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Bioengineering

문화를 셀에 충격파 응용 프로그램

Published: April 8, 2014 doi: 10.3791/51076

Summary

충격파는 요즘 그들의 재생 효과가 알려져있다. 따라서 생체 외 실험은 증가 관심입니다. 따라서 우리는 이에 산만 물리 효과를 방지 생체 내 조건에서 모방하기 위해 우리를있게 체외 충격파 시험 (IVSWT)에 대한 모델을 개발했다.

Abstract

충격파는 요즘 그들의 재생 효과가 알려져있다. 기초 연구 결과는 충격파가 후속 손상없이 세포 나 조직을 대상으로 생물학적 자극을 일으킬 않는 것으로 나타났다. 따라서, 생체 외 실험은 증가하는 관심입니다. 세포 배양에 충격파를 적용하는 다양한 방법이 설명되었다. 일반적으로, 기존의 모든 모델은 최고 세포에 충격파를 적용하는 방법에 초점을 맞 춥니 다.

그러나이 질문은 남아있다 :​​ 어떻게 세포 배양을 통과 한 후 파도는 어떻게됩니까? 세포 배양 배지의 음향 임피던스와 주위 공기의 차이점은 충격파의 99 % 이상을 반사 얻을 높은! 따라서 우리는 주로 파도 세포 배양 물을 통과 한 후, 물에 전파 할 수있는 플렉시 내장 용기로 구성 모델을 개발 하였다. 이것은 캐비테이션 효과뿐만 아니라, 그렇지 않으면 곧 사람을 방해 할 파도의 반사를 방지 할 수 있습니다. 무선이 모델 일을 우리는 생체 조건을 모방하여 충격파의 물리적 자극이 생물학적 세포 신호 ( "mechanotransduction의")로 번역되는 방법에 대한 더 많은 지식을 얻을 수 있습니다.

Introduction

충격파 에너지, 예를 들어 갑자기 릴리스에서 발생하는 음압 파도입니다. 천둥 번개와 같은 경우. 의학에서는 충격파는 신장 결석의 붕괴에 쇄석술에서 30 년 이상 사용되어왔다. 1980 년대 초 쇄석술 환자 장골 비후 부수적 발견 이후, 첫번째 연구 일 치유 뼈에 충격파 치료 (SWT)의 효과를 평가하기 위해 실시 하였다. 긴 뼈의 불유합의 개선 치유의 인상적인 결과 2를 관찰 할 수있다. 그 후, 표시는 부드러운 조직 상처 3으로 확장되었다. 기초 연구 결과는 충격파가 후속 손상없이 표적 조직에 대한 생물학적 자극을 일으킬 않는 것으로 나타났다. 혈관 성장 인자 (예를 들어, VEGF, PlGF, FGF)의 출시는 중요한 혈관옵니다. 이 허혈성 병변으로 표시의 추가 확장되었다. 우리 그룹과 다른 긍정적 인 EFF을 보여 주었다요법 동물 모델에서 허혈성 심장 질환에 SWT뿐만 아니라 임상 시험 4-6.

그러나, SWT의 물리적 자극이 생물학적 신호 (mechanotransduction의)로 번역하는 방법의 정확한 메커니즘은 크게 알려지지 않은 남아있다. 지속적으로 약을 증가 여러 분야에서 SWT에 대한 관심으로, 메커니즘에 대한 탐구는 점점 더 강렬을 받고있다. 따라서, 체외 충격파 실험 중요성을 얻고있다. 동물 실험 및 비용 효율성의 감소 외에, 체외 충격파 치료 (IVSWT)의 가장 큰 장점은 특정 세포 유형의 특정 행동을 연구의 가능성 일 수있다. 충격파 매개 조직 재생에서 대부분 처리 된 조직의 모든 세포가 관여하고, 심지어는 조직의 효과에 대해 설명합니다. 그럼에도 불구하고, 각각의 세포 유형은 특정한 역할을하며 자체적 본질적인 기능을 갖는다. IVSWT이 특정 기능을 감지하는 우리를있게ND하여 우리에게 복잡한 내부 프로세스의 더 나은 이해를 제공합니다.

세포 배양에 충격파의 효과에 대한 오늘날의 지식 확산의 증가, 세포막 수용체의 변경, 증가 및 세포 분화 촉진, 성장 인자와 화학 - 유인의 방출 증가뿐만 아니라 세포의 이동 7-9를 포함한다.

체외 모델 세포 배양에 충격파를 적용하는 다양한 방법에있는 대부분의주의를 분산시키는 물리적 인 효과를 설명 하였다. 이 사실은 세포 자극의 물리적 조건이 모델 사이에 상당히 다릅니다대로, 결과를 비교하기 위해 매우 어려운 문제로 연결됩니다. 일반적으로, 기존의 모든 모델은 최고 세포에 충격파를 적용하는 방법에 초점을 맞 춥니 다.

그러나이 질문은 남아있다 :​​ 어떻게 세포 배양을 통과 한 후 파도는 어떻게됩니까? 주요 문제는 탄성의 차이세포 배양 배지 및 외기의 임피던스는 충격파의 99 % 이상은도 1을 반영 얻을 그 높다.

때문에 두 매체의 음향 임피던스의 차이에 파도가 반영됩니다 뿐만이 아니라 세포가 그림 2에 180 °의 위상 변화는 강한 인장력의 결과로 발생합니다.

음향 임피던스는 재료의 밀도의 제품 및 음속 Z가 X = ρ C로서 정의된다. 물 음향 임피던스는 공기에만 420 ns의 / m 3이고, ZWater = 1,440,000 ns의 / m 3입니다. 이 두 값의 큰 차이는 충격파의 반사와 위상 변화가 발생합니다. 위상 시프트는 인장 파에 정압 펄스를 점등.

이 인장력은 세포에 유해하지 않은 경우에도, 그것은 생체 체외 충격파 효과를 흉내의 아이디어를 방해한다. 생체 이러한인장력이 거의 인해 큰 몸 구조에 발생하지 않습니다.

또한, 파도를 실행하는 다시도 들어오는 사람을 방해 할 수 있습니다. 이 간섭을 일으킬 수 있습니다. 간섭의 두 가지 종류가 알려져있다. 보강 간섭은 모두 파도가되어 두 배 진폭 그림 3의 결과로 추가 된 것을 의미한다. 파도는 정반대을 충족하는 경우 파괴적인 간섭이 발생합니다. 그것은 파도의 폐지 (그림 3)이 발생합니다. 따라서 IVSWT는 세포 배양 물을 통과 한 후 전파하는 충격파를 가능하게하는 모델을 필요로한다.

IVSWT 물 목욕

위에서 언급 한 문제 다음과 같은 고려 사항은 기술 문제는 기본적으로,이 충격파 주걱의 모든 종류를 연결하는 막 용기를 내장 플렉시 글라스로 구성되어 있습니다. 그림 4 피하기위한 물 목욕을 설계하는 우리를 이끌. 이 멤브레인과 어플리케이터 초음파 송신 GE 간의 커플 링내가 사용할 수 있습니다. 수욕은 가스가 물 내 soluted 경우 발생할 것이다 캐비테이션을 피하기 위해 탈기 만수. 제어 유닛에 연결된 온도 센서와 아래쪽 히터 생체 조건 본뜬 대한 온도를 조절하도록하고 절차 중에 식혀 세포 배양을 피할 수있다. 이 인큐베이터에서 수행 될 때 온도는 섭씨 37도에서 안정적으로 유지 될 수있다. 세포 샘플 홀더 문화 플라스크 또는 튜브의 종류를 가라 앉히기 수 있습니다. 이것에 의해, 시료 용기는 기포가 충격파를 차단하는 것처럼 완전 배양 배지로 충전 될 필요! 목욕의 후면 벽에 쐐기 모양의 흡수를 위해 반사 및 간섭을 방지하기 위해 다시 실행 얻을 수없는 파도를 자멸.

다른 IVSWT 모델과 다른 이점은 애플리케이터 및 배양 플라스크 사이의 거리를 변화의 가능성이다. 이 모델은 명확하게들 사용하는 우리 그룹의 연구 결과와 다른모든 세포 유형은 서로 다른 처리 매개 변수를 매우 구체적으로 어떻게 반응하는지있다. 이 충격파 어플리케이터의 포커스 관련된 특정 위치로 셀을 제어하는​​ 우리를있게 더욱이, 파도의 소스와 샘플 사이의 거리를 정의하는 것이 중요하다.

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Protocol

윤리 허가

환자의 서면 동의서를받은 후, 탯줄 인간 제대 정맥 내피 세포 (HUVEC를)의 분리를위한 산부인과의 부에서 제왕 절개에서 얻을 수 있었다. 권한은 인스 브루 크 의과 대학 (제 UN4435)의 윤리위원회에서 주어졌다.

1. IVSWT 물 목욕에게 준비

  1. 적절한 탱크에 수돗물의 3.5 L를 준비합니다. 물 (프로토콜 6 참조) 37 ° C로 가열 할 필요가있다.
  2. 수위가 약 3cm 가장자리 아래까지 수조에 물을 채운다. 물에 완전하게 막을 커버하는 마음. 이 약 제조 된 3.5 L.가 필요합니다
  3. 전원에 온도 센서를 연결한다.
  4. 수욕의 뒷벽에 끼워 맞춤 의도로 센서를 탑재.
  5. 온도 센서의 전원 공급 장치에 가열을 연결한다. 하지 않고이 작업을 수행하지 마십시오히터와 목욕 물은 플렉시 유리를 녹여 것이다.
  6. 물은 37 ℃의 안정된 온도에 도달 할 때까지 기다립니다 물을 욕조에 걸쳐 일정한 온도를 보장하기 위해 지팡이의 일종으로 정기적으로 물을 저어.

2. 세포와 배양 플라스크를 준비

  1. 그들이 원하는 합류에 도달 할 때까지 직접 T25 문화 플라스크 또는 문화 플라스크에 세포에서 원하는 농도에서 밤새 종자 세포.
  2. 실험 전에 수직으로 플라스크를 맞 춥니 다.
  3. 바로 자신의 목 아래까지 배양 배지와 배양 플라스크를 입력합니다. 오염 된 얻을 것이다 목 또는 폐쇄 캡에 접촉 매체로 플라스크에 너무 많은 매체를 기입하지 마십시오.
  4. 물에서 오염을 방지하기 위해 필터없이 단단한 모자와 플라스크를 고정합니다. 욕조에 물 목욕 자체가 멸균 높지 않습니다.
  5. 물을 욕조에 삽입하기 전에 파라 필름과 모자를 밀봉.
  6. <리> 제공된 스탠드에 밀봉 배양 플라스크를 고정합니다.
  7. 수조에 고정 된 플라스크를 삽입합니다. 세포 배양 플라스크의 중간 충격파 어플리케이터의 멤브레인의 중심과 같은 높이에 있음을 다룬다. 목욕의 측면 라인을 안내합니다.

3. 치료 매개 변수에게 정의

  1. 충격파 소스와 샘플 사이의 거리를 정의합니다. 그림 6에 설명 된대로 매개 변수를 찾는 파일럿 실험을 실시하여 완벽한 처리 매개 변수를 확인합니다.
  2. 충격파 장치에 적당한 처리 파라미터 (에너지 플럭스 밀도, 주파수)를 선택한다. 다시 말하지만, 그림 6을 참조하십시오.

4. 충격파 응용 프로그램

  1. 충격파 어플리케이터에뿐만 아니라 수조의 멤브레인에 시판 초음파 송신 겔 충분한 양을 넣어. 이 커플 링을 보장하는 것입니다. 에 공기 거품은 주걱과 막 사이에 없어야합니다그것은 충격파를 흡수합니다.
  2. 막에 도포를 연결하고 멤브레인의 중심에서 안정을 유지. 이 가로로 정렬되어 있는지주의하십시오.
  3. 수조 내부의 프로브의 정확한 수직 위치가 표시된 목욕의 측면에 마킹 라인에 있는지 확인하십시오.
  4. 수평 라인에서 도포하고 플라스크의 안정 센터를 누릅니다.
  5. 충격파 단말기를 등록하고 전체 공정 중에 안정한 위치에서 배양 플라스크뿐만 아니라 어플리케이터를 유지하면서 자극을 적용한다.

5. 후 처리

  1. 수조 밖으로 문화 플라스크를 가져 가라.
  2. 일반적인 종이 타월로 건조.
  3. 소독제와 정확하게 플라스크를 닦습니다.
  4. 파라 필름 바다 표범 어업 및 캡을 제거합니다.
  5. 원심 튜브에 플라스크 내부의 중간 피펫.
  6. 적절하게 원심 분리기. 원심 분리 매개 변수가 사용되는 세포의 종류에 따라,
  7. 플라스크에 세포 배양 배지 5 ㎖를 추가합니다. 세포 배양 배지 2 ㎖로 원심 분리 세포 펠렛을 재현 탁. 플라스크에 현탁액을 피펫. 따라서, 치료 기간 동안 분리되어있다 세포 조각이나 세포가 손실되지 않습니다.

주의 할 점

  1. 제조뿐만 아니라 치료는 세포 배양의 오염을 피하기 위해 층류 내부의 멸균 조건 하에서 수행되어야한다.
  2. 좋은 세포 배양 연습은 프로브의 오염을 방지하는 것이 좋습니다. 특히 플라스크의 외부의 소독 강하게 인큐베이터에 넣기 전에하는 것이 좋습니다. 수욕뿐만 아니라 물 내부는 멸균 아니다!
  3. 수욕은 목욕을 내장 플렉시의 손상을 피하기 위하여 만수 않는 전원에 히터를 연결하지 않는다.
  4. 충격파 APPL에 초음파 젤의 관대 한 금액을 사용icator는 욕조에 적절한 결합과 전파를 보장합니다. 공기와도 작은 기포는 충격파를 흡수한다!
  5. 전체 성장 영역의 치료를 보장하는 어플리케이터 관련 수조 내부의 프로브의 위치를​​ 확인한다.
  6. 오염을 방지하기 위해 너무 깊은 물에 프로브를 덩크하지 마십시오.

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Representative Results

탯줄로부터 우리는 상술 절연 우리가 인간 제대 정맥 내피 세포에 충격파를인가 한 방법 (HUVEC를) 사용. 탯줄은 선택 과목 제왕 섹션에서 얻을 수 있었다.

HUVEC를는 전자 유압식 충격파 치료 시스템과 T25 세포 배양 플라스크에 90 % 합류에 처리 하였다. 처리 파라미터는 0.1 엠제이 / mm 2, 5 Hz의 주파수의 에너지 플럭스 밀도되었습니다. 300는 임펄스 충격파 소스로부터 5cm의 거리에서 셀 층에인가 하였다.

동점-2의 유전자 발현 (면역 글로불린과 같은 EGF-도메인과 같은 티로신 키나제 2)의 mRNA를 실시간 PCR 분석으로 측정 하였다. 그림 (b) :, 그것은 (100.03 ± 7.5 : 156.75 ± 14.49, 4 시간 : 141.03 ± 9.71, 6 시간 P <CTR 대 0.05 166.68 ± 2.15 2 시간 포스트 SWT)은 시간이지나면서 상향 조절 크게했다. 이 안지 오포 이에 틴 수용체는 내피 C에 대한 직접 힌트를 제공합니다 엘 증식과 혈관 신생을 향한 자신의 능력에 대한 지표이다. 양성 대조군으로 우리는 많은 사용 (I : C) (polyinosinic polycytidylic 산)이 RNA 구조의 아날로그은 내피 세포 (2 시간 포스트 SWT 자극하는 것으로 알려져 있습니다로 : 125.7 ± 10.08, 4 시간 : 191.73 ± 5.15, 6 시간 : 400.93를 19.62 ±, P <0.05 대 CTR : 103.65 ± 6.18)도 5A.

사이토 카인의 배열은 0.05 대 CTR 29.50 ± 0.87 주 염증성 사이토 카인에게 IL-6 (59.97 ± 1.24, P <0.05 대 CTR 19.00 ± 0.44)과 IL-8 (71.89 ± 1.52, P는 <분석 48 시간 처리 한 후 실시 하였다 )이 실질적으로 초기에 혈관 신생에 참여하고 있습니다. 사이토킨 배열도 5c에 의해 정량 한 후도 5d와 같이 크게 두 처리 군에서 증가 하였다.

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그림 1. 충격 파도 세포 배양 플라스크에 직접 적용됩니다. 파도의 약 99 %가함으로써 세포 곧 파도에 물리적 장애를 일으키는 원인이되는 플라스크의 뒤쪽 벽에서 반사 얻을. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2. 공기 통로에 물에서 파도의 위상 변화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 ontent 폭 FO = "5 인치"SRC = "/ files/ftp_upload/51076/51076fig3highres.jpg"SRC = "/ files/ftp_upload/51076/51076fig3.jpg"/>
실행하고 들어오는 파도가 발생할 수 백 사이에 그림 3. 간섭. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
그림 4. 가장 중요한 부분의 설명과 함께 IVSWT 물 목욕을 묘사. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 5 TLR-3 작용제와 RNA의 구조 아날로그 폴리 자극 (A)을 HUVEC.. (I : C)과 충격파가 HUVEC를 명확하게 데이터 세포 증식의 상당한 증가를 묘사하는 자극의 (B) 타이-2 mRNA의 발현은 주어진 상대 mRNA의 발현으로, ± SEM을 의미합니다. IL-6, IL-8의 증가 수준을 나타내는 사이토 카인 배열의 (C) 결과. (D) 사이토 카인의 배열의 결과 (픽셀 밀도)의 정량을 묘사, ± SEM을 의미한다. * P <0.05, ** p <0.01, *** P <0.001 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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특정 세포 유형에 대한 완벽한 치료 매개 변수를 확인하는 파일럿 재판 그림 6. 계획. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

체외 충격파 치료를 위해 제안 된 모델의 중요성은 파도 기존 모델 대조 세포 배양을 통과하여 전파 할 수 있다는 사실이다. 이로써, 그러한 인장력 같은 물리적 교란 효과를 피할 수있다. 이 모델은 더 밀접하게 다른 사람들이 직접 자신의 세포 배양 플라스크에 파도를 적용하여보다 생체 내 조건에서 유사합니다.

추가적인 장점은 충격 파 소스와 셀 사이의 거리를 변화의 가능성이다. 직접 문화 플라스크를 치료 경우에 할 수없는 것입니다. 그러나, 생체 얼마나 깊은 대상 조직 내부에 따라 도포 및 목표 영역 사이의 거리의 소정의 차이에서. 동시에 하나의 파의 포커스 포인트에 해당하는 위치에 되 세포의 효과를 연구 할 수있다.

첫 번째 실험을 실시

캘리포니아의 경험에 따르면,rdiomyocytes, 내피 세포, 섬유 아 세포 및 줄기 세포, 모든 세포 유형은 특정 처리 매개 변수를 필요로한다. 따라서 우리는 강력하게 원하는 실험을 실시하기 전에 적절한 처리 매개 변수의 평가를위한 파일럿 재판을 추천합니다. 이 파일럿 재판은 충격파 도포 및 샘플뿐만 아니라 다른 에너지 플럭스 밀도 사이의 서로 다른 거리를 포함 할 필요가있다. 또한 펄스의 가장 적절한 수는 확립되어야한다. 충격파를인가 주파수는 여전히 관심사이다 - 심지어 생체. 파일럿 재판을 찾는 처리 매개 변수에 적합한 프로토콜은 보충 그림 6과 같이 제공된다.

최적의 배양 용기의 사용은 실험의 성공을 위해 높은 중요성이다. 우리는 모든 크기의 일반적인 세​​포 배양 플라스크를 선호합니다. 예를 들어, 완전히 충격파 동안 배를 채우는 작은 볼륨을 필요로 - 그러나 다른 혈관을 사용하는 이유가있을 수 있습니다pplication. 보기의 음향 지점에서 적합한 재료이다 PE (Z = 1'760'000 ns의 / m 3), 소프트 고무 (Z = 1'270'000 ns의 / m 3) 폴리 아미드 (Z = 1'960'000 NS는 / m 3). 이상적이지는 PVC (3'270'000 ns의 / m 3) 유기 유리 (Z = 3'260'000 ns의 / m 3) 델린 (3'450'000 ns의 / m 3) 폴리 카보네이트 (2'770'000 ns의 /이다 m 3) 또는 폴리 프로필렌 (2'400'000 NS 개의 / m 3). 유리 또는 금속과 같은 단단한 재료는 사용하지 않아야한다.

중요한 단계

충격파 소스와 샘플 사이의 거리를 정의하는 것은 상당히 까다로울 수있다. 그 이유는 소스 (전자 유압 시스템의 예는 전극 팁) 어플리케이터 내에 위치된다는 것이다. 따라서, 어플리케이터 맨틀에 소스로부터의 거리를 알 필요가있다. 당신은 충격파 장치 제조업체에 문의해야 할 수도 있습니다.

이 모델의 단점은 세포 배양 바이알이 될 필요가 있다는 사실이다문화 매체로 채워진. 예를 들면 세포 배양 플라스크 채우는 배지 증가하여 비용이 소비를 의미한다. 비용 외에,이 사실은 또한 세포가 분비간에 강하게 희석된다는 것을 의미한다. 분자를 검출하기 때문에 훨씬 더 큰 어려움으로 인해 감소 농도 가져옵니다. 따라서, 우리는 원심 분리에 대한 단백질 필터를 사용함으로써, 다시 농도를 증가하기 시작했다.

상술, IVSWT위한 본문 수정이 조직 배양 및 생체 외 모델의 사용 상태로 세포 배양 튜브의 다른 유형의 용도 외. 특히, 우리의 그룹은 대동맥 링 혈관 분석 (10)의 완벽한 결과로 테스트했습니다. 이것은 IVSWT 수조로 장기 조직 또는 조직 공학적 이식의 종류를 보유 할 수 있다는 것을 의미한다. 향후 따라서 생체 외 충격파 애플리케이션 설계 이식편의 세포 파종 방법의 다른 종류를 향상시키기 위해 사용될 수있다.

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Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgments

저자는이 모델에 대한 자신의 영감을 라이너 Schultheiss 볼프강 Schaden 감사합니다. 우리는 또한 우리의 연구를 지원하기 위해 자신의 모든 시간 엄청난 노력에 대한 기독교 Dorfmüller 감사합니다.

우리의 생각에주의 기술 실현을위한 로버트 Göschl 한스 Hohenegger에 많은 감사!

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Orthogold shock wave device Tissue Regeneration Technologies, Woodstock, GA – manufactured by MTS-Europe GmbH, Konstanz, Germany
IVSWT Water Bath V2.0 Johann Hohenegger - Technical Products
EBM-2 Basal Medium 500 m +EGM-2 SingleQuot Suppl. & Growth Factors Lonza CC-3156 & CC-4176 This medium was used for the shown experiments with HUVECs to fill the cell culture flask. For other cell types, use the recommended medium.
Pechiney Parafilm M PM996 Pechiney Plastic Packaging PH-LF-PM996-EA at labplanet.com for sealing flasks
Falcon Serological pipettes 25 ml Becton Dickinson Labware 357525
CellMate II Serological Pipette  Matrix Technologies
Skintact Ultrasonic Gel Skintact UL-01 250 ml
T25 Cell culture flasks COSTAR 3056
Mikrozid disinfectant Schülke
3.5 L Degassed water
Paper towels

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References

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생물 제 86 충격파 요법 (SWT) 세포 배양 mechanotransduction의 인간 제대 정맥 내피 세포 (HUVEC를)
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Holfeld, J., Tepeköylü,More

Holfeld, J., Tepeköylü, C., Kozaryn, R., Mathes, W., Grimm, M., Paulus, P. Shock Wave Application to Cell Cultures. J. Vis. Exp. (86), e51076, doi:10.3791/51076 (2014).

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