Name: Un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-02T13:50:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Aprende a evaluar interacciones friccionales en tejidos vivos usando un biorreactor modular. Este método permite estudiar respuestas mecanobiológicas de cartílago y sinovio para desarrollar estrategias de salud articular.

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Este trabajo fue apoyado por la Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 y NIGMS R01 692 GM083925 (ID del financiador: 10.13039/100000057).

Los autores no tienen nada que revelar.

Existe un entorno mecánico dinámico dentro de la articulación, ya que el cartílago está sujeto a fuerzas de compresión, tracción y cizallamiento, y presiones hidrostáticas y osmóticas44,45. Aunque el cartílago es el principal tejido de carga de la articulación, la membrana sinovial también experimenta interacciones de fricción con la superficie del cartílago y consigo misma en las regiones donde el tejido se pliega. Las interacciones físicas entre el cartílago y ...

La osteoartritis (OA) es una enfermedad articular debilitante y degenerativa que afecta a más de 32 millones de adultos estadounidenses, con un costo de atención médica y socioeconómico de más de $ 16.5 mil millones1. La enfermedad se ha caracterizado clásicamente por la degradación del cartílago articular y el hueso subcondral; sin embargo, los cambios en la membrana sinovial han obtenido recientemente aprecio ya que la sinovitis se ha relacionado con los síntomas de la OA y la progresión 2,3,4. En la OA primaria (idiopática), el "desgaste" normal asociado con el envejecimiento inhibe la capacidad del cartílago para mantener sus funciones de carga y lubricación. Se ha demostrado que las tensiones generadas por el contacto deslizante prolongado de las capas de cartílago articular o el contacto deslizante del cartílago contra los materiales del implante facilitan el desgaste de la delaminación a través de la falla de fatiga subsuperficial 5,6. Como existe un entorno mecánico dinámico dentro de la articulación 7,8, las interacciones de fricción del cartílago articular y la membrana sinovial pueden influir en la homeostasis articular a través del desgaste a nivel tisular y la mecanotransducción celular. Para estudiar estos procesos mecánicos y mecanobiológicos, se ha diseñado un dispositivo para replicar el movimiento de la articulación con un estricto control sobre la carga compresiva y friccional 5,6,9,10,11,12,13.
El presente protocolo describe un dispositivo de prueba de fricción que ofrece reciprocidad, traduciendo el movimiento y la carga compresiva a las superficies en contacto de los explantes de tejido vivo. El dispositivo controlado por computadora permite al usuario controlar la duración de cada prueba, la carga aplicada, el rango de movimiento de la etapa de traducción y la velocidad de traducción. El dispositivo es modular, lo que permite probar varias contrafaces, como tejido sobre tejido (cartílago sobre cartílago y sinovial sobre cartílago) y tejido sobre vidrio. Además de las mediciones funcionales obtenidas por el probador, los componentes de los tejidos y del baño lubricante se pueden evaluar antes y después de la prueba para evaluar los cambios biológicos impartidos por un régimen experimental determinado.
Los estudios de tribología del cartílago se han realizado durante décadas, y se han desarrollado varias técnicas para medir los coeficientes de fricción entre el cartílago y el vidrio y el cartílago sobre el cartílago14,15. Los diferentes enfoques están motivados por la articulación y/o el mecanismo de lubricación de interés. A menudo hay una compensación entre el control de variables experimentales y la recapitulación de parámetros fisiológicos. Los dispositivos de estilo péndulo utilizan articulaciones intactas como el punto de apoyo de un péndulo simple donde una superficie de articulación se traduce libremente sobre la segunda superficie 14,16,17,18. En lugar de utilizar articulaciones intactas, las mediciones de fricción se pueden obtener deslizando explantes de cartílago sobre las superficies deseadas 14,19,20,21,22,23,24,25. Los coeficientes de fricción reportados del cartílago articular han variado en un amplio rango (de 0,002 a 0,5) dependiendo de las condiciones de funcionamiento 14,26. Se han creado dispositivos para replicar el movimiento rotatorio 23,27,28. Gleghorn et al.26 desarrollaron un tribómetro personalizado de múltiples pocillos para observar los perfiles de lubricación del cartílago utilizando el análisis de la curva de Stribeck, y se aplicó un movimiento de deslizamiento oscilatorio lineal entre el cartílago contra una contracara de vidrio plano.
Este dispositivo tiene como objetivo aislar las respuestas de fricción y explorar la mecanobiología de los tejidos vivos bajo diversas condiciones de carga. El dispositivo emplea una configuración de prueba simplificada que simula la articulación de la articulación a través del deslizamiento compresivo, que puede aproximarse tanto al movimiento de rodadura como al movimiento de deslizamiento con el entendimiento de que la resistencia en el movimiento de rodadura puro es insignificante en relación con el coeficiente de fricción medido del cartílago articular29. Originalmente construido para estudiar los efectos de la presurización del líquido intersticial en la respuesta de fricción del cartílago articular9, el probador se ha utilizado desde entonces para explorar temas como los efectos de fricción de la eliminación de la zona superficial del cartílago10, los efectos lubricantes del líquido sinovial11, las hipótesis de desgaste del cartílago 5,6,30 y las mediciones de fricción de la membrana sinovial sobre el tejido13 . El biorreactor de prueba de fricción puede realizar experimentos de fricción en condiciones estériles, proporcionando un mecanismo novedoso para explorar cómo las fuerzas de fricción afectan las respuestas mecanobiológicas del cartílago vivo y la membrana sinovial. Este diseño se puede utilizar como un biorreactor biomimético para estudiar la regulación física de los tejidos articulares vivos en respuesta a la carga fisiológica aplicada asociada con la articulación articular diartródica.
Este estudio presenta una configuración para las pruebas de fricción de sinovial sobre cartílago en una variedad de tensiones de contacto y en diferentes baños lubricantes. El área de superficie articulada de la mayoría de las articulaciones es, en gran medida, el tejido sinovial31. Si bien el deslizamiento de la membrana sinovial sobre el cartílago no ocurre en las superficies primarias de carga, las interacciones de fricción entre los dos tejidos aún pueden tener implicaciones importantes para la reparación a nivel de tejido y la mecanotransducción celular. Anteriormente se ha demostrado que los sinoviocitos similares a los fibroblastos (FLS) que residen en la capa íntima de la membrana sinovial son mecanosensibles, respondiendo al estrés cortante inducido porlíquidos 32. También se ha demostrado que el estiramiento33,34 y la tensión de cizallamiento inducida por fluidos35 modulan la producción de lubricante FLS. Como tal, el contacto deslizante directo entre la membrana sinovial y el cartílago puede proporcionar otro estímulo mecánico a las células residentes en la membrana sinovial.
Sólo se han publicado unos pocos informes sobre los coeficientes de fricciónsinovial 31,36. Estell et al.13 buscaron ampliar la caracterización anterior utilizando contrafaces biológicamente relevantes. Con la capacidad del dispositivo de prueba de fricción para probar tejidos vivos, es posible imitar las interacciones fisiológicas del tejido durante la articulación articular para dilucidar el papel del estrés cortante de contacto en la función de los sinoviocitos y su contribución a la diafonía entre la membrana sinovial y el cartílago. Este último se ha implicado en la mediación de la inflamación de la articulación sinovial en la artritis y la post-lesión. Debido a la proximidad física del cartílago a la sinovial y al líquido sinovial, que contienen sinoviocitos que exhiben capacidad multipotente, incluida la condrogénesis, se postula que los sinoviocitos desempeñan un papel en la homeostasis y reparación del cartílago mediante el injerto en la superficie articular. En este contexto, el contacto físico y el cizallamiento recíproco del cartílago-sinovial y sinovial-sinovial pueden aumentar la accesibilidad de los sinoviocitos a las regiones de daño del cartílago 37,38,39,40. Los estudios que utilizan configuraciones de sinovial sobre cartílago no solo proporcionarán información sobre la mecánica del tejido grueso articular y la tribología, sino que también pueden conducir a nuevas estrategias para mantener la salud de las articulaciones.

<table><tbody><tr><td>Papel de aluminio</td><td>Reynolds Group Holdings</td><td>Reynolds Wrap Recolección</td> de <td>pañuelos estériles</td></tr><tr><td>Carcasa acrílica con marco de aluminio</td><td>Componente de prueba de fricción</td><td>hecho a</td><td></td> medida Bolsas</tr> de <tr><td>esterilización de sellado instantáneo esterilizables en autoclave</td><td>Fisherbrand</td><td>01-812-54</td><td>Esterilización de herramientas</td></tr><tr><td>Autoclave</td><td>Buxton</td><td></td><td>Esterilización de herramientas</td></tr><tr><td>Vaso de precipitados (250 mL)</td><td>Pyrex Vista</td><td>70000</td><td>Recolección de tejidos</td></tr><tr><td>Betadine (solución de preparación de povidona y yodo)</td><td>Medline Industries, LP</td><td>MDS093906</td><td>Recolección de tejidos estériles</td></tr><tr><td>Cabina de seguridad biológica</td><td>Labconco</td><td>Purifier Logic+ Clase II, Tipo A2 BSC</td><td>Recolección de tejidos estériles</td></tr><tr><td>Punzón Biospy</td><td>Steritool Inc.</td><td>50162</td><td>Cosecha de tejidos</td></tr><tr><td>Cortador de cajas</td><td>American Safety Razor Company</td><td>94-120-71 Recolección de</td><td>tejidos</td></tr><tr><td>Poste circular de acrílico-silicona (membrana sinovial)</td><td>Montaje de</td><td></td><td>tejidos</td>a medida Medios</tr> de <tr><td>cultivo</td><td>DMEM a</td><td></td> medida <td>(Cat No. 11-965-118; Gibco) complementado con 50 &mu; g/mL de L-prolina (n.º de cat. Nº P5607; Sigma), 100 &mu; g/mL de piruvato de sodio (Cat. Nº S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. Nº 354350; Corning), y 1% de antibiótico&ndash; antimicótico (Cat. No. 15-240-062, Gibco)</td></tr><tr><td>Cianoacrilato (Loctite 420 Clear)</td><td>Henkel</td><td>135455</td><td>Montaje de tisú</td></tr><tr><td>Pesos muertos</td><td>OHAUS</td><td></td><td>Carga normal</td></tr><tr><td>Etanol 200 a prueba</td><td>Decon Labs, Inc.</td><td>2701</td><td>Diluir al 70 %</td></tr><tr><td>Base fija</td><td>ThorLabs, Inc.</td><td>SB1T</td><td>Componente del probador de fricción</td></tr><tr><td>Pinzas (extracción de minovial)</td><td>Fine Science Tools</td><td>11019-12</td><td>Pinzas de extracción de tejidos</td></tr><tr><td>(montaje sinovial)</td><td>Excelta</td><td>3C-S-PI Montaje de</td><td>tejidos</td></tr><tr><td>Codificador lineal horizontal (para la etapa de traducción)</td><td>RSF Electronics, Inc.</td><td>MSA 670.63</td><td>Componente del probador de fricción; resolución del sistema de 1 y micro; m</td></tr><tr><td>Pistola de pegamento caliente y pegamento</td><td>FPC Corporation</td><td>Surebonder Pro 4000A Montaje de</td><td>tejido</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments Corporation</td><td>LabVIEW&nbsp; 2010 Programa de</td><td>pruebas de fricción</td></tr><tr><td>Célula</td><td>de carga JR3 Inc.</td><td>20E12A-M25B Componente del</td><td>probador de fricción; resolución de 0.0019 lbs en x& y, 0.0038 lbs Resolución en z</td></tr><tr><td>Plato de carga</td><td>Hecho a</td><td></td> medida Junta tórica de <td>montaje de tisú</td></tr><tr><td></td><td>Parker</td><td>S1138AS568-009 Montaje de</td><td>tisú</td></tr><tr><td>Placa de Petri (60 mm)</td><td>Falcon</td><td>351007</td><td>Montaje de tisú</td></tr><tr><td>Posicionador de trabajo PivotLok (soporte de tibia)</td><td>Industry Depot, Pivot Lok</td><td>PL325</td><td>Recolección de tisú</td></tr><tr><td>Base extraíble</td><td>ThorLabs, Inc. </td><td>SB1B</td><td>Componente del probador de fricción</td></tr><tr><td>Soporte</td><td></td><td></td> de anillo <td>Recolección de tejidos</td></tr><tr><td>Hojas de bisturí</td><td>Havel's Inc.</td><td>FSC22</td><td>Mango</td></tr><tr><td>de bisturí</td> de recolección de tejidos <td>FEATHER Safety Razor Co., Ltd.</td><td>Nº 4</td><td>Extracción de tisú</td></tr><tr><td>Destornillador</td><td>Wera</td><td>3334</td><td>Etapa de extracción de tisú</td></tr><tr><td></td><td>JMAR</td><td></td><td>Componente del probador de fricción</td></tr><tr><td>Motor paso a paso</td><td>Oriental Motor Co., Ltd.</td><td>PK266-03B Componente del</td><td>probador de fricción</td></tr><tr><td>Herramienta de succión</td><td>Virtual Industries, Inc.</td><td>PEN-VAC Bolígrafo de vacío</td><td>Montaje de tejidos Varilla</td></tr> de <tr><td>soporte</td><td>Montaje de</td><td></td> tejidos a medida <td></td></tr><tr><td>Tijeras quirúrgicas</td><td>Fine Science Tools</td><td>14061-09</td><td>Montaje de tejidos</td></tr><tr><td>Líquido sinovial (bovino)</td><td>Animal Technologies, Inc.</td><td></td><td>Baño de prueba de fricción</td></tr><tr><td>Baño de prueba</td> Solución salina tamponada con fosfato (PBS) <td>hecha</td><td></td> a medida <td>con inhibidores de la proteasa: 0,04% de biocida base de isotiazolona (Proclin 950 Cat. Nº 46878-U; Sigma) e inhibidor de la proteasa al 0,1% - ácido etilendiaminotetraacético 0,05 M, EDTA (Cat. Nº 0369; Sigma)</td></tr><tr><td>Incubadora de cultivo de tejidos</td><td>Fisher Scientific</td><td>Isotemp</td><td>Cultivo estéril</td></tr><tr><td>Encoder lineal vertical (para la etapa de carga)</td><td>Renishaw</td><td>T1031-30A</td><td>Componente del probador de fricción; resolución de 20 nm</td></tr><tr><td>Actuador de bobina móvil</td><td>H2W Technologies</td><td>NCC20-15-027-1RC</td><td>Componente del probador de fricción</td></tr></tbody></table>

un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física

A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation

En la osteoartritis primaria (OA), el "desgaste" normal asociado con el envejecimiento inhibe la capacidad del cartílago para mantener sus funciones de carga y lubricación, fomentando un entorno físico perjudicial. Las interacciones friccionales del cartílago articular y la sinovial pueden influir en la homeostasis articular a través del desgaste a nivel tisular y la mecanotransducción celular. Para estudiar estos procesos mecánicos y mecanobiológicos, se describe un dispositivo capaz de replicar el movimiento de la articulación. El dispositivo de prueba de fricción controla la entrega de movimiento de traducción recíproca y carga normal a dos contrafaces biológicas en contacto. Este estudio adopta una configuración de sinovial sobre cartílago, y las mediciones del coeficiente de fricción se presentan para las pruebas realizadas en un baño de solución salina tamponada con fosfato (PBS) o líquido sinovial (SF). Las pruebas se realizaron para una variedad de tensiones de contacto, destacando las propiedades lubricantes de SF bajo altas cargas. Este dispositivo de prueba de fricción se puede utilizar como un biorreactor biomimético para estudiar la regulación física de los tejidos articulares vivos en respuesta a la carga fisiológica aplicada asociada con la articulación articular diartrodial.

Se utilizó una configuración de sinovial sobre cartílago para probar por fricción los explantes bovinos juveniles. La membrana sinovial se montó en una placa de carga acrílica de 10 mm de diámetro de tal manera que la capa íntima estuviera en contacto con el cartílago subyacente. Se utilizó una tira tibial como contrafabierta del cartílago (Figura 6A). Las tiras tibiales se cortaron con una profundidad de aproximadamente 1,4 mm y un tamaño de 10 mm x 30 mm. Las muestras se analizaron durante...

El presente protocolo describe un dispositivo de prueba de fricción que aplica deslizamiento recíproco simultáneo y carga normal a dos contrafaces biológicas en contacto.

Un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física

In primary osteoarthritis (OA), normal 'wear and tear' associated with aging inhibits the ability of cartilage to sustain its load-bearing and lubrication ...

Tradicionalmente, hemos utilizado el probador para estudiar tejidos no vivos para calcular los coeficientes de fricción, pero estamos ampliando significativamente las capacidades del probador para probar tejidos vivos y evaluar las interacciones biológicas. El dispositivo de prueba de fricción ofrece movimiento de traducción recíproco y carga compresiva a las superficies de contacto de los explantes de tejido vivo. El dispositivo es modular, lo que permite la prueba de varias contrafaces biológicas.El método podría proporcionar información sobre cómo las fuerzas de fricción afectan las respuestas mecánicas y mecánicasobiológicas del cartílago vivo y la membrana sinovial, lo que puede conducir a nuevas estrategias para mantener la salud de las articulaciones. Comience por cosechar la sinovial bovina juvenil. Usando una cuchilla de bisturí, trace el contorno de la región sinovial de interés.Usando fórceps, agarre un extremo de la membrana sinovial y levante suavemente para estirar la sinovial distal al hueso subyacente. Use una cuchilla de bisturí para extraer la membrana sinovial del hueso y coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. Luego, cosecha el cartílago bovino juvenil asegurando la tibia en un soporte ajustable.Retire el menisco con cuidado mientras evita el contacto con la superficie del cartílago. En los bordes externos de la meseta tibial, use un cortador de caja para cortar perpendicularmente al cartílago hacia el hueso. Corte completamente a través del cartílago para hacer bordes o lados rectos.Eliminar el exceso de tejido. En los bordes exteriores, use el cortador de caja para hacer un corte limpio en la interfaz entre el hueso y el cartílago. Para retirar la tira tibial de la superficie de la meseta, inserte suavemente un destornillador de cabeza plana debajo del corte y gire suavemente para aflojar el cartílago articular del hueso subcondral.A medida que la muestra se afloje, empuje lentamente el destornillador hacia adelante hasta que la tira de cartílago se desprenda del hueso. Asegúrese de que el destornillador se empuje hacia el hueso, no hacia el cartílago. Usando un cortador de caja, corte la superficie de la meseta tibial para producir muestras rectangulares del tamaño y grosor deseados.Coloque el tejido en medios de cultivo apropiados o en una solución de baño de prueba. Si se utiliza la tira tibial como contracara inferior, retire la base magnética desmontable y pegue una placa de Petri de 60 milímetros de diámetro a la superficie superior de la base desmontable. Con la placa de Petri pegada en su lugar, conecte la base separada a la base fija y marque la placa de Petri para indicar una dirección de deslizamiento.Aplique una pequeña cantidad de cianoacrilato en el centro del plato. Alinea la tira tibial con la dirección deslizante del escenario. Presione suavemente la tira de cartílago sobre el plato.Restaure la base magnética extraíble a su base fija emparejada en el probador de fricción. Llene la placa de Petri con la solución de baño de prueba deseada. Si se utiliza la membrana sinovial como contracara superior, retire la placa de carga y la varilla de soporte del probador de fricción.Coloque la membrana sinovial encima de la placa circular. Para asegurar la membrana sinovial, extienda una junta tórica sobre su circunferencia. Usando fórceps, tire suavemente de la membrana sinovial para estirar el tejido tenso y plano debajo de la junta tórica.Recorte el exceso de tejido con tijeras quirúrgicas. Restaure la placa de carga y la varilla de soporte en el probador de fricción. Ajuste la altura vertical de la placa de carga de modo que la membrana sinovial se desplace sobre la contracara inferior y se sumerja en el baño de prueba.Inserte las muestras montadas en el dispositivo de prueba de fricción. Abra la compilación de datos analógicos MF DAQ. Inicialice Load PID y Trigger Dynamic Caller Windows en el programa.Ejecute la compilación de datos analógicos MF DAQ e inicialice la ventana de carga PID presionando el botón Ejecutar. Desplácese hasta la pestaña Stepper en la ventana Trigger Dynamic Caller. Especifique la aceleración, la velocidad y la distancia de la etapa de traducción en los cuadros de entrada del usuario.Para ingresar la duración de la prueba, haga clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla Estado de tiempo y seleccione la ruta del archivo Stepper Time Index. A continuación, especifique de nuevo la duración de la prueba en la pestaña Bobina de voz. Seleccione la ruta del archivo voice coil index haciendo clic en el botón Abrir carpeta en la parte inferior derecha de la tabla de estado de tiempo y seleccione el archivo.Esto debe realizarse tanto si se utiliza la bobina de voz como si no. Aplicar la carga normal. Si utiliza pesos muertos, coloque los pesos deseados en los rodamientos lineales por encima de la placa de carga.Asegúrese de que la carga aplicada más el peso de la placa de carga y la varilla de soporte no superen la capacidad nominal de la célula de carga. Seleccione la ruta de acceso y el nombre de archivo para el almacenamiento de datos mediante el botón Abrir carpeta a la derecha del cuadro Derecho a archivo. Guarde el archivo con una extensión txt.Centra la contracara inferior debajo de la contracara superior y configúrala como la posición cero X. Para ello, ejecute la ventana Trigger Dynamic Caller pulsando el botón Ejecutar. En la pestaña Stepper, haga clic en el botón Inicio para mover el escenario a la última posición X cero guardada.Si las contracaras no están alineadas, mueva el escenario haciendo clic en los botones verdes de flecha izquierda y derecha. Cuando se alcance la ubicación deseada, haga clic en el botón cero para guardar la ubicación actual de la etapa como la nueva posición cero X. Detenga la ventana Trigger Dynamic Caller haciendo clic en el botón Detener.Una vez que las contrafaces superior e inferior estén centradas, inicie las pruebas de fricción de las muestras iniciando el movimiento cíclico de la etapa. Una vez que el escenario se mueva, ponga lentamente la contracara superior en contacto con la inferior. Deje que se ejecute la prueba, recopilando los datos de la prueba de fricción.Después de la duración de la prueba deseada, detenga la prueba presionando el botón Detener y descargando las muestras levantando la contracara superior y moviéndola fuera de contacto con la contracara inferior. Utilice el código personalizado para calcular el coeficiente de fricción y la histéresis por ciclo. Asegúrese de que una sola carpeta contenga todos los archivos relevantes.Abra la ejecución Ciclo de fricción. m archivo. Haga clic en el botón Ejecutar en el script.Seleccione el archivo de datos sin procesar que desea analizar y la ubicación de guardado deseada. El coeficiente de fricción y los gráficos de histéresis serán emitidos por MATLAB. Se utilizó una configuración de sinovial sobre cartílago para probar la fricción de explantes bovinos juveniles donde la membrana sinovial se montó en una placa de carga acrílica de 10 milímetros de diámetro de tal manera que la capa íntima estuviera en contacto con el cartílago subyacente.Se utilizó una tira tibial como contracara del cartílago. Se calculó un coeficiente de fricción efectivo a partir del promedio de FT dividido por FN durante cada ciclo alternativo y luego se graficó contra la duración de la prueba para obtener un diagrama de coeficiente de fricción contra tiempo. Para cada prueba, los valores del coeficiente de fricción se promediaron durante toda la prueba.En un baño de prueba de PBS, los valores promedio del coeficiente de fricción aumentaron a medida que aumentaba la tensión de contacto. Por el contrario, los valores promedio del coeficiente de fricción se mantuvieron similares a medida que aumentaba la tensión de contacto en un baño de líquido sinovial bovino. Recuerde comenzar a recopilar datos de carga antes de poner las superficies en contacto.Esto garantiza que se pueda calcular una carga de tara adecuada. Los componentes de los tejidos y del baño lubricante se pueden evaluar antes y después de las pruebas para evaluar los cambios biológicos impartidos por un régimen experimental determinado.

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