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[Cryopreservation of mouse embryos in ethylene glycol-based solutions: a search for the optimal and simple protocols]

Authors:
  • University of Hong Kong

Abstract and Figures

Although ethylene glycol (EG) has been widely used for embryo cryopreservation in domestic animals, few attempts were made to use this molecule to freeze mouse and human embryos. In the few studies that used EG for slow-freezing of mouse and human embryos, complicated protocols for human embryos were used, and the protocols need to be simplified. Besides, freezing mouse morula with EG as a cryoprotectant has not been reported. In this paper, we studied the effects of embryo stages, EG concentration, duration and procedure of equilibration, sucrose supplementation and EG removal after thawing on the development of thawed mouse embryos, using the simple freezing and thawing procedures for bovine embryos. The blastulation and hatching rates (81.92% +/- 2.24% and 68.56% +/- 2.43%, respectively) of the thawed late compact morulae were significantly (P < 0.05) higher than those of embryos frozen-thawed at other stages. When mouse late compact morulae were frozen with different concentrations of EG, the highest rates of blastocyst formation and hatching were obtained with 1.8mol/L EG. The blastulation rate was significantly higher when late morulae were equilibrated in 1.8 mol/L EG for 10 min prior to freezing than when they were equilibrated for 30 min, and the hatching rate of embryos exposed to EG for 10 min was significantly higher than that of embryos exposed for 20 and 30 min. Both rates of blastocyst formation and hatching obtained with two-step equilibration were higher (P < 0.05) than with one-step equilibration in 1.8 mol/L EG. Addition of sucrose to the EG-based solution had no beneficial effects. On the contrary, an increased sucrose level (0.4 mol/L) in the solution impaired the development of the frozen-thawed embryos. In contrast, addition of 0.1 mol/L sucrose to the propylene glycol (PG)-based solution significantly improved the development of the frozen-thawed embryos. Elimination of the cryoprotectant after thawing did not improve the development of the thawed embryos. The cell numbers were less (P < 0.05) in blastocysts developed from the thawed morulae than in the in vivo derived ones. In summary, embryo stage, EG concentration, duration and procedure of equilibration and sucrose supplementation had marked effects on development of the thawed mouse embryos, and a protocol for cryopreservation of mouse embryos is recommended in which the late morulae are frozen in 1.8 mol/L EG using the simple freezing and thawing procedures of bovine embryos after a two-step equilibration and the embryos can be cultured or transferred without EG removal after thawing.
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国家自然科学基金*’) G$HG$#G$和国家重点基础研究发展规划项目%RG*’) K!$$$"L"$M资助。
应用乙二醇冷冻小鼠胚胎:优化和简化程序的探索
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罗明久,刘 娜,苗德强,兰国成,马所峰,常仲乐,谭景和
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山东农业大学动物科技学院,泰安 !R"$"M
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摘 要 提高解冻胚胎的发育能力和简化冷冻N解冻程序是胚胎冷冻研究的两大永恒的主题。尽管乙二醇OK广泛用于家
畜胚胎冷冻,但很少用于冷冻小鼠和人胚胎。为数很少的以 OK 慢冻小鼠或人胚胎的研究均采用较为复杂的人胚冷冻程序,
未见简化程序和用 OK 冷冻小鼠桑椹胚的报道。采用简单的牛胚胎冷冻程序研究了发育时期、
OK 浓度、平衡方法添加蔗糖
以及解冻后脱除 OK 等对小鼠胚胎冻后发育能力的影响。结果显示:"致密晚期桑椹胚冻后体外培养囊胚发育率M"[%!\ ]
![ !H\ 孵出率LM[#L\ ] ![ HG\显著:^ $ [$#高于 HN细胞、
MN细胞胚胎和致密早期桑椹胚胎;!
"[ M/’(_S OK 冷冻小鼠致
密晚期桑椹胚的囊胚发育和孵出率显著高于其它浓度;GOK 中平衡 "$/4C 的冻后囊胚发育显著好于平衡 #
!$ G$/4C
H两步平衡冷冻胚胎的囊胚发育率和孵出率显著高于一步平衡;#OK 冷冻小鼠胚胎无需添加蔗糖;L解冻后可不脱除
OKR冻后发育的早期囊胚和囊胚细胞数明显少于体内发育胚胎。因此,OK 冷冻小鼠胚胎的最佳方案为:致密晚期桑椹
胚用 "[M/’(_S OK 不添加蔗糖、两步平衡 "#/4C以简单的牛胚胎冷冻程序冷冻N解冻、解冻后不脱除 OK 直接培养或移植。
关键词 胚胎,冷冻,乙二醇,小鼠
中图分类号 2G%![ "" 文献标识码 :文章编号 "$$$NG$L"
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在用体外受精及相关技术治疗人类不孕症时,
每次移植的胚胎数已K枚减少到 C
9
。而且,
更趋于每次移植一枚囊胚
C
。因此,余胚胎的
存迫切需要高效胚胎冷冻技术。由于用人胚胎进行
实验涉及伦理道德问题,胚胎冷冻研究多用小
进行。过去人和小鼠胚胎冷冻多采用丙二9
CE
?0.?)/&8-.(
M"
AEG
目前!+%5(&/& 2(54.(
!"广泛应用于家兔
O
P和绵羊
;
的胚胎冷冻。
!" 对于动物胚胎的低毒性
P
Q
9>
99和冷冻胚胎出生
正常
99E9A都说明,它可以用于人的胚胎冷冻
尽管近年来已开始探索用 !" 冷冻小鼠胚胎,但这
研究均是采用较为复杂的人胚胎冷冻E解冻程序
进行的,尚未见进!" 冷冻小鼠胚胎程序简化研
究的报道。
以往对人和小鼠胚胎冷冻的研究多冷CE R ;E
胞胚胎,并取得了满意的效果
9KS 9O
。然而,由于
胚胎基因组一般在 KE R ;E细胞以后才激活
9P
精卵和早期卵裂胚胎发育到囊胚的能力很差,
人们对囊胚冷冻也进行了大量研究
9;ECG
。然而,
胚的冷冻效果并不
9Q
C>
CC
CA
。尽管就胚胎质量判
定而言,桑椹胚不如囊胚,但还是比原核和早期卵裂
胚胎好。
本实验采用比人胚冷冻程序更为简单的 !"
牛胚胎的冷冻程序研究了胚胎发育时期
!"
度、平衡方法及冷冻液中添加蔗糖对小鼠冷冻胚胎
发育到囊胚和孵出囊胚的影响。同时,还比较了 !"
M" 小鼠胚胎的冷冻保护能力以及解冻后脱出
冷冻保护剂对冻胚发育的影响。为寻找更好的胚胎
冻保护剂和进一步简化胚胎冷冻E解冻保存技术
提供了必要的依据。
)材料与方法
)*) 小鼠胚胎的获取
O R 9> 周龄昆明白雌鼠控光9K% 光照,
9>%
暗)饲养 9 R C 周后,腹腔注射 9> LT<MUV"
(宁
激素制品厂)%W"
(宁波激素制品厂)进行超排。
注射 %W" 后与雄鼠合笼,次日早晨检查阴道栓。
栓雌鼠分别于注射 %W" GC R GK%
OG R
OO%
PP R P;%
;> R ;C%
;G R ;O% Q> R Q9% 死,
KE细胞、
;E细胞、致密早期和晚期桑椹胚以及早期
囊胚和囊胚。在实体显微下,
;E细胞期胚胎细胞
边缘清晰,未发生致密化(图 9W致密早期桑椹胚
的细胞开始相互紧靠,细胞边缘不十分清晰,但能区
分每一个细胞(图 9!致密晚期桑椹胚的细胞紧靠
在一起,很难区分单个细胞(图 9"
G
)*+ 胚胎冷冻
冷冻液为含 A62<6= DVH UC 添加不同浓度
!"
M"
>:Q6.(<= !" 中室温下平衡 G6-/9 :;6.(<=
!" 中平衡 9>6-/同时装入 >: CG6= 塑料细管每管
C枚胚胎。将装有胚胎的塑料细管放入冷冻仪(日
本富士平 XYZ !$E9[S P\下平衡 C6-/ 后植
冰并平;6-/。然后,S > :A\ <6-/ 的速率降至
S A>\。在 S A>\下平衡 G6-/ 后,将塑料细管投入
液氮中保存。
)*, 胚胎解冻
胚胎冷冻保存 9周后解冻。自液氮罐中取出塑
料细管,室温下于空气中停留 9> *再置入盛有AC\
POP
罗明久等:应用乙二醇冷冻小鼠胚胎:优化和简化程序的探索
!小鼠发育不同时期胚胎冷冻前后显微照片" #$$
%&’( ! )&*+,’+-./0 ,1 2,304 425+6,0 541,+4 -78 -194+ *+6,.+404+:-9&,7 -9 8&114+479 09-’40 ,1 84:4;,.2479
" #$$
< -78 =>?*4;; 425+6,0 541,+4 -78 -194+ 1+44@&7’A -78 BC?*4;; 425+6,0 541,+4 -78 -194+ 1+44@&7’D -78 %4-+;6 2,+3;-4 541,+4 -78 -194+
1+44@&7’E -78 F;-94 2,+3;-4 541,+4 -78 -194+ 1+44@&7’(
水浴的解冻杯中,!$0取出细管,将解冻后的
胚胎推入平中,再移$G H2,;IJ 蔗糖的 )#
H2&7最后用 )# K次,以便脱除 DE
! " # 胚胎培养
培养液为 AL=。于胚胎解冻前 # / 在培养皿中
制作 H$
!
J培养滴,覆盖石蜡油,AM#培养箱中
衡。将解冻胚胎移入培养滴中每滴 # N K
胎,放入 KOGHP
HQ AM#饱和湿度的培养箱内培养
并于不同时间观察记录囊胚发育率和孵出率。
! " $ 胚胎细胞计数
将胚胎移入含 !$
!
’I2J F,4*/09KKK># )#
处理 H2&7装片后在荧光显微镜下观察,记录胚胎
细胞数。
! " % 统计分析
有实验至少重复 K次以上。实验数据利用
RSRR 统计软RSRR T7* ( <UMV< 模块分析。数
据先 JRB 后, 析,
!W $G$H为差异显著。
&结果
& " ! 不同发育阶段小鼠胚胎 ’( 冷冻后的发育
>?胞、
C?细胞致密早期和晚期桑椹胚在
$GX2,;IJ DE 中平衡 H2&7移入 ! GC2,;IJ DE 中平
!$2&7$G#H2J 塑料细管中冷冻。>?细胞和
C?细胞胚胎放入冷冻液后卵裂球因脱水而收缩
胞间距离和卵周隙增大!= B。致密早期桑
椹胚放入冷冻液后,细胞间界限更清晰(图 !%。致
密晚期桑椹胚在冷冻液中体积变小,但细胞不分离
(图 !F。解冻脱除冷冻液后,大部分胚胎能恢复到
冷冻前的状态,但细胞质内常出现小颗粒。
冻后胚胎体外培养结果(表 !示,密晚
桑椹胚的胚发育率C!G X#Q Y #G#>Q和孵出率
ZCG HZQ Y # G>KQ均显!W $ G$H高于其他时期
胚胎。>?细胞、
C?细胞和致密早期桑椹胚的囊胚率
差异不显著,C?细胞胚胎的囊胚孵出率显著高于
>?细胞和致密早期桑椹胚。
& " & ’( 浓度对冷冻)解冻胚胎发育的影响
密晚期桑椹胚在 $GX2,;IJ DE 中平衡 H2&7
后,$G X
!GC
#GO K G Z2,;IJ DE 中平衡 !$ 2&7
后冷冻。解冻后体外培养的囊胚发育率和囊胚孵出
率以 !G C2,;IJ 最高C$ GCKQ Y #G#$ Q OHG$$Q
Y #G$>Q极显著!W $ G$!高于其它组(表 #
& " * 平衡时间对冷冻小鼠胚胎发育的影响
致密晚期椹胚$GX2,;IJ DE 中平衡 H2&7
!GC2,;IJ DE 中平衡不同时间后冷冻。在
!GC2,;IJ DE 中平衡!$2&7 的囊胚发育率C$G XOQ Y
>G!>Q显著!W $G$H高于平衡 K$2&7 ZZ GKHQ
Y !G>HQ孵出OZ GOOQ Y !GC>Q
于平衡 #$ K$2&7
O$G !HQ Y ! GKOQ Z$G OHQ Y
KGOOQ(表 K。说明平衡时间可以在 H N !$2&7
不宜过长。
CZO "#$%&’& ()*+%,- ). /$)0&1#%)-)23 生物工程学报 #$$H
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!不同发育阶段小鼠胚胎 "# 冷冻后的发育
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8
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AAB =; C FBA;
#=F
>GB ED C >B;F
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DGB =A C =BFD
08
FG @E ;@
@@B FA C =B;A
);>
@GB DA C FBDD
8)
;>C 两步和一步平衡冷冻小鼠胚胎的发育
致密晚期椹胚GBE-’+5I /O 中平衡 A-4.
移入 = B?-’+5I /O 中平衡 =G-4.或者直接在 =B?
-’+5I /O 中平衡 =G-4. 后冷冻。结果表明,两步平
衡冷冻胚的囊胚发?GB ?F6 C > B>G6
!R GBGA高于一步平衡D>B@;6 C = B GA6
的囊胚孵出率DABGG6 C >BG;6显著!R G BG=
高于后者@GB=; 6 C >BF@6
;>D "# 冷冻液中添加不同浓度蔗糖对解冻胚胎发
育的影响
致密晚期椹胚GBE-’+5I /O 中平衡 A-4.
移入 G
GBGA
GB=
GB> G B ; -’+5I 蔗糖的
=B?-’+5I /O 中平衡 =G-4. 冷冻。添加 G
GBGA
GB= -’+5I 冷冻的囊育率?GB ?F6 C
>B>G 6
D?B GG6 C > BGG 6 ?GB;=6 C = B E>6
胚孵 DABGG6 C > B G;6
DGB @D6 C FB>F6
D;B F>6 C >BG@6差异不显著!L GBGA。但添加
GB> G B ;-’+5I 蔗糖的囊胚发育率DFB FF6 C > B ==
ADB G?6 C > B=E6 孵出@> B@D 6 C ; BGG 6
;FB @=6 C > BDA6显著!R G BGA下降(表 ;
C!> ?-+’@A "# 中添加不同浓度蔗糖冷冻小鼠致密晚期桑椹胚的发育
$%&’( C )(*(’+,-(./ +0 -+12( ’%/( <+-,%</ -+31’%( %0/(3 <34+,3(2(3*%/7+. 7. !> ? -+’@A "# 21,,’(-(./(9
67/8 9700(3(./ <+.<(./3%/7.2 +0 21<3+2(
!H81’&% 8’.8%."1#"4’.5
-’+5I/-012’& (1’3%.
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罗明久等:应用乙二醇冷冻小鼠胚胎:优化和简化程序的探索
!"# 解冻后脱除 $% 培养对胚胎发育的影响
致密晚期椹胚!"#$%&’( )* 中平衡 +$,-
移入 ."/$%&’( )* 中平衡 .!$,- 后冷冻。胚胎解冻
后移入含 !"+$%&’( 蔗糖的 01 中停留 +$,-再用 01
2次,脱除 )*。结果表明,脱除 )* 与不脱除 )*
囊 胚 发 育 率/!"/23 4 1"1!3 /." 563 4
2".# 3和囊胚孵出6+ "!! 3 4 1 "!7 3 62"223
4 1"61 3差异均不显著!8 ! "!+
!"& $% % 冷冻小鼠胚胎的发育效果比较
密晚期桑椹胚在 ! " #$%&’( )* !" 6+$%&’(
9* 中平衡 +$,-移入含有或不含有 ! ".$%&’(
."/$%&’( )* ."+$%&’( 9* 中平衡 .!$,-
冻。不添加蔗糖时,
)* 9* 冷冻胚胎的囊胚发育
/! " /2 3 4 1 " 1!3 /5"2#3 4 1"263和孵出率
6+" !!3 4 1 "!736# "/73 4 !" 623差异不显著
!8 !"!+但添加蔗糖时,
9* 冷冻胚胎的囊胚发
育 率/6"573 4 . " .13 和 孵 出 率/2 "763 4
1".5 3显著高于 )* 冷冻胚胎/!" 7.3 4 . "#1 3
67" 213 4 1"!539* 添加蔗糖冷冻致密晚期
桑椹胚效果好于 )*
(表 +
!"( $% 冷冻胚胎体外发育囊胚的细胞数
以最佳方案." /$%&’( )* 不添加蔗糖两步
衡、解冻后脱除 )*冷冻小鼠致密晚期桑椹胚发育
产生1# "!! 4 !" 5/22 "#! 4
!"/+
的细胞数明显少于体内胚胎2!"#2 4 ! "+.
2/" 6! 4 ! "65
) $% ’% 冷冻小鼠致密晚期桑椹胚的发育
*+,-. ) /.0.-123.45 16 3178. -+5. 9132+95 31:7-+. +65.: 9:;12:.8.:0+5<14 =<5> $% 1: ’%
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/6" 57 4 .".1
C+2
/2" 76 4 1".5
C
?讨论
过去小鼠和人的冷冻胚胎常用 9* 作为保护
剂,但最近证明,
)* 毒性较小
6
#
..
.+
并且已广泛用
动物胚胎的慢速
6
15和玻璃化冷冻
#
.!
.2
PA-
F?- QCC??&
16M%$$?;D?&F R,?$A--
#道,
速冷冻胚的效要好快速超快冷冻。然
而,目前用 9* )* 慢速冷冻小鼠胚胎的研究均采
用较为复杂的人胚胎冷冻L解冻程序进行
+
.+
16
未见到简化该程序的研究报道。本实验采用牛胚胎
冷冻程序
15
冷冻和解冻程序都大大简化。而
且,我们还证明,解冻后可以不脱除 )* 进行胚胎培
养。我们获的小致密期桑胚和 7L细胞胚
胎的冻后囊胚发育率与 SA%
+)$,&,A-,
.+
人胚冷冻—解冻程序所获得的十分接近。说明可以
用简化的冷冻L解冻程序进行小鼠胚胎 )* 冷冻。有
人采用一步平衡冷冻牛胚胎成功
15
但本实验未能
获得满意结果。另外,进行小鼠胚胎冷冻多在一个
细管内装 .+ T 1! 枚胚胎
+
.+
。这对于进行研究是
方便的,但不实用,因为人和大动物每次一般移植 .
T 1 枚胚胎。本实验中每只细管装 1枚胚胎冷冻也
取得了满意的效果。
MKAU
.7
发现,
)* 慢冻 7L细胞胚胎效果好于
9*)$,&,A-,
.+
发现,
)* 慢冻 7L细胞胚胎效果最
好,
9* 冷冻原核胚效果最好,甘油冷冻囊胚果最
好。IAD;A-,
.5
也发现,
)* 不如 9* 更适合于小鼠
合子冷冻。然而,些实验并没有涉及 /L细胞和桑
椹胚胎。本实验首次现,)* 冷冻致密晚期桑
椹胚的囊胚发育率和孵出率均显著高于其它时期胚
胎;
/L细胞胚胎的囊胚孵出率显著高于 7L细胞和致
密早期桑椹胚。综上述,)* 慢冻小鼠胚胎的
效果具有明显的胚胎发育阶段依赖性:合子 V 7L
胞、致密早期桑椹和囊胚 V /L细胞胚 V致密晚
桑椹胚。SA%
+
9* 冷冻小鼠胚胎发现冷冻致
密晚期桑椹胚的囊胚发育率显著高于 1L胞胚
后者的又著高合子致密期桑胚。这
明,.对于不同发育阶段胚胎必须采用不同的冷
冻程序和保护剂才能收到满意的冷冻效果;1
晚期桑椹胚最耐冻而致密早期桑椹胚对现有冷冻
程序,特别9* 冷冻更敏感。关于致密早期桑椹
胚对冷冻敏感的原因可能有三。第一,这些胚胎
育速度慢,为劣质胚胎。第二,由于致密早期桑椹胚
细胞间建立了部分连接,在进入冷冻液后因细
皱缩而使膜受到牵拉而易受损。第三,不同发育
期胚胎胞膜的通同,
."/$%&’( )* 中致密早期桑椹胚卵裂球相互分离,
!66 "#$%&’& ()*+%,- ). /$)0&1#%)-)23 生物工程学报 1!!+
P%&"1.
R%" +
密晚期桑椹胚卵裂球仍然紧密排列。由于本实验中
严格控制采胚时间致密早期和晚期桑椹胚并非同
时获得,故可排除第一种可能性。本实验中,致密早
期桑椹胚的冷冻效果与!"#"细胞胚胎相似也可排
除第二种可能性。而本实验和众多研究所证明的用
$% 冻小鼠胚胎的效果具有明显的胚胎发育阶段
依赖性却明显支持第三种可能性。
本实验应用 &’ (
)’#
*’+ , - ./012 $% 冷冻
小鼠致密晚期桑椹胚冻后体外培养的囊胚发
率和孵出率以 )’# ./012 的最高显著!3 & &)
高于其它组。本实验中,胚胎在 ) #./012 $% 中平
4 5 )&.67 的囊胚发育率显著高于平衡 ,&.67
)&.67 的囊胚孵出率显著高于平衡 *& 5 ,&.67
说明在 $% 中的平衡具有严格时限,
)&.67 好。
他人对其他冷冻保护剂的浓度
*#和平衡时间
*!
*(
的研究也得到了相似的结论。
尽管目前在用 $% 冻牛胚胎时一般不添加蔗
糖,89:;67<=
,&研究证明,
$% 添加 &)./012
冷冻牛胚胎的妊娠率显著高于不添加或添加
&’,./012 糖。我们发现,)# ./012 $%
冻液中添加 &
&’&4 & ) ./012 蔗糖冷冻小鼠胚胎
的囊胚发育率和孵出率差异不显著,添加 & *
&’!./012 蔗糖的囊胚发育率和孵出率显著下降
>/?@6
*-
报道,) -./012 A% 冷冻牛囊胚和桑椹
胚的效果)’ #./012 $%。本实验比较 A%
$% 对小鼠致密晚期桑椹胚的冷冻效果发现,在不添
加蔗糖的情况下,
$% A% 冷冻的囊胚发育率和孵
出率差异不显著,但在添加 & ) ./012 蔗糖时,
A%
冻胚胎的囊胚发育率和孵出率显著高于 $% 冷冻胚
胎。这说明,$% 冷冻小鼠桑椹胚时无需添加蔗
糖,但用 A% 冷冻时最好添加蔗糖。A% $% 作为
冷冻保护剂对蔗糖的需求差别可能与所用的胚胎解
关。B@9C
)!现, A%
&’)./012 蔗糖冷冻小鼠原核和 !"细胞胚用多种解冻
方法都能取得好效果,而用 A% 不加蔗糖
$% 加或
不加蔗糖冷冻时,只有一种(与实验全相
的)解冻方案,才获得好效果。
本实验发现冻后发育的早期囊胚和囊胚的细
胞数明显于体发育早期胚和胚。这
明,经现有方法冷"解冻胚胎仍会损伤部分细胞,
影响胚胎发育能力。形态观察也发现,解冻后胚
虽然能恢复到冷冻前的大小,细胞质出现微小
颗粒。说明经过冷冻"解冻后,细胞已受到损伤。
!"#"!"$%"&
(参考文献)
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答读者问
近来,编辑部常常接到一些读者的电话、信件及 FG:-9%询问有关投稿、审稿、订刊等事宜,为使更多的读者对这些问题有
所了解,现一一答复如下,希望对大家有所帮助。
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答:稿时需要提供论文第一作者署名单位的介绍信绍信主要应证明该文的作者署名无误一稿两投及不涉及
密问题。所有稿件都需要提供电子版,请用 C’() 附加文件形式发来。此外,还需要邮寄打印稿件一份(打印图片效果不好的,
最好附一份原图)并在投稿的同时缴纳 !@@ 元审稿费。
我刊 FG:-9%
3^;_ /508 9:8 -3 8 30
O8 审稿费需邮寄还是转帐?
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Z8 我可否指定审稿人,或言明请某审稿人回避?
答:您在投稿时可附上您推荐的审稿人名单,或请予回避的审稿人名单,供编辑部参考,但是否采纳将视具体情况而定。
(下转 "B! 页)
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