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Biology

Análisis de glucocorticoides fecales: Monitoreo suprarrenal no invasiva en los équidos

Published: April 25, 2016 doi: 10.3791/53479

Introduction

Los objetivos método descrito para analizar las concentraciones de corticosterona en las heces de equino con el fin de proporcionar una evaluación no invasiva de la actividad suprarrenal. La medición de la actividad (HPA) eje hipotálamo-hipofisario-suprarrenal es un método aceptado para estudiar la respuesta a situaciones potencialmente aversivas en ambas especies en cautividad y domésticas. La técnica de referencia y el método más ampliamente utilizado es el uso de plasma de la sangre 1 Sin embargo, los métodos alternativos tales como el análisis fecal se han desarrollado con el fin de superar el estrés inducido por el muestreo de sangre en sí y permitir la capacidad de seguimiento de las especies que van libres.

Durante una situación aversiva, la homeostasis fisiológica se altera. El hipotálamo en el cerebro libera hormona liberadora de corticotropina (CRH) que actúa sobre la glándula pituitaria anterior y estimula la liberación de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH). ACTH entra en el torrente sanguíneo y estimula la corteza adrenal para secretar especieS glucocorticoides específicos (GC). Los glucocorticoides están estrechamente vinculados a los acontecimientos estresantes en lugar de ser producido constantemente en todos los estados elevados de energía, por lo tanto a menudo se miden en preferencia sobre otras hormonas de estrés ligado 2. Los glucocorticoides son responsables de varios efectos adaptativos en caballos. La energía se movilizó rápidamente desde los lugares de almacenamiento en el cuerpo en forma de ácidos grasos y glucosa, el consumo de oxígeno se incrementa, la función sensorial se potencia 3 y el flujo sanguíneo se reduce a las zonas no necesarias para el movimiento 4. Además de actuar como mecanismo de defensa, el aumento inducido por el estrés de glucocorticoides también puede ayudar a preparar a los animales para el siguiente factor de estrés 5.

La evaluación de los niveles de hormonas en el plasma y saliva implica la medición de la hormona circulante actual, sin embargo, la medición de los metabolitos en las medidas de heces el producto final metabólico de la hormona. esteroides circulantes son catabolizados en el liver antes de su excreción en la bilis a la donde se someten a cambios adicionales facilitadas por las actividades enzimáticas de la flora bacteriana en el tracto intestinal 6. Por lo tanto, los inmunoensayos dirigidos a los glucocorticoides en la sangre no pueden ser adecuados para el análisis de los metabolitos de glucocorticoides fecales 7.

Como recogida fecal puede llevar a cabo sin perturbación para el caballo, el análisis de heces para la corticosterona, se ha utilizado ampliamente para controlar la actividad HPA en un número de circunstancias. Corticosterona elevada en las heces de los caballos ha sido reportada en respuesta a situaciones potencialmente aversivos incluso durante el tratamiento veterinario postoperatorio 8 y 9 en la vivienda restrictiva. Toma de muestras fecales refleja un nivel de glucocorticoides combinado con el tiempo en lugar de en el punto de muestreo en tiempo ofrecido por el plasma y la saliva por lo que es apropiado para el seguimiento a largo plazo, crónica o patrones estacionales 10. Debido a la no invasivanaturaleza del método, las muestras se pueden recoger en varias ocasiones para un individuo sin la necesidad para la captura o la restricción 11. Sin embargo, las especies de tiempo específico de tránsito intestinal se debe tener en cuenta al planificar un protocolo de muestreo. En los caballos, tiempo de tránsito intestinal es de alrededor de 18 hr 12, por lo tanto, la respuesta adrenal y posteriores metabolitos de corticosterona se pueden detectar en las heces un día después de la activación inicial del eje HPA.

Cuando se utilizan técnicas de inmunoensayo no invasivos una validación cuidadosa de la especie objeto de la investigación es esencial 13. Además, las diferencias de sexo en la hormona de excreción de los metabolitos se han reportado probablemente debido a las diferencias en la tasa metabólica y el tipo de metabolito excretado corticosterona en diversas especies, incluyendo ratones 14, 15 y pollos. Por ello es importante como parte de este método que el ensayo fue validado para su uso tanto en los caballos domésticos masculinos y femeninos como se detalla en la THprotocolo de correo. Esta diferencia en el metabolismo de las hormonas entre los géneros tiene consecuencias para la calidad de los datos, sin embargo, rara vez se aborda y se incluye como parte de la validación de un ensayo.

Este método no invasivo permite una evaluación a largo plazo de la actividad suprarrenal en los caballos domésticos. Los detalles del protocolo tanto en la validación del ensayo y de la técnica de ensayo en sí.

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Protocol

Ética declaración: los procedimientos que implican temas de muestreo de campo y animales han sido aprobados por la Escuela de animal, Rural y Ciencias Ambientales (ARES) en la Universidad de Nottingham Trent.

1. Recolección de muestras fecales

NOTA: Se deben usar guantes al manipular muestras fecales y metanol. Si existe una fuerte sospecha de que un animal podría estar sufriendo de una enfermedad zoonótica, ropa protectora, como también se debe usar una bata de laboratorio.

  1. Recoger las muestras fecales tan pronto como sea posible (dentro de unos pocos minutos a una hora) después de la defecación y colocarlos en una bolsa de muestra. Tomar de tres a cinco submuestras de cualquier muestra defecado con un peso total de aproximadamente 10 g. Etiquetar la bolsa con la hora y fecha de recolección, identificación individual, y congelar la muestra a -20 ° C hasta su análisis.
  2. Para minimizar el error, congelar las muestras a -20 ° C hasta que el estudio se complete a continuación, recoger las muestras para el análisis en conjunto como un solo lote. </ Li>

2. Extracción de la hormona fecal

  1. Deje las muestras fecales que se descongele a temperatura ambiente.
  2. Asegúrese de que las muestras se homogeneizaron mezclando manualmente cada muestra en su propia bolsa de muestra.
  3. Para cada muestra pesan 0.50 (± 0.003 g) de material fecal en una microbalanza en un barco pesan a continuación, transferir las heces a un vial de vidrio de 8 ml. Use un nuevo barco pesan para cada muestra y limpiar las pinzas con metanol al 30% entre cada muestra.
  4. Combinar el 0,5 g de materia fecal con 5 ml de metanol al 90%: agua, y agitar O / N en un agitador orbital a temperatura ambiente.
  5. A la mañana siguiente, la muestra Vortex y centrifugar durante 20 minutos a 600 g.
  6. Se decanta la fracción de metanol en un tubo de vidrio de 16 x 125 mm 2 y colocar en un estante en un baño de agua a una temperatura de 37 ° C. Se evapora a sequedad del aire en una campana de humos. Enjuague el vial de extracción y colocarlo el sedimento fecal restante en una bolsa de residuos clínicos para su eliminación.
  7. Vuelva a suspender los extractos fecales en 100%, 1 ml de metanol y transferir a un tubo de polipropileno de 12 x 75 mm 2. Inmediatamente la tapa y se almacena a -20 ° C hasta su análisis.

3. Análisis Hormonal

  1. Llevar a cabo el análisis con un inmunoensayo ligado a enzimas (EIA) utilizando antisuero policlonal corticosterona CJM006.
    NOTA:. Un segundo EIA fue probado (cortisol R4866 antisuero, pero esto no logró alcanzar la etapa de validación bioquímica (ver sección 4.1) El antisuero policlonal corticosterona CJM006 y antisuero cortisol R4866 y el respectivo HRP de son suministrados por CJ Munro, Universidad de California, Davis, CA.
  2. Diluir el antisuero a 1: 15.000 en tampón de revestimiento (0,05 M NaHCO3, pH 9,6) usando una pipeta repetitiva y una punta de pipeta 50 l, cargar una placa de microtitulación de 96 pocillos con 50 l / pocillo. Cubrir la placa con un sellador de placas e incubar O / N a 4 ° C. Dejar dos pozos no recubiertos para representar los pozos de unión no específica (NSB).
  3. Inmediatamente antes de su uso lavar las placas de microtitulación cinco veces usando un lavador de placas de microtitulación automático (solución de lavado; 0,15 M NaCl, 0,05% Tween 20).
  4. Cargar las placas con 50 l por pocillo para la NSB de y pozos [tampón EIA (0,1 M NaPO 4, 0,149 M NaCl, 0,1% de albúmina de suero bovino, pH 7,0) solamente] "cero", estándares (corticosterona, 3,9 - 1.000 pg / así) o extraer muestras fecales (diluido apropiadamente a las 1:20 tampón EIA, ver sección 4.1). Normas y ceros deben ser manejados por triplicado y cuadruplicado, respectivamente. Diluidas extraer muestras fecales y de NSB deben analizar por duplicado.
  5. Siga este inmediatamente con la adición de 50 l / pocillo de la etiqueta de rábano picante conjugada con peroxidasa, diluida en tampón EIA a 1: 70.000.
  6. Se incuban las placas de microtitulación en la oscuridad durante 2 horas a RT.
  7. Lavar las placas de microtitulación con solución de lavado 5 veces y se incuban las placas a temperatura ambiente en la oscuridad con 100 l / well de RT sustrato [0,4 mM de 2,2'-azino-di- sal (3-etilbenzotiazolina sulfónico) diamonio, 1,6 mM H 2 O 2, 0,05 M citrato, pH 4,0]. Preparar el sustrato inmediatamente antes del uso.
  8. Use un espectrofotómetro a una longitud de onda de 405 nm para leer las placas de microtitulación. La incubación de las placas se considera completa cuando la densidad óptica de los pocillos cero llega a 0,8 a 1,0.
  9. Para asegurar la repetibilidad, utilizar los controles [normas EIA o una muestra biológica diluidas en tampón de EIA para unirse a aproximadamente 30% (estándar EIA), 50% (una muestra biológica, por ejemplo, la piscina de caballo doméstico extracto fecal) y 70% (estándar EIA) ] para demostrar una intra e inter-ensayo coeficientes de variación de <10% y <15%, respectivamente.

4. Enzyme Linked-inmunoensayo: Validación para la especie estudio y sexo

  1. Validación bioquímica (paralelismo)
    1. Utilizando tampón EIA, lleve a cabo una dilución en serie en agrupada fecal adicionalct, lo ideal es tomado de muestras de alta y baja concentración de la hormona sospechosos de varios individuos (rango: aseado, 1: 2 a 1: 8192) y se ejecutan en el EIA como se describe en la sección 3.
      NOTA: Un paralelismo se considera logra cuando las diluciones en serie de los extractos fecales producen una curva de desplazamiento paralelo a los resultados curva y lineal de regresión estándar demuestran R2> 0,90, una pendiente> 0,50 y p <0,05. El extracto fecal diluida en serie que se une a alrededor del 50% en la curva estándar se debe considerar la dilución ideal para ejecutar todos los extractos fecales (por ejemplo, 1:20). No hay interferencia en el ensayo considerado cuando los resultados de regresión lineal demuestran R2> 0,90 y p <0,05.
  2. Validación bioquímica (Interferencia)
    1. Pico de 200 l de los estándares diluidos en serie (cero, de 3,9 a 1000 ng / pocillo corticosterona) con 200 l de extracto fecal diluidas adecuadamente agrupada [diluida en el 50% de la unión determinada por Parallelism (1:20)] y se ejecutan en el EIA como en la sección 3. Tras gráfico de análisis EIA, la concentración observada menos el fondo (concentración de la muestra cero) frente a la concentración esperada.
      NOTA: Si la adición de extracto fecal diluida agrupado a las normas no altera significativamente la cantidad esperada y lineales resultados de la regresión produce R2> 0,90, una pendiente cercana a 1,0 y p <0,05. se ha logrado ninguna interferencia con la EIA.
  3. Validación biológica:
    NOTA: Una demostración de que la EIA elegido tiene la capacidad de medir los cambios de importancia biológica de la hormona de interés [por ejemplo, el aumento de las concentraciones de glucocorticoides siguientes farmacológico (ACTH es a menudo un procedimiento de licencia) o un desafío biológico (por ejemplo, psicológica y / o ambiental; más probable que sea un evento no regulada oportunista)].
    1. Seleccionar, extraer y analizar muestras fecales de las concentraciones de metabolitos de glucocorticoidesmediante el proceso detallado en las secciones 1 a 3 antes y después de un evento desafiante.
      NOTA: Un desafiante evento será especies específicas. Un procedimiento de ejemplo se proporciona a continuación para el caballo doméstico. Ejemplos completos de eventos desafiantes para los caballos han sido publicados anteriormente incluyendo el uso de gestión 9 y procedimientos de cría de 16. Un aumento significativo en las concentraciones de metabolitos de glucocorticoides después del evento desafiante debe ser observado y confirmado mediante análisis estadístico. Esto debe incorporar en su caso, el efecto de las medidas repetidas, fecha de la muestra e individuales. Se consideró entonces logra la validación biológica.

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Representative Results

caballos domésticos (n = 16, 8 yeguas, 8 castrados) con una edad media de 15 años (± 3) se agruparon de acuerdo con el género y se sometió a cuatro diseños de las viviendas con el aumento de los niveles de aislamiento social (n = 4 caballos / tratamiento). 1 vivienda involucrada caballos que viven en un ambiente de la manada, que simula estrechamente su hábitat natural. Viviendas 2 involucrada caballos que viven en parejas en un granero de interior. Viviendas de 3 caballos que participan alojados en establos solos pero con contacto visual con otros caballos y alojamiento 4 aislamiento total involucrado de los caballos.

La exposición a cada tratamiento fue en un diseño de bloques al azar por un período de cinco días. A raíz de esto los caballos se desviaron en potreros de gramíneas en sus grupos experimentales durante dos días antes de la exposición al siguiente tratamiento vivienda. Se recogieron muestras fecales una vez al día en los días 1, 2 y 3 pasaron dentro de cada tratamiento vivienda a partir de n = 8 caballos (n = 2 caballos dentro de cada tratamiento). Se recogieron muestras fecales tan pronto como sea posible y dentro de 1 hora después de la defecación. Todas las muestras se recogieron después de 1.200 horas en el primer día completo de estabulación significado que la primera muestra en el primer día fue recogido al menos 20 horas después de que el caballo se introdujo en el tratamiento de la vivienda. Las muestras de un día, dos y tres (total de 24 muestras por el diseño de viviendas) fueron evaluados para los niveles de corticosterona fecal reflectantes del pasado 18 horas debido a la velocidad de paso de la digesta 12. Los mismos caballos individuales se utilizaron para el análisis fecal durante todo el estudio. Para detalles completos de este desafío biológica, incluidos los parámetros de medición adicionales, ver los ejemplos de trabajo 9 alternos publicados de eventos desafiantes para los caballos domésticos también se pueden encontrar en la literatura 16.

Esta sección proporciona ejemplos de resultados de una validación bioquímica (paralelismo), tanto para corticosterone y cortisol en las heces de caballos domésticos masculinos y femeninos. Esta sección también proporciona datos representativos obtenidos a partir de la extracción y el análisis fecal EIA. Los resultados se obtuvieron como parte de un estudio más amplio que investigó el impacto del aislamiento social causado por el diseño de viviendas, en el comportamiento y fisiología equina 9.

Los resultados de la validación bioquímica revelaron que el EIA corticosterona era apropiado para medir la actividad suprarrenal [Figura 1A muestra masculina% de unión = 25,349 + 0,729 (% estándar de unión), R2 = 0.9545, F (1, 7) = 146,710, p menos de 0,001); Figura 1B muestra femenina% de unión = 29.989 + 0,7198 (unión% estándar), R2 = 0,95594, F (1, 7) = 151,865, p menos de 0,001], pero no el cortisol EIA [Figura 1C muestra masculina% de unión = 79.089 + 0.0629 (vinculante% estándar), R2 = 0,175, F (1, 7) = 1,485, p = 0,262); muestra femenina Figura 1D% De unión = 81.652 + 0,0772 (unión% estándar), R2 = 0.257, F (1, 7) = 2,422, p = 0,164]. A medida que el EIA corticosterona demostró paralelismo a diferencia de la EIA cortisol y prueba de interferencia en la corticosterona EIA reveló ninguna evidencia de interferencia de la matriz, como la adición de extracto fecal diluida a las normas de corticosterona no alteró la cantidad esperada (macho: Observado = 1.302 + 1.017 (esperados) , R2 = 0.9972, F1, 7 = 1287.128, p <0,001; femenino: Observado = 0,3169 + 1,0931 (esperados), R2 = 0.9972, F1, 7 = 2432,65, p <0,001;).

Los resultados del EIA reveló que no hubo diferencia significativa en los niveles de corticosterona entre caballos machos (M = 37,7, SD = 14,1) y caballos hembra (M = 33,8, SD = 12,7; t (70) = 1,23, p = 0,22) . El nivel de corticosterona fecal aumentó como el nivel de aislamiento aumentó. caballos aislados (diseño de carcasa 4) tenían significativamente altoer niveles de corticosterona fecal en comparación con todos los otros diseños de vivienda (Wilks Lambda = 0,58, F (3, 18) = 4,29, p = 0,01, eta parcial multivariante cuadrado = 0,42; p ≤0.02). El nivel de corticosterona fecal fue mayor para todos los caballos en los tres días de la muestra durante la carcasa más aislada en comparación con los otros tratamientos de vivienda. Las concentraciones de corticosterona fecal media para cada diseño de viviendas por cada día se presentan en la Tabla 1.

Figura 1
Figura 1. Validación bioquímica (paralelismo) de una de corticosterona y cortisol Enzyme Linked-Inmunoensayo para hombres y mujeres caballos. Esta figura detalla la unión de piscinas diluidas en serie de hombres y caballos domésticos extractos fecales femeninos contra el aumento de corticosterona y cortisol concentraciones de la curva estándar en ciento una EIA. Los resultados demuestran que lacorticosterona (A, masculino; B, femenino) y no el cortisol EIA (C, masculino; D, femenino). arrojó un éxito curva de desplazamiento paralelo a la curva estándar EIA corticosterona Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Media (± DE) CORTICOSTERONA FECAL (ng / g) en cada tratamiento VIVIENDA
TRATAMIENTO DE VIVIENDA Día 1 Dia 2 Día 3 EN GENERAL
1 31.73 ± 10.2 32,18 ± 8,0 29,22 ± 5,9 31.05 ± 7.8
2 32.75 ± 10.0 33,66 ± 12,9 34.67 ± 9.3 33.69 ± 10.3
3 35.06 ± 14.6 35,14 ± 15,9 33.13 ± 12.5 34,44 ± 13,6
</ Td> *
4 38.16 ± 17.8 42.00 ± 16.7 41,52 ± 17,6 40,56 ± 16,5

Tabla 1. La media (± DE) en heces corticosterona (ng / g) para cada tratamiento vivienda durante un día, dos y tres y media de corticosterona fecal (ng / g) para los tres días (total) en cada tratamiento Vivienda. Esta tabla muestra los valores medios de corticosterona fecal (ng / g) ± la desviación estándar para cada uno de los tratamientos de vivienda durante días uno, dos y tres. Las muestras se recogieron al menos 20 horas después de caballos entraron en la vivienda. También muestra la corticosterona fecal media (ng / g) ± desviación estándar para los tres días (en general) en cada tratamiento vivienda. El concentrat corticosterona fecalion fue significativamente mayor (*) durante el diseño de la carcasa aislada. La menor concentración de corticosterona fecal para todos los días se encontró en el grupo de tratamiento alojado (tratamiento 1). Adaptado de Yarnell et al. (2015), con el permiso de la Revista de Fisiología y Comportamiento.

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Discussion

análisis corticosterona fecal proporciona un medio de evaluar los patrones de largo plazo de la actividad suprarrenal en los caballos. La naturaleza no invasiva del método supera los efectos de confusión de otros métodos de muestreo utilizados para evaluar la actividad suprarrenal incluyendo la saliva y el plasma análisis 9. Además, la técnica tiene una clara ventaja no invasivo si el estudio de los caballos que van libres.

Hay varios puntos clave para discutir con respecto a este método y su uso apropiado. Un paso crítico en el protocolo es la validación del ensayo para la especie en cuestión y la elección anticuerpo apropiado. Si el anticuerpo utilizado reacciona de forma cruzada con metabolitos de glucocorticoides estructuralmente similares pero funcionalmente diferentes esto podría confundir los resultados 17. Por lo tanto, los ensayos para medir los metabolitos de hormonas requieren una validación fisiológica o biológica cuidado, existen detalles de que en la literatura 18,19 y dentro de la descr protocoloibed.

El estado de la muestra fecal necesita ser considerado la inclusión de frescura de la muestra y la exposición ambiental que han tanto ha demostrado que afecta los niveles de metabolitos hormonales 20. La lluvia excesiva exposición al sol o se sabe que causan aumentos o disminuciones en las concentraciones de metabolitos debido a la metabolización bacteriana 21. Los investigadores que deseen recoger muestras de diferentes grados de frescura deben investigar los efectos del tiempo sobre la integridad de la muestra, además de impacto ambiental. Esto se puede hacer antes del estudio mediante la creación de un pequeño experimento y periódicamente muestras de heces de los individuos masculinos y femeninos, con diferentes grados de frescura y la exposición a las variables climáticas.

En la mayoría de los escenarios de investigación, las muestras de individuos conocidos serán útiles o necesarios 10. En los caballos domésticos esto se puede lograr mediante el control de un grupo para la defecación o el uso de marcadores de alimentos ingeridos a Identificaciónentify heces de los individuos en grupos más grandes 12. En las especies que van gratuitas esto puede resultar de tiempo como se requiere seguimiento individual.

Al seleccionar el método de análisis de glucocorticoides se debe considerar que los resultados del ensayo de corticosterona fecal representan una muestra colectiva con el tiempo en lugar de un punto en el tiempo de medida; Por lo tanto, habrá menos fluctuación en los datos. Si el investigador está interesado en los efectos a largo plazo de una situación, la técnica de cría o en la práctica la gestión entonces el análisis fecal ofrece una técnica apropiada. Si se requiere una evaluación de los patrones de corto plazo en la concentración de la hormona a continuación, el plasma o el análisis de saliva sería el método preferido.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Corticosterone antibody & HRP kit Coralie Munro - UC Davis No longer available through UC Davis - please see Arbor Assays
Cortisol antibody & HRP kit Coralie Munro - UC Davis No longer available through UC Davis - please see Arbor Assays
Corticosterone synthetic standard hormone Sigma Aldrich 50-23-7 Harnful if ingested or with skin contact. Use in fume cupboard
Cortisol synthetic standard hormone Sigma Aldrich 15087-01-1 Harmful if ingested or with skin contact. Use in fume cupboard
Methanol Sigma Aldrich 67-56-1 Irritant. Use in fume cupboard
Sodium Bicarbonate Sigma Aldrich 144-55-8 Irritant
Sodium Carbonate Anhydrous Sigma Aldrich 497-19-8 Irritant
Sodium Phosphate Dibasic Sigma Aldrich 7558-79-4 Irritant
Sodium Phosphate Monobasic Sigma Aldrich 10049-21-5 Irritant
BSA Sigma Aldrich 9048-46-8 Irritant
Tween 20 Sigma Aldrich 9005-64-5 Irritant
Citric Acid Sigma Aldrich 77-92-9 Irritant
ABTS Sigma Aldrich 30931-67-0 Irritant
Hydrogen Peroxide 30% Sigma Aldrich 7722-84-1 Irritant
Sodium Chloride Sigma Aldrich 7647-14-5 Irritant
Buffer capsules - pH 4 VWR 332732B
Buffer capsules - pH 7 VWR 332742D
Buffer capsules - pH 10 VWR 332762H
Hydrochloric Acid Sigma Aldrich 435570 Irritant. Use in fume cupboard
Sodium Hydroxide Sigma Aldrich S5881 Irritant
Analytical balance Fisher Scientific BFS-525-010A
Air compressor
Centrifuge
Computer +printer
fridge-freezer
Drying apparatus
+tubing
Flammable liquid storagecabinet VWR 649-002
Fume cupboard
Hot-plate stirrer VWR 640-282
Microplate reader VWR
Microplate washer VWR
pH meter VWR
Eppendorf Research® pipettes - multipack option 2 VWR
Pipette - 1,000 µl VWR
Pipette - 200 µl VWR
Pipette - 20 µl VWR
Repeater pipette VWR
Pipette filler VWR
Orbital shaker Progen Scientific
Sonicator Hilsonic
Vortex VWR
Warm water bath
Water purification system Millipore

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References

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Yarnell, K., Purcell, R. S., Walker, More

Yarnell, K., Purcell, R. S., Walker, S. L. Fecal Glucocorticoid Analysis: Non-invasive Adrenal Monitoring in Equids. J. Vis. Exp. (110), e53479, doi:10.3791/53479 (2016).

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