CN103613603B - 三硫代金刚烷衍生物、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三硫代金刚烷衍生物、其制备方法和应用。该三硫代金刚烷衍具有如下结构式：其中，R包括任意基团。本发明提供的三硫代金刚烷衍生物具有良好的稳定性，且其系通过三个硫对金属表面进行螯合，可获得极高的金属表面包被的稳定性，从而保障生物、化学分子或生物、化学基团与金材料连接的稳定性，包括但不限于化学稳定性，光学稳定性，温度稳定性，生物稳定性，电化学和电学稳定性，进而利于相关试验的顺利进行和/或提升相关试验结果的精确度，并提高相关产品的货架储存时间。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种三硫代金刚烷衍生物及其制备方法和应用。
背景技术
目前业界已经发展出多种通过将生物分子连接于金纳米粒子，铂表面的金纳米粒子，金电极、金纳米薄膜等材料的表面，继而构建生物检测试剂盒、传感器或者三维纳米结构材料的技术。在现有的这些技术中，生物分子与金材料的连接通常是通过连接在生物分子上的单个或多个巯基对金表面的强吸附实现的，但因巯基化学稳定性差，极易受氧气、光照作用而降解，并产生副产物，继而干扰后续反应的进行或影响试验的精密度。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种三硫代金刚烷衍生物，藉此三硫代金刚烷衍生物，可将生物和化学识别基团或生物识别结构高效和可靠地固定在金和其他贵金属表面。
本发明的另一目的在于提供一种前述三硫代金刚烷衍生物的制备工艺。
本发明的再一目的在于提供前述硫金刚烷衍生物在连接生物分子、化学分子、化学识别基团或生物识别结构与金属材料中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种三硫代金刚烷衍生物，具有如下结构式：
其中，R包括任意基团。
所述三硫代金刚烷衍生物至少选自如下化合物中的任一种：
其中，为分子间连接间隔，Y包括药物、氨基酸、多肽、代谢中间体、纳米构建物中的任意一种或两种以上的杂交体。
例如，所述的三硫代金刚烷衍生物可选自具有下列结构式的化合物中的任一种：
作为较为优选的实施方案之一，该三硫代金刚烷衍生物的制法工艺路线可以参阅图8，其中，a步骤的工艺条件包括：在温度为-78℃的条件下，在含有的有机溶剂中通入臭氧至反应完全，其后加入二甲基硫醚至完全反应，所述有机溶剂包括无水二氯甲烷；
b步骤的工艺条件包括：将与五硫化二磷和三氧化二铝在有机溶剂中充分反应，再依次进行过滤、洗涤和纯换处理；
c步骤的工作条件包括：将与强碱在选定反应溶剂中充分反应，其后将反应混合物酸化，再依次进行过滤、洗涤、纯化处理，所述选定反应溶剂包括体积比为3：3：1的四氢呋喃，甲醇和水的混合物；
d步骤的工作条件包括：将和无水碳酸钾于无水二甲酰胺中混合反应，再缓慢加入6-溴己醇，室温搅拌至反应完成后，除去溶剂，再进行纯化处理；
e步骤的工作条件包括：将与二异丙基乙基胺在无水二氯甲烷中充分反应后，再加入2-氰乙基二异丙基氯化亚磷酰胺，之后进行浓缩、纯化处理。
进一步的，作为较为典型的应用实例，该制法可以包括如下步骤：
(1)在温度为-78℃的条件下，向无水二氯甲烷中加入(甲基-2，2-二烯丙基戊-2-酸甲酯)，并通入臭氧进行反应至溶液颜色变为天蓝色，而后除去过量的臭氧，至溶液变成无色，再将二甲基硫醚逐滴加入到反应混合物中，在室温下搅拌过夜，然后除去溶剂得到黄色粘稠固体，其后将所获黄色粘稠固体溶解于乙腈中，在搅拌下，缓慢加入五硫化二磷和碱性氧化铝的混合物，生产的浆液的混合物回流25h以上，然后将反应混合物过滤，用乙酸乙酯冲洗后过滤，收集滤液，经色谱分离，获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯；
(2)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯与无水氢氧化锂混合。溶解该混合物在搅拌下用十二烷基硫酸钠，甲醇，水的比为3时03分01秒中的溶液，并回流过夜。然后将混合物酸化，用浓盐酸调节pH值为2，并使其冷却，在4℃的冰箱中过夜后，将溶液过滤，并用水洗涤，得到2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸；
(3)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸与无水碳酸钾溶解在无水二甲基甲酰胺中，之后取6-溴己醇逐滴加入到反应混合物中，在室温下搅拌至反应完成后，除去溶剂，再经纯化后，获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸酸己-1-醇；
(4)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸酸己-1-醇溶解在无水二氯甲烷中，并加入二异丙基乙基胺，在氮气氛下搅拌，然后将混合物冷却到0-2℃下，再加入2-氰乙基二异丙基氯化亚磷酰胺，待充分反应后，向反应混合物中加入碳酸氢钠溶液充分振荡，收集有机相，并还原，得到的粗产物经闪式柱色谱法纯化，得到2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸己烷亚磷酰胺。
前述三硫代金刚烷衍生物在连接生物分子与金属材料中的应用，所述生物分子包括核酸，多肽或蛋白质，所述金属材料包括金。
一种生物有机包被分子，包括：
生物分子基体，以及
连接在生物分子基体上的至少一个有机分子，其中该至少一个有机分子包含至少一个前述三硫代金刚烷衍生物。
前述三硫代金刚烷衍生物或前述生物有机包被分子在制备生物分子检测试剂盒或纳米结构材料中的应用。
一种多功能材料，包括基材以及前述生物有机包被分子，其中，至少所述基材的表面由可与三硫代金刚烷衍生物连接的金属材料组成，所述基材包括纳米材料。
其中的生物分子基体包括核苷酸。
一种纳米结构材料的构建方法，包括：
将一个以上生物分子经权利要求1所述三硫代金刚烷衍生物连接到至少表层由金属材料组成的基体表面，所述生物分子采用包含选定序列的寡核苷酸，
而后，将复数个所述基体置于适于进行寡核苷酸杂交反应的环境中，并加入具有与所述选定序列互补的序列的DNA进行杂交反应，从而构建形成所述纳米结构材料。
一种非标记SNP检测方法，包括：
将两种以上寡核苷酸经权利要求1所述三硫代金刚烷衍生物连接到金纳米粒子表面，该两种以上寡核苷酸分别包含与目标DNA中两个以上不同区域内的序列互补的序列；
而后，将复数个表面连接有该两种以上寡核苷酸的金纳米粒子置于适于进行寡核苷酸杂交反应的环境中，并加入目标DNA进行杂交反应，而后在室温下静置至发生粒子凝集，再通过测量吸收光谱对温度的变化并获得由杂交反应形成的体系的“熔点”，继而实现SNP的检测。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：提供了一种三硫代金刚烷衍生物，其具有良好的稳定性，且其系通过三个硫对金属表面进行螯合，可获得极高的金属表面包被的稳定性，从而保障生物、化学分子或生物、化学基团与金材料连接的稳定性(包括但不限于化学稳定性，光学稳定性，温度稳定性，生物稳定性，电化学和电学稳定性)，进而利于相关试验的顺利进行和/或提升相关试验结果的精确度，并提高相关产品的货架储存时间。
附图说明
图1是本发明典型实施实施方式之一的原理图；
图2a是本发明典型实施实施方式之二的原理图；
图2b是本发明典型实施实施方式之三的原理图；
图2b是本发明典型实施实施方式之四的原理图；
图3是本发明典型实施实施方式之五的原理图；
图4a是本发明一典型实施例的原理图；
图4b是本发明一典型实施例的吸收光谱图；
图5a是本发明一实施例中利用三硫代金刚烷寡核苷酸稳定的金纳米粒子探针探测目标DNA(完全互补)的温度-吸收度图谱；
图5b是本发明一实施例中利用三硫代金刚烷寡核苷酸稳定的金纳米粒子探针探测目标DNA(1个碱基非匹配)的温度-吸收度图谱；
图6a是本发明一实施例中利用三硫代金刚烷寡核苷酸稳定的金纳米粒子探针探测目标DNA(完全互补)的温度-吸收度图谱；
图6b是本发明一实施例中利用三硫代金刚烷寡核苷酸稳定的金纳米粒子探针探测目标DNA(1个碱基非匹配)在不同温度下的吸收光谱图；
图7a是本发明典型实施实施方式之六的原理图；
图7b是本发明典型实施实施方式之六中不同反应时间的光谱图；
图8是本发明一典型实施例的工艺流程图。
具体实施方式
如前所述，本发明系提供了一种2，4，9-三硫代杂-[3.3.1.13，7]三环癸烷-7-羧酸酯(亦可命名为“三硫代金刚烷衍生物”)，利用其所含有的三个硫对金属表面进行螯合，获得极高的金属表面包被的稳定性，而通过将其应用于生物、化学分子或基团与金材料的连接，可以有效提升基于该连接而实现的各类反应的效果，如，反应的效率、结果的准确性等等。
作为其中的应用方案之一，本发明可以应用于基因测序，通过分析DNA双螺旋的热稳定性，在一个20-30碱基DNA序列中检测出单个基因基因序列变异的方法。该方法(SNP检测)已被广泛运用于在遗传性疾病的诊断，法医检验，和病源微生物的鉴定等方面。
参阅图1及图2a-2b，前述的该典型实施方式可以包括：利用三硫代金刚烷作为寡核苷酸检测的金表面上附着的寡核苷酸分子表面锚，而通过紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和表面等离子体共振光谱(SPR)可以证明该法的可靠性和使用上的简便性。
以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
需要指出的是，如下实施例中所采用的常用试剂均购自SigmaAldrich公司和ThemoFisher，并直接使用。柠檬酸稳定的13纳米的黄金纳米粒子的制备按照以前的文献。寡核苷酸是从IntegratedDNATechnologies购买。使用的所有溶剂均为试剂级，并在使用前进行蒸馏。用于所有的实验中的Nanopure超净水(Milli-Q系统)的电阻高于18MΩ。所有空气和湿气敏感的反应，在干燥氮气下进行。在VarianGemini300光谱仪上记录1HNMR(300兆赫)和13CNMR谱(75兆赫)。红外光谱在NicoletNEXUS870FT-IR光谱仪收集。ATP-IR是在上述设备上配备一个ThunderdomATR附件。一台配有TCC240A温控系统的日本岛津UV1800分光光度计被用于UV-Vis紫外可见光谱和DNA熔解曲线。电喷雾质谱分析(ESI-MS)是在一台BrukerEsquire液相层析-离子阱质谱联动仪上获得。SPR测量进行自定义内置四通道流通池，SPR传感器，基于波长解调(1波长移对应～150pg/mm2表面覆盖生物分子吸附)。透射电子显微镜图像是用JEOLJEM1230透射电子显微镜拍摄的。
当然，依据本说明书的内容，本领域技术人员亦可很容易的想到采用其它市售或自制途径所获的各类试剂或试验设备等替代前述试剂或设备，因此其不应构成对本发明所要求保护范围的任何限制。
本实施例的合成路线可以参阅图8，其中步骤a-e所示的反应条件如下：(a)：臭氧，二氯甲烷，-78℃，二甲基硫醚；(b)：五硫化二磷和三氧化二铝在乙腈中加热回流；(c)；氢氧化锂在四氢呋喃，甲醇和水的混合物(THF：MeOH：H2O＝3：3：1)，加热回流，然后加6当量盐酸中和；(d)6-溴己醇，无水碳酸钾，二甲酰胺；(e)2-腈乙基-N，N-二异丙基氯化亚磷酰胺，二异丙基乙胺，二氯甲烷。
进一步的，前述合成路线可通过如下更为具体的实施例而实现：
2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯(化合物2)的合成：
干冰和丙酮(-78℃)15分钟，在干冰浴中搅拌过的溶液(3.00克，15.4毫摩尔)甲基-2，2-二烯丙基戊-2-酸甲酯在无水二氯甲烷(150mL)中加化合物1。进行臭氧反应，臭氧气体鼓泡通入澄清的黄色溶液，直到颜色改变为天蓝色，标记反应完成。通氮气除去过量的臭氧，直到它变成无色。再将二甲基硫醚(4毫升，61.6毫摩尔)逐滴加入到反应混合物中，然后将容器从除去冰浴，在室温下搅拌过夜。然后将溶剂在减压下除去，得到黄色粘稠固体，然后将其重新溶解于乙腈(100mL)中。在搅拌下，缓慢加入五硫化二磷(7.53克，16.9毫摩尔)和碱性氧化铝(16.0克)的混合物生产的浆液的混合物回流25小时。然后将反应混合物过滤，用温热的乙酸乙酯冲洗并减压过滤液得到粗产物，将其用快速色谱柱分离法，使用乙酸乙酯和己烷的5％-25％的梯度。进而获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯(1.15克，产率30％)。相应表征数据如下：1HNMRδ：2.90(6H，d，CH2)，3.74(s，3H，OCH)，4.32(w，3H，)PPM；FTIR(ATR)：1723(C＝O)，2941(脂肪CH)，2900(脂族CH)cm-1处。
2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸(化合物3)的合成。在圆底烧瓶中加入化合物2(0.575克，2.31毫摩尔)与无水氢氧化锂(0.506克，21.1毫摩尔)，在搅拌下加入十二烷基硫酸钠和由体积比为3：3：1的四氢呋喃，甲醇和水混合形成的溶液，并回流过夜。然后将混合物酸化(用浓盐酸至pH为2)，并使其冷却，在4℃的冰箱中过夜，将溶液过滤，并用冰冷的水洗涤，得到2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸(0.48克，89％)浅黄色的产物。相应表征数据如下：1HNMRδ：2.93(6H，D，CH2)，4.38((宽)，3H，夹心阶层住屋计划)PPM；红外(ATR)：1710(C＝O)，2920(脂肪族CH)，2933(脂肪族CH)2700-3200(宽，OH)cm-1处。
3、2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸酸己-1-醇(化合物4)的合成。化合物3(0.30克，1.2毫摩尔)和无水碳酸钾(0.53克，3.8毫摩尔)溶解在无水二甲基甲酰胺(6mL)中，在氮气氛下将溶液搅拌30分钟，然后将6-溴己醇(0.184毫升，1.41毫摩尔)逐滴加入到反应混合物中，然后在室温下搅拌过夜。通过TLC监测反应完成。反应完成后，在减少溶剂在真空下蒸干，粗产物用前述快速色谱柱分离法(乙酸乙酯/己烷，1：3)纯化，得到油状的或液晶状的产品(0.28克，产率68％)。其表征数据如下：1HNMRδ：2.90(q，6H，CH2)，4.33((宽峰))，3H，CH)，3.66(t，2H，OCH2)，4.14(t，2H，OCH2)，1.68(2Hm，CH2)，1.59(m，2H，CH2)，1.41(m，4H，CH2)PPM。13CNMRδ：175.20，65.37，62.87，41.36，40.07，38.63，32.73，28.69，25.91，25.59。红外：1725(C＝O)，2934(脂肪族CH)2859(脂肪CH)，3323-3500(宽，OH)cm-1处。2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸己烷亚磷酰胺(化合物5)的合成。将化合物4(0.23克，0.667毫摩尔)溶解在无水二氯甲烷(10mL)中，并加入二异丙基乙基胺(0.2毫升，1.16毫摩尔)，在在氮气氛下搅拌。然后将混合物放置在冰浴上冷却到0-2℃下，持续搅拌，且同时通过注射器逐滴加入2-氰乙基二异丙基氯化亚磷酰胺(0.152毫升，0.84毫摩尔)，加完后，将反应混合物从冰浴中去除，并在室温下搅拌3小时。通过TLC监测反应进程。反应完成后，将产物用碳酸氢钠溶液(0.5M，2×10毫升)，收集有机相，并还原，得到的粗产物，用乙酸乙酯和1％三乙胺的己烷5％-25％梯度，经前述快速色谱柱分离纯化。得到油状产物(0.186克，52％)，其表征数据如下：1HNMRδ：4.33((宽峰))，3H，CH)，4.13(吨，2H，OCH2)，3.81(米，2H，NCH)，3.61(米，4H，OCH2)，2.90(四，6HCH2)，2.65(T，2H，CH2CN)1.64(M，4H，CH2)，1.40(M，4H，CH2)，1.18(D，12H，CH3)PPM。13CNMRδ：175.05，119.5，65.17，63.27，45.95，45.88，41.36，39.98，38.55，30.51，28.57，25.66，25.47，23.69，22.48PPM。红外：1719(C＝O)，2253(CN)，2950(脂肪族CH)，2929(脂肪族CH)，cm-1。ESI-MS：计算值(M+)557.75发现557.5。
合成三硫代金刚烷寡核苷酸：
本实施例中系使用亚磷酰胺固相寡核苷酸合成方法获得所需的寡核苷酸链，参阅图1，其以三硫代金刚烷亚磷酰胺(化合物5)作为最后的一个碱基。然后按标准的去保护和纯化方法得到末端为三硫代金刚烷的所需寡核苷酸单链，该方法可以用在DNA和RNA的单链合成上。
而基于该三硫代金刚烷寡核苷酸，可设计出分子探针检验试剂盒。在一更为具体的应用例中，可采用夹心法，即：将选定的目标序列(30个碱基)分为两段，分别合成两个单链(甲和乙)的互补序列的单链去氧核糖核酸，每个由15碱基组成。
三硫代金刚烷寡核苷酸包被纳米金粒子的制备：
将上述三硫代金刚烷寡核苷酸与平均直径为在13纳米的以柠檬酸稳定的金纳米粒子(约17nmol)在室温下孵育16小时，其中三硫代金刚烷寡核苷酸的浓度为3.5微摩尔，获得寡核苷酸的金纳米探针的水溶液，然后使该溶液中含有0.1MNaCl，并加入pH7.4的10mM磷酸盐缓冲液，静置48小时。将溶液在20000g离心30分钟，分离出的纳米颗粒在离心管的底部，呈油状的红色沉淀，而过剩的寡核苷酸则滞留于滤液中。将分离出的纳米颗粒再悬浮于含0.1MNaCl，10mM磷酸盐的缓冲液中(pH7.4)，重复离心和再分散(最多两次)，最后再悬浮于含0.3MNaCl、10mM磷酸盐和0.01％叠氮化钠的缓冲液(pH7.4)中。在SNP检验方法中，检测对象为非标记的ssDNA序列，在此为30个碱基。探针的设计是将该30个碱基对分成两半，从而设计出三硫代金刚烷寡核苷酸探针甲，其末端带有15个碱基的scDNA和检测对象的一半ssDNA互补。三硫代金刚烷寡核苷酸探针乙的末端带有另外15个碱基，和另一半的ssDNA互补。探针甲和探针乙包被的纳米粒子，其特征的可见吸收峰在530纳米。
基于纳米金粒子的DNA探针和目标寡核苷酸杂交和熔点分析：
非标记的SNP检测的方法是将两个互补序列的单链去氧核糖核酸包被的金纳米粒子(甲和乙)和目标序列在溶液里混合，在55-60℃的水浴中加热5分钟，并在室温下静置，直到发生了粒子凝集(约2～3小时)。通过测量吸收光谱对温度的变化并获得该凝聚系统的“熔点”，该方法可准确测量出单个碱基对的变异(SNP)。
参阅图5a-图6b，其中所使用三硫代金刚烷寡核苷酸稳定的金纳米粒子探针来探测一个由30个碱基的目标序列：A图是甲乙探针和目标序列完全互补，B图是甲乙探针和目标序列完全非互补，和C是甲乙探针和目标序列有一个碱基不互补的目标序列进行杂交的试验。
由于这两种探针的寡核苷酸链的5′端有三脚架锚，目标对准，并与头，尾的方式(图1)中的探针进行杂交。一个扩展的三维网络，官能化的多个寡核苷酸，在红色(524纳米)，带蓝色的粉红色(569纳米)。
通过测量在650nm处的吸光度，作为温度的函数，绘制的熔化温度曲线的纳米粒子的聚集体，上面的熔融温度(Tm)(图4)示出了特征性的尖锐的过渡。这种熔化温度，对应到61℃，是由于从互补的DNA功能化金纳米粒子探针杂交的目标DNA的热解离。
在1个碱基对的不匹配的目标序列检测中，熔化温度下降了约20℃。另外1个碱基对不匹配的目标形成的纳米粒子聚集TM观察到41℃(图5)。这种减少在熔融温度可以解释的基础上的不匹配的基础上，不能形成氢键纳米粒子探针与相应的碱，造成不稳定的影响，形成不完整的双螺旋。这种不完整的双螺旋形成在需要较少的热能聚集形成从互补的目标相比寡核苷酸链接聚合变性。
表面等离子体激元共振(SPR)光谱单碱基非标记SNP检测
参阅图7a，上述的核糖核酸序列检测也可以通过表面等离子体激元共振(SPR)光谱实现，寡核苷酸探针的甲、乙和寡核苷酸的目标包括完全互补的，单个碱基不配的和非互补的单链DNA分子。
三硫代金刚烷寡核苷酸包被的金薄膜芯片的制备如下：将金薄膜芯片浸泡在三硫代金刚烷寡核苷酸溶液(10毫摩尔磷酸缓冲溶液，0.3当量氯化钠，pH7.4)中12小时。取出后用超净水洗涤，然后装入SPR仪。
杂交检验是通过注射5微升的寡核苷酸溶液，参阅图7b可以看到该方法具有非常高的特异性。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (1)
1.一种三硫代金刚烷衍生物的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
(1)在温度为-78℃的条件下，在含有甲基-2，2-二烯丙基戊-2-酸甲酯的有机溶剂中通入臭氧至反应完全，其后加入二甲基硫醚，并持续搅拌反应10h以上，至完全反应，反应结束后减压蒸馏除去有机溶剂，得到黄色粘稠固体，其后将所获黄色粘稠固体溶解于乙腈中，在搅拌下，缓慢加入五硫化二磷和碱性氧化铝的混合物，将所获混合物加热到乙腈回流温度，在氮气下回流25h以上，然后冷却到室温，并将反应混合物过滤，滤液经浓缩和分离后获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯，所述有机溶剂包括无水二氯甲烷；
(2)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸甲酯与无水氢氧化锂混合，并加入助溶剂，该助溶剂中甲醇、四氢呋喃与水的体积比为3∶3∶1，并回流3-4小时，然后将混合物冷却至室温，调节至pH值为2，并冷却至0℃以上，析出白色固体沉淀，分离出所述白色固体，并洗涤，得到2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸；
(3)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸与无水碳酸钾溶解在无水二甲基甲酰胺中，之后取6-溴己醇逐滴加入到上述反应混合物中，在室温下搅拌至反应完成后，除去溶剂，再经纯化后，获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸酸己-1-醇；
(4)将2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸酸己-1-醇溶解在无水二氯甲烷中，并加入二异丙基乙基胺，在氮气氛下搅拌，然后将混合物冷却到0-2℃，再加入2-氰乙基二异丙基氯化亚磷酰胺，待充分反应后，向反应混合物中加入碳酸氢钠溶液充分振荡，收集有机相，并还原，得到的粗产物经闪式柱色谱法纯化，获得2，4，9-三硫代金刚烷-7-羧酸己烷亚磷酰胺。
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