Articolo metodologico

Tissue-simulando Phantoms per valutare il potenziale vicino infrarosso applicazioni di imaging di fluorescenza nella chirurgia del cancro al seno

DOI:

10.3791/51776

⸱

19 settembre 2014

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Surgery, University Medical Center Groningen, 2Helmholtz Zentrum Munich, Technical University of Munich

In questo articolo

Sommario

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L'imaging a fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF) può migliorare l'esito terapeutico della chirurgia del cancro al seno consentendo la localizzazione intraoperatoria del tumore e la valutazione dello stato del margine chirurgico. Utilizzando fantocci mammari che simulano tessuti contenenti inclusioni fluorescenti che simulano il tumore, le potenziali applicazioni cliniche dell'imaging NIRF nei pazienti con carcinoma mammario possono essere valutate a scopo di standardizzazione e formazione.

Abstract

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Imprecisioni nella localizzazione del tumore intraoperatoria e la valutazione dei risultati chirurgici stato dei margini in esito ottimale della chirurgia conservativa del seno (BCS). L'imaging ottico, in particolare l'imaging di fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF), potrebbe ridurre la frequenza dei margini chirurgici positivi seguente BCS, fornendo al chirurgo uno strumento per la localizzazione del tumore pre-e intraoperatoria in tempo reale. In questo studio, il potenziale di NIRF guidata BCS è valutata utilizzando fantasmi del seno di tessuto-simulazione per motivi di fini di normalizzazione e di formazione.

Fantasmi del seno con caratteristiche ottiche paragonabili a quelle del tessuto mammario normale sono stati utilizzati per simulare intervento conservativo della mammella. -Tumore simulando inclusioni contenenti il ​​colorante fluorescente verde indocianina (ICG) sono stati inglobati nei fantasmi in luoghi predefiniti e ripreso per la localizzazione del tumore pre e intraoperatorio, la resezione del tumore in tempo reale NIRF-guidata, NIRF-guidatovalutazione sulla portata della chirurgia, e la valutazione postoperatoria dei margini chirurgici. Una telecamera NIRF misura è stato utilizzato come prototipo clinico per scopi di imaging.

Fantasmi del seno contenenti inclusioni-tumorali simulando offrono uno strumento semplice, economico e versatile per simulare e valutare l'imaging tumorale intraoperatorio. I fantasmi gelatinose hanno proprietà elastiche simili a tessuti umani e possono essere tagliati con strumenti chirurgici convenzionali. Inoltre, i fantasmi contengono emoglobina e Intralipid per imitare l'assorbimento e la dispersione di fotoni rispettivamente, creando uniformi proprietà ottiche simili al tessuto mammario umano. Lo svantaggio principale delle immagini NIRF è la profondità di penetrazione limitato di fotoni quando propagazione attraverso il tessuto, che ostacola (non invasiva), l'imaging dei tumori profondi con le strategie epi-illuminazione.

Introduzione

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Chirurgia conservativa del seno (BCS), seguita da radioterapia è il trattamento standard per i pazienti di cancro al seno con T 1-T 2 carcinoma mammario 1,2. Imprecisioni nella valutazione intraoperatoria della misura di risultato chirurgia dei margini chirurgici positivi in 20 al 40% dei pazienti sottoposti a BCS, che richiede un intervento chirurgico aggiuntivo o radioterapia 3,4,5. Sebbene ampia resezione del tessuto mammario sano adiacente potrebbe ridurre la frequenza dei margini chirurgici positivi, questo sarà anche ostacolare risultato estetico e aumentare comorbidità 6,7. Sono pertanto necessarie nuove tecniche che forniscono un feedback intraoperatoria sulla localizzazione del tumore primario e l'estensione della chirurgia. L'imaging ottico, in particolare fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF) di imaging, potrebbe ridurre la frequenza dei margini chirurgici positivi seguenti BCS, fornendo al chirurgo uno strumento per la localizzazione del tumore pre e intraoperatorio in rEAL-tempo. Recentemente, il nostro gruppo ha riportato sulla prima prova in-umana del tumore-mirato imaging di fluorescenza nei pazienti con tumore ovarico, che mostra la fattibilità di questa tecnica per rilevare i tumori primari e metastasi intraperitoneali ad alta sensibilità 8. Prima di procedere a studi clinici in pazienti con carcinoma mammario, tuttavia, la fattibilità di diverse applicazioni di imaging NIRF tumore-mirato in BCS può già essere valutata preclinico con fantasmi.

Il seguente protocollo di ricerca descrive l'utilizzo dell'imaging NIRF in fantasmi del seno di tessuto-simulazione-tumorali contenenti simulando fluorescenti inclusioni 9. I fantasmi forniscono uno strumento economico e versatile per simulare la resezione localizzazione del tumore pre e intraoperatorio, in tempo reale NIRF-guidato tumore, la valutazione dello stato di margine chirurgico, e l'individuazione di malattia residua. I fantasmi gelatinose hanno proprietà elastiche simili a tessuti umani e possono essere tagliati con s convenzionalestrumenti urgical. Durante la procedura chirurgica simulata, il chirurgo è guidato da informazioni tattili (nel caso di inclusioni palpabili) e l'ispezione visiva del campo operatorio. Inoltre, l'imaging NIRF viene applicato per fornire al chirurgo con feedback in tempo reale intraoperatoria sulla misura della chirurgia.

Va sottolineato che l'imaging NIRF richiede l'uso di coloranti fluorescenti. Idealmente, coloranti fluorescenti dovrebbero essere usati che emettono fotoni nel campo spettrale del vicino infrarosso (650-900 nm) per ridurre al minimo l'assorbimento e la dispersione dei fotoni da molecole fisiologicamente abbondanti nei tessuti (ad esempio, l'emoglobina, lipidi, elastina, collagene, e l'acqua) 10,11. Inoltre, autofluorescenza (cioè, l'attività di fluorescenza intrinseca nei tessuti a causa di reazioni biochimiche nelle cellule viventi) è minimizzato nella gamma spettrale del vicino infrarosso, con conseguente rapporti ottimali 11 tumorale-a-bassa. Con coniugando NIRF tinge di tumore-targefrazioni TED (ad esempio, anticorpi monoclonali), somministrazione mirata di coloranti fluorescenti possono essere ottenuti per applicazioni di imaging intraoperatorie.

Poiché l'occhio umano non è sensibile alla luce nella gamma spettrale del vicino infrarosso, un dispositivo di telecamera ad alta sensibilità è necessaria per l'imaging NIRF. Sono stati sviluppati finora 12 Diversi sistemi di imaging NIRF per uso intraoperatorio. In questo studio, abbiamo utilizzato una generazione personalizzata sistema di imaging NIRF che è stato sviluppato per l'applicazione intraoperatoria in collaborazione con l'Università Tecnica di Monaco di Baviera. Il sistema permette l'acquisizione simultanea di immagini a colori e immagini di fluorescenza. Per migliorare la precisione delle immagini di fluorescenza, uno schema di correzione viene implementato le variazioni di intensità della luce nel tessuto. Una descrizione dettagliata è fornita da Themelis et al. 13

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Protocollo

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1 Creare Silicone Stampi per Inclusioni-tumorali simulazione

  1. Raccogliere gli elementi solidi della forma desiderata e dimensione che può servire da modello per inclusioni-tumorali simulando, ad esempio, perline o marmi.
  2. Pulire accuratamente i modelli tumorali. Per garantire una facile rimozione dallo stampo in silicone, i modelli tumorali possono essere spruzzati con spray antiaderente o ricoperti da un sottile strato di vaselina o cera d'api.
  3. Mettere ogni modello in una piazza fortificata scatola separata sottile (plastica) con una superficie liscia. Se necessario, fissare il modello al fondo della scatola per mantenerlo in posizione. Utilizzare una scatola che è leggermente più grande rispetto al modello tumore stesso per evitare di sprecare quantità eccessive di silicone.
  4. Versare la quantità necessaria di silicone componente A in una terrina e aggiungere il componente siliconico B in un rapporto di 10: 1 in peso. Mescolare accuratamente i due componenti. Facoltativamente, una pompa a vuoto può essere usato per rimuovere le bolle d'aria dalla miscela di silicone.
  5. Delicatamente Pour la miscela di silicone nella scatola di plastica per evitare di intrappolare bolle d'aria. La miscela di silicone dovrebbe essere elaborato entro 45 minuti per ottenere risultati ottimali.
  6. Lasciate che la miscela di silicone solidificare per almeno 6 ore prima di tagliare lo stampo e rimuovere il modello di tumore. Facoltativamente, lo stampo in silicone può essere tagliato a zig-zag per consentire di adattarsi di nuovo insieme in modo pulito. Massima resistenza del silicone è ottenuta dopo 3 giorni.

2. Creare soluzione salina tamponata con Tris

  1. Creare una soluzione salina tamponata con Tris (TBS) con l'aggiunta di 6,1 g (50 mm) Tris e 8,8 g (150 mm) NaCl a 800 ml di acqua deionizzata.
  2. Aggiungere 1,0 g (15 mmol) di NaN 3 per bloccare ossigenazione dell'emoglobina (passo 3.3 e 4.4) e per inibire la crescita batterica. ATTENZIONE: NaN 3 è un veleno grave. Può essere fatale a contatto con la pelle o per ingestione. La tossicità di questo composto è paragonabile a quella di cianuri alcalini solubili e la dose letale per un essere umano adultoè di circa 0,7 g. Seguire sempre le istruzioni di sicurezza come previsto dal costruttore.
  3. Regolare il pH a 7,4 e portare il volume a 1000 ml con acqua deionizzata.

3 Creare fluorescenti Inclusioni

  1. Aggiungere 2 g di agarosio a 50 ml TBS dal punto 2 Il punto di fusione più elevato di agarosio rispetto alla gelatina (punto 4.2) impedirà le inclusioni da sciogliere e perdite colorante fluorescente quando sono immessi in gelatina sciolta. Facoltativamente, la quantità di agarosio aggiunto può essere modificato per 1 o 3 g di ottenere inclusioni tumorali più morbide o palpabili, rispettivamente.
  2. Riscaldare il liquame agarosio utilizzando un forno a microonde fino a raggiungere il punto di ebollizione. Mescolare accuratamente fino a quando l'agarosio è completamente sciolto.
  3. Aggiungere 1,1 g (17 mmol) di emoglobina e 5 ml di Intralipid 20% sciolto in 50 ml di TBS alla miscela di agarosio sotto costante agitazione per assomigliare le caratteristiche ottiche del tessuto circostante phantom seno (punto 4).
  4. Aggiungere 20,0 mg (25.8 Mmol) del colorante fluorescente verde indocianina a 83,8 ml di acqua deionizzata. Assicurarsi che il colorante è completamente sciolto.
  5. Pipettare 5,0 ml di questa soluzione e aggiungere al composto di agarosio per ottenere una concentrazione finale di 14 mM. Facoltativamente, altri coloranti fluorescenti che ICG possono essere utilizzati, se desiderato con la propria concentrazione ottimale.
  6. Riempire delicatamente gli stampi in silicone creato nel passaggio 1 con la miscela di agarosio calda con una siringa (Figura 1A). Ripetere questo processo fino a quando tutti gli stampi sono riempiti.
  7. Lasciate che le inclusioni fluorescenti solidificano a temperatura ambiente per circa un ora. Proteggere le inclusioni di luce coprendo l'intero stampo con un foglio di alluminio.
  8. Dopo la solidificazione, aprire delicatamente lo stampo e premere l'inclusione (Figura 1B). Facoltativamente, utilizzare la punta della siringa per applicare piccole gocce di miscela agarosio fuso sulla superficie della inclusione. Ripetendo questo processo più volte sulla stessa posizione, piccolo tusperoni mor possono essere creati per simulare tumori infiltranti.
  9. Proteggere le inclusioni agarosio dalla luce e disidratazione avvolgendoli in un foglio di alluminio e conservare in un contenitore umidificato a 4 ° C.
    NOTA: L'uso di concentrazioni di colorante fluorescente inferiori o superiori al noto ottimale concentrazione sia risultato in diminuzione di intensità del segnale fluorescente. La riduzione apparentemente controintuitivo dell'intensità del segnale con concentrazioni crescenti di colorante sopra la concentrazione ottimale colorante fluorescente è dovuto ad un fenomeno noto come tempra. Nel valutare la profondità di penetrazione massima di un colorante fluorescente in fantasmi, con la concentrazione ottimale è obbligatoria.

4 Creare Phantoms seno

  1. Ottenere uno stampo a forma di coppa per creare fantasmi seno della dimensione desiderata e volume, per esempio, un recipiente di vetro o plastica. Lo stampo deve avere una superficie liscia per evitare la forma gelatina aderendo allo stampo. A volum muffae di 500 ml creerà fantasmi del seno di dimensioni sufficienti.
  2. Per creare un fantasma seno con un volume di 500 ml, aggiungere 50 g di gelatina 250 bloom a 500 ml TBS (step 2). Riscaldare il liquame di gelatina a 50 ° C sotto costante agitazione.
  3. Una volta che la gelatina è completamente sciolto, lasciare che la miscela di gelatina raffreddare lentamente e mantenere ad una temperatura costante di 35 ° C utilizzando un bagno di acqua calda.
  4. Sotto costante agitazione, aggiungere 5,5 g (85 mmol) di emoglobina bovina e 25 ml di Intralipid 20% per simulare l'assorbimento e la dispersione dei fotoni nei tessuti, rispettivamente.
  5. Prechill lo stampo a tazza a 4 ° C per almeno 1 ora. Successivamente, versare il composto di gelatina nello stampo ad un livello corrispondente alla profondità predefinita del agarosio-tumorale simulando inclusione (Figura 1C). Lasciare la miscela di gelatina solidificare a 4 ° C per 30 minuti per un ora.
  6. Dopo solidificazione, posizionare una fluorescente inclusione agarosio-tumore simulando sulla superficie di il fantasma temporaneamente fissano l'inserimento con un piccolo ago. Fino a un massimo di tre inclusioni fluorescenti-tumorali simulazione possono essere incorporati in un singolo fantasma seno. Spazio sufficiente (almeno 5 cm) deve essere mantenuto tra i singoli inclusioni-tumorali simulazione (Figura 1D).
  7. Versare il resto della miscela di gelatina calda nel volume residuo stampo, consentendo adesione dei due strati senza creare artefatti rifrazione. Segnare la posizione delle inclusioni-tumorali simulando fluorescenti sullo stampo. Lasciate che il phantom solidificare O / N a 4 ° C.
  8. Una volta solidificato, rimuovere gli aghi utilizzati per il fissaggio temporaneo delle inclusioni e rimuovere delicatamente il fantasma seno dal suo stampo (Figura 1E). Proteggere il fantasma del seno dalla luce e disidratazione avvolgendolo in un foglio di alluminio e conservarlo in un contenitore umidificato a 4 ° C.

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Figura 1. fasi sequenziali di creare fantasmi mammarie contenenti inclusioni-tumorali simulando fluorescenti. Dopo creare stampi in silicone di forma e dimensioni desiderate, gli stampi vengono riempiti con fusa miscela di agarosio utilizzando una siringa (A). -Tumorali simulando inclusioni di forma e dimensione diverse sono state prodotte nel corso di studio (B). Successivamente, uno strato sottile di miscela di gelatina fusa è versata in uno stampo personalizzato seno legno rivestite (C). Dopo solidificazione, le inclusioni-tumorali simulazione sono posizionati, temporaneamente fissata, e rivestito con un altro strato di miscela di gelatina fusa (D). Dopo solidificazione, il fantasma seno viene delicatamente rimosso dal suo stampo (E). Il fantasma può quindi essere applicato per simulare varie applicazioni di imaging NIRF (F).ref = "file / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg /" target = "_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5 Impostare il sistema di telecamere NIRF

  1. È necessaria una sistema di telecamere NIRF per l'applicazione intraoperatoria per la simulazione di imaging NIRF mirato nella chirurgia del cancro al seno. Diversi sistemi di imaging NIRF per imaging in tempo reale NIRF intraoperatorio sono attualmente disponibili per uso sperimentale. Sebbene esistano alcune differenze tra questi dispositivi, tutti contengono una sorgente di luce di eccitazione (per eccitazione delle inclusioni tumorali fluorescenti) e un dispositivo di imaging altamente sensibile per la rilevazione di fotoni emessi.
  2. Assicurarsi di utilizzare una fonte di luce di eccitazione di una lunghezza d'onda sufficiente. Per le inclusioni-tumorali simulazione contenenti ICG, utilizzare una fonte di luce di eccitazione (ad esempio, laser) che emette fotoni tra 750 e 800 nm. Se si utilizza un colorante fluorescente alternativa, la lunghezza d'onda di eccitazione deve essere regolata conforme alla ma istruzioni di azienda i valori.
  3. Nel caso in cui il sistema di telecamere NIRF contiene un filtro di emissione per filtrare i segnali di fondo indesiderati, assicurarsi che il filtro corretto viene utilizzato. Per le inclusioni-tumorali simulazione contenenti ICG, utilizzare un filtro di emissione tra 800 e 850 nm. Coloranti fluorescenti alternativi possono richiedere filtri di emissione diversi, a seconda delle istruzioni del fabbricante.
    NOTA: Accertarsi che non vi è nulla sovrapposizione tra l'eccitazione e le lunghezze d'onda di emissione per evitare immagini troppo saturi. Inoltre, il tempo di acquisizione dell'immagine può essere regolato per ottenere immagini fluorescenti ottimali. Nel caso di inclusioni fluorescenti profondo seduti o segnali fluorescenti deboli, immagine tempo di acquisizione può essere aumentato fino a diversi secondi a min. Nel caso di inclusioni superficiali o segnali fluorescenti forti, tempo di acquisizione può essere diminuita per diversi msec per consentire il video-rate imaging di fluorescenza in tempo reale.
e "> 6. Simulazione di applicazioni NIRF Imaging nella chirurgia del cancro al seno

  1. Prendete il fantasma del seno di tessuto-simulando dal suo contenitore e collocarlo su una superficie piana nonfluorescent. Successivamente, posizionare il dispositivo di imaging NIRF sopra il fantasma del seno, lasciando una sufficiente distanza di lavoro per escissione delle inclusioni-tumorali simulazione.
  2. Localizzare l'inclusione fluorescente-tumore simulazione utilizzando NIRF imaging e / o la palpazione del seno fantasma. Nel caso in cui nessun segnale fluorescente può essere rilevato, l'inclusione o è posizionata troppo in profondità nel fantoccio per il rilevamento o il tempo di acquisizione delle immagini deve essere aumentato.
  3. Una volta che l'inclusione è localizzato, incidere il seno phantom e rimuovere l'inclusione-tumore simulazione in tempo reale NIRF-guida utilizzando strumenti chirurgici convenzionali. In alternativa, l'inserimento può essere asportato guidato esclusivamente mediante ispezione visiva e palpazione del seno phantom per simulare lo standard di cura.
  4. Direttamente dopo la rimozionedell'inclusione-tumore simulazione, immagine cavità chirurgica per qualsiasi attività fluorescente rimanente indica l'escissione inadeguata.
  5. In caso di qualsiasi attività fluorescente rimanente, asportare il residuo inclusione sotto la guida NIRF diretta fino a quando non segnale fluorescente è lasciato.
  6. Immagine frammenti fantasma escisse per simulare valutazione dello stato macroscopico margine NIRF-guidata. Presente regolamento, affettare il tessuto phantom in 3 - 5 placche mm e l'immagine le placche di conseguenza. Segnale di fluorescenza raggiungendo nei margini chirurgici indica l'esistenza di margini chirurgici positivi.

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Risultati

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I risultati di questo studio sono stati precedentemente riportati altrove 9.

I nostri dati mostrano che l'imaging NIRF può essere applicata per rilevare inclusioni-tumorali simulando fluorescenti in fantasmi del seno di tessuto-simulazione, simulazione di chirurgia conservativa del seno NIRF-guidata in pazienti con carcinoma mammario. Utilizzando il nostro modello phantom, abbiamo trovato la localizzazione intraoperatoria del tumore, la resezione del tumore NIRF-guida, la valutazi...

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Discussione

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Abbiamo simulato potenziali applicazioni cliniche della BCS NIRF-guidati attraverso l'uso di fantasmi a forma di seno con inclusioni-tumorali simulazione integrate. Localizzazione intraoperatoria del tumore, la resezione del tumore NIRF-guida, la valutazione sulla portata della chirurgia, e la valutazione postoperatoria di margini chirurgici sono stati tutti trovati fattibile utilizzando un sistema di telecamere NIRF custom-costruire. Rilevamento non invasivo di inclusioni-tumorali simulando fluorescenti era fattibi...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione della fondazione Jan Kornelis de Cock.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Emoglobina bovinaSigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi BassiH2500Simula l'assorbimento di fotoni nei tessuti 
Intralipid 20%Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi BassiI141Simula la diffusione di fotoni nel tessuto
Silicone A traslucido 40 (silicone di poliaddizione a 2 componenti)NedForm, Geleen, Paesi BassiIl pacchetto è composto da componenti A e B, che devono essere miscelati uno contro uno (A:B=10:1).  Link alla pagina dei produttori: http://tinyurl.com/ncjq7jx
Gelatina 250 BloomSigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi Bassi48724Costruzione di fantasmi a forma di seno
AgaroseHispanagar, Burgos, SpagnaCostruzione di inclusioni che simulano il tumore
TrisSigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi BassiT1503 
HClSigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi Bassi258148
NaClSigma-Aldrich, Zwijndrecht, Paesi BassiS9888
NaN3Merck, Darmstadt, Germania822335ATTENZIONE: veleno grave. La tossicità di questo composto è paragonabile a quella dei cianuri alcalini solubili e la dose letale per un essere umano adulto è di circa 0,7 grammi.
Esempi di dispositivi di imaging NIRF per applicazioni intraoperatorie:
Piattaforma di imaging NIRF T2SurgVision BV, Heerenveen, Paesi BassiSistema di imaging NIRF personalizzato utilizzato nel presente studio. Maggiori dettagli sono disponibili presso www.surgvision.com
Photodynamic EyeHamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, GermaniaPC6100www.iht-ltd.com
Kit del sistema di imaging FLAREThe FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USAwww.theflarefoundation.org
FluobeamFluoptics, Grenoble, Franciawww.fluoptics.com
Fotocameraportatile ArtemisQuest Medical Imaging BV, Middenmeer, Paesi Bassiwww.quest-mi.com
Esempi di coloranti fluorescenti NIRF per applicazioni intraoperatorie:
Verde indocianinaICG-PULSION,  Feldkirchen, GermaniaPICG0025DE   Colorante fluorescente di grado clinico per l'imaging NIRF utilizzato nello studio attuale. Maggiori dettagli sono disponibili all'indirizzo
www.pulsion.com IRDye 800CW NHS EsterLI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA929-70021www.licor.com

Riferimenti

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