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Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Hier bieten wir ein detailliertes Verfahren für die großtechnische Produktion von AAV-Vektoren in Forschungsqualität unter Verwendung von adhärenten HEK 293-Zellen, die in Zellstapeln gezüchtet wurden, und affinitätschromatographischer Aufreinigung. Dieses Protokoll liefert konsistent >1 x 1013 Vektorgenomen/ml und liefert Vektormengen, die für Großtierstudien geeignet sind.
Adeno-assoziierte Virus (AAV) -Vektoren gehören zu den klinisch fortschrittlichsten Gentherapievektoren, wobei drei AAV-Gentherapien für den Menschen zugelassen sind. Die klinische Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen für AAV beinhaltet den Übergang von Kleintiermodellen wie Mäusen zu größeren Tiermodellen, einschließlich Hunden, Schafen und nichtmenschlichen Primaten. Eine der Einschränkungen bei der Verabreichung von AAV an größere Tiere ist der Bedarf an großen Mengen an Hochtiterviren. Während die Suspensionszellkultur eine skalierbare Methode für die AAV-Vektorproduktion ist, verfügen nur wenige Forschungslabore über die Ausrüstung (z. B. Bioreaktoren) oder wissen, wie man AAV auf diese Weise herstellt. Darüber hinaus sind AAV-Titer oft signifikant niedriger, wenn sie in HEK 293-Suspensionszellen im Vergleich zu adhärenten HEK293-Zellen hergestellt werden. Hier beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung großer Mengen von High-Titer-AAV unter Verwendung von Zellstapeln. Ein detailliertes Protokoll zur Titerierung von AAV sowie Methoden zur Validierung der Vektorreinheit werden ebenfalls beschrieben. Abschließend werden repräsentative Ergebnisse der AAV-vermittelten Transgenexpression in einem Schafmodell vorgestellt. Dieses optimierte Protokoll für die Großproduktion von AAV-Vektoren in adhärenten Zellen wird es molekularbiologischen Labors ermöglichen, die Erprobung ihrer neuartigen AAV-Therapien in größeren Tiermodellen voranzutreiben.
Die Gentherapie unter Verwendung von Adeno-assoziierten Virus (AAV) -Vektoren hat in den letzten drei Jahrzehnten große Fortschritte gemacht1,2. Nachgewiesene Verbesserungen bei einer Vielzahl von genetischen Erkrankungen, einschließlich angeborener Blindheit, Hämophilie und Erkrankungen des Bewegungsapparates und des zentralen Nervensystems, haben die AAV-Gentherapie an die Spitze der klinischen Forschung gebracht3,4. Im Jahr 2012 genehmigte die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) Glybera, einen AAV1-Vektor, der Lipoproteinlipase (LPL) zur Behandlung von LPL-Mangel exprimiert, und ist damit die erste Marktzulassung für eine Gentherapie in Europa oder den Vereinigten Staaten5. Seitdem haben zwei weitere AAV-Gentherapien, Luxturna6 und Zolgensma7,die FDA-Zulassung erhalten, und es wird erwartet, dass der Markt in den nächsten 5 Jahren mit bis zu 10-20 Gentherapien, die bis 2025 erwartet werden, schnell expandierenwird 8. Verfügbare klinische Daten deuten darauf hin, dass die AAV-Gentherapie eine sichere, gut verträgliche und wirksame Modalität ist, die sie zu einem der vielversprechendsten viralen Vektoren macht, mit über 244 klinischen Studien mit AAV, die bei ClinicalTrials.gov registriert wurden. Das zunehmende Interesse an klinischen Anwendungen mit AAV-Vektoren erfordert robuste und skalierbare Produktionsmethoden, um die Bewertung von AAV-Therapien in Großtiermodellen zu erleichtern, da dies ein kritischer Schritt in der translationalen Pipelineist 9.
Für die AAV-Vektorproduktion sind die beiden Hauptanforderungen das AAV-Genom und das Kapsid. Das Genom des Wildtyps (wt)-AAV ist eine einzelsträngige DNA mit einer Länge von etwa 4,7 kb10. Das wt-AAV-Genom umfasst invertierte terminale Wiederholungen (ITRs) an beiden Enden des Genoms, die für die Verpackung wichtig sind, sowie die Rep- und Cap-Gene 11. Die Rep- und Cap-Gene, die für die Genomreplikation, die Assemblierung des viralen Kapsids und die Verkapselung des Genoms in das virale Kapsid notwendig sind, werden aus dem viralen Genom entfernt und in trans für die AAV-Vektorproduktionbereitgestellt 12. Die Entfernung dieser Gene aus dem viralen Genom bietet Raum für therapeutische Transgene und alle notwendigen regulatorischen Elemente, einschließlich des Promotors und des PolyA-Signals. Die ITRs verbleiben im Vektorgenom, um eine ordnungsgemäße Genomreplikation und Virusverkapselung zu gewährleisten13,14. Um die Kinetik der Transgenexpression zu verbessern, können AAV-Vektorgenome so konstruiert werden, dass sie selbstkomplementär sind, was die Notwendigkeit einer Umwandlung von einzelsträngiger zu doppelsträngiger DNA-Umwandlung während der AAV-Genomreplikation verringert, aber die Kodierungskapazität auf ~ 2,4 kb15reduziert.
Über das AAV-Genomdesign hinaus bestimmt die Auswahl des Kapsidserotyps den Gewebe- und Zelltropismus des AAV-Vektors in vivo2. Zusätzlich zum Gewebetropismus wurde gezeigt, dass verschiedene AAV-Serotypen unterschiedliche Genexpressionskinetik aufweisen16. Zum Beispiel klassifizierten Zincarelli et al.17 verschiedene AAV-Serotypen in Serotypen mit niedriger Expression (AAV2, 3, 4, 5), Serotypen mit moderater Expression (AAV1, 6, 8) und Serotypen mit hoher Expression (AAV7 und 9). Sie kategorisierten auch AAV-Serotypen in langsam einsetzende Expression (AAV2, 3, 4, 5) oder schnell einsetzende Expression (AAV1, 6, 7, 8 und 9). Diese divergierenden Tropismen und Genexpressionskinetik sind auf Aminosäurevariationen in den Kapsidproteinen, Kapsidproteinbildungen und Wechselwirkungen mit Wirtszellrezeptoren / Co-Rezeptoren zurückzuführen18. Einige AAV-Kapside haben zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften wie die Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke nach intravaskulärer Verabreichung (AAV9) zu überwinden oder sich in langlebigen Muskelzellen für eine dauerhafte Transgenexpression zu befinden (AAV6, 6.2FF, 8 und 9)19,20.
Dieser Artikel zielt darauf ab, eine kostengünstige Methode zur Herstellung von hochreinen, hochtiterhaltigen AAV-Vektoren in Forschungsqualität für den Einsatz in präklinischen Großtiermodellen zu beschreiben. Die Produktion von AAV unter Verwendung dieses Protokolls wird durch Dual-Plasmid-Transfektion in adhärente menschliche embryonale Nieren (HEK) 293 Zellen erreicht, die in Zellstapeln gezüchtet werden. Darüber hinaus beschreibt die Studie ein Protokoll zur Aufreinigung der Heparinsulfataffinitätschromatographie, das für AAV-Serotypen verwendet werden kann, die Heparin-bindende Domänen enthalten, einschließlich AAV2, 3, 6, 6.2FF, 13 und DJ21,22.
Für die Herstellung von AAV-Vektoren stehen eine Reihe von Verpackungssystemen zur Verfügung. Unter diesen hat die Verwendung eines Zwei-Plasmid-Co-Transfektionssystems, bei dem die Rep- und Cap-Gene sowie die Ad-Helfergene (E1A, E1B55K, E2A, E4orf6 und VA-RNA) in einem Plasmid (pHelper) enthalten sind, einige praktische Vorteile gegenüber der üblichen Drei-Plasmid-(Dreifach-) Transfektionsmethode, einschließlich reduzierter Kosten für die Plasmidproduktion23,24 . Das AAV-Genomplasmid, das die Transgenexpressionskassette (pTransgene) enthält, muss von ITRs flankiert werden und darf eine Länge von ~4,7 kb nicht überschreiten. Vektortiter und Reinheit können durch das Transgen aufgrund möglicher zytotoxischer Wirkungen während der Transfektion beeinflusst werden. Die Beurteilung der Vektorreinheit wird hierin beschrieben. Mit dieser Methode hergestellte Vektoren, die jeweils 1 x10 13 vg/ml ergeben, wurden in Mäusen, Hamstern und Schafmodellen bewertet.
Tabelle 1: Zusammensetzung der erforderlichen Lösungen. Notwendige Informationen, einschließlich Prozentsätze und Volumen, von Komponenten, die für verschiedene Lösungen im gesamten Protokoll benötigt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
1. Doppelplasmidtransfektion von HEK293-Zellen in Zellstapeln
Abbildung 1: Manövrieren des Zellstapels zur Zellaussaat und Transfektion. Für die Aussaat des Zellstapels entfernen Sie zunächst eine der Entlüftungskappen und gießen Sie 1 l vorgewärmtes komplettes DMEM mit der erforderlichen Menge an HEK293-Zellen (A). Verteilen Sie Zellen und Medien gleichmäßig, indem Sie beide Belüftungskappen anziehen und alle Medien mit einer der Entlüftungskappen in die Ecke des Zellenstapels bringen und in diese Ecke (B) legen, den Zellenstapel auf die Seite legen (C) und dann den Zellenstapel um 90 ° (D) drehen, so dass die Entlüftungsanschlüsse oben sind (E). Senken Sie den Zellstapel vorsichtig auf seine normale horizontale Position und stellen Sie sicher, dass alle Kammern des Zellstapels vollständig mit Medien bedeckt sind (F). Schrauben Sie bei der Transfektion beide Entlüftungskappen ab und gießen Sie das alte Medium langsam in einen sterilen Abfallbehälter für einen gleichmäßigen Fluss, um die Monoschicht der Zellen nicht zu stören (G). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
2 Ernte von AAV und chemische Lyse der transfizierten HEK293-Zellen
3 AAV-Vektorreinigung mittels Heparin-Affinitätschromatographie
Abbildung 2: Einrichtung für peristaltische Pumpe zur AAV-Reinigung. Führen Sie den Schlauch vom Rohlysat durch die Peristaltikpumpe und in die Heparinmatrixsäule. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass Sie keine Blasen einführen oder die Säule trocken laufen lassen, da dies die Säule gefährdet und die Elution von AAV verhindert. Verwerfen Sie die Säule, wenn sie trocken ist, und verwenden Sie eine neue Säule für den Rest von Rohlysat.
4 AAV genomische DNA-Extraktion
Bestandteil | Volumen |
Gereinigter AAV-Vektor | 5 μL |
10x DNase Puffer | 2 μL |
DNase | 1 μL |
ddH2O | 12 μL |
Letzter Band | 20 μL |
Tabelle 3: Master-Mix-Formel für die DNase-Behandlung. Empfohlene Komponenten und Volumina, die für die DNase-Behandlung von AAV-Virusvektoren während der DNA-Extraktion erforderlich sind.
5 Titration von AAV-Vektorgenomen mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion und einer Simian Virus 40 (SV40) Sonde
HINWEIS: Führen Sie alle qPCR-Arbeiten in einer PCR-Haube mit gefilterten Pipettenspitzen durch, um eine externe DNA-Kontamination zu vermeiden. Wenn das AAV-Genom keine SV40-PolyA-Sequenz kodiert, verwenden Sie eine Sonde gegen die an anderer Stelle beschriebene ITR25. Stellen Sie sicher, dass die standardmäßig ausgewählte Plasmid-DNA die SV40-PolyA-Sequenz enthält.
Bestandteil | Volumen |
Universeller qPCR Master Mix (2X) | 10 μL |
Wasser in molekularer Qualität | 4,5 μL |
40x SV40 PolyA Primer/Sonde | 0,5 μL |
Letzter Band | 15 μL |
Tabelle 4: qPCR-Master-Mix für die AAV-Titration. Empfohlene Komponenten und Volumen, die für die qPCR von DNA erforderlich sind, die aus AAV-Virusvektoren extrahiert wurde.
Bestandteil | Reihenfolge |
Vorwärts-Primer | 5'-AGCAATAGCATCACAAATTTCACAA-3' |
Reverse Primer | 5'-CCAGACATGATAAGATACATTGATGAGTT-3' |
Sonde | /56-FAM/AGCATTTTT/Zen/TTCACTGCATTCTAGTTGTGGTTTGTC/3IABkFQ |
Tabelle 5: Primersequenzen gegen die SV40 PolyA DNA-Sequenz. Sequenzen der Primer und sonden, die für die qPCR-Titration verwendet werden und an bestimmte Bereiche von AAV-Virusvektoren binden, die die SV40-PolyA-Sequenz enthalten.
Abbildung 3: Plattenlayout für die qPCR-AAV-Titration. Blau zeigt die Platzierung der seriellen Verdünnung des Standards an; grün zeigt die Platzierung der Negativkontrolle an; lila zeigt die Platzierung der Verdünnung der Proben an. Jede Standard-, Negativ- oder Probe wird im Replikat hinzugefügt. Ein Beispiel für die Konzentration des Standards wurde hinzugefügt, um die Verdünnungsreihe des Standards zu zeigen, und die Platzierung von Probenverdünnungen wurde zu ihren jeweiligen Vertiefungen hinzugefügt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abschnitt | Zyklen | Zeit | Temperatur | Beschreibung |
Vorinkubation | 1x | 5 Minuten | 95 °C | DNA-Denaturierung. |
Verstärkung | 38-fach | 15 Sek. | 95 °C | Amplifikation der DNA. Die Einstellungen können geändert werden, wenn alternative Primer mit unterschiedlichen Glühtemperaturen verwendet werden. |
60 Sek. | 60 °C | |||
Kühlung | 1x | 60 Sek. | 40 °C | Plattenkühlung. Ende des Laufs. |
Tabelle 6: Thermocycler-Protokoll für die hydrolysesondenbasierte qPCR-Titration. Empfohlenes Thermocycler-Protokoll für die Verwendung der sondenbasierten qPCR-Titration von DNA-extrahierten gereinigten AAV-Vektoren.
HINWEIS: Für das Arbeitsblatt zur qPCR-AAV-Titration siehe Tabelle 7.
6 Beurteilung der Vektorqualität und -reinheit
Abbildung 4: Western Blot zeigt AAV-Kapsidproteine. Spur A; MW-Leiter, Spur B; AAV6.2FF-hIgG01, Spur C; AAV6.2FF-hIgG02, Spur D; AAV6.2FF-hIgG03 und Spur E; AAV6.2FF-hIgG04. 6 x 1010 vg jedes AAV6.2FF-hIgG wurde in die jeweiligen Lanes geladen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Coomassie-gefärbtes Gel. Spur A; MW-Leiter, Spur B; AAV6.2FF-hIgG01, Spur C; AAV6.2FF-hIgG02, Spur D; AAV6.2FF-hIgG03, Spur E; AAV6.2FF-hIgG04, Spur F; AAV6.2FF-hIgG05 und Spur G; AAV6.2FF-hIgG06. 6 x 1010 vg jedes AAV6.2FF-hIgG wurde in die jeweiligen Lanes geladen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Translation von kleinen Nagetiermodellen in größere Tiermodelle und die letztendliche klinische Anwendung stellt aufgrund der großen Menge an AAV, die erforderlich ist, um größere Tiere zu transduzieren und therapeutische Effekte zu erzielen, eine erhebliche Herausforderung dar. Um die Transduktionseffizienz des rational entwickelten AAV6.2FF-Kapsids zu vergleichen, das zuvor eine 101-fache Steigerung der Transduktionseffizienz in murinen Muskelzellen im Vergleich zu AAV63zeigte, wurde M?...
Die Herstellung von rekombinanten AAV (rAAV) -Vektoren, die in diesem Artikel beschrieben werden, verwendet gängige Materialien, Reagenzien und Geräte, die in den meisten molekularbiologischen Forschungslabors und -einrichtungen zu finden sind. Dieses Papier ermöglicht die Herstellung hochwertiger in vitro und in vivo rAAV durch das Lesegerät. Vor allem dieses Protokoll für die rAAV-Produktion ist im Vergleich zu langwierigeren Protokollen mit Cäsiumchloridreinigung effizient und vermeidet den Ein...
Sarah K. Wootton ist Erfinderin eines US-Patents US10806802B2 für das AAV6.2FF-Kapsid.
Amira D. Rghei, Brenna A. Y. Stevens, Sylvia P. Thomas und Jacob G. E. Yates waren Empfänger von Ontario Veterinary College Student Stipends sowie Ontario Graduate Scholarships. Amira D. Rghei erhielt ein Mitacs Accelerate Studentship. Diese Arbeit wurde durch den Canadian Institutes for Health Research (CIHR) Project Grant (#66009) und einen Collaborative Health Research Projects (NSERC Partnered) Grant (#433339) an SKW finanziert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 μm filter | Millipore Sigma | S2GPU05RE | |
0.25% Trypsin | Fisher Scientific | SM2001C | |
1-Butanol | Thermo Fisher Scientific | A399-4 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
10 chamber cellstack | Corning | 3271 | |
1L PETG bottle | Thermo Fisher Scientific | 2019-1000 | |
30% Acrylamide/Bis Solution | Bio-Rad | 1610158 | |
96-well skirted plate | FroggaBio | FS-96 | |
Adhesive plate seals | Thermo Fisher Scientific | 08-408-240 | |
Ammonium persulfate (APS) | Bio-Rad | 161-0700 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
Blood and Tissue Clean up Kit | Qiagen | 69506 | Use for DNA clean up in section 4.6 of protocol |
Bromophenol blue | Fisher Scientific | B392-5 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
Cell Culture Dishes | Greiner bio-one | 7000232 | 15 cm plates |
Culture Conical Tube | Thermo Fisher Scientific | 339650 | 15 mL conical tube |
Culture Conical Tube | Fisher Scientific | 14955240 | 50 mL conical tube |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) with 1000 mg/L D-glucose, L-glutamine | Cytiva Life Sciences | SH30022.01 | |
ECL Western Blotting Substrate | Thermo Fisher Scientific | 32209 | |
Ethanol | Greenfield | P016EA95 | Dilute ethyl alcohol(95% vol) to 20% for section 3.7.4 and 70% for section 6.1.1.1 |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | SH30396.03 | |
Glacial acetic acid | Fisher Scientific | A38-500 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
Glycerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
Glycine | Fisher Scientific | BP381-500 | |
HBSS with Mg2+ and Ca2+ | Thermo Fisher Scientific | SH302268.02 | |
HBSS without Mg2+ and Ca2+ | Thermo Fisher Scientific | SH30588.02 | |
HEK293 cells | American Tissue Culture Collection | CRL-1573 | Upon receipt, thaw the cells and culture as described in manufacturer’s protocol. Once cells have been minimally passaged and are growing well, freeze a subfraction for future in aliquots and store in liquid nitrogen. Always use cells below passage number 30. Once cultured cells have been passaged more than 30 times, it is recommended to restart a culture from the stored aliquots |
HEK293 host cell protein ELISA kit | Cygnus Technologies | F650S | Follow manufacturer’s instructions |
Heparin sulfate column | Cytiva Life Sciences | 17040703 | |
Kimwipe | Thermo Fisher Scientific | KC34120 | |
L-glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific | SH30034.02 | |
Large Volume Centrifuge Tube Support Cushion | Corning | CLS431124 | Support cushion must be used with large volume centrifuge tubes uless the centrifuge rotor has the approriate V-bottom cushions |
Large Volume Centrifuge Tubes | Corning | CLS431123-6EA | 500 mL centrifuge tubes |
MgCl2 | Thermo Fisher Scientific | 7791-18-6 | |
Microcentrifuge tube | Fisher Scientific | 05-408-129 | 1.5 mL microcentrifuge tube, sterilize prior to use |
Molecular Grade Water | Cytiva Life Sciences | SH30538.03 | |
N-Lauroylsarcosine sodium salt | Sigma Aldrich | L5125 | CAUTION. Wear gloves |
NaCl | Thermo Fisher Scientific | BP35810 | |
Optimem, reduced serum medium | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | |
Pasteur pipets | Fisher Scientific | 13-678-20D | Sterilize prior to use |
PBS (10x) | Thermo Fisher Scientific | 70011044 | Dilute to 1x for use on cells |
Penicillin-Streptomycin Solution | Cytiva Life Sciences | SV30010 | |
pHelper plasmid | De novo design or obtained from plasmid repository | NA | |
Pipet basin | Thermo Fisher Scientific | 13-681-502 | Purchase sterile pipet basins |
Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether (Triton X-100) | Thermo Fisher Scientific | 9002-93-1 | CAUTION. Wear gloves |
Polyethylenimine (PEI) | Polyscience | 24765-1 | Follow manufacturer’s instructions to produce a 1L solution. 0.22μm filter and store at 4°C |
Polypropylene semi-skirted PCR Plate | FroggaBio | WS-96 | |
Polysorbate 20 (Tween 20) | Thermo Fisher Scientific | BP337-100 | CAUTION. Wear gloves |
polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane | Cytiva Life Sciences | 10600023 | Use forceps to manipulate. Wear gloves. |
Primary antibody | Progen | 65158 | |
Protein Ladder | FroggaBio | PM008-0500 | |
Proteinase K | Thermo Fisher Scientific | AM2546 | |
pTrangene plasmid | De novo design or obtained from plasmid repository | NA | Must contain SV40 polyA in genome to be compatible with AAV titration in section 5.0 |
Pump tubing | Cole-Parmer | RK-96440-14 | Optimize length of tubing and containment of virus in fractions E1-E5 |
RQ1 Dnase 10 Reaction Buffer | Promega | M6101 | Use at 10x concentration in protocol from section 4.0 |
RQ1 Rnase-free Dnase | Promega | M6101 | |
Sample dilutent | Cygnus Technologies | I700 | Must be purchased separately for use with HEK293 host cell protein ELISA kit |
Secondary antibody, HRP | Thermo Fisher Scientific | G-21040 | |
Skim milk powder | Oxoid | LP0033B | |
Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Thermo Fisher Scientific | 28312 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
Sodium hydroxide (NaOH) | Thermo Fisher Scientific | SS266-4 | |
SV40 polyA primer probe | IDT | Use sequence in Table X for quote from IDT for synthesis | |
Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Thermo Fisher Scientific | 15524010 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
Tris Base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
Trypan blue | Bio-Rad | 1450021 | |
Ultra-Filter | Millipore Sigma | UFC810024 | Ultra-4 Centrifugal 10K device must be used, as it has a 10000 molecular weight cutoff |
Universal Nuclease for cell lysis | Thermo Fisher Scientific | 88702 | |
Universal qPCR master mix | NEB | M3003L | |
Whatman Paper | Millipore Sigma | WHA1001325 | |
β-mercaptoethanol | Fisher Scientific | 21985023 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
CAUTION: Refer to the Materials Table for guidelines on the use of dangerous chemicals. |
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