여기서는 SH-SY5Y 세포에서 오카다산에 의해 유발된 알츠하이머병 세포 모델을 구축하고, 산화 스트레스 및 AKT/GSK-3β 경로 분석을 통해 가스트로딘의 신경보호 효과를 평가하는 프로토콜을 제시합니다.
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연구 논문
* These authors contributed equally
여기서는 SH-SY5Y 세포에서 오카다산에 의해 유발된 알츠하이머병 세포 모델을 구축하고, 산화 스트레스 및 AKT/GSK-3β 경로 분석을 통해 가스트로딘의 신경보호 효과를 평가하는 프로토콜을 제시합니다.
알츠하이머병(AD)은 현재 효과적인 약물이 제한적으로 사용되는 흔한 신경퇴행성 질환입니다. Gastrodia elata에서 유래한 주요 생리활성 성분인 Gastrodin(GAS)은 ADHD 치료에 명확한 치료 잠재력을 보여주었습니다; 그러나 그 작용의 분자적 기전은 아직 밝혀지지 않았습니다. 본 연구에서는 GAS가 AD 모델 세포에 미치는 영향 기전을 조사하고자 합니다. 네트워크 약리학은 AD에서 GAS가 영향을 미치는 표적과 신호 전달 경로를 분석하는 데 활용됩니다. AD 세포 모델은 오카다산(OA)으로 인간 신경모세포종 SH-SY5Y 세포를 유도하여 구축됩니다. 세포 생존성은 CCK-8 검사법을 사용하여 평가되었으며, SOD, MDA, T-AOC 수치가 측정되었습니다. 아폽토시스 속도는 Annexin V-FITC/PI 이중 염색을 통해 측정되었으며, RT-qPCR 및 웨스턴 블롯팅 기법을 사용하여 세포자사멸 관련 인자와 AKT, GSK-3β, p-Tau(Ser396), p-Tau(Thr181)의 발현을 분석하였습니다. 네트워크 약리학 분석은 GAS가 세포 세포자살 사멸과 관련 신호 전달 경로, 특히 PI3K/AKT를 조절할 잠재력을 시사합니다. 우리의 실험은 GAS가 MDA 수치를 억제하고, AD 모델 세포에서 T-AOC 및 SOD를 증가시키며, 세포 세포자멸사를 감소시킬 수 있음을 입증했습니다. 서부 블롯팅 결과는 GAS가 OA의 p-AKT(Ser473)와 p-GSK-3β(Ser9) 발현에 미치는 억제 효과를 완화함을 보여줍니다. 또한 p-Tau(Ser396)와 p-Tau(Thr181)의 과발현을 완화하고, Bax 발현을 억제하며, Bcl-2 발현을 증진시킵니다. GAS는 골관절염에 의해 유발되는 산화 스트레스 손상을 완화하고 세포자멸사를 완화할 수 있는 능력을 입증합니다. GAS는 AKT/GSK-3β 신호 경로 변화와 관련된 타우 과인산화를 억제하여 잠재적인 신경 보호 효과를 발휘할 수 있습니다.
알츠하이머병(AD)은 주로 기억력 상실과 인지 장애를 특징으로 하는 진행성 신경퇴행성 장애로, 전 세계적으로 가장 흔한 치매 형태로 약 60%에서 80%의 사례를 차지합니다. AD의 근본 병인기는 복잡하며 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 임상 AD 사례에서 관찰되는 주요 병리학적 특징은 뇌 내 노인 플라크(SP)와 신경섬유 엉킴(NFT)의 축적입니다 3,4. AD의 두 가지 핵심 병리적 사건은 β-아밀로이드 단백질(Aβ)의 세포외 침착으로 노인 플라크를 형성하고, 과인산화된 타우 단백질의 세포 내 응집으로 신경섬유 엉킴 5,6,7을 형성하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 또한 산화 스트레스와 신경 염증은 AD 8,9,10,11의 악화에 기여할 수 있는 보조 요인입니다.
전 세계 인구 고령화 추세가 심화됨에 따라 치매 환자 수는12,13명으로 크게 증가했습니다. 그러나 AD의 치료 옵션은 여전히 제한적이며, 주로 메만틴, 도네페질, 갈란타민14와 같은 단일 표적 약물로 구성되어 있습니다. 그러나 이들의 치료 효과는 주로 완화 효과에 가깝고, 위장 장애, 어지러움, 서맥과 같은 일부 부작용도 보고된 바 있습니다. 따라서 더 안전하고 효과적인 치료 전략 개발은 여전히 중요한 연구 우선순위로 남아 있습니다15,16. 최근 출시된 단클론 약물인 레카네맙은 경증 AD환자들에게 새로운 희망을 가져다주었습니다. 하지만 높은 비용과 한계는 상당한 치료 수요를 충족시키지 못하고 있습니다. AD의 예방과 치료는 여전히 상당한 도전 과제를 제기하고 있습니다17,18. 여러 연구 결과, 특히 전통 한약의 약용 식물이 AD와 같은 신경퇴행성 질환에 관여하는 여러 경로를 표적으로 하는 다성분 효과를 보인다는 것이 밝혀졌습니다. 연구에 따르면 Ganoderma lucidum의 활성 화합물이 AD 마우스 뇌 조직의 산화 손상을 완화하고, 세포자사멸사를 억제하며, 해마 신경세포 괴사를 줄이고, 인지 장애를 개선할 수 있음이 밝혀졌습니다19. AD(알츠병) 연구에서 Bao 등은 네트워크 약리학을 활용해 AD와 관련된 염증에서 Astragaloside IV의 주요 표적을 규명하였습니다. 그들의 연구 결과는 표피 성장 인자 수용체(EGFR)와 인터루킨-1β(IL-1β)가 신경퇴행성 질환 임상 치료에 잠재적 치료 후보이자 질병 표적을 제공하는 중요한 표적임을 밝혀냈습니다20. Dartigues 등은 은행잎 추출물을 분석하여 노인의 치매 및 사망 위험을 줄이는 데 유익한 효과가 있음을 입증했습니다. 은행잎 추출물을 투여받은 환자들은 낮은 사망률을 보였다22.
Gastrodia elata는 난초과에 속하는 전통적인 중국 허브로, 식용 및 약용으로 사용됩니다. 가스토디아 엘라타의 뿌리줄기는 가스스트로딘(GAS), 가스토디아 다당류, 알칼로이드에 풍부하게 함유되어 있습니다. 최근 약리학적 연구는 이러한 활성 화합물들이 기억력 증진과 인지 기능 향상 효과뿐만 아니라 신경 보호 특성과 불면증 및 어지러움 치료에 효과적임을 입증했습니다23. Gastrodia elata의 주요 생리 활성 성분은 덩이줄기에서 추출된 GAS로, 약효가 있습니다. GAS는 4-하이드록시벤질 알코올, 4-O-β-d-글루코사이드라고도 불리며, 페놀 글리코사이드24군에 속합니다. GAS의 화학 구조는 그림 1에 나타나 있으며, 분자량은 286.278입니다. 당신과 모노글리코사이드의 상대적으로 낮은 분자 질량은 혈액-뇌 장벽을 효율적으로 통과할 수 있게 하여 GAS의 신경 보호 역할의 근본적인 기반이 됩니다25. 더욱이 높은 흡수성은 효능을 더욱 높여줍니다26. 최근 몇 년간 수많은 연구에서 AD27, 28, 29, 30, 파킨슨병(PD)31, 뇌허혈32 등 다양한 뇌 질환 치료에 GAS의 잠재력이 입증되었습니다. GAS는 항산화, 저지질, 항염증, 항노화 등 다양한 약리학적 특성을 보입니다33,34. 작용 기전은 Nrf2, NF-κB, AMPK35와 같은 여러 신호 전달 경로를 포함합니다. GAS는 Pb로 인한 신경학적 손상의 마우스 모델에서 Wnt/Nrf2 경로를 조절하여 신경보호 효과를 발휘하며, Nrf2 신호 전달 경로를 조절하여 신경퇴행성 질환 치료에도 항세포자멸사 효과를 보입니다. GAS는 또한 단백질 키나아제/진핵생물 시작인자-2α(PKR/eIF2α) 신호 전달 경로를 통해 해마 BACE1 발현을 억제함으로써 AD에 유익한 효과를 발휘했습니다. 더불어 GAS는 TCDD 유도 NF-κB 신호 활성화에 억제 효과를 보여, PC12 뉴런의 세포자멸사와 성상교세포 활성화를 감소시켰다39.

그림 1: GAS의 화학 구조식. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하세요.
OA는 할리콘드리아 속의 검은 해면에서 유래했으며, 장쇄 지방산군에 속하며 설사성 조개류 독(DSP)의 주요 성분입니다. 이 약물은 단백질 인산효소, 특히 PP1A와 PP2A의 활성을 효과적으로 억제하여 세포 내 과인산화와 세포 항상성 파괴를 초래합니다40,41. 이 특성은 단백질 인산화와 관련된 질병을 조사하는 데 유용한 도구입니다. 따라서 OA의 활용은 타우 단백질 인산화 변화를 특징으로 하는 AD 세포 모델 구축을 가능하게 합니다. 본 연구는 Gastrodia elata의 주요 활성 성분인 GAS가 OA에 의해 유도된 AD 세포 모델에 미치는 영향과 메커니즘을 조사하고, AKT/GSK-3β 신호 전달 경로를 표적으로 하여 AD 모델 세포에 대한 신경보호 효과를 명확히 하는 것을 목표로 합니다.
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네트워크 약리학
GAS의 잠재적 표적 예측: GAS의 표준적인 SMILES (PubChem CID: 1150)은 PubChem 데이터베이스42에서 검색되었습니다. SMILES 구조는 SwissTargetPrediction 데이터베이스에 업로드되었습니다 (http://www.swisstargetprediction.ch/)43. 종 매개변수는 호모 사피엔스로 설정되었습니다. 확률 0.1> 예측 대상은 거짓 긍정 예측을 줄이기 위해 유지되었습니다. 모든 예측된 단백질 표적은 UniProt 데이터베이스43 (호모 사피엔스에 한정된 종)을 사용해 공식 유전자 기호로 표준화되었고, 중복된 항목은 삭제되었습니다.
AD와 관련된 유전자는 GeneCards 데이터베이스(https://www.genecards.org/)44,45와 OMIM 데이터베이스(https://www.omim.org/)46에서 "알츠하이머병"을 검색어로 사용하여 수집되었습니다. GeneCards에서는 관련성 점수 10> 유전자가 선택되었습니다. GeneCards와 OMIM에서 얻은 표적은 통합되었고, 중복된 것은 제거되었으며, 유전자명은 UniProt으로 표준화되었습니다.
예측된 GAS 표적과 AD 관련 유전자는 Venny 2.1 온라인 플랫폼에 통합되어 겹치는 표적을 얻었습니다. 총 52개의 교차 유전자(보 충표 1 참조)가 AD에서 GAS의 잠재적 치료 표적으로 확인되었습니다.
52개의 교차 표적은 PPI 분석을 위해 STRING 데이터베이스 (https://string-db.org/)47에 업로드되었습니다. 종은 호모 사피엔스로 설정되었고, 최소 요구 상호작용 점수는 0.4(중간 신뢰도)로 설정되었습니다. 분리된 노드들은 숨겨져 있었습니다. 생성된 상호작용 데이터는 Cytoscape 소프트웨어(버전 3.9.1)를 사용해 내보내고 시각화되었습니다.
GO 및 KEGG 풍부 분석: 52개의 교차 표적은 유전자 온톨로지(GO)와 교토 유전자 및 유전체 백과사전(KEGG) 풍부 분석을 위해 Metascape 데이터베이스(https://metascape.org/)48에 업로드되었습니다. 종은 호모 사피엔스로 분류되었다. 농축 기준은 p값 < 0.01, 최소 중복 ≥ 3, 농축 계수 > 1.5로 정의되었습니다. KEGG 경로는 p-값에 따라 순위를 매기고, 시각화를 위해 유의미하게 풍부해진 상위 20개 경로가 선정되었습니다. 풍부한 결과는 온라인 생물정보학 플랫폼을 통해 시각화되었습니다.
GSK-3β의 단백질 구조 파일은 RCSB PDB 데이터베이스에서 얻어졌습니다. SDF 형식의 GAS의 구조 파일은 PubChem 데이터베이스에서 다운로드되어 Open Babel GUI 소프트웨어를 사용해 Mol2 형식으로 변환되었습니다. 위에서 언급한 파일들은 AutoDock 소프트웨어를 사용해 수소 원자를 추가하고, 물 분자를 제거하며, 전하를 할당하는 데 사용되었습니다. 처리된 파일들은 이후 PDBQT 형식으로 저장되었습니다. 리간드 분자 내 토션 결합을 검출하고 처리한 후, 파일은 PDBQT 형식으로 저장되었습니다. 두 분자 간 가장 낮은 결합 에너지는 AutoDock Vina 소프트웨어를 이용한 분자 도킹을 통해 얻어졌습니다. 이후 도킹 결과를 PyMOL을 이용해 시각화 및 분석하였습니다.
스톡 용액 준비
OA 분말(25 μg)은 10% 디메틸 설폭화물(DMSO) 1200 μL에 완전히 용해되어 멸균 인산염 완충 생리식염수(PBS)로 제조하여 25 μM 스톡 용액을 생성했습니다. 재고 용액은 할당 견적을 받아 -80 °C에 저장했습니다. 각 실험 전에 OA는 완전한 Dulbecco's Modified Eagle Medium(DMEM)(재료 표 참조)으로 신선하게 희석되어 원하는 작동 농도로 조정되었습니다. GAS 분말(20 mg)은 멸균 PBS 1.4 mL에 용해한 후 0.22 μm 막을 통해 여과하여 멸균 처리한 후 50 mM 스톡 용액으로 준비되어 -20 °C에서 보관되었습니다. 사용 전에 재고 용액은 완전한 DMEM으로 희석되어 지정된 작업 농도로 조정되었습니다.
AD 셀 모델의 구성
인간 신경모세포종 SH-SY5Y 세포를 얻어 본 연구에 사용하였습니다( 재료표 참조). SH-SY5Y 세포는 OA 농도(0, 10, 20, 40, 80, 160 nM)를 각각 12, 24, 36시간 동안 유도하여 AD 세포 모델을 확립하였습니다.
세포 생존성 검사
AD 세포 모델을 구축하기 위한 최적의 농도와 유도 기간을 결정하기 위해, SH-SY5Y 세포는 0, 10, 20, 40, 80, 160 nM의 구배 농도로 서로 다른 기간(12, 24, 36시간)을 처리하고, CCK-8 검사법49를 사용하여 세포 생존성을 평가하였습니다. SH-SY5Y 세포는 100 μL 완전 DMEM 내에서 웰당 7.5 × 103 셀 밀도로 96웰 플레이트에 시딩되었습니다. 플레이트는 세포 부착을 위해 5% CO₂가 포함된 가습 인큐베이터에서 37°C에서 24시간 배양했습니다. 24시간 부착 후 각 웰에 100 μL OA 작업 용액을 첨가하여 최종 농도인 0, 10, 20, 40, 80, 160 nM을 달성했으며, 웰당 총 부피는 200 μL에 달했습니다. 대조군(CON)은 OA 없이 동일한 양의 완전한 DMEM을 받았고, OA 그룹은 지정된 농도의 OA를 받았습니다. 세포는 표준 배양 조건에서 12시간, 24시간, 36시간 동안 배큐되었습니다. 각 농도와 시점은 6개의 복제 우물로 설정되었습니다. 배경 보정을 위해 세 개의 빈 웰(중간 단위만)이 포함되었습니다.
세포 산화 스트레스 지수의 결정
로그 성장 단계의 SH-SY5Y 세포는 6웰 플레이트에 시딩되었습니다. 세포 처리 후에는 이전 배지를 우물에서 버렸습니다. 이후 4°C에서 사전 냉각된 PBS로 세 차례 세척하였습니다. 그 후 세포 용해 완충제를 추가하고, 키트에서 지시한 적절한 방법으로 얼음 위에 세포를 용해했습니다. 샘플의 단백질 함량은 BCA 단백질 분석 키트( 재료표 참조)를 사용해 정량화되었습니다. T-AOC, SOD, MDA의 활동은 각각 분석 키트에 포함된 지침에 따라 결정되었습니다( 재료표 참조).
세포 세포자멸사 검출
세포 세포자멸사는 제조사 지침에 따라 Annexin V-FITC/PI 이중 염색 키트(재료 표 참조)를 사용하여 평가되었습니다. 잠시 동안 떠다니는 세포와 부착 세포 모두가 수집되었다. 부착 세포는 인위적인 막 손상을 피하기 위해 EDTA 없이 트립신을 사용해 소화했으며, 부유 세포와 결합하였습니다. 세포는 차가운 PBS로 두 번 세척한 후 1× 결합 버퍼 500 μL에 0.5–1 × 106 세포 밀도로 재현탁했습니다.
이후 각 샘플에 5 μL Annexin V-FITC 및 5 μL 프로피디움 요오드화물(PI)을 첨가하여 부드럽게 혼합한 후 실온에서 어두운 환경에서 10–20분간 배큐했습니다. 샘플은 얼음 위에 올려져 1시간 이내에 유세포계를 사용해 분석했습니다.
유세포 분석 시에는 염색되지 않은 대조군과 단일 염색 대조군(부속서 V-FITC 단지 및 PI만)을 사용하여 보상 매개변수와 사분면 게이트를 설정하였습니다. 처음에는 전방 및 측면 산란(FSC/SSC) 게이팅이 잔해와 세포 집합체를 배제하기 위해 적용되었습니다. 샘플당 최소 10,000건의 사건이 수집되었습니다. 데이터는 FlowJo 소프트웨어를 사용해 분석되었습니다.
실시간 정량 PCR 분석(RT-qPCR)
AG 역전사 키트에서 제공된 지침에 따르면, 추출된 RNA는 역전사를 거쳐 상보적 DNA(cDNA)를 생성하고, 이를 멸균수로 10배 희석하여 템플릿으로 사용했습니다. RT-qPCR 반응 시스템은 Green Master Mix(No Rox) 키트의 프로토콜에 따라 준비되었으며, 형광 정량 PCR 기기( 재료표 참조)를 사용해 분석이 수행되었습니다. 얻은 Ct 값을 처리하고 분석했으며, 표적 유전자의 발현 수준은 2-ΔΔCt 방법으로 계산되었습니다. 여기서 ΔCt는 치료군과 GAPDH 간 Ct의 차이를, ΔΔCt는 치료군과 대조군의 ΔCt 값 차이를 나타냅니다. 입문서 목록은 보충 표 2에서 확인할 수 있습니다.
서부 블롯팅 분석
세포 용해 완충제는 프로테아제 억제제와 인산효소 억제제와 함께 100:1:1 비율로 결합되었습니다. 세포는 세포 단백질을 추출하기 위해 용해되었습니다. 단백질 농도는 BCA 분석 키트를 사용하여 측정되었습니다. 단백질(레인당 20–30 μg)은 10% SDS-PAGE 겔에서 80 V의 스태킹 겔과 120 V 해상도 젤에서 분리되었습니다. 단백질은 300 mA 환경에서 90분간 습식 전달을 통해 PVDF 막(0.45 μm)에 전달되었습니다. 막은 5% 탈지유로 실온에서 2시간 동안 막고, 이후 4°C에서 1차 항체( 재료표 참조)와 함께 하룻밤 배양하였습니다. 2차 항체와 함께 실온에서 1시간 인큐베이팅한 후, 막을 TBST로 4회 각각 5분씩 세척했습니다. 밴드는 증강 화학발광(ECL) 검출 시약(재료 표 참조)을 사용해 시각화되었으며, 겔 이미징 시스템으로 검출이 수행되었습니다. 그레이스케일 값은 ImageJ 소프트웨어를 사용해 데이터 인사이트를 분석했습니다.
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AD 치료를 위한 GAS 관련 표적 선별
GAS의 AD 치료 대상 식별은 데이터베이스 검색과 소프트웨어 분석을 포함했습니다. 스위스 타겟 예측 데이터베이스는 100개의 잠재적 타깃을 제공했으며, OMIM과 GeneCards(관련성 >점수 10)는 AD 관련 타깃에 대해 조회되어 총 2376개의 잠재적 타깃이 나왔습니다. 이후 Venny 2.1 온라인 플랫폼을 활용하여 AD 내 GAS의 잠재적 치료 표적 52개를 식별할 수 있었습니다(그림 2A).
STRING 데이터베이스에서 얻은 단백질-단백질 상호작용(PPI) 정보는 Cytoscape 소프트웨어를 통해 Degree 값 > 10에 필터를 적용하여 PPI 네트워크를 구축했습니다. AD 내 GAS의 잠재적 작용은 그림 2B에 나타난 ...
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최근 몇 년간 AD 유병률이 전 세계적으로 증가하고 있습니다. 이 질환은 만성 경과, 되돌릴 수 없는 특성, 장애, 높은 사망률이 특징으로, 고령화 전 세계 인구 상황에서 상당한 도전 과제입니다. AD의 주요 원인은 복잡하며, 그 발병 기전은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다51.
전통 중국 의학은 질병 예방과 치료에 있어 상당한 이점을 제공하며, 주목할 만한 효능과 비교적 높은 안전성을 보여줍니다52,53. 현대 약리학 연구들은 Gastrodia elata에 존재하는 활성 성분들이 기억력 향상, 인지 장애 완화, 신경 보호 효과에 효과가 있음을 밝혀냈습니다. Sui 등의54건 연구는 신경독성을 억제하고 Sirt3 수...
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저자들은 공개할 것이 없습니다.
이 연구는 저장과학기술대학교 소싱생의학원(SXAB202007) 오픈펀드의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| 7500 실시간 PCR 시스템 | APExBIO | S0080 | 세포자멸 세포 검출에 사용됨 |
| A450 효소 표지 기기 | 단백질기술 | 50599-2-Ig | WB, 희석 1:1000 |
| Annexin V-FITC 세포자멸사 검출 키트 | 단백질기술 | 60178-1-Ig | WB, 희석 1:1000 |
| 항백스 항체 | 단백질기술 | 10494-1-AP | WB, 희석 1:1000 |
| 항-Bcl-2 항체 | Abcam | AB32057 | WB, 희석 1:1000 |
| 항-GAPDH 항체 | 단백질기술 | 28866-1-AP | WB, 희석 1:1000 |
| 항-p-타우(Ser396) 항체 | Biofroxx | 1172 | WB용 차단 버퍼 |
| 항-p-타우 (Thr181) 항체 | 바자임 바이오텍 | A311-01/02 | 세포 생존성 분석에 사용됨 |
| 바이오프록스 탈지 분유 | 솔라비오 과학 및 기술 | D8371 | 화합물용 용매 |
| CCK-8 키트 | 와이즌트 바이오테크놀로지 | 319-105-CL | 세포 배양을 위해 |
| 디메틸 설폭사이드 (DMSO) | APExBIO (미국) | K1231 | WB 검출 시약 |
| DMEM 고포도당 미디엄 | 알라딘 생화학 기술 | G111309 | 능동 화합물 |
| ECL 화학발광 시약 | 프로메가 | 그리고 nbsp; A6101 | qPCR 증폭을 위해 |
| 유세포계 | 솔라비오 과학 및 기술 | BC6410 | 지질 과산화 분석 |
| 가스트로딘(GAS) 분말, 순도 및 ge; 98% | 메드켐익스프레스 | HY-N6785 | 타우 과인산화 유도 요인 |
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