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Biochemistry

Detección de fitoestrógenos usando un ensayo de receptores de estrógeno a base de células β Reporter

Published: June 7, 2020 doi: 10.3791/61005

Summary

Hemos optimizado un receptor de estrógeno disponible comercialmente β ensayo reportero para la detección de alimentos de primates humanos y no humanos para la actividad estrogénica. Validamos este ensayo al mostrar que el alimento humano estrogénico conocido de soja de alimentos humanos registra altos, mientras que otros alimentos no muestran actividad.

Abstract

Las plantas son una fuente de alimento para muchos animales, y pueden producir miles de productos químicos. Algunos de estos compuestos afectan los procesos fisiológicos en los vertebrados que los consumen, como la función endocrina. Fitoestrógenos, los fitoquímicos endocrinos activos más bien estudiados, interactúan directamente con el eje gonadal hipotálamo-pituitario del sistema endocrino vertebrado. Aquí presentamos el novedoso uso de un ensayo basado en células para examinar extractos vegetales para detectar la presencia de compuestos que tienen actividad biológica estrogénica. Este ensayo utiliza células de mamíferos diseñadas para expresar altamente el receptor de estrógeno beta (ERβ) y que han sido transfectadas con un gen luciferasa. La exposición a compuestos con actividad estrogénica da como resultado que las células produzcan luz. Este ensayo es una forma fiable y sencilla de probar la actividad estrogénica biológica. Tiene varias mejoras sobre los ensayos transitorios de transfección, sobre todo, la facilidad de uso, la estabilidad de las células y la sensibilidad del ensayo.

Introduction

Las plantas son una fuente necesaria de alimento para muchos animales, proporcionando calorías y nutrientes críticos para la supervivencia, reproducción, crecimiento, desarrollo y comportamiento1. Las plantas producen miles de productos químicos, muchos como adaptaciones para su propio crecimiento, mantenimiento estomático y reproducción. Otros compuestos, considerados metabolitos secundarios vegetales (PSM), tienen funciones menos claras, aunque algunos son tóxicos y probablemente utilizados como defensa contra herbívoros y parasitismo (por ejemplo, alcaloides, taninos)2,3. Algunos de estos productos químicos tienen la capacidad de afectar los procesos fisiológicos a largo plazo en animales, como el funcionamiento endocrino, aunque por qué estos fitoquímicos endocrino-activos interactúan con el sistema endocrino vertebrado todavía no está claro2,4.

Los fitoestrógenos, los fitoquímicos endocrinos activos más estudiados, son PSM polifenólicos que imitan estructural y funcionalmente los estrógenos, interactuando directamente con el eje gonadal hipotalo-pituitario del sistema endocrino vertebrado5. La ingestión de fitoestrógenos en la dieta humana se asocia con la protección contra algunos tipos de cáncer, enfermedades cardíacas y síntomas menopáusicos, aunque otros efectos incluyen problemas de fertilidad. De hecho, los efectos fisiológicos de estos compuestos fueron descubiertos en la década de 1940 cuando la infertilidad en ovejas se atribuyó a su pastoreo en trébol rico en fitoestrógenos (Trifolium subterrareum)6. Cuando se ingiere, fitoestrógenos pueden pasar a las células e imitar los efectos del estrógeno. Mientras que los fitoestrógenos tuvieron efectos negativos sobre la fertilidad de las ovejas, la relación entre fitoestrógenos y fisiología no es simple. Al igual que las ovejas, los rinocerontes blancos del sur muestran sensibilidad a los compuestos estrogénicos en piensos derivados de grandes cantidades de soja y alfalfa. Las hijas de mujeres alimentadas con esta dieta durante el embarazo tienen menos probabilidades dereproducirse 7. Sin embargo, otros estudios han demostrado que los fitoestrógenos también pueden tener efectos positivos, incluyendo la maduración de folículos ováricos en ratones mayores8,prevención de ciertos tipos de cáncer, actividad antioxidante, y efectos antiproliferativos9.

La amplitud de los efectos de los fitoestrógenos no es sorprendente dado que los estrógenos afectan a una amplia gama de funciones biológicas, incluyendo el crecimiento, el desarrollo y la regulación de los sistemas nerviosos reproductivos y centrales10. Aunque hay muchos mecanismos de acción, fitoestrógenos a menudo tienen la capacidad de modificar, mejorar, o interrumpir la señalización de estrógeno a través de su capacidad para actuar como ligandos para los receptores de estrógeno intranuclear alfa y beta (ERα y ERβ). Muchos fitoestrógenos tienen una estructura de anillo fenólico similar a los estrógenos que les permite unir receptores de estrógeno. Aquellos con actividad estrogénica agonística funcionan como estrógeno, formando un complejo activado de ligando ER que puede dimerizar y unirse a un elemento de respuesta de estrógeno (ERE) y desencadenar la transcripción del gen11. Por lo tanto, estrógenos y fitoestrógenos regulan la actividad celular y las funciones del sistema a través de sus acciones como factores de transcripción.

Aquí presentamos el novedoso uso de un ensayo basado en células para examinar extractos vegetales para detectar la presencia de compuestos que tienen actividad biológica estrogénica. Este ensayo utiliza células CHO de ovario de hámster chino diseñadas para expresar altamente ERβ, que han sido transfectadas con el gen luciferasa firefly(Photinus pyralis)vinculado a un promotor de ERE12. Cuando hay compuestos estrogénicos, se unen a urgencias, dimerizan y se unen al ERE, lo que lleva a la transcripción del gen luciferasa. Tras la adición de una solución de sustrato, la luciferasa cataliza una reacción que conduce a la emisión de fotones. Por lo tanto, las muestras positivas producen muestras ligeras y negativas.

Este ensayo disponible comercialmente elimina la necesidad de laboratorios para transfectar las células de mamíferos con el gen reportero y el receptor de estrógeno13,14, que era inestable y variable en eficacia. El ensayo proporciona una plataforma de transfección estable que permite determinar rápida y simplemente si una planta tiene actividad estrogénica a través de la unión de receptores.

Probamos la hipótesis de que la soja tiene mayor actividad estrogénica que todos los demás alimentos dadas sus concentraciones conocidas de isoflavonas estrogénicas15 utilizando alimentos humanos de supermercados locales.

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Protocol

1. Preparación de materiales vegetales

  1. Congelar los artículos de plantas secas que fueron recogidos frescos usando un liofilizador.
    1. Para proteger las muestras de la luz, cubra las cámaras con papel de aluminio durante el proceso de secado.
    2. Para asegurar que las muestras estén completamente secas, liofilizar hasta que las cámaras ya no se sientan frías al tacto y los materiales vegetales ya no pierdan masa cuando se pesan.
    3. Almacene las plantas secas en bolsas estériles de residuos bajos en ausencia de luz hasta la molienda.
  2. Moler finamente muestras utilizando un molino de molienda con pantalla de malla de 0,85 mm.
    1. Guarde las muestras de tierra en las bolsas en ausencia de luz hasta su extracción.

2. Extracción de metabolitos secundarios vegetales

  1. Para extraer los metabolitos secundarios de la planta, utilice una proporción de 1 g de muestra seca a 10 ml de metanol grado HPLC.
    1. Pesar la muestra en una balanza analítica y añadirla a un matraz Erlenmeyer de tamaño adecuado (125 – 250 mL). A continuación, agregue el volumen adecuado de metanol. Registre la masa de la muestra extraída.
    2. Cubra la solución de metanol de la planta con papel de aluminio, y luego ajuste para girar a una velocidad de 100 rpm a temperatura ambiente (RT) durante 3 días en un agitador orbital, permitiendo que los compuestos potencialmente estrogénicos se disuelvan en el metanol.
    3. Decantar el sobrenadante en un sistema de filtración por goteo utilizando papel filtrante (125 mm).
    4. Con un evaporador rotativo, seque el extracto de la planta hasta que la muestra se espese, pero vierta, en un matraz de fondo redondo de 300 ml. Vierta la muestra en un matraz de fondo redondo de 50 ml, enjuagando el matraz grande con una pequeña cantidad de metanol. Continúe secando la muestra en el pequeño matraz hasta que el metanol se evapore por completo.
    5. Pesar los residuos de la muestra utilizando un equilibrio analítico. Registre la masa de residuos.
    6. Disolver el extracto de la planta en sulfóxido de dimetil (DMSO) a una concentración de 0,1 g de extracto a 2 ml de DMSO. Vórtice hasta homogeneizar.
    7. Almacene la solución de extracción de la planta-DMSO a 4 °C en viales de vidrio ámbar hasta el ensayo.

PRECAUCIÓN: Las plantas pueden producir productos químicos biológicamente activos desconocidos, y DMSO es un vehículo que puede transportarlos a través de las membranas celulares. Utilice el equipo de protección personal adecuado y el cuidado al manipular estas muestras.

3. Receptor de estrógeno humano β ensayo de transfección12

NOTA: Se requiere técnica aséptica y una campana de flujo laminar para el día 1 del protocolo de ensayo.

  1. Prepare diluciones de 17β-Estradiol para la curva estándar.
    1. Transfiera el medio de detección de recuperación celular y compuesto (CSM) del almacenamiento del congelador y descongele en un baño de agua de 37 °C.
    2. Tubos de microcentrífuga de etiqueta Intermedios 1 y 2 (INT1, INT2) y 1-8.
    3. Rellene INT1 con 995 μL de CSM, INT2 con 615 μL de CSM, tubo 1 con 900 μL de CSM y tubos 2-8 con 600 μL de CSM. Deja a un lado el tubo 8.
    4. Transferir 5 μL de 100 μM 17β-Estradiol Stock a INT1. Deseche la punta. Vórtice.
    5. Antes de cada transferencia, enjuague la pipeta 3 veces y, a continuación, transfiera 10 μL del INT1 al INT2. Deseche la punta.
    6. Enjuague la pipeta 3 veces y, a continuación, transfiera 100 μL del INT2 al tubo 1. Deseche la punta. Transferir 300 μL del tubo 1 al tubo 2. Repita los tubos del 3 al 7. Deseche 300 μL del tubo 7 en un contenedor de residuos. El tubo 8 es un Cero y no recibe estradiol. Las concentraciones finales de los estándares chapados son: 400, 133.3, 44.44, 14.815, 4.938, 1.646, 0.5487 y 0 pM estradiol.
  2. Preparar compuestos de muestra.
    1. Muestras de vórtice.
    2. Tome 4 μL de cada muestra de planta en DMSO y agregue a 496 μL de CSM para producir una solución DMSO del 0,8%.
  3. Descongela rápidamente las células de los reporteros.
    1. Recuperar el tubo del medio de recuperación celular del baño de agua de 37 °C. Desinfectar la superficie exterior usando 70% etanol.
    2. Recuperar células reporteras de -80 °C de almacenamiento y descongelar mediante la transferencia de 10 ml del CRM pre-calentado en el tubo de las células congeladas.
    3. Cierre el tubo de células reporteras y transfiéralo a un baño de agua de 37°C durante 5-10 min.
    4. Recuperar el tubo de la suspensión de celda reportera del baño de agua. Invertir el tubo de las células varias veces suavemente para romper los agregados de las células y producir una suspensión homogénea. Limpie la superficie del tubo con un 70% de etanol.
  4. Chapado de ensayo
    1. Dispense 100 μL de la suspensión de celda reportera en cada pozo utilizando una pipeta multicanal.
    2. Dispense 100 μL de muestras en triplicato en pozos de ensayo apropiados.
    3. Transfiera la placa a una incubadora de 37 °C, humidificada 5% CO2 para 22-24 h.
  5. Sustrato de detección de deshielo y búfer de detección en un refrigerador oscuro durante la noche para prepararse para el día 2.
  6. Justo antes del final de la incubación de placas, retire el sustrato de detección y el búfer de detección del refrigerador y colóquelo en zona de poca luz hasta que esté equilibrado a RT. Una vez en RT, invierta cada tubo suavemente varias veces para mezclar soluciones a fondo.
    1. Inmediatamente antes de que se complete la incubación, vierta todo el contenido del búfer de detección en el tubo del sustrato de detección para crear reactivo de detección luciferasa. Mezcle suavemente para no producir espuma.
    2. Una vez completada la incubación, invierta la placa para desechar el contenido en un contenedor de residuos adecuado. Toque suavemente la placa en una toalla de papel absorbente limpia para eliminar las últimas gotas de los pozos.
    3. Agregue 100 μL del Reactivo de Detección luciferasa a cada pozo. Deje reposar la placa de ensayo en RT durante 15 minutos. No agite el plato.
  7. Cuantifique la luminiscencia utilizando un luminosómetro de lectura de placas de 96 pozos.

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Representative Results

Veintidós extractos de frutas y verduras comúnmente encontrados en las dietas humanas fueron examinados para la presencia de compuestos estrogénicos. Se adivinó una variedad de alimentos, incluyendo legumbres, como soja, guisantes de nieve y guisantes, ya que la familia de guisantes es una fuente conocida de fitoestrógenos16,así como higos, dátiles, maíz, zanahorias, manzanas, plátanos, fresas, tomate, col rizada y repollo. Los compuestos disruptores endocrinos se encuentran en sustancias comunes (por ejemplo, plásticos y pesticidas) y algunos son biológicamente activos a través de losERs 17. Cuando fue posible, se adivino tanto artículos orgánicos como no cultivados orgánicamente para tener en cuenta la posibilidad de que los pesticidas con actividad estrogénica pudieran haber afectado los resultados.

Cada alimento vegetal fue chapado en triplicado y el luminosómetro reportó la actividad de cada pozo en unidades de luz relativa (RLUs). Los niveles de fondo de las RLUs se determinan en la curva estándar con el estándar 8, la concentración cero y se utilizan como referencia.  El valor de activación del pliegue, que es el multiplicador por encima del RLU para el punto cero de la curva, se calcula mediante la ecuación:

Activación del pliegue = desconocido (RLU) ÷ estándar 8 (RLU)

Para fines interpretativos, la actividad estrogénica se presenta de una manera ordinal y cualitativa de Alta, Med, Baja o Ninguna Actividad. Los altos niveles de actividad se registran por encima del valor de activación estándar 4 fold. Las caídas medias entre el estándar 5 y el estándar 4, y los valores bajos están entre el estándar 6 y el estándar 5. Cualquier muestra con valores de activación de plegado por debajo de la Norma 7 se considera Sin actividad. Refiriéndose al Cuadro 1,la soja, tanto orgánica como no orgánica, se examina en altos niveles de actividad, mientras que todos los demás productos hortofrutícolas no registraron actividad. La comparación de los resultados de soja con la curva estándar(Figura 1),muestra que, ya sea cultivada orgánicamente o no, obtienen una puntuación alta fuera de la curva para los niveles de actividad de estradiol en esta concentración. Extracto de soja, una fuente potente conocida de las isoflavonas daidzein y genistein9, se utilizó aún más para determinar la dilución que produce una señal del 50% al máximo (Figura 2). Este extracto requiere 422 veces más dilución para producir la mitad de la señal de nuestro protocolo de dilución estándar.

Producir artículo Orgánico/ no orgánico Unidades de luz relativa (Lum) Activación del pliegue Activación del pliegue (media) Actividad fitoestrógena
Soja Orgánica 1687 29.016 31.06 Alto
2023 34.796
1706 29.353
Soja No orgánico 2041 35.106 32.05 Alto
1956 33.647
1593 27.399
Tirabeques No orgánico 53 0.919 0.92 Sin actividad
59 1.015
49 0.836
Snap Peas No orgánico 66 1.142 1.21 Sin actividad
60 1.032
85 1.462
Maíz No orgánico 29 0.502 0.53 Sin actividad
30 0.513
33 0.575
Fresa No orgánico 35 0.609 0.77 Sin actividad
47 0.808
51 0.884
Fresa Orgánica 56 0.956 0.88 Sin actividad
59 1.015
39 0.678
Plátano Orgánica 32 0.544 0.52 Sin actividad
28 0.489
31 0.533
Plátano No orgánico 33 0.564 0.60 Sin actividad
41 0.712
31 0.533
Plátano No orgánico 37 0.64 0.70 Sin actividad
39 0.667
47 0.805
Col rizada Orgánica 26 0.447 0.47 Sin actividad
26 0.444
30 0.519
Col rizada No orgánico 40 0.685 0.63 Sin actividad
28 0.485
42 0.719
Col Orgánica 33 0.568 0.54 Sin actividad
27 0.468
34 0.588
Col No orgánico 44 0.757 0.66 Sin actividad
34 0.585
36 0.626
manzana Orgánica 30 0.523 0.49 Sin actividad
25 0.437
30 0.509
manzana No orgánico 41 0.705 0.62 Sin actividad
31 0.53
37 0.63
Tomate Orgánica 51 0.874 0.87 Sin actividad
57 0.974
44 0.76
Tomate No orgánico 61 1.056 1.19 Sin actividad
81 1.386
66 1.128
Zanahoria Orgánica 33 0.575 0.51 Sin actividad
33 0.561
22 0.382
Zanahoria No orgánico 31 0.53 0.52 Sin actividad
21 0.365
38 0.657
higo No orgánico 29 0.506 0.61 Sin actividad
42 0.716
36 0.619
Fechas No orgánico 29 0.495 0.59 Sin actividad
39 0.667
35 0.602

Tabla 1. Resultados representativos del sistema de ensayo ERβ Reporter para la detección de artículos de frutas y verduras para la actividad fitoestrógena. La actividad positiva está indicada por Alta, Med, Baja o Ninguna Actividad.

Figure 1
Figura 1. Dilución en serie de 17β-Estándar de estradiol (Estándar de 1 a 8 concentraciones = 400, 133.3, 44.44, 14.815, 4.938, 1.646, 0.5487 y 0 pM, respectivamente) utilizando el sistema de ensayo ERβ Reporter. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. El ensayo ERβ Reporter utilizando una dilución en serie del extracto de soja para determinar la dilución que produjo una relación señal-fondo que es el 50% de la señal máxima. Desde el método de extracción estándar que disuelve el extracto de la planta en sulfóxido de dimetil (DMSO) a una concentración de 0,1 g de extracto a 2 ml de DMSO, la soja tiene que diluirse 422 veces para obtener una señal 50% de la respuesta máxima. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El ensayo de reportero ERβ desarrollado para examinar individualmente agentes farmacéuticos también es adecuado para la detección de alimentos vegetales para fitoestrógenos biológicamente activos a través del ERβ. Las consideraciones importantes en el protocolo incluyen el tratamiento de las muestras vegetales con cuidado: el material vegetal fresco debe secarse rápidamente para evitar el moldeo u otra degradación biológica, y debe mantenerse alejado de la luz para evitar la fotolisis de los compuestos18. El protocolo de ensayo12 proporcionado por el fabricante es claro y necesita muy pocas modificaciones para fines de cribado. La curva estándar sugerida por el fabricante ha sido modificada en este protocolo para aumentar el número de puntos que caen en el rango exponencial de la curva(Figura 1),conservando al mismo tiempo las mesetas superior e inferior. Es posible utilizar este ensayo para el análisis cuantitativo, pero nuestro propósito es asociar las plantas con alta actividad a los efectos biológicos, la elección de los alimentos y otros comportamientos en los animales que las consumen.

Para ilustrar aún más la eficacia de la extracción y el ensayo, incluimos una curva de respuesta a dosis con extracto de soja(Figura 2)y determinamos que dada la potencia del protocolo de extracción normal, la soja debe diluirse extensamente antes de que la señal baje al 50% máximo. Esto pone de relieve el hecho de que a altas concentraciones de fitoestrógenos la señal se estanca en una señal máxima estable. A concentraciones muy bajas, la señal puede no ser lo suficientemente fuerte como para distinguirse de fondo. Es importante trabajar con altas concentraciones de extractos, con el fin de detectar fitoestrógenos presentes en cantidades bajas en una muestra, minimizando los falsos negativos. Inicialmente, el laboratorio utilizó un mayor volumen de DMSO en relación con los residuos vegetales procedentes de la extracción de metanol (es decir, 10 ml de DMSO a 0,1 g de residuos vegetales). Las muestras fueron demasiado diluidas para inducir una fuerte luminiscencia en muestras positivas. Debido a un porcentaje máximo de DMSO para la viabilidad de la célula de reportero y las restricciones de volumen dentro de los pozos de la placa, la concentración de extracto de muestra debe optimizarse al agregar DMSO a los residuos de la planta. Un control positivo como la soja debe incluirse en cada placa, para confirmar que las células son viables y capaces de luminiscencia, y que la concentración de extracto es suficiente para provocar una respuesta.

Este ensayo detecta compuestos que se unen a ERβ, pero no todos los fitoestrógenos tienen el mismo mecanismo de acción. Este protocolo de ensayo se puede modificar incubando las células con una combinación de estradiol y los compuestos vegetales para detectar si hay actividad antiestrógenos en una muestra9,12. El estradiol tiene una gran afinidad con er, por lo que la presencia de fitoestrógenos puede tener actividad biológica antiestrógena en presencia de estradiol mediante el bloqueo de los receptores, lo que reduce la respuesta a los estrógenos. La actividad antiestrogénica se detectaría mediante una reducción de la activación total con una concentración creciente de extracto vegetal. Este ensayo no detectará otros métodos de acción, como la unión a los ER19enlazados a membrana. Además, algunos fitoestrógenos no son biológicamente activos hasta que han sido metabolizados por microbios intestinales20. Es posible que algunas plantas que no tienen actividad estrogénica o baja en su estado no metabolizado tengan mayor actividad estrogénica post-metabolización que este ensayo no detectaría.

El ensayo reportero ERβ ha sido elegido para ejemplificar el cribado de fitoestrógenos para la actividad en plantas porque los fitoestrógenos compiten por la unión con estradiol más fuertemente a ERβ que a ERα21. La detección de la actividad de ERα es posible a través de un ensayo similar, en el que las células se transfectan con el gen ERα en lugar de ERβ.

Después de una detección positiva de fitoestrógenos activos, los compuestos activos se pueden identificar con métodos de cromatografía. De hecho, en ese momento los compuestos aislados se pueden probar utilizando este ensayo y la mitad de las concentraciones efectivas máximas (CE50)se pueden determinar utilizando una serie de dilución como medida de potencia del compuesto.

Este ensayo es una forma fiable y sencilla de probar la actividad estrogénica biológica, teniendo en cuenta sus limitaciones en la amplitud de los mecanismos de actividad estrogénica. Tiene varias mejoras sobre los ensayos transitorios de transfección, sobre todo la facilidad de uso, la estabilidad de las células y la sensibilidad del ensayo.

Poco se sabe acerca de la prevalencia de fitoestrógenos en alimentos vegetales silvestres consumidos por los seres humanos o animales salvajes22,pero los estudios demuestran que la exposición a psms estrogénicos en la dieta puede tener efectos de larga duración23. Tener un simple ensayo robusto que detecta estos compuestos, junto con estudios que evalúan las cantidades consumidas y cuándo se comen, es un paso poderoso en la determinación de la función de incluir alimentos estrogénicos en la dieta y los efectos de estos compuestos en los sistemas fisiológicos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores están agradecidos a Dale Leitman por el entrenamiento inicial en el uso de ensayos transitorios de transfección para determinar la actividad estrogénica de los alimentos vegetales primates. Gracias a Bradford Westrich y C. Eric Johnson por ayudar a establecer equipos de laboratorio y capacitar a los estudiantes en métodos de extracción. Por último, gracias a la Universidad de Indiana por financiar esta investigación.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1000 µL pipette
20 µL pipette
200 µL pipette
37 ° water bath
37 °, humidified 5% CO2 incubator
70% ethanol
analytical balance
cell culture-rated laminar flow hood
dimethyl sulfoxide
disposable media basin, sterile
drip filtration system
Erlenmeyer flasks 125 mL and 250 mL
HPLC grade methanol
Human ERβ Reporter Assay System, 1 x 96-well format assays Indigo Biosciences IB00411 Assay kit - analyzes 24 samples plus standard curve
lyophilizer
multi-channel pipette
orbital shaker
plate-reading luminometer ex. Bioteck Synergy HTX
rotory evaporator
round bottom flasks 50 mL and 300 mL
sterile microcentrifuge tubes or sterile multi-channel media basins
sterile tips 200 µL and 1000 µL
Whatman grade 1 paper
whirl-pak bags sterile polyethylene bags

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References

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Chester, E. M., Fender, E.,More

Chester, E. M., Fender, E., Wasserman, M. D. Screening for Phytoestrogens using a Cell-based Estrogen Receptor β Reporter Assay. J. Vis. Exp. (160), e61005, doi:10.3791/61005 (2020).

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