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方法文章

利用报告基因表达的重组SARS-CoV-2对K18 hACE2转基因小鼠进行病毒感染的活体成像与定量分析

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DOI:

10.3791/63127

2021年11月5日

本文内容

摘要

本方案利用表达荧光素酶和荧光蛋白的重组(r)SARS-CoV-2 及其 体内 在K18-hACE2转基因小鼠中使用成像系统(IVIS)以克服研究SARS-CoV-2感染所需的次级方法 体内.

摘要

新型冠状病毒病2019(COVID-19)大流行由严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)引起。截至目前,SARS-CoV-2已在全球造成超过2.42亿例感染和逾490万例死亡。与其他病毒类似,研究SARS-CoV-2需要采用实验方法来检测病毒感染细胞和/或动物模型中的病毒存在。为克服这一限制,我们构建了可复制的表达生物发光(纳米荧光素酶,Nluc)或荧光(Venus)蛋白的重组SARS-CoV-2(rSARS-CoV-2)。这些表达报告蛋白的rSARS-CoV-2可用于追踪病毒感染过程 体外体内 基于Nluc和Venus报告基因的表达。本研究描述了使用rSARS-CoV-2/Nluc和rSARS-CoV-2/Venus在先前报道的K18人血管紧张素转换酶2(hACE2)转基因小鼠感染模型中检测和追踪SARS-CoV-2感染的方法 体内 成像系统(IVIS)。该rSARS-CoV-2/Nluc和rSARS-CoV-2/Venus表现出与rSARS-CoV-2/WT相似的致病性及病毒复制能力 体内重要的是,Nluc 和 Venus 的表达使我们能够直接追踪病毒感染过程 体内和离体,在感染小鼠中。这些rSARS-CoV-2/Nluc和rSARS-CoV-2/Venus是研究SARS-CoV-2生物学的优良工具 体内,以了解病毒感染及相关的新冠肺炎疾病,并确定有效的预防性和/或治疗性措施来应对SARS-CoV-2感染。

引言

严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)是一种有包膜的、正义单链RNA病毒,属于冠状病毒科(Coronaviridae)的乙型冠状病毒属1。该病毒家族分为甲型、乙型、丙型和丁型冠状病毒1。甲型和乙型冠状病毒主要感染哺乳动物,而丙型和丁型冠状病毒几乎 exclusively 感染鸟类2。迄今为止,已有七种冠状病毒(CoV)跨越物种屏障,成为人类冠状病毒(HCoV):两种甲型冠状病毒(HCoV-229E 和 HCoV-NL63)以及五种乙型冠状病毒(HCoV-OC43、HCoV-HKU1、SARS-CoV、中东呼吸综合征冠状病毒[MERS-CoV]和SARS-CoV-2)3,4,5,6。SARS-CoV、MERS-CoV 和 SARS-CoV-2 具有高度致病性,可引起严重的下呼吸道感染7。在SARS-CoV-2出现之前,曾发生过两次由冠状病毒引起的疫情:2002年至2003年间在中国广东省暴发的SARS-CoV疫情,病死率(CFR)约为9.7%;以及自2012年起在中东地区持续至今的MERS-CoV疫情,病死率约为34%7,8。SARS-CoV-2的总体病死率介于3.4%至49%之间,基础疾病会增加病死率8,9。自2019年12月在中国武汉被发现以来,SARS-CoV-2已在全球范围内导致超过2.42亿例人类感染和超过490万例死亡7,10,11,12。值得注意的是,自2020年底以来,新出现的SARS-CoV-2关注变异株(VoC)和兴趣变异株(VoI)已影响病毒特性,包括传播性和抗原性9,13,并改变了COVID-19大流行的总体走向。针对SARS-CoV-2感染的治疗,目前仅有一种美国食品药品监督管理局(FDA)批准的治疗性抗病毒药物(瑞德西韦),以及一种获得紧急使用授权(EUA)的药物(巴瑞替尼,需与瑞德西韦联合使用)14。此外,还有6种获得EUA授权的单克隆抗体:REGEN-COV(卡西瑞单抗和伊德维单抗,联合使用)、索托维单抗、托珠单抗,以及巴尼维单抗与艾德维单抗联合使用15,16,17,18,19。目前仅有一种FDA批准的预防性疫苗(辉瑞-生物新技术疫苗),另有两种预防性疫苗(Moderna 和 Janssen)获得EUA授权20,21,22,23,24。然而,由于感染率失控以及关注变异株和兴趣变异株的不断出现,SARS-CoV-2仍对人类健康构成威胁。因此,迫切需要开发新的方法,以识别高效预防和治疗手段,控制SARS-CoV-2感染及仍在持续的COVID-19大流行。

研究SARS-CoV-2需要繁琐的技术和间接方法,以鉴定感染细胞和/或已验证的感染动物模型中病毒的存在。反向遗传学的应用使得能够构建重组病毒,从而回答病毒学研究中的重要问题。例如,反向遗传学技术为揭示和理解病毒感染机制、致病机制及疾病过程提供了手段。同样,反向遗传学方法也为构建缺失特定病毒蛋白的重组病毒铺平了道路,以研究这些蛋白在病毒致病过程中的作用。此外,反向遗传学技术已被用于生成表达报告基因的重组病毒,用于体外(in vitro)和体内(in vivo)研究,包括筛选预防性和/或治疗性策略以应对病毒感染。由于灵敏度高、稳定性好且检测便捷,得益于新技术的进步,荧光蛋白和生物发光蛋白是最常用的报告基因25,26。在体外(in vitro)研究中,荧光蛋白更适用于病毒在感染细胞中的定位,而荧光素酶则更便于定量分析27,28,29。在体内(in vivo)成像中,全动物成像通常优先选择荧光素酶而非荧光蛋白,而荧光蛋白则更适用于感染细胞的鉴定或离体(ex vivo)成像30,31,32。表达报告基因的重组病毒已被广泛用作研究多种病毒科的重要工具,包括黄病毒科(flaviviruses)、肠道病毒属(enteroviruses)、甲病毒属(alphaviruses)、慢病毒属(lentiviruses)、沙粒病毒科(arenaviruses)以及流感病毒(influenza viruses)等28,33,34,35,36

克服对二次方法研究SARS-CoV-2以及实时表征SARS-CoV-2感染的需求 体内我们利用先前描述的基于细菌人工染色体(BAC)的反向遗传学系统,构建了可复制的、表达生物发光(nanoluciferase, Nluc)或荧光(Venus)蛋白的重组型(r)SARS-CoV-2,该系统以单拷贝形式维持 E. coli 为了在细菌中扩增病毒序列时将其毒性降至最低37,38值得注意的是,rSARS-CoV-2/Nluc 和 rSARS-CoV-2/Venus 表现出与 rSARS-CoV-2/WT 相似的致病性 体内. rSARS-CoV-2/Venus 中 Venus 的高水平表达使得能够利用一种方法在感染的 K18 hACE2 转基因小鼠肺部检测到病毒感染 体内 成像系统(IVIS)39Venus表达水平与在肺部检测到的病毒滴度高度相关,表明利用Venus表达作为SARS-CoV-2感染的有效替代指标是可行的。通过使用rSARS-CoV-2/Nluc,我们能够实时追踪病毒感染的动态过程,并对SARS-CoV-2感染进行纵向评估。 体内 使用相同的IVIS方法在K18 hACE2转基因小鼠中进行。

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方案

涉及K18 hACE2转基因小鼠的实验方案已获得德克萨斯生物医学研究所(TBRI)机构生物安全委员会(IBC)和机构动物护理与使用委员会(IACUC)的批准。所有实验均遵循美国国家研究委员会《实验动物护理与使用指南》中的建议40。在操作小鼠时,必须穿戴适当的个人防护装备(PPE)。

1. 使用 K18 hACE2 转基因小鼠

  1. 在生物安全二级(BSL-2)动物饲养设施中,以无特定病原体条件饲养和维持4至6周龄雌性B6.Cg-Tg(K18-ACE2)2Prlmn/J小鼠(K18 hACE2转基因小鼠)。
    1. 到达BSL2设施后,让动物适应环境7天,随后将其转移至BSL-3动物设施进行感染及其他实验操作。
    2. 根据IACUC规程,每笼放置4只小鼠。为确保动物已死亡,在小鼠感染rSARS-CoV-2后 体内 成像后,使用致死剂量的Fatal-Plus实施安乐死>100 mg/kg

2. 生物安全

注意:本研究中,rSARS-CoV-2 是使用基于 BAC 的反向遗传系统生成的,针对 SARS-CoV-2 USA-WA1/2020 毒株,方法如先前所述37。所有涉及 rSARS-CoV-2/Nluc 或 rSARS-CoV-2/Venus 感染的体内操作必须在生物安全三级(BSL-3)条件下于生物安全柜中进行。

  1. 在执行本文所述所有实验操作之前和之后,依次使用2% Wexicide和70%乙醇消毒剂清洁生物安全柜。
  2. 每次使用前后均需对所有解剖器械(如剪刀、解剖镊等)及匀浆器进行灭菌处理。
  3. 每次使用前后,根据制造商说明,清洁分离室并使用MB10片剂进行消毒。
  4. 按照IBC和IACUC指南,妥善处理实验过程中产生的所有生物材料。

3. 在体 rSARS-CoV-2的表征

  1. 小鼠感染
    1. 将4至6周龄的雌性K18 hACE2转基因小鼠放入标记好的笼子中,每笼4只,并使用耳缘打孔编码对每只小鼠进行标识。分别设立一组小鼠用于体重和存活率观察,另一组用于病毒滴定和成像分析。
    2. 感染前,从胸部腹侧乳头至腹股沟乳头区域剃除小鼠胸部毛发,以利于生物发光信号的检测。
    3. 制备含有10的rSARS-CoV-2接种物5 在无菌条件下,使用无菌的1×磷酸盐缓冲液(PBS),以50 µL的总体积将噬斑形成单位(PFU)/小鼠进行处理。
      注意:使用以下公式计算病毒稀释时所需的 rSARS-CoV-2 用量:所需病毒量 = (105 (每只小鼠的PFU / 50 µL)× 最终体积)/ 病毒原液滴度
    4. 将病毒接种物保持在冰上冷藏。
    5. 使用模拟感染(1× PBS)和rSARS-CoV-2/WT感染的小鼠作为内部对照。将模拟感染小鼠与rSARS-CoV-2感染小鼠分笼饲养。
    6. 在麻醉舱中使用5%异氟烷气体麻醉小鼠,并以3%异氟烷维持麻醉。
    7. 在确认姿势反应和翻正反射后,将小鼠置于仰卧位。
    8. 用食指和拇指捏住小鼠颈部的皮肤,同时用小指将尾巴固定在手掌上,使动物保持背位。
    9. 将含有50 µL病毒接种物的移液器吸头置于鼻孔处,缓慢注入溶液。通过观察接种液滴消失,确保病毒接种物已被吸入且无反流。
  2. 生物发光监测感染rSARS-CoV-2/Nluc的K18 hACE2转基因小鼠图1图2)
    注意:本实验遵循示意图所示流程,并使用图中展示的病毒 图1需要使用异氟烷麻醉装置 体内 成像系统(IVIS)。参见 材料表 有关所需仪器和系统的详细信息。
    1. 启动成像软件并设置参数,点击图像模式 生物发光,打开滤光片,将曝光时间设置为自动。
    2. 启动IVIS成像系统后,在生物安全柜内将小鼠放入隔离室。以5%浓度的异氟烷对小鼠进行麻醉诱导。待姿势反应和翻正反射消失后,维持使用3%异氟烷。
    3. 小鼠麻醉后,将其从隔离舱中取出,用25 G针头经眼后静脉窦注射以1×PBS按1:10稀释的荧光素酶底物(每只小鼠终体积100 µL)。
    4. 注射荧光素酶底物后,将小鼠放回隔离室,胸部朝上,鼻腔置于混合气锥形罩内,以在成像过程中维持动物的麻醉状态。
    5. 将分离室转移至IVIS成像仪中,在关闭IVIS成像仪门后立即选择 获取 在软件程序中初始化(图2A).
    6. 为了分析所获得的生物发光图像,使用以下方法 感兴趣区域 (感兴趣区域)工具在软件中指定精确信号并测量通量(图2B).
    7. 点击 测量 并让系统开始以光子为单位评估生物发光,以提供可与不同参数提供的输出测量值相比较的绝对光子发射量。
    8. 在感染后第1、2、4和6天对小鼠进行成像。
    9. 之后 成像 将小鼠放回笼中。
  3. K18 hACE2 转基因小鼠感染 rSARS-CoV-2/Venus 后的荧光分析图3图4)
    注意:本实验遵循图示方案及所示的rSARS-CoV-2 图3参见 材料表 有关所需仪器和系统的详细信息。
    1. 启动成像软件并设置参数,设定激发波长(500 nm)和发射滤光片(530 nm),点击图像模式以 荧光 并将曝光时间设置为自动。
    2. 腹腔注射致死剂量的 Fatal-Plus 处死小鼠(>100 mg/kg)。安乐死后,用70%乙醇对切口部位进行消毒。
    3. 使用镊子拉起皮肤,从胸骨向腹部做一纵向切口,并用剪刀从切口两侧向旁侧剪开。剪断肝静脉以减少肺部血液量,避免成像时产生高背景信号。
    4. 用剪刀剪开胸骨并打开肋骨笼。接着用剪刀剪断气管末端,并用镊子取出肺脏。
    5. 将切除的肺组织置于含有2 mL 1x PBS的6孔板中,冲洗以去除多余血液。在样品间使用70%乙醇对手术器械进行消毒和清洁,以尽量减少样品间的交叉污染。
    6. 启动IVIS仪器后,将肺组织放入黑色托盘中,并将各组织彼此分开。
    7. 将托盘放入生物安全柜内的隔离舱中,然后将隔离舱转移至IVIS。关闭舱门并点击 获取 启动成像系统(图 4A).
    8. 为了分析荧光,使用 感兴趣区域 工具并在每只肺周围绘制感兴趣区域(ROI)。手动测量每个ROI,然后使用所提供的平均辐射效率值,并减去假感染小鼠的值(图4B).
    9. 成像完成后,将组织置于冰上用于当天分析,或放入冻存管中用干冰速冻,随后于 -80 °C 保存以备后续处理。
  4. K18-hACE2 转基因小鼠感染 rSARS-CoV-2/Nluc 后的肺部明场成像与病理评分图2A- C)和 rSARS-CoV-2/Venus(图4A- C)
    1. 在对感染了 rSARS-CoV-2/Nluc、rSARS-CoV-2/WT 以及模拟感染的小鼠进行生物发光成像后,将小鼠放回笼中。随后进行安乐死及后续操作。 离体 小鼠肺组织的明场成像(图2A).
    2. 成像后 离体 感染小鼠肺部的荧光,拍摄肺部的明场图像(图 4A).
    3. 使用 ImageJ 分析肺表面的大体病变图2C4C).
    4. 在 ImageJ 中打开待分析的肺部图像。
    5. 计算像素与厘米的比值,使用 直的 工具并测量图像的实际长度。
    6. 选择后,点击 分析 > 测量 用于计算长度方向上的像素长度。
    7. 点击 分析 > 设定比例尺 并输入从上一步计算得出的数值。
    8. 使用 自由选择 工具并选择整个肺表面。点击 分析 > 测量 测量总肺面积。
    9. 点击 编辑 > 选择 > 制作倒置图像 选择肺部其余区域,然后按删除键或退格键以去除背景。
    10. 移除选定区域,然后单击 图像 > 调节 > 颜色阈值.
    11. 选择病理病变区域,调整 亮度 根据存在的充血和出血程度,将数量调整至最低(1到50之间)和最高(50到200之间)。
    12. 选择病理性病变后,单击 选择 阈值颜色面板底部,然后单击 分析 > 测量 用于测量病理区域。
    13. 使用以下公式计算大体病变的百分比:病变区域百分比 =(病变区域测量值 / 肺总表面积)× 100。
  5. 病毒滴定(图2D图 4D)
    1. 成像完成后,对小鼠实施安乐死,并采集肺、脑和鼻黏膜组织。
    2. 将肺、脑和鼻黏膜分别放入无菌组织匀浆器中,并各加入1 mL冰冷的1×PBS。
    3. 以 21,500 x g 离心均质样品 g 离心10分钟以沉淀细胞碎片。收集上清液并转移至新的无菌离心管中,弃去沉淀。
    4. 若当天进行病毒滴度测定,将上清液置于 4 °C 保存。或者,将匀浆样本的上清液于 -80 °C 冻存,待后续检测时使用。
    5. 利用组织匀浆上清液进行10倍系列稀释,并用每种稀释度的上清液1 mL感染融合的Vero E6细胞单层(6孔板格式,1.2 × 106 细胞/孔,设三个重复
    6. 在37 °C、湿润的5% CO₂条件下孵育1小时,使病毒吸附2 培养箱
    7. 病毒吸附后,用 1 mL 1x PBS 洗涤细胞,并在含有 1% 琼脂的 2 mL 感染后培养基中孵育,孵育环境为湿度控制的 5% CO₂ 培养箱2 37 °C 培养箱中孵育 72 小时。
    8. 孵育后,将培养板置于4 °C条件下,用10%中性缓冲甲醛溶液灭活24小时,确保整个培养板完全浸没。
    9. 从BSL3中取出培养板,用1 mL 1×PBS洗涤细胞3次,再加入1 mL 0.5% Triton X-100,在室温(RT)下透化10 min。
    10. 用1 mL含2.5%牛血清白蛋白(BSA)的1x PBS于37 °C封闭细胞1 h,随后在1 mL用2.5% BSA稀释的1 µg/mL SARS-CoV核衣壳(N)蛋白交叉反应性单克隆抗体(1C7C7)中于37 °C孵育1 h。
    11. 用1 mL 1×PBS洗涤细胞3次,然后根据制造商说明书,使用ABC试剂盒和DAB过氧化物酶底物试剂盒进行斑块显色。
    12. 以 PFU/mL 计算病毒滴度。
      ​注意:使用公式 PFU/mL = 稀释倍数 × 空斑数 × (1 mL/接种体积) 进行计算。
  6. K18-hACE2 转基因小鼠感染 rSARS-CoV-2/Nluc 后组织中的 Nluc 活性图 2E)
    1. 使用荧光素酶检测试剂盒,按照制造商说明书对模拟感染、rSARS-CoV-2/WT感染及rSARS-CoV-2/Nluc感染的K18 hACE2转基因小鼠器官匀浆中的Nluc存在情况进行定量分析。
  7. 发病率与死亡率评估(图2F,G 图4E,F)
    1. 通过鼻腔感染4至6周龄的雌性K18 hACE2转基因小鼠,剂量为105 PFU 的 rSARS-CoV-2/WT、rSARS-CoV-2/Venus、rSARS-CoV-2/Nluc 或模拟感染,操作如第 3.1 节所述。
    2. 在12天内每天同一时间监测并称量小鼠体重,以尽量减少因进食导致的体重波动。对于体重下降达到初始体重25%的小鼠,应实施安乐死,因其已达到人道终点,并记录这些小鼠为死于病毒感染。
    3. 12天后,处死存活的小鼠,计算体重变化百分比和存活率。

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结果

K18 hACE2 转基因小鼠中 rSARS-CoV-2/Nluc 感染图1 2)
图1A 显示了用于评估感染的 rSARS-CoV-2/WT(上图)和 rSARS-CoV-2/Nluc(下图)的示意图 体内. 图1B 展示了用于评估K18 hACE2转基因小鼠中rSARS-CoV-2/Nluc感染动态的示意图流程。4至6周龄的雌性K18 hACE2转基因小鼠(N = 4)分别以1×PBS进行模拟感染或以105 经鼻接种 rSARS-CoV-2/WT 或 rSARS-CoV-2/Nluc 的 PFU。感染后第 1、2、4 和 6 天,使用隔离舱对小鼠进行麻醉,随后经眶后注射 Nluc 底物。立即将隔离舱放入 IVIS 系统中检测 Nluc 信号 体内 使用成像软件进行检测。在感染rSARS-CoV-2/Nluc的小鼠中可明显检测...

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讨论

本方案展示了利用表达报告基因的重组SARS-CoV-2(rSARS-CoV-2)监测病毒感染的可行性 体内两种表达报告基因的重组病毒均为研究SARS-CoV-2感染提供了优良工具 体内. 所述的 离体 (rSARS-CoV-2/Venus) 和 体内 (rSARS-CoV-2/Nluc) 成像系统是研究 SARS-CoV-2 感染动态、病毒致病机制以及在病毒感染后不同时间点鉴定受感染细胞/器官的优良选择。为开展 离体 (rSARS-CoV-2/Venus) 和 体内 (rSARS-CoV-2/Nluc) 研究中,准确且可重复的感染以及对 rSARS-CoV-2/Nluc 进行充分的接种至关重要。

当研究时 体内 使用rSARS-CoV-2/Nluc进行感染实验时,应剃除小鼠毛发以利于在IVIS下观察Nluc信号。同时需要接种Nluc底物以实现Nluc的可视化。这可能需要一些预实验来确定Nluc底物的浓度和用量,以确保获得较强的Nluc信号。在研究过程中

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披露

作者声明,本研究所涉及的工作不存在任何商业、财务、非财务或个人利益冲突。

致谢

我们感谢本研究所(德克萨斯生物医学研究所)的成员在 COVID-19 大流行期间为保障设施正常、安全运行所付出的努力。我们还要感谢本机构生物安全委员会(IBC)和机构动物照护与使用委员会(IACUC)以高效的方式审阅我们的实验方案。感谢西奈山伊坎医学院的 Thomas Moran 博士提供了SARS-CoV交叉反应性单克隆抗体1C7C7核衣壳(N)蛋白。Martinez-Sobrido 实验室目前的 SARS-CoV-2 研究得到了美国国家过敏与传染病研究所(NIAID/NIH)基金项目 RO1AI161363-01、RO1AI161175-01A1 和 R43AI165089-01 的资助;美国国防部(DoD)基金项目 W81XWH2110095 和 W81XWH2110103;圣安东尼奥精准治疗合作伙伴计划;德克萨斯生物医学研究所论坛;德克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心;圣安东尼奥医学基金会;以及由 NIAID 资助的流感致病机制与传播研究中心(CRIPT),即流感研究与应对卓越研究中心(CEIRR,合同号 #75N93021C00014)的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
0.5% Triton X-100J.T.BakerX198-07室温(RT)保存
1% DEAE-葡聚糖MP Biomedicals195133
10% 甲醛溶液,中性缓冲Sigma-AldrichHT501128
琼脂OxoidLP0028
24孔细胞培养板Greiner Bio-one662160
5% 碳酸氢钠Sigma AldrichS-5761
6孔细胞培养板Greiner Bio-one657160
96孔细胞培养板Greiner Bio-one655-180
非洲绿猴肾上皮细胞(Vero E6)ATCCCRL-1586
Ami HTSpectral Instruments Imaging
Aura成像软件 3.2.0Spectral Instruments Imaging图像分析软件
牛血清白蛋白(BSA),35%Sigma-AldrichA96474°C 下保存 °C
细胞培养级水康宁25-055-CV
杜尔贝科’s 改良的 Eagle’DMEM培养基Corning Cellgro15-013-CV4°C 下保存 °C
麻醉气体机Veterinary Anesthesia Systems, Inc.VAS 2001R
胎牛血清(FBS)Seradigm1500-050-20℃保存 °C
4至6周龄雌性K18-hACE2转基因小鼠杰克逊实验室34860
Graphpad Prism 版本 9.1.0GraphPad
异氟烷巴克斯特1001936040室温保存
MARS 数据分析软件BMG LABTECH
MB10 片剂QUIP 实验室MBTAB1.5室温保存
Nano-Glo 荧光素酶检测试剂PromegaN1110该试剂用于检测Nluc活性。储存于-20℃ °C
Nunc MicroWell 96孔微孔板赛默飞世尔科技269620
Nunc MicroWell 96孔微孔板赛默飞世尔科技269620
青霉素/链霉素/L-谷氨酰胺(PSG)100倍浓缩液康宁30-009-CI-20℃保存 °C
PHERAstar FSXBMG LABTECHPHERAstar FSX
Precelleys Evolution 匀浆器Bertin InstrumentsP000062-PEVO0-A
软组织匀浆 CK14 – 7 mLBertin InstrumentsP000940-LYSK0-A
T75 EasYFlask赛默飞世尔科技156499
VECTASTAIN ABC-HRP 试剂盒,辣根过氧化物酶Vector LaboratoriesPK-4002ABC试剂盒和DAB过氧化物酶底物试剂盒

参考文献

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