霉抗生物素蛋白上的钝化表面的生物素化的肽,精氨酸 - 甘氨酸 - 天门冬氨酸(RGD)作为粘接剂提示作为锚固点。一种微流体装置被放置到改性的表面上,并用于创建的梯度粘合剂线索(100%到0%的RGD RGD)上的抗生蛋白链菌素的轨道。最后,相同的微流体装置是用于创建的单核细胞趋化自吸的梯度h为牛胎儿血清(FBS),在相反的方向上的梯度的粘合剂线索作为可溶性提示。
Introduction
导演细胞迁移是许多细胞的基本属性,是许多正常的生理过程,包括胚胎发育,抗感染,促进伤口愈合的一个重要方面。此外,细胞迁移也起到了突出的作用,在许多疾病,如血管疾病,肿瘤细胞的转移和慢性炎症1,2。虽然传统的状态的细胞迁移-极化,凸出延伸,形成粘连,力产生收缩和后收缩-被普遍接受的3,4,阐明的时空信号集成协调机制,已是更具挑战性。
的胞外基质(ECM)作为细胞粘附的基板,并通过固有的化学和物理6多样性,提供用于细胞导航7,8的方向提示。除了 这些粘合剂线索9,可溶性因子10-12 </ SUP>,如趋化因子和生长因子,可诱导细胞迁移通过定向趋化因子受体和其下游motogenic的信令。目前,参与和信令通过粘附受体( 即整合),或如趋化因子受体,受体酪氨酸激酶(RTK),不知道是否是显性的。也不知道是否是细胞类型特异性受体系统的层次结构。
活细胞显微镜提供了丰富的信息,是不是可以批量检测,可以结合微流体装置,产生梯度的固定13,14和可溶性线索15 16。这里描述的方法采用了一系列的简单和既定一并用市售的微流体腔室,以创建一个成像检测细胞的迁移,可以很容易地在细胞生物学实验室( 图1)实施表面改性步骤。组装的微流体装置具有与玻璃17的光学品质的梯度的扩散的分子是稳定的,至少16小时。该系统可用于落射荧光和先进的显微镜技术。不像其他的趋化性的设置18,这个系统是适合用于记录缓慢迁移,贴壁细胞。更重要的是,该系统是模块化的,很容易使引进替代的粘合剂或可溶性迁移暗示的各种细胞类型和检查。
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Protocol
1。 PLL-PEG-生物素玻片上与钝化
这一步的目的是钝化的表面,从而使细胞的粘附和迁移到特定区域的盖玻片上所建立的(步骤2-3A)microcontract印刷或的蘸水笔平版印刷(步骤3b)。对于钝化,一个共同的聚合物的聚-L-赖氨酸(PLL)和聚乙二醇(PEG)中,使用20%的PEG分子被接枝到生物素(PLL-PEG-生物素)。
- 要清洁的玻璃盖片(18毫米×18毫米),浸没在100%乙醇中的齿条,和放置在机架中的声波处理30分钟,浴。擦干玻璃盖玻片,在空气或氮气流中下。
- 接着,在1 M NaOH中的30分钟超声的玻璃盖玻片。事后冲洗玻璃表面通过仔细的机架中浸入烧杯中充满了1.5 L的Milli-Q H 2 O新鲜的Milli-Q H 2 O每次使用三次重复冲洗过程。干燥盖玻片在60℃的烘箱
- 将一半的干净的玻璃盖玻片单独在潮湿的腔室部分地填充有H 2 O 24 -孔的板,它是由掉落PLL-PEG-生物素(1毫克/毫升),在PBS中的15μl的每个玻璃盖玻片上。以剩余的干净的玻璃盖玻片的另一半和仔细夹心的PEG溶液。将盖玻片,在潮湿室1小时。轻轻滑动夹持盖玻片远离彼此不刮的PEG-涂覆的表面的情况下,他们用Milli-Q H 2 O冲洗水应该很容易滑落的PEG处理侧。如果需要,空气干燥的玻璃盖玻片纸巾上与处理过的表面朝上。存储的玻璃盖玻片,在真空干燥器中,直到进一步使用。
2。微接触印刷邮票的制作
我们描述了两种模式的链霉亲和轨道的过程钝化的盖玻片上。第一个,话筒rocontact印刷,通常需要制作的PDMS印章硅主投。在我们的例子中,PDMS印章上的图案是为100μm宽的线的特征高度为25μm,间距为290μm的中心到中心的。下面,我们简单地描述了如何制作一个合适的硅主(2.1-2.3)和PDMS印章(2.4)。但是,也有文献19-23,这是适合用于打印到盖玻片上的蛋白质模式中描述的微接触印刷的多个协议。大师也可以进行定制,并从商业渠道购买。
- 首先,在硅晶片(4“直径)清洁Piranha溶液(3:1体积比的硫酸和30%的过氧化氢 )中孵育20分钟。彻底冲洗晶片用MilliQ H 2 O中的 10倍干燥的晶片在烘箱中在150℃CO / N。
- 冲洗干净并干燥的硅晶片由100%的异丙醇,然后用100%丙酮。下旋涂2毫升GM1070 SU-8的光刻胶(Gersteltec Sarl的)在3100转的晶片上,持续40秒,以创建一个25μm厚的层。然后将样品在65℃的热板上烘烤5分钟,然后通过进一步的5分钟,在95℃下
- 在SU-8的光致抗蚀剂暴露于UV光下,进行60秒的所需图案的光掩模(例如,使用掩模对准器Quintel Q6000),并重复烘烤过程中在2.2中描述。然后样品被开发的晶片浸渍在SU-8显影剂(Gersteltec Sarl公司)为4分钟,在100%异丙醇冲洗并在氮气流中干燥。由此除去未暴露于UV光的SU-8的光致抗蚀剂的区域的,创建的逆图案的PDMS印章。
- 下一步是从硅主投PDMS印章。首先,彻底混合1份(重量/重量)的固化剂的弹性体预聚物与10份(Sylgard的184)。中去除任何空气气泡,脱气混合物在干燥器中连接到真空管线为1小时。接下来,倒入到陪替氏培养皿内的硅主的PDMS弹性体至约1厘米的高度,并在烘箱中在70℃下固化该主站和PDMS混合物1小时。最后,除去PDMS印章从硅主站,并切割成一定的尺寸。
3。钝化的盖玻片上的图案链霉亲和素或粘合剂线索
钝化盖玻片后,蛋白质模式上都印有微接触印刷(步骤3a)或蘸笔光刻技术(步骤3b)。在我们的例子中,链霉抗生物素蛋白的打印线,RGD梯度(步骤4)形成的基础。相同的步骤也可以用于印刷基质蛋白创建粘合剂图案。
到表面上的图案化的生物分子的微接触印刷的另一种方法是蘸笔光刻。在蘸笔光刻,以悬臂是用来传输一个小的表面上,溶液的体积。悬臂,V的大小iscosity的解决方案,在悬臂的表面上的接触时间,表面的疏水性和湿度在印刷室确定的大小印刷的功能。此方法的优点是,不同的图案可印每个实验,因为没有必要制作主人和邮票。它的缺点是,它需要更长的时间来打印一个给定模式和,蘸笔光刻技术需要专门的仪器可能无法使用在许多实验室。蘸水笔光刻工具,我们使用的是从Bioforce纳米NanoeNabler。在这里,我们印小点直径<10微米,我们SPT10悬臂。
3A。 “微接触的印刷(μCP)技术
- 要清洁和使PDMS印章更具亲水性,在1.5小时的紫外线和臭氧(例如,紫外线臭氧Procleaner奈米从Bioforce)的PDMS邮票治疗图案侧。或者,也可以使用等离子吸尘器用于相同目的的时间更短。此过程创建的氧化的PDMS表面24,从而提高了印刷过程。
- 后立即臭氧或等离子处理,将10微升的链霉亲和素(1毫克/毫升在PBS中)和传播到PDMS邮票和离开1小时,在潮湿的腔室(例如在部分充满的6孔板中,见步骤1.3) 。如果轨道应该是在荧光显微镜下可见,使用链霉抗生物素蛋白,如链霉抗生物素蛋白-AlexaFluor350荧光团共轭。
- 删除多余的链霉亲和素的邮票用纸巾和空气干燥的邮票约1分钟。 PLL-PEG-生物素包被盖玻片上,轻轻按下邮票。
- 如果荧光链霉亲和素使用在步骤3.a2,检查落射荧光显微镜下使用的模式。印刷面储存在干燥器中。
3b所示。浸笔微影技术
- 首先,将1份为1毫克/毫升链霉亲和素或STREptavidin-AlexaFluor350甘油与10份(体积/体积),并加载到悬臂5微升该混合物。然后开始印刷过程中,,蘸水笔光刻仪器的操作手册中所描述的。为了减少到约5μm的光斑尺寸,调整印刷速度,接触时间在悬臂的悬臂的表面上的表面或垂直距离。在图2c中所示的例子中,印刷在设置为10-15μm的行和列的分离的线与点。这个距离是足够的,以防止点从彼此合并成,但允许在一个字段中的观点与大多数显微镜设置多个点的观看。
- 印刷面储存在干燥器中。
4。创建链霉亲和型面的胶渐变到
我们创建粘合剂梯度生物素-RGD的玻璃盖玻片上都涂有链霉抗生物素蛋白( 图3)或共聚ntain钝化玻璃盖玻片上的链霉抗生物素蛋白的模式( 图5)。要创建一个表面的倾斜度,我们使用市售微流体装置(称为粘性滑动趋化三维 Ibidi)的梯度通过被动扩散,创建一个稳定的解决方案。为链霉抗生物素蛋白的结合位点的竞争,我们采用两个相对的梯度是不共轭的RGD序列(参见图1)的生物素-RGD和生物素。
- 坚持的链霉亲和素包被或图案的盖玻片上的粘性面的粘幻灯片趋化3D设备。为了确保有几个小时是无泄漏,而装置边缘有一薄层的温热凡士林和石蜡的1份(重量/重量)的混合物1份凡士林用第二层密封。
- 填充与6μlPBS中的信道的信道的设备。然后填写70微升0.03μg/μL的生物素 - 荧光素在PBS和70米的两个水库U;升0.03微克/μL生物素-RGD的PBS,分别。的样品在室温下孵育1小时,在黑暗。
- 移除的生物素溶液,并同时仍连接到的微流体装置,两次用PBS仔细冲洗表面。马克的粘接剂梯度的方向,并且如果需要的话,储存在4℃下用PBS填充设备,但确保该设备不干燥。如果需要,粘合剂梯度用荧光显微镜进行分析。
5。标签的萤光细胞与活细胞成像
将细胞用荧光染料,协助细胞在荧光显微镜下的跟踪标记。常见的探针荧光的细胞器标记物,如祥发64红,标记细胞核。要做到这一点,细胞首先被洗涤三次,用PBS 1μM祥发64红45分钟的培养基中,然后孵育,最后用PBS洗涤进一步三次。请注意,细胞不应该是在PBS中保持很长一段时间。
替代染料的细胞追踪CellTracker系列染色的细胞质,并保留在细胞迁移和分裂。转染的细胞与荧光融合蛋白是特别有用的,在迁移过程中记录感兴趣的蛋白的亚细胞分布。然而,典型的光漂白剂的速度比有机染料的荧光蛋白,使长期观测不可以有可能。
6。载入细胞的渐变成一种可溶性的微流体装置
- 计数荧光标记的细胞分裂成两管相同的手机号码。洗净,重悬于一个管与媒体含有低葡萄糖Dulbecco的修改的Eagle培养基(DMEM)中,用10%胎牛血清(FBS)的趋化因子,如细胞。洗净,在媒体的细胞没有趋化, 即 0%FBS的DMEM悬浮管。的最终浓度每个试管中的细胞应为5×10 5细胞/ ml。
- 删除所有的解决方案,微流体装置(4.3),并把它放在显微镜载物台(见第7步)。 70微升的细胞(5×10 5个细胞/毫升0%FBS的DMEM中)加载到一个水库和70微升的HeLa细胞(5×10 5个细胞/毫升在10%FBS的DMEM中)到另一个。松松地将磁带的水库,以避免蒸发。如果细胞的表面上的预孵育成像之前,可取的做法是将细胞生长介质中的装置装入未经梯度。该装置然后被放置在显微镜载物台上,并用不含FBS的DMEM培养液梯度介质, 即在一个贮存器和DMEM含10%FBS在其他媒体取代。
7。活细胞成像和数据分析
- 开关上的显微镜(尼康的Ti-E)和预热阶段在实验开始前至少1小时。
- 确保通道的MICRofluidic的移动设备的视场中,细胞是在焦点。选择图像采集参数,如曝光时间和荧光过滤器,以及明场和荧光捕获细胞和曲目的图像序列的时间点,记录长度( 例如,每15分钟16小时)。
- 分析数据与适当的软件,如ImageJ的手动跟踪或者Ibidi的趋化和迁移工具。
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Representative Results
为了了解细胞整合洄游信号25,我们已经开发了一种方法的图像细胞用荧光显微镜观察,与竞争的粘接剂和可溶性的梯度( 图1)的环境中迁移。胶粘剂的轨道含有荧光链霉亲和素和生物素标记的RGD创建的微接触印刷的曲目和蘸笔光刻( 图2)。成功的微接触印刷粘合剂轨道和防污区域可以清楚地加以区分( 图2b)的磁道之间的荧光强度表示的线剖面。用蘸水笔平版印刷点印刷圆的,而不是撕裂状,表示一个成功的印刷工艺。表面化学和湿度影响的打印处理的结果。一般来说,更疏水的表面,更好的印刷成果。
一个渐变的胶粘剂线索在印刷的磁道被创建的一个简单的微流体装置,通过加载生物素-4-荧光素和生物素的微流体室的相反侧( 图3)到RGD。由于两种分子竞争结合链霉抗生物素蛋白的玻璃表面上的轨道,RGD序列的配体的固定化梯度产生。除去生物素/生物素-RGD的溶液后,在相同的室内,可以使用引入可溶性的梯度,其中的微流体通道的至少16小时( 图4)内是稳定的。
我们引入到腔室的HeLa细胞与单核细胞趋化梯度,为FBS使用。在密度低,HeLa细胞优先附着和迁移的链霉抗生物素蛋白/ RGD序列的轨道(N 细胞 = 50),并避免了防污PEG区域(N 细胞 = 19)。录得超过16小时的单个细胞的位置,并分析一个细胞追踪软件。在一项实验中,胶粘剂和解决方案表梯度相对彼此( 图5),单个细胞的运动轨迹表明更多的HeLa细胞迁移向源的单核细胞趋化(红色的痕迹,在图5c中,N 的痕迹 = 36)比对较高浓度的粘附RGD(黑色在图5c中,N 的痕迹 = 14的痕迹)。反对(黑色痕迹)或(红色痕迹)的FBS梯度(x-分量的每个轨迹的平均位移)的方向中,细胞迁移的平均距离为0.1700±0.1172 0.2278±0.1280,分别为(P <0.0001,学生t-检验)虽然没有统计上的显着差异,平均位移之间的黑色痕迹(56.18±32.27微米),红色的痕迹(72.86±45.05微米,P> 0.05,Student t检验)。 HeLa细胞迁移的平均速率为17.47±4.72微米/小时,在两个梯度的粘接剂的存在下提示( 即含RGD)和可溶性提示( 例如 FBS)的。因此,该数据表明,HeLa细胞,该FBS梯度决定了,而细胞的迁移方向上的粘接剂的轨道保持的特性的迁移速度。
我们也评估迁移的巨噬细胞株J774。的粘接剂和可溶性的梯度的情况下,这些细胞迁移在更高的速度比HeLa细胞(38.55±17.88微米/小时)(16.47±4.28微米/小时),但有以下的持久性,即 J774细胞的变化方向(0.059±0.091的方向性)作为位移比往往比HeLa细胞(0.57±0.12),微接触印刷的纤连蛋白磁道跟踪长度测量。 J774细胞也依赖比HeLa细胞接触较少。 J774细胞的位移更高的PEG地区(102.20±54.73微米),纤维连接蛋白曲目(42.95±39.90微米)。在此外,J774细胞ppeared改变他们的间充质变形虫的迁移机制,以适应不同的表面化学。最后,粘合剂线索J774细胞并不重要,重要的,因为它们是用于HeLa细胞。这两种类型的细胞优先迁移的向可溶性提示方向。
图1。的微流体的设置,允许迁移细胞的成像响应的相对梯度的粘接剂与可溶性的线索的制造工艺的示意图。玻璃盖玻片钝化与生物素化的PLL-PEG。胶粘剂图案印刷到含有荧光链霉抗生物素蛋白的生物素化的表面线采用微接触印刷(b)或点,使用蘸水笔光刻(B')。 II。。细胞的可溶性趋化梯度为0-10%FBS装入的微流体装置。后细胞附着在表面,活细胞迁移链霉抗生物素蛋白磁道上超过RGD梯度和在FBS梯度的存在下,可以被成像在信道连接的两个水库。
图2。细胞粘附图案(线和点),可生成具有两个不同的印刷技术。荧光图像的微接触印刷PLL-PEG-涂覆的玻璃盖玻片上的链霉抗生物素蛋白-AlexaFluor350磁道率(Abs:346纳米,EM:442纳米;灰色)。线设计为100微米,宽290微米中心策的microcontract印刷掩膜印表机的空间,(二)的平均荧光强度的微接触印刷的链霉抗生物素蛋白磁道,如图中的一个,从五个单独的作为从顶部到底部的横截面的表面。轨道的平均宽度为90±6微米,和293的平均的中心到中心的间距是±2微米。甲蘸笔光刻生成的含链霉亲和素的点的明场图像。圆点的直径范围从6 - 9微米与15微米的中心到中心的空间。在a和比例尺 c是100微米。
图3。生物素4 -荧光素梯度(0微克/微升- 0.03微克/微升)上均匀地涂布在玻璃表面用抗生蛋白链菌素。生物素-4-荧光素和生物素-RGD被装在任一的微流体装置(粘性幻灯片趋化性3D水库,Ibidi)是由1毫米长的通道连接。孵育1小时后,用PBS漂洗的移动设备,并用PBS再填充。采取了与60个马赛克图像的总图象长度为3072微米和 b的荧光强度测定跨越整个的马赛克的长度。嵌合线性趋势线的荧光强度,以指示在通道中的RGD梯度。
图4。的荧光强度的荧光素的微流体通道中的梯度(0μM - 1μM)后立即设置(T = 0小时)和b后,培养16小时。PBS没有一个,并用1μM荧光素从左边和右加载储层的微流体装置(粘性幻灯片趋化性3D,Ibidi)分别。微流体通道的长度为1 mm,和位置50至1050微米。至少有16个小时的梯度是稳定的。
图5。在一个微流体室(粘性幻灯片趋化性3D,Ibidi)的HeLa细胞迁移与反对粘合剂的梯度(固定在链霉抗生物素蛋白RGD磁道)和可溶性梯度(0-10%FBS)。。甲代表图像在一个微流体腔室中的细胞与相反的梯度。比例尺为50μm。b时间推移图像采取的落射荧光显微镜(尼康的Ti-E)的小区。在15分钟的时间间隔为20小时,细胞的运动轨迹(蓝线)通过细胞的质心定位(ImageJ的手动跟踪插件)图像。比例尺为50μm。细胞从图像的轨迹在b所示。细胞数ajectories,迁居到较高浓度的可溶性FBS的中红(Ñ 痕迹 = 36);细胞的轨迹,迁居到高浓度的附着RGD黑(N 痕迹 = 14)。 点击此处查看大图 。
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Discussion
在这个协议中,我们使用市售的微流体装置(粘性滑动的趋化三维 Ibidi)的化学表面改性及对细胞迁移的趋化因子梯度的影响进行研究。因为梯度设立的沿该通道的长度的扩散,这种微流体设置不需要流。这是很重要的,因为流量差异影响慢慢迁移的细胞,如成纤维细胞,形成稳定的粘着斑和快速迁移细胞最喜欢的白细胞,形成协调配合物与突触小26。从层流剪应力可能影响稳定的细胞粘附粘合剂的线索和细胞的趋化对水溶性线索27,28。我们发现滞销HeLa细胞和快速移动的J774细胞,从而示出的微流体设置适用于两种类型的细胞粘附和减少粘附在迁移行为之间的差异。这种比较也reveale的ð有趣的区别类型的细胞粘附和迁移反应,表面图案,在包含两种粘合剂的线索(RGD肽或纤连蛋白)和防污区域(PEG领域)。
表面图案创建的微接触印刷29和蘸笔光刻30,31。微接触印刷是一个简单的,相对快速的,可重现的图案化工艺。不过,由于设计和制造的,这是实现通过光刻法,PDMS印章是更复杂的和耗时的。它还引入了其自身的局限性,在难以实现,取决于图案的纵横比(<5微米),小的特点。简单地说,微接触印刷大图案到几百微米大小的实验中,相同的模式需要多次的理想选择。另一方面,浸渍销光刻技术可用于以产生微米至纳米尺寸的图案。它更适合打印点比线,虽然线可以制造。浸脚光刻图案设计提供了更大的自由,有没有必要预制口罩,硕士或邮票。然而,图案形成过程的速度是缓慢的,使得大面积印刷繁琐,进入到一个专门的仪器是至关重要的。这两个图案形成方法的审议有关,因为粘合剂提示模式的大小和形状的影响的组织和生物力学机械分布,调节细胞的迁移32,33。此外,这里采用的商业的微流体装置的限制,沟道长度(1μm)的不能被改变,所以人们无法控制的最大粘接剂和可溶性的梯度的陡度。如果陡峭的梯度是必要的,需要用更短的两个水库之间的通道,以制造微流体装置。这里描述的协议的一个关键优势是模块化设计,因此,不同的SUrfaces,表面化学性质,图案化的方法和微流体装置可结合为各种各样的活细胞成像实验。
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Disclosures
我们有没有商业利益的披露。
Acknowledgments
作者承认资金从澳大利亚研究理事会和国家健康与医学研究委员会澳大利亚也想感谢 澳大利亚国家的制造工厂主的微接触印刷的SU-8。 SHN支持的马来西亚高等教育和马来西亚理科大学部。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Coverglass staining outfits | Thomas Scientific | 8542 E40 | Coverslip rack |
Oven | Binder | ED 53 series | |
Silicon wafer | Silicon Quest | 708-007 | Boron doped <100> wafer, 4" diameter, 500 μm, single side polished |
GM1070 SU-8 photoresist | Gersteltec Sarl | ||
SU-8 developer | Gersteltec Sarl | ||
Sylgard 184 curing agent | Dow Corning | ||
Sylgard 184 elastomer prepolymer | Dow Corning | ||
PLL-PEG-biotin (20%) | SuSos AG | PLL(20)-g[3.5]-PEG(2)/PEG(3.4)-Biotin (20%) | 1 mg/ml in PBS |
Fluorescein | Sigma | 46955 | 1 mM in PBS |
Streptavidin-AlexaFluor350 | Invitrogen | S-11249 | 1 mg/ml in PBS |
Biotin-4-fluorescein | Invitrogen | B-1370 | 0.03 μg/μl in PBS |
Biotin-RGD | GenScript | SC1208 | 0.03 mg/ml in PBS |
Syto 64 Red | Invitrogen | S-11346 | 1 μM in PBS |
Sticky slide chemotaxis 3D | Ibidi | 80328 | |
200 μl Greiner yellow bevelled tip | Greiner Bio-One | 739261 | |
Vaseline | Sigma | 16415 | |
Paraffin wax, mp 55-57 °C | Sigma | 327204 | |
Nano eNabler 10 μm cantilever | BioForce | SPT-S-C-10s | |
Image J software | National Institute of Health | rsbweb.nih.gov/ij/download.html | |
Manual Tracking plugin | Fabrice Cordelières | rsb.info.nih.gov/ij/plugins/track/track.html | |
Chemotaxis and Migration Tool | Ibidi GmbH | www.ibidi.com/applications/ap_chemotaxis.html |
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