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Biology

Istituzione e manipolazione genetica degli organoidi epatociti murini

Published: February 12, 2022 doi: 10.3791/62438
* These authors contributed equally

Summary

Un sistema di coltura organoide 3D ex vitro a lungo termine è stato stabilito da epatociti di topo. Questi organoidi possono essere passati e manipolati geneticamente dall'infezione da lentivirus di costruzione shRNA/ectopica, trasfezione di siRNA e ingegneria CRISPR-Cas9.

Abstract

Il fegato è l'organo più grande nei mammiferi. Svolge un ruolo importante nella conservazione del glucosio, nella secrezione proteica, nel metabolismo e nella disintossicazione. Come esecutore per la maggior parte delle funzioni epatiche, gli epatociti primari hanno una capacità proliferante limitata. Ciò richiede l'istituzione di modelli di espansione epatocitaria ex vivo per la ricerca fisiologica e patologica epatica. Qui, abbiamo isolato gli epatociti murini mediante due fasi di perfusione di collagenasi e stabilito una coltura organoide 3D come "mini-fegato" per ricapitolare le interazioni cellula-cellula e le funzioni fisiche. Gli organoidi sono costituiti da popolazioni cellulari eterogenee tra cui progenitori ed epatociti maturi. Introduciamo il processo in dettaglio per isolare e coltivare gli epatociti murini o gli epatociti fetali per formare organoidi entro 2-3 settimane e mostriamo come passarli con il pipettaggio meccanico su e giù. Inoltre, introdurremo anche come digerire gli organoidi in singole cellule per l'infezione da lentivirus di costruzione shRNA / ectopica, trasfezione di siRNA e ingegneria CRISPR-Cas9. Gli organoidi possono essere utilizzati per schermi farmacologici, modelli di malattie e ricerca epatica di base modellando la biologia epatica e la patobiologia.

Introduction

Gli organoidi sono cluster in vitro auto-organizzati, tridimensionali (3D) che includono cellule staminali auto-rinnovanti e cellule differenziate multi-linea1,2. Gli organoidi di molti organi sono stati stabiliti da cellule staminali pluripotenti o adulte da fattori di nicchia ben definiti tra cui l'intestino, il cervello, il colon, il rene, il fegato, il pancreas, la tiroide, lo stomaco, la pelle e il polmone3,4,5,6,7 . Gli organoidi ricapitolano le funzioni fisiche delle cellule imitando lo sviluppo (originato da cellule staminali pluripotenti embrionali o indotte, PSC) o la progressione dell'omeostasi/rigenerazione (originata da cellule staminali adulte, ASC), che apre nuove strade nella ricerca e nella terapia delle malattie8,9.

Essendo il più grande organo dei mammiferi, il fegato è principalmente responsabile della conservazione, del metabolismo e della disintossicazione. Due tipi di cellule epiteliali, epatociti e colangiociti, costruiscono l'unità di base di un lobulo epatico. Gli epatociti sono responsabili del 70-80% della funzionalità epatica10. Sebbene il fegato abbia una notevole capacità di rigenerazione, la rapida perdita delle caratteristiche degli epatociti si verifica durante la tradizionale coltura monostrato mediante polarizzazione cellulare disregolata e dedifferenziazione, il che aumenta la necessità di ricercatori e medici di costruire modelli epatici "gap-bridging" in un piatto. Tuttavia, fino a poco tempo fa i modelli di espansione ex vivo degli epatociti primari non erano stati ben stabiliti11,12,13,14,15. Gli organoidi epatici possono essere stabiliti da cellule staminali pluripotenti embrionali / indotte, conversione dei fibroblasti in cellule simili agli epatociti e cellule derivate dai tessuti. Lo sviluppo di organoidi epatici stimola l'applicazione di un modello in vitro per screening farmacologici e saggi di tossicità epatica16,17.

Qui, descriviamo un protocollo dettagliato per stabilire organoidi epatici da epatociti primari murini. Utilizzando questo protocollo, abbiamo creato un sistema di coltura in vitro di organoidi epatocitari con due perfusioni di collagenasi. Questi organoidi possono essere passati per un'espansione a lungo termine per mesi. La loro funzione fisiologica è altamente coerente con gli epatociti. Inoltre, forniamo anche una descrizione dettagliata di come eseguire la manipolazione genetica, come l'infezione da lentivirus, la trasduzione del siRNA e l'ingegneria CRISPR-Cas9 utilizzando organoidi. La propagazione degli organoidi epatocitari fa luce sulla possibilità di utilizzare gli organoidi per comprendere la biologia epatica e sviluppare approcci di medicina personalizzati e traslazionali.

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Protocol

Tutti gli esperimenti sui topi sono stati approvati dal Comitato per la cura e l'uso degli animali della School of Basic Medical Sciences dell'Università di Shandong e sono stati effettuati secondo la Licenza secondo le linee guida e i regolamenti del Ministero degli Interni (No. ECSBMSSDU2019-2-079).

NOTA: Questo protocollo viene utilizzato principalmente per la coltura di organoidi 3D da epatociti primari isolati.

1. Istituzione della coltura di epatociti murini

NOTA: La matrice extracellulare come Matrigel o BME viene utilizzata come matrice basale per la coltura di organoidi. Conservare la matrice extracellulare a -20 °C e pre-scongelarla a 4 °C o sul ghiaccio. Mantenere la matrice extracellulare sul ghiaccio durante gli esperimenti. Il mezzo di lavaggio è Advanced DMEM/F12 integrato con GlutaMAX, HEPES e penicillina/streptomicina. Un incubatore standard (37 °C, atmosfera umidificata, 5% di CO2) viene utilizzato per la coltura di organoidi.

  1. Preparazione dei materiali
    1. Preparare gli strumenti necessari per l'esperimento: il cuscino del mouse, strumenti chirurgici sterili come pinzette, forbici, tubi e una pompa con una portata di 2-10 ml / min.
    2. Preparare i reagenti compreso il tampone di perfusione, il tampone di digestione e renderli sterili per l'isolamento degli epatociti. Aggiungere collagenasi fresca di tipo IV (0,10 mg/ml) e CaCl2 (0,50 M) e preriscaldare il tampone a 37 °C a bagnomaria.
    3. Preparare il mezzo condizionale per produrre R-spondin 1 e tutte le scorte chimiche e dei fattori di crescita secondo le istruzioni del produttore.
      NOTA: Evitare di congelare e scongelare frequentemente il mezzo condizionale e le scorte. Preparare la coltura media fresca e utilizzarla entro un mese. Questo è fondamentale per l'efficienza di formatura degli organoidi.
  2. Isolamento degli epatociti murini mediante perfusione epatica e digestione
    NOTA: Topi maschi o femmine di età compresa tra 12 settimane e 6 mesi sono stati utilizzati per la coltura di organoidi. Non sono state riscontrate differenze evidenti nell'efficienza di formazione degli organoidi rispetto all'età del topo donatore all'interno di questo intervallo.
    1. Eutanasia del topo con un metodo eticamente approvato.
    2. Fissare il mouse sul cuscino del mouse e pulire la pelliccia addominale e la pelle con alcol al 70%. Esporre l'addome e sollevare il fegato sopra il resto del corpo. Fai un'incisione della linea mediana per esporre il fegato.
    3. Riempire il tubo collegato alla pompa con tampone di perfusione. Fare un'incisione della vena porta (circa 1/3 del diametro della vena) e posizionare con cura un catetere in esso. Sollevare gli organi digestivi per aiutare a inserire la cannula. Una cravatta con la linea chirurgica è opzionale per evitare scivolamenti e rotture.
    4. Avviare la pompa ed eseguire la perfusione ad una portata di 5-7 ml/min con tampone di perfusione. Se il fegato diventa pallido immediatamente, tagliare la vena cava inferiore per consentire al tampone di perfusione di fluire attraverso tutto il fegato e scacciare il sangue.
    5. Quando il flusso in uscita diventa pulito, rimuovere la cannula. Ci vogliono circa 5-10 minuti.
    6. Cambiare il tampone di perfusione con tampone di digestione preriscaldato ad una velocità di 5 ml/min. Non interrompere la pompa fino a quando il fegato diventa morbido e si gonfia. Rimuovere il catetere quando il fegato smette di gonfiarsi.
      NOTA: È molto importante mantenere un tempo di digestione adeguato per evitare una digestione eccessiva e ottenere singole cellule del fegato.
    7. Tagliare il fegato e metterlo in una piastra da 100 mm riempita con 15 ml di mezzo di lavaggio a freddo. Tagliare i legamenti con piccole forbici. Strappare il fegato a pezzi con punte di pipetta o pinza.
    8. Pipettare su e giù delicatamente per rilasciare le cellule fino a quando il tampone è saturo di cellule (12-15 volte). Versare la sospensione cellulare in un tubo da 50 ml attraverso filtri da 70 μm.
    9. Centrifugare per 1-3 minuti a 50 x g e 4 °C. Decantare il surnatante. Facoltativamente, risospesere le cellule con il mezzo di lavaggio o risospescere direttamente le cellule con il terreno di coltura. Conta le cellule con un emacitometro.
    10. Distinguere le cellule vive o morte dalla macchina contacellulare dopo la colorazione del colorante cellulare vivo.
      NOTA: È meglio purificare gli epatociti usando il freddo 40% di Percoll. Dopo questo passaggio, gli epatociti vitali saranno nella parte inferiore dei tubi.
  3. Coltura e passaggio di organoidi
    1. Rimuovere il surnatante e risospese gli epatociti con una miscela di matrice extracellulare e terreno di coltura in un rapporto di 3:1.
      NOTA: si consigliano 10.000-20.000 cellule in una miscela da 50-60 μL per pozzetto per una piastra da 24 pozzetti. È importante lavorare rapidamente e mantenere la miscela su ghiaccio durante tutto il processo. A questa concentrazione si potrebbero formare 200-500 organoidi.
    2. Aggiungere la goccia di cella / miscela sulla piastra con piccole goccioline per evitare che la goccia si colleghi insieme. Incubare la piastra nell'incubatore cellulare a 37 °C, 5% DI CO2 per 5-10 minuti e quindi estrarre la piastra per 20-25 minuti fino a quando la matrice extracellulare diventa solida.
    3. Aggiungere il terreno di coltura (500 μL per pozzetto per una piastra a 24 pozzetti) nei pozzetti e restituire la piastra all'incubatore per la coltura organoide. Cambia il mezzo ogni 3-4 giorni. Osservare gli organoidi fino a quando non sono abbastanza grandi da essere passati.
      NOTA: Un diametro con circa 400-500 μm è adatto per il passaggio di organoidi epatocitari.
    4. Isolare gli organoidi dalla matrice extracellulare con il processo dettagliato di seguito. Tenere una pipetta Pasteur di vetro in una fiamma per restringerne l'apertura (di ~1/2). Pipettare meccanicamente su e giù 5-10 volte per dissociare gli organoidi in organoidi più piccoli durante il passaggio.
      NOTA: Durante il passaggio, preparare le punte e i tubi in micropipette prelavati con tampone di lavaggio a punta per evitare la perdita di organoidi che si attaccano ai tubi o alle punte.

2. Manipolazione genetica degli organoidi epatociti murini

  1. Cellule singole da organoidi epatociti
    1. Aggiungere 500 μL di soluzione di recupero a freddo medio/cellulare a ciascun pozzetto. Pipettare su e giù per distruggere la miscela di matrice cellulare / extracellulare con una micropipetta e quindi trasferire la sospensione organoide in un tubo centrifugo da 15 ml su ghiaccio. Facoltativamente, ruotare il tubo su e giù di tanto in tanto per scongelare accuratamente la miscela.
    2. Centrifugare per 5 minuti a 500-800 x g e 4 °C ed eliminare il surnatante. Aggiungere 1 mL di soluzione di tripsina al pellet e pipettarlo per mescolare. Incubare a 37 °C per 5-10 minuti e quindi interrompere la digestione aggiungendo un volume 2x di mezzo di lavaggio.
    3. Centrifugare per 5 minuti a 800 x g e 4 °C ed eliminare il surnatante. Risospesciare il pellet con terreno di coltura e contare le cellule usando un emacitometro.
  2. trasfezione di siRNA o plasmidi
    NOTA: gli organoidi più piccoli con un diametro inferiore a 50 μm o le singole cellule di organoidi epatocitari vengono trasfettati con siRNA usando lipofectamine o plasmidi usando reagente di trasfezione secondo le istruzioni del produttore.
    1. Mescolare siRNA o plasmidi con reagente di trasfezione. Aggiungere singole cellule da organoidi e la miscela Lipofectamine-RNA/Lipo-plasmide (ad esempio, RNAiMAX) in 1-2 pozzetti nella piastra a 24 pozzetti e centrifugare per 1 ora a 500 x g e 32 °C. Dopo la centrifugazione, incubare la piastra nell'incubatore per 4-5 ore a 37 °C.
    2. Raccogliere le cellule e il seme in matrice extracellulare con terreno di coltura ad una concentrazione di 10.000 cellule per pozzetto. Cambiare il mezzo nella condizione di selezione due giorni dopo la trasfezione. Valutare l'efficienza di formazione degli organoidi dopo 10 giorni.
  3. Infezione lentivirale
    NOTA: piccoli organoidi con un diametro inferiore a 50 μm o singole cellule di organoidi epatociti sono infettati da lentivirus utilizzando reagenti di infezione secondo le istruzioni del produttore.
    1. Mescolare 250 μL della sospensione unicellulare dall'organoide e 250 μL di particelle virali in un tubo da 1,5 mL.
    2. Impiattare la miscela e centrifugare per 1 ora a 500 x g e 32 °C. Incubare per 4-5 ore a 37 °C.
    3. Raccogliere le cellule e il seme in matrice extracellulare con terreno di coltura. Cambiare il mezzo nella condizione di selezione due giorni dopo la trasfezione. Valutare l'efficienza di formazione degli organoidi dopo 10 giorni.
  4. Ingegneria genetica di CRISPR/Cas9
    NOTA: Forniamo video per questa performance nei materiali supplementari. Singole cellule di organoidi sono state infettate da lentivirus o trasfettate da plasmidi portatori di sgRNA e Cas9.
    1. Digerire singole cellule da organoidi epatociti coltivati e passaggio secondo il metodo di cui sopra.
    2. Infettare singole cellule con sgRNA utilizzando il mezzo Opti-MEM e reagenti di infezione secondo le istruzioni del produttore.
    3. Mescolare 250 μL di una sospensione unicellulare e 250 μL di particelle virali insieme in un tubo da 1,5 mL.
    4. Centrifugare la miscela da 500 μL per 1 ora a 500 x g e 32 °C e quindi incubare per 4-5 ore a 37 °C.
    5. Raccogliere la sospensione cellulare e il seme in matrice extracellulare. Valutare l'efficienza di formazione degli organoidi dopo 10 giorni.

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Representative Results

Gli organoidi epatociti della femmina Alb-Cre; Il topo Rosa26-GFP (8 settimane) è stato osservato cinque giorni dopo la semina (Figura 1A). Gli organoidi proliferano con la colorazione positiva Ki67 (Figura 1B). L'espressione interferente di geni rappresentativi negli organoidi epatocitari mediante trasfezione di siRNA o infezione da lentivirus è stata esaminata mediante qRT-PCR e western blot. I risultati sono mostrati nelle Figure 2A e 2B. La Figura 2C mostra i risultati della selezione degli organoidi epatici dopo 14 giorni di trattamento con RSL-3 e lo screening della libreria genomica CRISPR/Cas9. I risultati suggeriscono che questi organoidi potrebbero essere espansi in vitro e geneticamente manipolati.

Figure 1
Figura 1: Insediamento ed espansione e di organoidi epatociti murini.  (A) Immagine rappresentativa di organoidi epatocitari di Alb-Cre; Rosa26-GFP. La barra della scala è di 400 μm. (B) Immagine rappresentativa dell'intero staning di organoidi epatocitari con anticorpi b-catenina e Ki67. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Manipolazione genetica di organoidi epatociti murini. (A) Il livello di mRNA di Hdac3 e Wee1 rispetto a GAPDH negli organoidi epatocitari dopo trasfettati con siRNA. Le barre di errore rappresentano errori standard (n=3). (B) Analisi occidentale degli organoidi infettati da lentivirus. (C) Immagine rappresentativa di organoidi epatici dopo screening CRISPR-Cas9 in terreno di coltura con selezione RSL-3. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Materiale supplementare. Fare clic qui per scaricare questo file.

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Discussion

La capacità di coltivare epatociti maturi per lunghi periodi è fondamentale nello studio della scienza di base del fegato, della tossicologia dei farmaci e delle infezioni epatotropiche di microbiologia dell'ospite come la malaria e i virus dell'epatite. Con una nicchia ben definita, il protocollo qui imposta un sistema di coltura per gli epatociti. Questo protocollo spinge gli epatociti maturi ad espandersi in coltura 3D con un'eterogeneità che ricapitola l'interazione cellula-cellula, la maggior parte delle funzioni epatocitarie e le modificazioni genetiche, consentendo la progettazione di studi sulla funzione genica e nuove vie terapeutiche verso la terapia rigenerativa.

Gli epatociti di alta qualità sono molto importanti per la creazione e la manipolazione genetica degli organoidi epatocitari. Il tempo di digestione del trattamento con collagenasi è piuttosto critico. Tuttavia, rimangono alcune limitazioni nel metodo. In primo luogo, più fattori di nicchia sono suggeriti in uno studio per aiutare gli organoidi ad espandersi più a lungo. In secondo luogo, agli organoidi non piace essere singole cellule consecutivamente e frequentemente. Gli organoidi derivati dagli epatociti sembrano ricapitolare la risposta rigenerativa dei fegati adulti dopo epatectomia parziale, ma sono ancora diversi dagli epatociti maturi quiescenti.

Da notare, l'uso di organoidi epatocitari per espandere gli epatociti apre nuove strade per gli studi sulla funzionalità genica epatica. Si prevede che la co-coltura di organoidi con cellule vascolari, cellule immunitarie e virus epatici studierà ulteriormente l'angiogenesi, i microambienti e le malattie infettive del fegato. Un sistema standard ad alto schermo con questi organoidi è raccomandato anche per uno studio di disintossicazione ex vivo.

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Disclosures

Gli autori non rivelano conflitti.

Acknowledgments

Ringraziamo il professor Hans Clevers per aver gentilmente fornito le linee cellulari per produrre R-spondin1 ricombinante. Questo lavoro è stato supportato dalle sovvenzioni del National Key R&D Program of China (2019YFA0111400), della National Natural Science Foundation of China (31970779) a H.H. e del Funds for Youth Interdisciplinary and Innovation Research Group della Shandong University (2020QNQT003) a H.H.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Perfusion Buffer
EGTA Sangon Bitech A600077-0100 3.50 g/L
Glucose Sangon Bitech A100188-0500 9.00 g/L
KCl Sangon Bitech A100395-0500 4.00 g/L
Na2HPO4·12H2O Sangon Bitech A501727-0500 1.51 g/L
NaCl Sangon Bitech A501218-0001 80.0 g/L
NaH2PO4·2H2O Sangon Bitech A610404-0500 0.78 g/L
NaHCO3 Sangon Bitech A500873-0500 3.50 g/L
Phenol Red Sangon Bitech A100882-0025 0.06 g/L
Digestion Buffer
CaCl2 Sangon Bitech A501330-0005 0.50 M
Collagenase IV Sigma C1639 0.10 mg/mL
HEPES Sangon Bitech C621110-0010 23.80 g/L
KCl Sangon Bitech A100395-0500 4.00 g/L
Na2HPO4·12H2O Sangon Bitech A501727-0500 1.51 g/L
NaCl Sangon Bitech A501218-0001 80.0 g/L
NaH2PO4·2H2O Sangon Bitech A610404-0500 0.78 g/L
NaHCO3 Sangon Bitech A500873-0500 3.50 g/L
Tip-wash Buffer
Fetal Bovine Serum Gibco 10091148 stored at 4 °C
DPBS Gibco C14190500BT0 stored at 4 °C
Wash Medium
Advanced DMEM/F12 Invitrogen 12634-010 stored at 4 °C
GlutaMAX Gibco 35050-061 100 X
HEPES Gibco 15630-080 100 X
Penicillin/streptomycin Sangon Bitech  A600135-0025 100 X
Culture Medium
A83-01 Tocris 2939 Stock concentration 500 µM, final
concentration 2 µM
Advanced DMEM/F12 Invitrogen 12634-010 stored at 4 °C
B-27 supplement 50x, minus vitamin A Gibco 1704-044 50 X
Chir 99021 Tocris 4423 Stock concentration 30 mM, final
concentration 3 µM
DMEM/F12 Gibco 11330032 stored at 4 °C
Gastrin I Tocris 3006 Stock concentration 100 mM, final
concentration 10 nM
GlutaMAX Gibco 35050-061 100 X
HEPES Gibco 15630-080 100 X
Matrigel martix BD 356231 stored at -20 °C
N-acetylcysteine Sigma Aldrich A9165 Stock concentration 500 mM, final
concentration 1 mM
Nictinamide Sigma Aldrich N0636 Stock concentration 1 M, final concentration 3 mM
Penicillin/streptomycin Sangon Bitech  A600135-0025 100 X
Recombinant human EGF Peprotech AF-100-15 Stock concentration 100 µg/ml,final concentration 50 ng/ml
Recombinant human FGF10 Peprotech 100-26 Stock concentration 100 µg/ml, final concentration 100 ng/ml
Recombinant human HGF Peprotech 100-39 Stock concentration 100 µg/ml, final concentration 25 ng/ml
Recombinant Human TGF-α Peprotech 100-16A Stock concentration 100 µg/ml, final concentration 100 ng/ml
Recombinant Human TNF-α Origene TP750007-1000 Stock concentration 100 µg/ml, final concentration 100 ng/ml
Rho kinase inhibitor Y-27632 Abmole Bioscience Y-27632 dihydrochloride Stock concentration 10 mM, final concentration 10 µM
Rspondin-1conditioned medium Stable cell line generated in the Hu Lab. Final concentration 15%.
Others
0.22 µm filter Millipore SCGPT01RE
16 # silicone tube LangerPump
24 well, suspension Greiner bio-one GN662102-100EA
37 °C Water Bath
70 µm filter BD 352350
Accutase stemcell AT-104 stored at 4 °C
Anti-CTNNB1 BD 610154 Mouse
Anti-GAPDH CST 5174S Rabbit
Anti-HDAC7 Abcam ab50212 Mouse
Anti-KI67 Abcam ab15580 Rabbit
Biological safety cabinet ESCO CCL-170B-8
Cell Recovery Solution Corning 354253 stored at 4 °C
Centrifuge 5430 eppendorf 542700097
CO2 incubator ESCO AC2-4S1
DMSO Sangon Bitech  A100231 stored at RT
EVOS FL Color Imaging Systems Invitrogen AME4300
Hdac3 siRNA Guangzhou RiboBio Co., Ltd. siG2003180909192555 stored at -20 °C
Hdac7 lentivirus ShanghaiGenePharmaCo.,Ltd LV2020-2364 stored at -80 °C
Hitrans G A Shanghai Genechem Co.,Ltd. REVG004 Increased virus infection efficiency
Image Pro Plus software Media Cybernetics, Bethesda, MD, USA version 6.0
Lipofectamin RNAiMAX Transfection Reagent Invitrogen 13778150 Increased virus infection efficiency
Live cell dye Luna F23001 stored at 4 °C
Low-speed desktop centrifuge cence TD5A-WS/TD5AWS
Nucleofactor-α 2b Device Lonza
Opti-MEM Gibco 31985070 stored at 4 °C
Pasteur pipette Sangon Bitech F621006-0001
Peristaltic pump LangerPump BT100-2J
PVDF membrane Millipore IPVH00010 Activate with methanol
PX458 Addgene 48138 stored at -80 °C
Refrigerated centrifuge Thermo Scientific Heraeus Labofuge 400
RSL3 MCE HY-100218A Stock concentration 10 mM, final concentration 4 µM
Trypsin/EDTA Gibico 25200072 stored at 4 °C
Wee1 siRNA Guangzhou RiboBio Co., Ltd. siG2003180909205971 stored at -20 °C

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References

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Biologia Numero 180
Istituzione e manipolazione genetica degli organoidi epatociti murini
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Cite this Article

Lian, J., Meng, X., Zhang, X., Hu,More

Lian, J., Meng, X., Zhang, X., Hu, H. Establishment and Genetic Manipulation of Murine Hepatocyte Organoids. J. Vis. Exp. (180), e62438, doi:10.3791/62438 (2022).

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