방법 논문

Astyanax mexicanus의 표면어류 및 동굴어류 개체군에서 뇌 및 장 해부

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DOI:

10.3791/70412

2026년 2월 24일

이 논문에서

요약

여기서는 Astyanax mexicanus 의 표면 및 동굴 적응형 형태형에서 뇌와 장 전체를 해부하고 추출하는 프로토콜을 제시합니다. 이 프로토콜은 전사체학, 대사체학, 장내 미생물군 분석 등 후속 응용 분야에 적용될 수 있습니다.

초록

강골철고기는 발달학부터 유전학, 신경과학에 이르기까지 다양한 연구 질문에 답하는 데 사용되며, 최근에는 장-뇌 축의 복잡성, 더 넓은 맥락에서 장-뇌-간 축의 복잡성을 이해하는 데 활용되고 있습니다. 멕시코 테트라( Astyanax mexicanus)는 형태학적·생리학적으로 구별되는 형태형(강에 서식하는 표면어류와 동굴에 적응한 맹목 동굴어류 등)이 존재함에 따라 비교 및 발달 진화 체계에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 동굴 서식지에 대한 적응은 형태학적 특성, 행동 특성, 장내 미생물군 다양성의 변화와 관련이 있으며, 이는 실험실 조건에서도 발견됩니다. 이로 인해 미생물군, 대사 활동, 신경 적응, 복잡한 행동 출력 간의 상호작용에 대해 질문할 수 있는 가능성이 열렸습니다. 이러한 상호작용은 이제 정화된 뇌를 이용한 전뇌 지도 작성 연구와 장내 미생물 시퀀싱을 통해 표면 및 동굴 적응 표현형과 관련된 박테리아 다양성을 탐지할 수 있습니다. 그러나 대부분의 연구는 온전하고 신중하게 해부되며 보존된 전체 장기와 조직이 후처리 후 적용 시 유용하게 활용될 수 있습니다. 이 프로토콜은 뇌와 장 해부를 단계별로 설명하며, 표면 어류와 동굴어류 형태형 모두에 대해 전체 뇌와 복부 장기를 제거하고 분리합니다.

서론

척추동물 어류를 포함한 동물 모델은 비교적 단순하고 접근 가능한 시스템에서 생물학적 현상과 복잡한 병리를 모델링하는 데 중요한 도구입니다. 예를 들어, 제브라피시(Danio rerio)는 가장 널리 사용되는 철골어류 모델 중 하나로, 발달, 유전학, 생리학, 행동을 연구하는 데 다양한 방법을 적용하여 생의학 및 신경행동과학에 큰 영향을 미쳤습니다. 1,2,3,4,5,6,7,8. 현재 제브라피시를 사용하는 큰 장점은 기능 상실 돌연변이 계통에서 장기 및 조직 조직학과 병리학을 연구할 수 있는 다양한 방법이 있다는 점이며, 단계별 해부 프로토콜이 존재한다는 점입니다.

하지만 지난 수십 년간 진화생물학 분야 내 다른 유형의 질문을 던질 수 있는 여러 가지 강골병 어류 모델들이 등장해 왔는데, 여기에는 진화생물학 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 기전의 생물학적 메커니즘 등 다양한 질문을 던질 수 있습니다2,22, 독성학23,24, 그리고 기타25,26. 예를 들어, 멕시코 테트라(Astyanax mexicanus)는 멕시코 북동부에서 유래한 강골어류로, 강에 서식하는 표상어와 30개 이상의 시각장애 동굴 동굴 어류 개체군을 가지고 있습니다(그림 1)12.

동굴어는 눈 손실12,27, 색소 상실28, 감각 체계 확장(17,29,30), 지방 저장증가 12,31 등 다양한 형태학적 특징을 적응하여 적대적인 동굴 서식지에서도 생존할 수 있게 했습니다. 이 물고기들은 또한 수면 감소19,20, 불안32, 무리 생활33, 공격성 13,18,19,20,29,34,35,36,37 등 다양한 행동 특성에 적응했습니다조상 수상 어류와 비교해 말이죠. 이러한 특성의 대부분 적응은 유전적 변이와 환경적 압력(35, 36, 28, 강과 동굴 간 서식지 차이)의 결합에서 비롯된 것으로 보입니다. 형태학적 및 행동적 특성 적응에 대한 유전적 변이의 영향에 대해 질문할 수 있는 점점 더 유용한 모델입니다. 16,18,19,20,35,38,39 그리고 최근에는 장내 미생물군 다양성에 미치는 영향 14,15뇌, 장, 간 등 장기 수집이 필요할 수 있는 질문들에 대해, 커뮤니티 전반에서 사용할 수 있는 표준화된 대해부학 해부 프로토콜이 필요합니다. A. 멕시코누스의 전뇌 해리와 장기 해리는 이전에도 시행된 바 있지만, 이러한 해부를 시간 효율적으로 수행하는 방법을 이해할 수 있는 원스톱 포괄적 방법이 부족하며, 이는 대사체학40, 메타게노믹스41을 위한 샘플 수집이 필요한 많은 프로젝트에 매우 중요합니다. 또는 전체 장기 영상16,38. 저희의 목표는 이 모델에서 장기 접근에 대한 문제 해결의 장벽을 제거하여 커뮤니티 사용자들이 연구에 원활하게 집중할 수 있도록 하는 것입니다.

이 프로토콜에서는 Astyanax mexicanus 종의 성체 표면어와 파촌 동굴어의 뇌 및 위장 해부를 위한 단계별 방법을 개략적으로 제시합니다. 이 방법론은 장내 미생물군, 조직 대사체학, 그리고 광선 현미경에서의 전뇌 영상화를 위한 뇌 정화 등 다양한 하위 프로토콜에 적용할 수 있습니다. 이 기술은 동일한 표본에 동시에 적용할 수 있도록 적용 가능합니다.

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프로토콜

이 프로토콜은 IACUC 승인 프로토콜 2024-0004 및 A790125에 따라 푸에르토리코 대학교 분자과학센터 및 의과학 캠퍼스에서 수행됩니다.

1. 사전 해부 설정

  1. 실가르드 페트리(SP) 접시를 사용해 해부할 경우, 며칠 걸릴 수 있으니 수술 전에 미리 준비해 두세요.
  2. SP 접시를 준비할 때는 Sylgard 184와 Elastomer 184를 10:1 비율로 사용하세요. 일회용 컵에 실가드 184 베이스 200g과 엘라스토머 20g을 섞어 주세요. 페트리 접시에 약 1/3에서 1/2 정도의 깊이로 붓습니다. 거품을 제거하고 뚜껑을 덮기 위해 접시를 톡톡 두드리세요. 접시를 채워 평평한 표면에 두세요. 최소 1주42분은 경화를 기다려야 합니다.
    참고: 16s rRNA 시퀀싱 또는 메타게놈학을 위해 샘플을 채취할 때는 SP 접시 사용을 삼가야 합니다. 대신 멸균된 일회용 페트리 플레이트를 사용하고, 층류 후드 아래에서 무균 기법을 따르세요. 무균 기법을 따르면, 층류 후드를 70% 에탄올(살균 세제)로 청소하고, 이상적으로는 살균성 자외선 C-램프에 15분간 노출시키는 것이 권장됩니다. 이는 라미나 플로우 후드 안에 소독 및 오토클레이드 재료/도구를 배치하기 전에 반드시 해야 합니다.
  3. 양쪽에 종이 타월을 깔고 해부 현미경을 설치하세요. 한쪽은 폐기물 저장용(예: 과잉 장기 조직)을, 다른 쪽은 멸균된 해부 도구를 보관하는 공간으로 지정하세요. 해부 사이에 도구를 닦기 위해 작은 종이 타월 조각을 잘라내세요.
  4. PBS 1개를 준비해 차가운 얼음 슬러리에 보관해 두고, 시야가 좋을 수 있도록 필요할 때 사용할 수 있도록 준비하세요. 프로토콜에 따라 1PBS를 사용하지 않는 것을 선택하세요.
    참고: 예를 들어 메타게놈 시퀀싱43을 위한 샘플 채취 시에는 사용하지 않는 것이 권장됩니다. 이 방식에 1 PBS를 사용할 경우, 오염 가능성을 선별하기 위해 1PBS 샘플을 채취하여 시퀀싱하는 것이 권장됩니다.
  5. SP(또는 일회용 멸균된 페트리 접시)를 현미경 아래에 두고, 해부 키트, 얼음 위에서 조직 채취용 마이크로 원심분리기 튜브 등 모든 도구를 준비하세요.
  6. 근처 얼음통에 PBS 1개와 라벨이 붙은 마이크로 원심분리기 튜브를 넣으세요. 플라스틱 스포이드를 1PBS에 준비하세요.
  7. 근처에 어류 안락사 스테이션을 설치하세요. 얼음 목욕을 준비하세요. 플라스틱 그레이트가 있는 탱크에 얼음 슬러리를 넣고, 그 안에 가정용 시스템이나 수조에서 나온 어류 시스템용 물을 채우세요.
    참고: MS-222도 사용될 수 있으며, 이는 하위 프로토콜(샘플 후처리 필요)에 따라 다릅니다.

2. 성체 표면 어류 및 동굴어의 뇌 해부

  1. 얼음 슬러리에 안락사하세요. 움직임이 없도록 하고, 물선이 바닥으로 가라앉도록 하며, 어떤 움직임도 없게 하세요. 시간은 크기에 따라 달라집니다. 큰 물고기는 오페르큘럼 움직임을 멈추는 데 더 오래 걸립니다.
    참고: 어린 물고기는 수술관 움직임(안락사)을 멈추기까지 약 2-5분이 걸리며, 성어와 대형 물고기는 약 10-15분이 걸릴 수 있습니다. 형태형 기반 차이가 존재합니다. 일부 동굴어류 개체군은 표면어보다 마취나 안락사에 더 오래 걸릴 수 있습니다. 사육 및 실험 프로토콜은 개체군 간 마취 및 안락사 절차의 검증을 권장하며, 형태와 개체군 간에 반응이 다를 수 있기 때문입니다11.
  2. 물고기를 SP(또는 후드 내부의 일회용 멸균 페트리 접시)로 옮기고, 스포이트로 얼음처럼 차가운 1x PBS로 목욕하세요(그림 1).
  3. 아가미 뒤 약 2mm 지점에서 메스로 절단하여 머리를 몸에서 분리합니다(그림 2). 이렇게 하면 중뇌 일부를 보호하고, 해리 후 뇌를 손상 없이 조작할 수 있게 해줍니다. 종이 타월로 시신을 폐기물 쪽으로 옮긴 후, 생물학적 위험 폐기물 용기에 넣어 폐기하세요.
  4. 가늘게 핀셋이나 지혈기로 물고기 머리 뒤쪽을 잘 잡으세요. 마이크로 가위로 입 가장자리를 머리 뒤쪽과 아가미 쪽으로 잘라냅니다(그림 3).
  5. 반대편에서 반복하세요. 하악을 제거한 후 두 번째 미세하거나 초가는 겸자로 아래쪽을 깨끗이 청소하세요.
    참고: 아가미의 안쪽 윤곽을 따라가세요.
  6. 이 시점에서는 수혈기로 물고기 머리를 단단히 잡거나, T 핀으로 SP(사용 중)를 입 끝으로 고정하세요.
  7. 초가운 겸자나 가위로 양쪽 눈을 분리하세요. 끝을 눈 가장자리에 넣고 부드럽게 눈을 당기거나 잘라내세요(그림 4).
    참고: 동굴물고기(눈 피부 긁기)에는 해당되지 않습니다.
  8. 머리 꼭대기에 앞에서 뒤로 이어지는 시상선을 긁어서 왼쪽과 오른쪽으로 나누는 선을 그려보세요. 그 후 마이크로 가위로 선을 얕게 자르세요(그림 5).
  9. 가는 겸자로 머리 양쪽을 조심스럽게 당기며, 결합 조직 아래에 박힌 뇌가 부러지지 않도록 각별히 주의하세요. 뇌가 보이면 초미세 겸자 끝으로 뇌를 두개골에서 분리합니다(그림 6).
    1. 겸자로 빼서 뇌를 압착하지 마세요. 대신 잔재가 남아 있다면 후뇌나 척수 쪽에 대고 무결성을 유지하세요.
    2. 뇌가 머리 한쪽에 남아 있다면, 초미세 겸자를 사용해 뇌 뒤쪽 끝을 부드럽게 삽입하고 살짝 들어 올리며 조심스럽게 뇌를 침대 두개골에서 분리하세요. 항상 당기는 것은 피하세요. 그러면 부러질 수 있습니다.
  10. 뇌를 추출한 후에는 초고운 겸자로 부드럽게 청소하여 지방이나 주변 조직을 제거하세요. 하위 프로토콜을 위해 마이크로 원심분리기 튜브나 적절한 저장소에 보관하세요. 이 시점에서는 뇌 전체를 보존하거나 뇌의 하위 영역(예: 텔렌두, 시각, 후각구)을 수집하세요(그림 7).
  11. 텔레네팔론 분리: 텔레네팔론을 추출하기 위해 초미세 겸자로 텔레세팔론과 시카투 사이 기저부를 집어 텔레세팔론을 뇌의 나머지 부분과 분리합니다. 적절한 저장관으로 옮기세요.
  12. 메타게놈학에 사용할 경우, 액체 질소에 담긴 샘플을 급속 냉동하여 -80 °C에서 보관합니다. 마이크로 원심분리기를 액체 질소에 5초간 담가서 진행하세요.

그림 1
그림 1: Astyanax mexicanus 형태형. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴물고기. 스케일 바: 10 mm 이 피규어의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 2
그림 2: 머리 분리 . (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 3
그림 3: 분리된 어류 머리에서 턱을 제거한 모습. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 4
그림 4: 분리된 어류 머리에서 눈을 제거한 모습. 동굴어에서는 조직을 얇게 만들기 위해 해당 부위를 긁어내는 것을 시행할 수 있습니다. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 5
그림 5: 어류 머리의 상부를 관통하는 시상면 . (A) 표면 어류. (B) 파촌 동굴물고기. 스케일 바: 5 mm 이 도형의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 6
그림 6: 머리 측면 분리와 뇌 노출 현상. (A) 표면어류. (B) 파촌 동굴물고기. (C, D) 두개골 바닥에서 뇌를 제거했습니다. 스케일 바: 5 mm 이 도형의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 7
그림 7: A. mexicanus 지역 뇌 해부학. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴물고기. 스케일 바: 5 mm 이 도형의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

3. 성체 표면 어류 및 동굴어의 장 해부

  1. 위에서 설명한 안락사 방법을 따르세요.
  2. 물선을 보풀 없는 물티슈로 닦아낸 후 깨끗한 SP 위에 올려놓고, 스포이드로 얼음처럼 차갑게 1 PBS(또는 하류 적용에 따라 시스템 워터)로 덮어 조직을 촉촉하게 유지하세요.
  3. SP(사용 중)에 물고기를 T핀으로 고정하세요.
    1. SP(마약병)를 사용하지 않는다면, 절개할 때 입에서 앞쪽을 단단히 잡는 지혈기로 사용할 수 있습니다. 핀을 눈구멍 안쪽 앞쪽에 꽂으세요(동굴물고기도 마찬가지입니다). 핀이 SP에 닿도록 하세요.
    2. 꼬리를 통해 플레이트에 뒤쪽으로 핀을 고정하세요. 시술 중에는 물고기가 움직이지 않도록 하세요.
      참고: 뇌 해리와 같은 표본에 대해 위장관 해부를 할 경우, 해부를 시작하기 전에 메스로 빠르게 목을 베어 물고기를 판 표면에 고정하세요. 머리 꼭대기를 보존하고 장을 피하는 뒤쪽에 앞쪽 대각선으로 절개를 하세요. 이상적으로는 머리와 몸을 나누고 경험 많은 해부 두 명이 각각 작업 시간을 내도록 하는 게 좋습니다. 앞쪽 핀은 참수 후 몸의 가장 윗쪽 앞쪽에 위치할 수 있으며, 후방 핀은 같은 위치에 남아 있습니다(그림 8).
  4. 해부 미세 가위를 사용해 항문지느러미/항문에서 아가미 위의 단단한 덮개(오페르클룸)까지 반원형 선으로 피부와 그 아래 근육을 반원형으로 잘라내고(그림 9),
  5. 미세 가위와 미세 겸자로 오페르큘럼과 가슴지느러미를 제거하세요.
    참고: 이 단계는 피부 제거를 더 효율적으로 하지만, 해부 속도가 느려질 수 있고 필요에 따라 생략할 수도 있습니다.
  6. 항문지느러미에서 피부와 그 아래 근육을 위쪽으로 절단한 후 아가미 쪽으로 앞쪽으로 절개하며 필요에 따라 복측 절개를 확장합니다(그림 10). 이것이 궁극적으로 창을 만듭니다.
  7. 미세한 겸자를 이용해 절개 부위를 열어 체강을 노출시킵니다. 가는 겸자를 사용해 피부를 잡고 부드럽게 들어 올려 제거하세요(그림 11).
  8. 장의 앞뒤 부착물을 모두 잘라내고 모든 내부 장기를 조심스럽게 제거하세요. 위장관은 몸에서 분리하여 SP(또는 일회용 멸균된 페트리 접시)의 깨끗한 부위에 올려놓으세요(그림 12 , 그림 13).
  9. 먼저, 초가운 겸자로 간을 복부 장기와 분리하세요. 간을 분리할 경우, 마이크로 원심분리관에 넣거나 하위 프로토콜이나 필요에 따라 적절한 저장 방법을 사용하세요. 장을 조심스럽게 늘려 위와 중장/후장 부분을 확인하세요(그림 14).
  10. 위를 중장/뒷장에서 분리하세요.
  11. 중장과 뒷장의 앞뒤 끝을 가느다란 겸자로 잡고 부드럽게 늘려 전체 길이까지 뻗으세요.
  12. 조직을 미세원심분리관에 담아 적절히 보관하세요.
  13. 메타게놈학에 사용할 경우, 액체 질소에 담긴 샘플을 급속 냉동하여 -80 °C에서 보관합니다. 이 작업은 마이크로 원심분리관을 액체 질소에 5초간 담가하여 수행합니다.

그림 8
그림 8: 위장관 박리용 핀 배치. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 9
그림 9: 해부 전 절단 부위. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 10
그림 10: 오페르큘럼 제거 및 창문 생성. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 11
그림 11: 표면 측면 피부와 근육 제거. (A) 표면 어류. (B) 파촌 동굴 물고기 이 도표의 확대 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 12
그림 12: 근육과 피부를 제거한 후 성체 어체 내 기들. (A) 복강이 노출되고 알을 제거하여 장기를 노출한 암컷 표면어. (B) 복강과 장기가 노출된 수컷 표면어. (C) 복강이 노출되고 알을 제거해 장기를 노출한 암컷 파촌 동굴물고기. (D) 복강과 장기가 있는 수컷 파쵸 동굴물고기. 검은 화살표는 위장관 다발이 발견되는 부위를 가리킵니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 13
그림 13: 물고기 체강에서 제거된 위장 다발. (A) 표면 어류. (B) 파촌 동굴물고기. 스케일 바: 10 mm 이 피규어의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

그림 14
그림 14: 표면어류와 동굴어류의 분리된 위장 장기들. (A) 수상 어류. (B) 파촌 동굴물고기. 스케일 바: 10 mm 이 피규어의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.

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결과

이 프로토콜에 따라 뇌와 장 내용물을 추출하고, 완전한 장, 텔레스팔론, 시카피 길이를 측정하여 표면어류와 파쵈 동굴어의 형태형을 비교했습니다(그림 15). 통계적 비교를 위해 독립 표본 웰치 t-검정을 사용했으며, 표본 크기는 n = 6마리의 표면 어류와 n = 6마리의 파촌 동굴 물고기였습니다. 수면 어류는 파촌 동굴어보다 시안의 시각막 크기가 유의미하게 커졌으며, 이는 이전에 발표된 뇌 등록 프로토콜16,38과 일치하며, 수상 어류의 길이가 더 컸습니다(수상 어류 = 2.53 ±± 0.30 mm; 파촌 동굴 물고기 = 1.82 ±± 0.25 mm; t = −4.44, p = 0.00137; 코헨 d = 2.56), 그리고 수상 어류의 폭도 더 넓습니다(수상 어류 = 4.29 ±± 0.49 mm; 파촌 동...

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토론

진화에서 생의학 신경과학, 미생물학에 이르기까지 여러 분야에서 A. mexicanus의 연구 모델로서 점점 더 중요해지고 있으며, 표준화된 장기 해부 및 수집 방법이 필요하다. 이전에 시적 테크 16,38, 성체 심장11, 기타11,44 등 고립된 구조가 연구되고 문서화되었으나, 이 종의 표면 어류 및 동굴어에서 효율적으로 해부된 장기에서 재현 가능한 결과를 얻을 수 있는 체계적 지침은 부족하다. 이 지침들은 장기 채취를 위한 표준화된 프로토콜을 제공하고 멕시코 테트라의 두 형태형의 해부학에 대한 원스톱 자료를 제공함으로써 이러한 모델을 연구하는 연구 커뮤니티에 도움이 될 것입니다. 이러한 이유로, ...

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공개 사항

이해 상충은 없습니다. 모든 절차는 IACUC 승인 프로토콜 2024-0004를 따릅니다.

감사의 글

이 연구는 NIH 보조금 5R16EY037336-02, RCMI 보조금 U54 MD007600, NIH 보조금 1P20GM156713-01(COBRE 푸에르토리코 미생물 과학 센터)의 지원을 받고 있습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1.0리터 제브라피시 번식 수조테크니플라스트https://shop.tecniplastusa.com/products/1-0-liter-zebrafish-breeding-tank안락사 얼음 슬러리를 준비하려고. 탱크는 얼음으로 절반쯤 채워진 후 그 위에 천공된 내부 탱크를 올립니다. 그 후 물을 위까지 채웁니다.
4L 폴리우레탄 아이스팬USA 사이언티픽항목 #2328-7242
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Calbiochem OmniPur PBS 10배 액체 농축액, 분자생물학 등급, 멸균밀리포어 시그마65074L
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킴와이프스 EX-L킴벌리-클라크34155
액체 질소기관 제공
노이스 마이크로 가위, 12cm월드 프리시전 기기500228
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스메스 블레이드, #22, 10팩홈 사이언스 도구https://www.homesciencetools.com/product/scalpel-blades-22-10-pack/
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가위, 슈퍼파인 마이크로모펙AA152
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멸균 에펜도르프 마이크로 원심분리기 1.5 및 마이크로; L 튜브에펜도르프05-402-25
실가르드 184전자현미경 과학24236-10
열화병랩라인 인스트루먼츠 주식회사2119
울트라 파인 가위뉴메드 악기NM-DI-206023
전기영동, PCR에 적합한 물시그마-올드리치W4502-1L

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