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腦類(lèi)器官概述：

11月末，小愛(ài)曾為大家講述了3D類(lèi)器官培養(yǎng)，相信大家對(duì)“類(lèi)器官"及“3D培養(yǎng)"已不陌生。現(xiàn)階段，類(lèi)器官的培養(yǎng)有多種不同的方法，而不同類(lèi)器官的培養(yǎng)亦存在一定的差異，包括：視網(wǎng)膜、腸、甲狀腺、肝、垂體、大腦...等。

以人腦為例，因其具有高度復(fù)雜性，現(xiàn)如今，很多腦部疾病的研究很難在生物模型中開(kāi)展，故體外模擬技術(shù)成為現(xiàn)在類(lèi)器官培養(yǎng)領(lǐng)域的一項(xiàng)前沿技術(shù)。通常，研究人員可在體外環(huán)境中對(duì)大腦組織進(jìn)行培育，模擬大腦發(fā)育過(guò)程，進(jìn)而能夠觀察到人腦變化，為更深層次的腦部研究開(kāi)拓思路。

接下來(lái)，小愛(ài)將為大家送上一份冬日秘籍：Nature protocol 技術(shù)干貨，為大家重點(diǎn)解析人腦類(lèi)器官的培養(yǎng)過(guò)程。

ips誘導(dǎo)腦類(lèi)器官流程：

圖1 大腦類(lèi)器官培養(yǎng)流程

1、培育EB ● 1-2h

1）在六孔板的一孔中培育hESC或iPSC克隆，至匯合度為70-80％。一般而言，六孔板的一個(gè)孔可以產(chǎn)出大約整個(gè)96孔板所需的EB。

流程A，通過(guò)feeder依賴(lài)的PSCs培育EB；流程B，通過(guò)feeder非依賴(lài)的hESC培育EB。關(guān)鍵步驟：干細(xì)胞集落的形態(tài)對(duì)于腦組織形成的成功至關(guān)重要。菌落應(yīng)無(wú)分化跡象，并應(yīng)顯示多能性的最佳特征（圖2）。

feeder依賴(lài)的PSCs培育EB

圖2 人PSCs培育的大腦類(lèi)器官發(fā)育進(jìn)程

◆ 洗滌細(xì)胞，去除hESC培養(yǎng)基，加1mL不含鈣和鎂的D-PBS。后去除D-PBS，向6孔板的每個(gè)孔中加入1mL分散酶溶液，然后將細(xì)胞放回培養(yǎng)箱中孵育20-30min；
◆ 去除分散酶溶液，加入1mL低bFGF的hESC培養(yǎng)基。輕輕敲擊培養(yǎng)皿，以去除培養(yǎng)皿上的克隆而不移除MEF和已分化細(xì)胞。將含有完整克隆的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移至15mL錐形管，靜置約1min使得克隆沉降到試管底部；

◆ 輕輕吸出含有單細(xì)胞和MEF的上清液，注意不要干擾貼壁的細(xì)胞克隆。另添加1mL低bFGF的hESC培養(yǎng)基，再次使克隆沉降，后去除上清液；
◆ 將克隆重懸于1mL的胰蛋白酶消化液（0.25%，含酚紅）中，并在37°C下孵育2min。加入1mL的胰蛋白酶抑制劑，并使用1mL移液器吹打混合溶液，直到溶液中出現(xiàn)單細(xì)胞渾濁為止。取兩次5uL的細(xì)胞溶液進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后加入8mL低bFGF的hESC培養(yǎng)基；
◆ 在室溫下以270×g離心細(xì)胞5min，同時(shí)加入等體積的臺(tái)盼藍(lán)標(biāo)記死細(xì)胞。使用血細(xì)胞計(jì)數(shù)器或自動(dòng)細(xì)胞計(jì)數(shù)器對(duì)細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用兩次計(jì)數(shù)的平均值；
◆ 首先將細(xì)胞重懸于含有ROCK抑制劑（1:100，終濃度50uM）的1mL低bFGF的hESC培養(yǎng)基中，多次吹打以確保混勻單細(xì)胞懸液。然后添加額外適量的帶有ROCK抑制劑的低bFGF的hESC培養(yǎng)基，以每150uL懸液獲得9000個(gè)活細(xì)胞；
◆ 低貼壁型的96孔板，每個(gè)孔中加入150uL懸液，后將其放回培養(yǎng)箱中。

feeder非依賴(lài)的hESCs培育EB

◆ 用1mL不含鈣和鎂的D-PBS洗滌細(xì)胞，并在六孔板的每個(gè)孔添加600uL不含鈣和鎂的0.5mM EDTA溶液，后將細(xì)胞放回培養(yǎng)箱中孵育4min；
◆ 輕輕吸出EDTA溶液而不干擾細(xì)胞克隆，后加入1mL的Accutase酶。將細(xì)胞放回培養(yǎng)箱中孵育4min；
◆ 采用1mL的mTeSR1培養(yǎng)基吹打細(xì)胞克隆，使其與培養(yǎng)皿分離。取其中2mL轉(zhuǎn)移到15mL錐形管中，并使用1mL移液器吹打混合溶液，直到溶液中出現(xiàn)單細(xì)胞渾濁為止。取兩次5uL的細(xì)胞溶液進(jìn)行計(jì)數(shù)，后添加3mL mTeSR1培養(yǎng)基并混合均勻；
◆ 在室溫下以270×g離心細(xì)胞5min，同時(shí)加入等體積的臺(tái)盼藍(lán)標(biāo)記死細(xì)胞。使用血細(xì)胞計(jì)數(shù)器或自動(dòng)細(xì)胞計(jì)數(shù)器對(duì)細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用兩次計(jì)數(shù)的平均值；
◆ 首先用1mL含ROCK抑制劑的低bFGF的hESC培養(yǎng)基（1:100，終濃度50uM）重懸細(xì)胞，多次吹打以確?；靹騿渭?xì)胞懸液。然后添加額外適量的帶有ROCK抑制劑的低bFGF的hESC培養(yǎng)基，以每150uL懸液獲得9000個(gè)活細(xì)胞；
◆ 低貼壁型的96孔板，每個(gè)孔中加入150uL懸液，后將其放回培養(yǎng)箱中。

2、培育EBs，啟動(dòng)細(xì)胞層分化 ● 5-7d

圖3 不同培養(yǎng)階段類(lèi)器官形態(tài)

2）培育24h后在組織培養(yǎng)顯微鏡下觀察細(xì)胞板，可在鏡下觀測(cè)到邊界清晰的小規(guī)模EB。繼續(xù)在組織培養(yǎng)箱中于37°C、5％CO2條件下培養(yǎng)EB；
3）每隔一天輕輕吸去大約一半體積的培養(yǎng)基，注意不能干擾底部的EB，添加150uL新鮮培養(yǎng)基（最終體積>150uL即可，具體的量并不重要）。加入ROCK抑制劑（1:100）和低bFGF培養(yǎng)基（4ng.mL-1），直到EB開(kāi)始變亮或直徑大于350-400um。可以使用配有照相機(jī)和測(cè)量軟件的倒置顯微鏡進(jìn)行尺寸測(cè)量。一般而言，在前4天添加ROCK抑制劑和低bFGF培養(yǎng)基。

4）當(dāng)EB的直徑達(dá)到350-600um，按照步驟3中所述更換培養(yǎng)基，但不添加ROCK抑制劑和bFGF。

3、誘導(dǎo)原始神經(jīng)上皮細(xì)胞 ● 4-5d

5）當(dāng)EB的直徑達(dá)到500-600um，并且開(kāi)始變亮、產(chǎn)生平滑的邊緣時(shí)（通常是第6天，可見(jiàn)圖2b和3），將每個(gè)EB用200uL移液槍頭切面切下，移至低附貼壁型的24孔板中，每孔提前加入500uL神經(jīng)細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)基（圖1），注意不要破壞EB。關(guān)鍵步驟：用無(wú)菌剪刀裁剪200uL移液器槍頭，以獲得直徑1–1.5mm的開(kāi)口。確保開(kāi)口不要太?。〞?huì)破壞EB），但也不要太大（將很難將EB吸到移液器吸頭中）。請(qǐng)勿嘗試使用刮刀或其他工具將EB從培養(yǎng)板中移出（會(huì)破壞EB）。
6）將EB轉(zhuǎn)移至24孔板48h后，再添加500uL神經(jīng)細(xì)胞誘導(dǎo)培養(yǎng)基。
7）繼續(xù)培育2天后，在組織培養(yǎng)顯微鏡上觀察EB。此時(shí)EB周?chē)鷳?yīng)該更亮，表明出現(xiàn)神經(jīng)外胚層分化。一旦這些區(qū)域開(kāi)始顯示與神經(jīng)上皮分化所一致的假分層上皮放射狀的形態(tài)（圖2c）（應(yīng)在神經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)基中培養(yǎng)4-5d后發(fā)生），繼續(xù)進(jìn)行步驟8，將細(xì)胞聚集體轉(zhuǎn)移至基質(zhì)膠液滴（圖1） ）。重要步驟：健康的細(xì)胞聚集體應(yīng)該具有光滑的邊緣。神經(jīng)上皮在外表面發(fā)育，并且在光學(xué)上是半透明的（圖2c和3c，d）。關(guān)鍵步驟：當(dāng)神經(jīng)上皮出現(xiàn)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必及時(shí)進(jìn)行步驟8，將組織轉(zhuǎn)移至基質(zhì)膠。不要過(guò)早轉(zhuǎn)移組織，否則會(huì)影響后續(xù)腦組織培養(yǎng)的形態(tài)。

4、將神經(jīng)上皮組織轉(zhuǎn)移到基質(zhì)膠液滴中 ● 1-2h

8）將基質(zhì)膠放于4℃冰箱過(guò)夜融化。
9）制作用于制備基質(zhì)膠液滴的帶凹痕封口膜。裁剪一塊正方形的封口膜，放置在200uL槍頭盒凹痕處，戴手套以摁壓封口膜，使其形成一個(gè)個(gè)小的凹槽。
警告：因?yàn)椴荒軐?duì)封口膜進(jìn)行高壓滅菌，因此在準(zhǔn)備之前，請(qǐng)確保在清潔的環(huán)境中使用封口膜，并用70％（體積/體積）的乙醇對(duì)手套和封口膜進(jìn)行滅菌處理。在此步驟時(shí)，培養(yǎng)基中還應(yīng)包含抗生素以防止污染。
10）制作一個(gè)包含4×4凹槽的封口膜（總共16個(gè)凹槽），并用無(wú)菌剪刀將封口膜修剪成一個(gè)小正方形。將正方形封口膜放入60mm的組織培養(yǎng)皿中。關(guān)鍵步驟：4×4的封口膜大小適合于60mm的組織培養(yǎng)皿。因此，每個(gè)60mm培養(yǎng)皿中總包含16個(gè)基質(zhì)膠液滴。
11）使用剪切好的200uL移液槍頭，將神經(jīng)上皮組織逐個(gè)轉(zhuǎn)移到封口膜的每個(gè)凹槽中。關(guān)鍵步驟：同第5關(guān)鍵步驟。
12）用完整的200uL移液槍頭頂部小心吸出液體，以去除每個(gè)組織中多余的培養(yǎng)基。
13）每個(gè)組織滴加約30uL的基質(zhì)膠液滴，充盈整個(gè)凹槽，浸潤(rùn)組織。關(guān)鍵步驟：添加基質(zhì)膠需迅速，避免組織變干。
14）使用10uL移液槍頭將每個(gè)組織移置于基質(zhì)膠液滴的中心（圖2d）。關(guān)鍵步驟：添加液滴后必須立即進(jìn)行此步驟，基質(zhì)膠在室溫條件下便會(huì)開(kāi)始凝固。
15）將裝有基質(zhì)膠液滴封口膜的60mm培養(yǎng)皿，放回37°C培養(yǎng)箱，孵育20-30min以使基質(zhì)膠聚合。
16）在60mm培養(yǎng)皿中加入5mL不含維生素A的腦類(lèi)器官分化培養(yǎng)基。
17）使用無(wú)菌鑷子將封口膜翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，基質(zhì)膠滴浸潤(rùn)在培養(yǎng)基中，再攪動(dòng)培養(yǎng)基使得所有基質(zhì)膠滴都從封口膜上脫離下來(lái)。繼續(xù)在二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)組織液滴。

5、神經(jīng)上皮芽的固定培養(yǎng) ● 4d

18）培育24h后在顯微鏡下觀察基質(zhì)膠包埋的組織。組織應(yīng)在1-3d內(nèi)開(kāi)始形成更多向外擴(kuò)張的神經(jīng)上皮芽，其中含有充滿(mǎn)液體的空腔（圖2e和3f）。
19）繼續(xù)孵育組織24h，然后用不含維生素A的腦類(lèi)器官分化培養(yǎng)基培養(yǎng)含有神經(jīng)上皮組織的基質(zhì)膠滴，在不攪拌的情況下孵育48h。關(guān)鍵步驟：傾斜培養(yǎng)皿，使液滴下沉，并小心吸出培養(yǎng)基，吸取盡可能多的培養(yǎng)基而不干擾基質(zhì)膠滴，每次采用5mL新鮮培養(yǎng)基替換。

6、腦組織的生長(zhǎng) ● 1 year

20）靜態(tài)培養(yǎng)4d后，使用剪切開(kāi)的1mL移液器吸頭（開(kāi)口約3mm）將培養(yǎng)的類(lèi)器官轉(zhuǎn)移至125mL的可旋轉(zhuǎn)器官培養(yǎng)瓶中（圖1），在75-100mL含有維生素A的腦類(lèi)器官分化培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。器官培養(yǎng)瓶可以放在培養(yǎng)箱中配套的磁力攪拌板上（圖2f），也可以放在培養(yǎng)箱中配套的搖床上（振動(dòng)速度為85rpm）。只需將每個(gè)60mm培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基替換為含有維生素A的腦類(lèi)器官分化培養(yǎng)基，然后將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)即可。關(guān)鍵步驟：不要轉(zhuǎn)移過(guò)多的類(lèi)器官（小于32個(gè)），過(guò)多的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致類(lèi)器官融合；確保使用驗(yàn)證應(yīng)用于組織培養(yǎng)的培養(yǎng)箱低速攪拌板。
21）如步驟9所述，全量更換培養(yǎng)基，搖床培養(yǎng)時(shí)每3-4d更換，旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)瓶每周更換，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)類(lèi)器官的形態(tài)。

Lancaster M A,Knoblich J A.Generation of Cerebral Organoids from Human Pluripotent Stem Cells[J].Nature Protocols, 2014, 9(10):2329-2340.

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