JP3783616B2 - Genetic diagnostic equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遺伝子異常の有無を簡単、正確に検出できる遺伝子診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
全ての疾患には、遺伝性要因と環境要因が種々の確率で関与しているが、先天性代謝異常症・癌・糖尿病・高血圧・アルツハイマー・自己免疫疾患・アトピー・肥満・アルコール依存などの疾患は、遺伝性要因が非常に大きな割合を占めている。一方、環境要素の寄与が大きい疾患は感染症や外傷の後遺症から誘因される疾患等である。
【0003】
ところで、近年分子生物学の急速な進展によって、様々な疾患において遺伝的要素、すなわち遺伝子の関与がかなり正確に解明されるようになり、遺伝子をターゲットにした医療に注目が集まるようになってきている。現在、最も注目されているのはSNPs(スニップス)と呼ばれるものである。これは、single nucleotide polymorphismの略で「1塩基多型」と一般に訳されており、個人間の遺伝子における1暗号(1塩基)の違いの総称である。
【0004】
人を含め地球上の全ての生命体遺伝子(または遺伝子の全集合体を意味するゲノム)は、共通の4つの塩基から成り立っており、この塩基の配列によって様々なタンパク質が作られ、各生物特有の生命活動が行われている。全ての生物に共通する4つの塩基とは、アデニン(Aと表記される)、グアニン(Gと表記される)、チミン(Tと表記される)、シトシン(Cと表記される)である。人の遺伝子は、約30〜32億塩基配列で構成されているといわれているが、各個人で数百から1000塩基に1ヶ所程度の割合で他の人と1つの塩基が異なっている場所が存在する。通常、この1塩基の変化が、あるヒト集団の全人口中1%以上の頻度で存在しているものを、SNPsと呼んでいる。
【0005】
従って、全遺伝子(ゲノム)中には、300万〜1000万のSNPsが存在しているといわれ、現在世界中でSNPsの探索が続けられている。SNPsが注目されている理由は、SNPsの分類により、統計的に各個人の遺伝子が関与しているといわれている多くの疾患に対する罹患率が推測できると考えられているからである。例えば、乳がんを例にとると、乳がんにかかった患者群と正常な群とのSNPsの比較により、乳がんにかかりやすい人に共通のSNPsを特定することができる。そして、健康診断時に、遺伝子を調査しそのSNPsを持った人、すなわち現在は正常でも将来乳がんにかかりやすい体質の人を見つけることが可能になる。
【0006】
この診断によって、乳がんにかかりやすい体質の人は、頻繁に検査をすることで万一癌に罹患しても、超早期に治療が行え生存の可能性が向上する。それと同様のことが、糖尿病や高血圧などの生活習慣病についても言え、世界中で多くの人が苦しんでいる病気に対して発病の前から食事や生活指導を正確にすることが可能になる。
【0007】
また、病気の治療に用いている薬剤に関してもSNPsは重要な役割を期待されている。治療の際に用いられる薬剤は全ての人に均等に効果を示すものではない。一般に薬剤は、ある割合の人には効果があっても他の人には全く効果が無く、かえって副作用等で逆の結果を招くことがあることも広く知られている。因みに、アメリカにおける死亡原因の中で薬剤による副作用が上位に位置しているのは周知のことである。薬剤の効果はその人がもつ体質に深く関与しており、その体質もSNPsの分類によって区別可能であると言われている。すなわち、SNPsの解析による分類で、ある薬剤に対してあらかじめ効果や感受性が予測でき適正な処方をすることが可能になり、患者個々人の体質に合わせた最適な薬剤の投与や副作用の危険性の回避が期待されている。このような医療のことをテーラーメイド医療またはオーダーメイド医療と呼び、将来の実用化が確実視されている。
【0008】
また癌は、正常な細胞においては重要な役割をする遺伝子上の特定の部位に例えば紫外線や変異原性物質の作用によって突然変異が生じることによって引き起こされることがわかっている。ある特定の遺伝子上の変異を読み取ることで細胞が癌化しているか否かを早い段階から診断できるようになる。そして、犯罪捜査における犯人の特定や曖昧な親子関係の確定さらには本人であるか否かの識別にもSNPsは、威力を発揮する。前述したように、各個人には300万〜1000万のSNPsが存在しており、両親からそれぞれ別々のSNPsを引き継ぐため、地球上に親子兄弟といえども全く同じSNPsをもつ人間は絶対に存在しないと言われている。これが個人の完全な特定を可能にする理由である。
【0009】
このように、特定の遺伝子中の1塩基に起きた変異を観察することで医療をはじめ様々の事柄に多大な貢献をもたらす可能性がある。しかしながら現在、特定の遺伝子の変異を観察する方法は以下に述べるような非常に複雑な操作あるいは高価な装置を必要とし、ランニングコストも非常に嵩むため、広く利用されるまでには至っていない状況にある。
【0010】
現在最も一般的に用いられているSNPsを調べる方法は、DNAの塩基配列を端から直接読んでいくシーケンシング(塩基配列の決定)と呼ばれている方法である。遺伝子は1種類のタンパク質を形成するための塩基配列情報をもったDNAの単位であるから、塩基配列を端から読んでいけばSNPsが解明することができる。シーケンシングを行う方法としては、いくつかの報告があるが、最も一般的に行われているのは以下に述べるジデオキシシーケンシング(Sanger法)である。この方法を含めいずれの方法も、分離能の高い変性ポリアクリルアミドゲル電気泳動かキャピラリー電気泳動によって1塩基長の長さの違いを分離・識別できる技術が基になって成り立っている。
【0011】
ジデオキシシーケンシング(Sanger法)は、酵素的シーケンシングとも呼ばれ、1本鎖鋳型DNAの相補的鎖を合成するためにDNAポリメラーゼを用い、さらに人工的につくった特殊な4種類のジデオキシヌクレオチドを利用するのが特徴である。シーケンシング操作としては、塩基配列を行いたい1本鎖DNAの3'末端を相補する合成塩基配列をプライマーとして用い、そのプライマーからDNAポリメラーゼと均等に加えられたデオキシヌクレオチドを酵素反応によって伸長させる操作を行うが、この時同時に4つの反応容器を準備しておき、それぞれにATGC4つの塩基の3'末端に水酸基を持たない、従ってこれ以上DNA伸長反応を続けることができない塩基アナログであるジデオキシヌクレオチドを別々に少量混入させておく。これにより、伸長中のDNAの末端にジデオキシヌクレオチドが付加された時点でDNA合成がストップし、それぞれの反応容器中に様々な長さを持った、しかし端は必ず加えた塩基アナログである2本鎖DNAが形成される。この反応容器にS1エンドヌクレアーゼを反応させ、1本鎖DNAを全て消化し2本鎖DNAのみとする。こうして得られた4つの反応容器のDNA鎖をゲル電気泳動またはキャピラリー電気泳動し、分離されたDNAを短い方(速く移動したもの)から順に読めば、鋳型鎖と相補的なDNAの塩基配列がわかる。この際、泳動結果の識別は、例えば加えるジデオキシヌクレオチドのリンまたはイオウを放射性標識したり蛍光を発する化学物質を結合させたりして行う。放射性標識の場合はフィルムへの露光での検出、蛍光化学物質の場合はレーザービームを照射し蛍光を検出する。最近では、A,T,G,Cの4種類の塩基アナログを、それぞれ4種類の蛍光波長の異なる試薬により標識し、その4色の蛍光を同時に検出する方法も開発されている。
【0012】
このように、従来は被験者から分離・精製した遺伝子の正確な塩基配列をこのジデオキシシーケンシング(Sanger法)あるいはその他の塩基配列決定法により決定し、正常あるいは標準的な塩基配列と比較することによってSNPsの有無や突然変異の有無の確認、個人の識別等を行っている。また、電気泳動法のように正常DNAと異常DNAの量比のみで診断する場合もある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来からの遺伝子配列決定法を利用した、遺伝子診断や遺伝子による個人の識別は、ターゲットとする遺伝子を単離したのち、増幅・精製し、遺伝子の塩基配列決定用装置を用いて、目的遺伝子の塩基配列を読むことによって行っていたため、実験に膨大な作業量と非常に長い時間、さらには多大のランニングコストを要していた。また塩基配列決定のための自動化した装置は、非常に高価で、大きなスペースを占有し、しかも高価な試薬を大量に必要とするものであった。
【0014】
そこで、従来のこのような問題を解決するために、本発明者らは電気泳動を利用した検出方法を提案した。すなわち、DNA試料と水素結合が可能な塩基配列と高分子化合物とを結合させて分離用DNAコンジュゲートを作成し、この分離用コンジュゲートの正常DNAと異常DNAに対する結合力の差から、DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離するものである。このため、キャピラリー管に充填した緩衝液の中に、この分離用DNAコンジュゲートとDNA試料とを充填し、定電圧を印加することによりキャピラリー管内のDNA試料と分離用DNAコンジュゲートを電気泳動し、検出部が正常DNAと異常DNAの通過量をそれぞれ紫外線吸光度として測定することで、正常DNAと異常DNAの比率を検出するものである。
【0015】
この方法はSNPsや異常DNAをきわめて容易且つ正確に分離測定できるものであるが、キャピラリー管に気泡等が混入した場合、電気泳動ができなくなるという課題を有していた。そして、この場合、キャピラリー管内部の状況を把握するのは難しく、気泡等の混入に気づかず測定を続けるため、測定中もしくは終了後に測定値の異常からこれに気づいて再度測定し直すことが多く、非常に非効率な測定を行わざるをえなかった。
【0016】
そこで本発明は、気泡等により電気泳動ができないことを迅速に検出することができ、高効率に測定できる遺伝子診断装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の遺伝子診断装置は、第1容器と第2容器間をリニアポリマーとDNA結合制御剤を含む緩衝液を充たして連絡した密閉流路と、密閉流路に設けられ、内部を通過するDNA試料の通過量を検出する検出部を備え、さらに密閉流路には、緩衝液の中に、DNA試料に水素結合可能な塩基配列と高分子化合物とが結合し、水素結合による結合力の差から前記DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離する分離用DNAコンジュゲートとDNA試料とが充填され、所定の電圧を印加することにより密閉流路内のDNA試料が電気泳動され、検出部が正常DNAと異常DNAの通過量をそれぞれ測定する遺伝子診断装置であって、密閉流路内には、流路内の気泡を少なくとも2波長以上の紫外線吸光度を測定することによって検知する気泡検知部が設けられたことを特徴とする。
【0018】
これにより、気泡等により電気泳動ができないことを迅速に検出することができ、高効率に測定できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載された発明は、緩衝液を収容し第1電極が浸漬された第1容器と、緩衝液を収容し第2電極が浸漬された第2容器と、第1容器と第2容器間をリニアポリマーとDNA結合制御剤を含む緩衝液を充たして連絡した密閉流路と、密閉流路に設けられ、内部を通過するDNA試料の通過量を検出する検出部を備え、さらに密閉流路には、緩衝液の中に、DNA試料に水素結合可能な塩基配列と高分子化合物とが結合し、水素結合による結合力の差から前記DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離する分離用DNAコンジュゲートとDNA試料とが充填され、所定の電圧を印加することにより密閉流路内のDNA試料が電気泳動され、検出部が正常DNAと異常DNAの通過量をそれぞれ測定する遺伝子診断装置であって、密閉流路内には、気泡を検知する気泡検知部が設けられ、前記気泡検知部が、前記密閉流路内の気泡を少なくとも2波長以上の紫外線吸光度を測定することによって検出するものであることを特徴とする遺伝子診断装置であるから、DNA試料を電気泳動するときに密閉流路内に気泡が発生したことを迅速に検出して、直ちに通知することができるため、無駄な電気泳動を繰り返すことなく、直ちに電気泳動を中止して密閉流路内の液を気泡の無い液に交換することが可能となる。気泡等により電気泳動ができないことを迅速に検出することができ、高効率に測定できる。
【0020】
本発明を説明するための参考例
図1は本発明を説明するための参考例における遺伝子診断装置の外観図、図2は遺伝子診断装置の上蓋開放外観図、図3は遺伝子診断装置の電気泳動部を含む装置構成図、図4は遺伝子診断装置の制御回路要部図、図5は遺伝子診断装置の密閉流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料との導入状態図である。
【0021】
図1において、1は遺伝子診断装置の電源スイッチ、2は装置の種々の操作を行うための操作ボタン、3は表示パネル、4は上蓋、5は装置の筐体である。図2、図3、図4において、6は電気泳動を行うための電気泳動部、7は電気泳動部6を支える支持台、8は電気泳動を行うための制御や後述する吸引ポンプ20、検出部15の制御を行い、検出したデータを演算する基板によって構成された制御演算部である。9は電源ボックス、9aは電源ボックス9内に設けられた電源部である。本遺伝子診断装置ではDNAの種類や濃度、処理条件ごとに異なった最適印加電圧値が存在するため、後述のDNA試料Bから異常DNAと正常DNAを分離するのに最も適した泳動が行えるように、制御演算部8が電源部9aを制御して電圧を印加する。10は正常DNAと異常DNAとを分離するための所定温度に調整するとともに、この部分でDNAを正常DNAと異常DNAとその他のノイズDNAの3つのDNAに分離する分離部、13は分離部10の温度を調整する温調器である。
【0022】
この分離部10内の詳細について簡単に説明する。キャピラリー管19への充填順序であるが、測定開始時には、図5に示すように先ずキャピラリー管19内にリニアポリマー18dとDNA結合制御剤を含んだ緩衝液18cを導入し、続いて分離用DNAコンジュゲートAを加える。このときリニアポリマー18dと混合して導入してもよいし、分離用DNAコンジュゲートA導入後にリニアポリマー18dを導入してもよい。図5の場合導入後に分離状態で導入している。続いて、分離用DNAコンジュゲートAと分離状態で緩衝液18cで希釈したDNA試料Bを導入して電気泳動する。
【0023】
本参考例では、分離用DNAコンジュゲートAを作成するのにアクリルアミドとDNAを重合させているため、DNAとの重量差、構造差は大きく、分離用DNAコンジュゲートAの泳動速度(0.6cm/分〜0.7cm/分)は、DNAの最適の泳動速度(13cm/分〜20cm/分)の1/20〜1/30程度であって、非常に動きが鈍く相対的に擬似的に固定されているといってもよいような状態が実現される。このように設定された配置と電圧制御、濃度調整、温度制御等を行うことにより、電気泳動させながら本遺伝子診断装置はDNA試料Bを分離用DNAコンジュゲートAの作用によって、正常DNAと異常DNAに数十分で分離することができる。
【0024】
15は電気泳動するDNA試料の通過量を測定する検出部である。15aはD2ランプ、15bはフォトダイオードアレイ、15cはプリアンプ、15dはA/Dコンバータである。キャピラリー管19の一部でガラス部を露出させ、D2ランプ15aから波長260nmの紫外線を照射する。このとき得られる紫外線照射光をフォトダイオードアレイ15bで検出し、吸光度を測定する。制御演算部8によって電源部9aを制御してD2ランプ15aを発光させ、フォトダイオードアレイ15bで検出した電流はプリアンプ15cで増幅し、A/Dコンバータ15dでデジタル量として吸光度に制御演算部8で換算される。制御演算部8はタイマ(図示しない)を内蔵し、泳動開始時間からの経過時間を測定することができる。時間的に早く経過時間が大きい方が、ノイズDNA、経過時間が中位のものが異常DNA、経過時間が小さいものが正常DNAである。
【0025】
16は電気泳動のときに正電位を印加する電極(本発明の第2電極)、17は電気泳動のときに負電位を印加する電極(本発明の第1電極)であり、制御演算部8が電源部9aを制御し、電極16と電極17との間に電圧を印加し、電気泳動を行う。図3において、18は電気泳動のときの電荷の運搬とDNA試料のpHを安定させるための緩衝液、18aは緩衝液18を収容する陰極側の容器(本発明の第1容器)、18bは緩衝液18を収容する陽極側の容器(本発明の第2容器)である。19は電気泳動のときにDNA試料Bを泳動するためのキャピラリー管(本発明の密閉流路)、20はキャピラリー管19の中にDNA試料やリニアポリマーなどの試薬を注入するための吸引ポンプである。そして、21aは緩衝液18中に気泡が存在することを電流値変化でモニターするための参考例の電流検出部(本参考例の気泡検知部)、22は気泡が存在することが検出されたとき鳴らすアラーム等の報知部である。
【0026】
図4に示すように、容器18aの緩衝液18の中には電極17が浸漬され、容器18bの緩衝液18の中に電極16が浸漬される。容器18aと容器18b内の緩衝液18は、キャピラリー管19内の緩衝液によって連通される。また、緩衝液の中には、リニアポリマー18dとDNA結合制御剤が含有されており、容器18a,18bの中やキャピラリー管19に収容する緩衝液18は、Tris-Borate(pH7.2〜pH8程度)緩衝液等を利用するのが適当である。このうちキャピラリー管19に収容する緩衝液に混入するDNA結合制御剤には、分離用DNAコンジュゲートに対するDNAの結合を促進する塩化マグネシウム等の結合促進剤と、離脱を促す尿素等の離脱剤の2種類が存在する。この2種類のDNA結合制御剤は、2種類の混合割合や、材料物質(例えば、結合促進剤として他の電解質)を選ぶことで、DNAに対する多様な泳動速度の制御が可能になるものである。
【0027】
電極16と電極17間に電圧を印加すると、キャピラリー管19内に電気泳動が誘発され、分離用DNAコンジュゲートAとDNA試料Bは負に帯電しているため、容器18aから容器18b側へ分離用DNAコンジュゲートAとDNA試料Bが移動するが、このときキャピラリー管19内部に気泡が存在すると、キャピラリー管19内の導電体が絶縁されてしまうため、電気泳動ができなくなってしまう。従って、キャピラリー管19内には気泡を混入しないようにしなければいけないが、誤って気泡を混入した場合は、できるだけ早く検知して電気泳動を中断し、キャピラリー管19内を洗浄してしまう必要がある。参考例の遺伝子診断装置はこれを検知するために、電気泳動時に電極17から流出する電流値を電流検出部21aで検出して制御演算部8でモニターし、電流値が所定の閾値0.01μA以下の場合に、キャピラリー管19内に気泡が発生したとして検知するものである。
【0028】
続いて、本参考例の遺伝子診断装置の動作について説明する。先ず遺伝子診断装置内に、DNA試料や各溶液を導入したキャピラリー管19をセットし、図3、図4に示すように両端に容器18a,18b内の緩衝液18を浸す。制御演算部8で電極16と電極17間に電源部9aによって所定電圧を印加する。なお、キャピラリー管19内のDNAは負に帯電しており陽極側に進むため、電源部9aは電極16を正電位、電極17を負電位になるように印加する必要がある。この電源部9aからの所定電圧の印加により、電気泳動が開始されるが、制御演算部8が電気泳動後に電流値が0.01μA以下になった場合、本参考例の遺伝子診断装置は、電気泳動を中止するように全体システムを制御するとともに、報知部22によって気泡等による異常を測定者に報知することができる。
【0029】
(実施の形態
次に、本発明の実施の形態における遺伝子診断装置について説明する。実施の形態の遺伝子診断装置は、気泡検知部としてフォトダイオードアレイを用いるものである。図6は本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の制御回路要部図、図7は本発明の実施の形態1における遺伝子診断装置の気泡と吸光度の関係図である。実施の形態の遺伝子診断装置は、基本的に参考例の遺伝子診断装置と同一の構成であるから、同一部材については同一符合を付与し、説明は省略する。
【0030】
図6において、15bは気泡検出のためのフォトダイオードアレイであり、実施の形態の遺伝子診断装置における気泡検知部である。
【0031】
実施の形態の気泡検知部は、キャピラリー管19に液を注入する初期の位置に少なくとも2波長以上、望ましくは200nmと260nmの紫外線吸光度を測定して、2個の吸光度が所定の閾値以下に同時におち込んだ場合に、キャピラリー管19内に気泡が発生したとして検知するものである。3波長以上の吸光度の測定を行った場合検出精度を高くすることができる。なお、2波長以上の紫外線吸光度は、1つのD2ランプ15aからフォトダイオードアレイ15bを使用して波長を分離することによって見ることが可能である。
【0032】
図7は、試薬や試料充填開始からの経過時間を横軸にして吸光度を縦軸にしたときの経過時間と吸光度の関係図である。実線は200nmの吸光度であり、破線は260nmの吸光度を示している。この図6で、200nmも260nmも吸光度が落ち込んだ部分がキャピラリー管19に気泡が混入していることを示している部分である。実施の形態においては、図6に示すようにキャピラリー管19の試料注入初期の部分でガラス部を露出させ、D2ランプ15aから2波長以上、本実施の形態では200nmと260nmを含む紫外線を照射し、このとき得られる紫外線照射光をフォトダイオードアレイ15bで分離検出し、それぞれの吸光度を測定する。制御演算部8によって電源部9aを制御してD2ランプ15aを発光させ、フォトダイオードアレイ15bで検出した電流はプリアンプ15cで増幅し、A/Dコンバータ15dでデジタル量として吸光度に制御演算部8で換算される。制御演算部8は2波長をモニターしておいて、吸光度が2波長とも所定の閾値からおち込んだ場合電気泳動を中止するように全体システムを制御するとともに、報知部22によって気泡等による異常を測定者に報知することができる。
【0033】
以上説明したように、本実施の形態の遺伝子診断装置キャピラリー管19内に気泡が混入した場合、気泡を検知して電気泳動を即座に中止し、キャピラリー管19内の試料を洗浄することができる。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【0035】
本発明の遺伝子診断装置は、DNA試料を電気泳動するときに密閉流路内に気泡が発生したことを報知することができるため、無駄な電気泳動を繰り返すことなく、直ちに電気泳動を中止して密閉流路内の液を気泡の無い液に交換することが可能となる。気泡等により電気泳動ができないことを迅速に検出することができ、高効率に測定できる。
【0036】
少なくとも2波長以上の紫外線吸光度を測定することで、迅速な検出が行え、直ちに報知することができ、無駄な電気泳動を繰り返すことなく、直ちに電気泳動を中止して密閉流路内の液を気泡の無い液に交換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を説明するための参考例における遺伝子診断装置の外観図
【図2】 遺伝子診断装置の上蓋開放外観図
【図3】 遺伝子診断装置の電気泳動部を含む装置構成図
【図4】 遺伝子診断装置の制御回路要部図
【図5】 遺伝子診断装置の密閉流路内の分離用DNAコンジュゲートとDNA試料 との導入状態図
【図6】 本発明の実施の形態における遺伝子診断装置の制御回路要部図
【図7】 本発明の実施の形態1における遺伝子診断装置の気泡と吸光度の関係図
【符号の説明】
1 電源スイッチ
2 操作ボタン
3 表示パネル
4 上蓋
5 筐体
6 電気泳動部
7 支持台
8 制御演算部
9 電源ボックス
9a 電源部
10 分離部
13 温調器
15 検出部
15a D2ランプ
15b フォトダイオードアレイ
15c プリアンプ
15d A/Dコンバータ
16,17 電極
18,18c 緩衝液
18a,18b 容器
18d リニアポリマー
19 キャピラリー管
20 吸引ポンプ
21a 電流検出部
22 報知部
A 分離用DNAコンジュゲート
B DNA試料
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a genetic diagnostic apparatus that can easily and accurately detect the presence or absence of a genetic abnormality.
[0002]
[Prior art]
All diseases involve genetic factors and environmental factors with various probabilities, but diseases such as congenital metabolic disorders, cancer, diabetes, hypertension, Alzheimer, autoimmune diseases, atopy, obesity, and alcoholism Hereditary factors account for a very large proportion. On the other hand, diseases that have a large contribution of environmental factors include diseases caused by infections and aftereffects of trauma.
[0003]
By the way, due to the rapid development of molecular biology in recent years, genetic elements, that is, gene involvement in various diseases have been elucidated fairly accurately, and attention has been focused on gene-targeted medicine. Yes. At present, what is attracting the most attention is SNPs (snips). This is an abbreviation for single nucleotide polymorphism and is generally translated as “single nucleotide polymorphism”, and is a general term for the difference of one code (one base) in genes between individuals.
[0004]
All life-form genes on earth, including humans (or the genome that means the entire collection of genes), are composed of four common bases, and various proteins are created by the sequence of these bases. Life activities are taking place. The four bases common to all organisms are adenine (denoted as A), guanine (denoted as G), thymine (denoted as T), and cytosine (denoted as C). Human genes are said to be composed of about 3 to 3.2 billion base sequences, but each individual has a base that is different from other people at a rate of about one in several hundred to 1000 bases. Exists. Usually, this single base change is present at a frequency of 1% or more in the total population of a certain human population, and is called SNPs.
[0005]
Therefore, it is said that there are 3 to 10 million SNPs in all genes (genome), and the search for SNPs is currently continued all over the world. The reason why SNPs are attracting attention is that it is considered that the morbidity rate for many diseases, which are said to be statistically related to the genes of each individual, can be estimated by the classification of SNPs. For example, taking breast cancer as an example, SNPs common to those who are likely to have breast cancer can be identified by comparing SNPs between a group of patients with breast cancer and a normal group. At the time of a health examination, it becomes possible to find a person who has investigated the gene and has the SNPs, that is, a person who is normal but is likely to have breast cancer in the future.
[0006]
With this diagnosis, a person with a constitution that is likely to have breast cancer can be treated very early, and the possibility of survival can be improved even if he / she suffers from cancer. The same can be said for lifestyle-related diseases such as diabetes and hypertension, and it is possible to accurately diet and guide living before the onset of diseases that many people around the world suffer.
[0007]
In addition, SNPs are expected to play an important role regarding drugs used for treatment of diseases. Drugs used during treatment are not equally effective for everyone. In general, it is well known that drugs are effective for a certain proportion of people but not for others at all, and may cause adverse results due to side effects. Incidentally, it is well known that drug side effects are at the top of the causes of death in the United States. The effect of the drug is deeply related to the constitution of the person, and the constitution is said to be distinguishable by the classification of SNPs. That is, the classification based on the analysis of SNPs makes it possible to predict the effect and sensitivity of a certain drug in advance and make an appropriate prescription, and the optimal drug administration and risk of side effects according to the individual patient's constitution. Avoidance is expected. Such medical care is called tailor-made medical care or tailor-made medical care, and future practical use is surely expected.
[0008]
In addition, it is known that cancer is caused by a mutation occurring at a specific site on a gene that plays an important role in normal cells, for example, by the action of ultraviolet rays or mutagenic substances. By reading a mutation on a specific gene, it becomes possible to diagnose from an early stage whether or not a cell is cancerous. SNPs are also effective in identifying criminals in criminal investigations, determining ambiguous parent-child relationships, and identifying whether or not they are individuals. As described above, there are 3 to 10 million SNPs in each individual, and since there are separate SNPs from parents, there are absolutely no humans on the planet who have the same SNPs even if they are parents and siblings. It is said not to. This is the reason why complete identification of individuals is possible.
[0009]
In this manner, observing a mutation that occurs at one base in a specific gene may greatly contribute to various matters including medical treatment. However, at present, the method of observing a mutation of a specific gene requires a very complicated operation or an expensive apparatus as described below, and the running cost is very high, so that it has not yet been widely used. is there.
[0010]
The most commonly used method for examining SNPs at present is a method called sequencing (determining the base sequence) in which the base sequence of DNA is directly read from the end. Since a gene is a unit of DNA having base sequence information for forming one kind of protein, SNPs can be elucidated by reading the base sequence from the end. There are several reports on the sequencing method, but the most commonly performed method is dideoxy sequencing (Sanger method) described below. All of these methods, including this method, are based on a technique that can separate and identify the difference in length of one base length by denaturing polyacrylamide gel electrophoresis or capillary electrophoresis with high resolution.
[0011]
The dideoxy sequencing (Sanger method), also called enzymatic sequencing, uses DNA polymerase to synthesize complementary strands of single-stranded template DNA, and then produces four special types of dideoxynucleotides artificially created. The feature is to use. As a sequencing operation, a synthetic base sequence that complements the 3 'end of the single-stranded DNA to be sequenced is used as a primer, and deoxynucleotides added equally from the primer to DNA polymerase are extended by an enzymatic reaction. At this time, four reaction vessels were prepared at the same time, and each did not have a hydroxyl group at the 3 'end of the ATGC four bases, and therefore dideoxynucleotide, a base analog that could not continue the DNA extension reaction any more. Mix a small amount separately. As a result, DNA synthesis was stopped when dideoxynucleotide was added to the end of the extending DNA, and each reaction vessel had various lengths, but the ends were always added base analogs. Stranded DNA is formed. The reaction vessel is reacted with S1 endonuclease to digest all the single-stranded DNA into only double-stranded DNA. If the DNA strands of the four reaction vessels thus obtained are subjected to gel electrophoresis or capillary electrophoresis, and the separated DNA is read in order from the shorter one (moved faster), the base sequence of the DNA complementary to the template strand will be Recognize. At this time, the electrophoresis results are identified by, for example, radioactively labeling the added dideoxynucleotide phosphorus or sulfur or binding a fluorescent chemical substance. In the case of a radioactive label, detection is performed by exposure to a film. In the case of a fluorescent chemical substance, fluorescence is detected by irradiating a laser beam. Recently, a method has been developed in which four types of base analogs A, T, G, and C are labeled with four types of reagents having different fluorescence wavelengths, and the four colors of fluorescence are simultaneously detected.
[0012]
In this way, conventionally, the exact base sequence of a gene isolated and purified from a subject is determined by this dideoxy sequencing (Sanger method) or other base sequence determination method, and compared with a normal or standard base sequence. Confirmation of the presence of SNPs and mutations, identification of individuals, etc. Further, there are cases where diagnosis is made only by the quantitative ratio between normal DNA and abnormal DNA, such as electrophoresis.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, genetic diagnosis and identification of individuals by gene using conventional gene sequencing methods are performed by isolating the target gene, then amplifying and purifying it, and using a device for determining the base sequence of the gene. Since it was performed by reading the base sequence of the target gene, the experiment required a huge amount of work, a very long time, and a great running cost. In addition, an automated apparatus for determining a base sequence is very expensive, occupies a large space, and requires a large amount of expensive reagents.
[0014]
Therefore, in order to solve such a conventional problem, the present inventors have proposed a detection method using electrophoresis. That is, a DNA sample is separated from a DNA sequence by bonding a base sequence capable of hydrogen bonding and a high molecular compound, and a separation DNA conjugate is prepared. From the difference in binding power of the separation conjugate to normal DNA and abnormal DNA, a DNA sample is obtained. Is separated into normal DNA and abnormal DNA. For this reason, the separation DNA conjugate and the DNA sample are filled in the buffer solution filled in the capillary tube, and the DNA sample and the separation DNA conjugate in the capillary tube are electrophoresed by applying a constant voltage. The detection unit detects the ratio of normal DNA to abnormal DNA by measuring the passing amount of normal DNA and abnormal DNA as ultraviolet absorbance.
[0015]
This method can separate and measure SNPs and abnormal DNA very easily and accurately, but has a problem that electrophoresis cannot be performed when bubbles or the like are mixed in the capillary tube. In this case, it is difficult to grasp the situation inside the capillary tube, and in order to continue the measurement without noticing the inclusion of bubbles or the like, it is often the case that the measurement value is abnormal during measurement or after the end of the measurement and noticed again. I had to make a very inefficient measurement.
[0016]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a genetic diagnosis apparatus that can quickly detect that electrophoresis cannot be performed due to bubbles or the like and can perform measurement with high efficiency.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a genetic diagnosis apparatus of the present invention is provided in a sealed channel, a sealed channel in which a buffer solution containing a linear polymer and a DNA binding control agent is filled and communicated between the first container and the second container. A detection unit for detecting the amount of DNA sample passing through the interior, and further, in the sealed channel, a base sequence capable of hydrogen bonding to the DNA sample and a polymer compound are bound in a buffer solution , A DNA conjugate for separation that separates the DNA sample into normal DNA and abnormal DNA from the difference in binding force due to hydrogen bonding and the DNA sample are filled, and the DNA sample in the sealed channel is electrically charged by applying a predetermined voltage. are electrophoresed, a genetic diagnostic device for detecting unit measures each passage of normal DNA and abnormal DNA, the closed flow path, to measure at least two or more wavelengths of the ultraviolet absorbance bubbles in the flow path Wherein the bubble detector for detecting is provided by the.
[0018]
Thereby, it is possible to quickly detect that electrophoresis cannot be performed due to bubbles or the like, and measurement can be performed with high efficiency.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in claim 1 includes a first container in which a buffer solution is stored and the first electrode is immersed, a second container in which the buffer solution is stored and the second electrode is immersed, a first container, and a second container. Provided with a sealed channel that is filled with a buffer containing a linear polymer and a DNA binding control agent between the containers, and a detection unit that is provided in the sealed channel and detects the amount of DNA sample passing through the interior, and is further sealed In the flow path, a base sequence capable of hydrogen bonding to a DNA sample and a polymer compound are bound in a buffer solution, and the DNA sample is separated into normal DNA and abnormal DNA from the difference in binding force due to hydrogen bonding. Diagnosis, in which a DNA conjugate for use and a DNA sample are filled, a DNA sample in an airtight flow path is electrophoresed by applying a predetermined voltage, and a detection unit measures the amount of normal DNA and abnormal DNA passing through, respectively Device, dense A bubble detection unit for detecting bubbles is provided in the closed channel, and the bubble detection unit detects the bubbles in the sealed channel by measuring ultraviolet absorbance of at least two wavelengths or more. Because it is a genetic diagnostic device characterized by the above, it can quickly detect the occurrence of air bubbles in the sealed channel when a DNA sample is electrophoresed and can immediately notify it, thus repeating unnecessary electrophoresis Without stopping, electrophoresis can be immediately stopped and the liquid in the sealed channel can be exchanged for liquid without bubbles. The fact that electrophoresis cannot be performed due to bubbles or the like can be quickly detected, and measurement can be performed with high efficiency.
[0020]
( Reference example for explaining the present invention )
FIG. 1 is an external view of a genetic diagnostic apparatus in a reference example for explaining the present invention, FIG. 2 is an external view of the genetic diagnostic apparatus with an open top, and FIG. 3 is an apparatus configuration diagram including an electrophoresis unit of the genetic diagnostic apparatus, FIG. 4 is a main part diagram of the control circuit of the genetic diagnosis apparatus, and FIG. 5 is an introduction state diagram of the DNA conjugate for separation and the DNA sample in the closed flow path of the genetic diagnosis apparatus.
[0021]
In FIG. 1, 1 is a power switch of the genetic diagnosis apparatus, 2 is an operation button for performing various operations of the apparatus, 3 is a display panel, 4 is an upper lid, and 5 is a casing of the apparatus. 2, 3, and 4, 6 is an electrophoresis unit for performing electrophoresis, 7 is a support base that supports the electrophoresis unit 6, 8 is a control for performing electrophoresis, a suction pump 20 described later, and detection. It is a control calculation part comprised by the board | substrate which controls the part 15 and calculates the detected data. Reference numeral 9 denotes a power supply box, and 9a denotes a power supply unit provided in the power supply box 9. Since this gene diagnostic apparatus has optimum applied voltage values that differ depending on the type, concentration, and processing conditions of DNA, the most suitable electrophoresis can be performed for separating abnormal DNA and normal DNA from a DNA sample B described later. The control calculation unit 8 controls the power supply unit 9a to apply a voltage. 10 is adjusted to a predetermined temperature for separating normal DNA and abnormal DNA, and a separation unit for separating the DNA into three DNAs of normal DNA, abnormal DNA, and other noise DNA in this portion, and 13 is a separation unit 10. It is a temperature controller that adjusts the temperature of the.
[0022]
Details in the separation unit 10 will be briefly described. In order to fill the capillary tube 19, at the start of measurement, as shown in FIG. 5, first, a linear polymer 18d and a buffer solution 18c containing a DNA binding control agent are introduced into the capillary tube 19, and then DNA for separation is introduced. Add conjugate A. At this time, it may be introduced by mixing with the linear polymer 18d, or the linear polymer 18d may be introduced after the DNA conjugate A for separation is introduced. In the case of FIG. 5, it is introduced in a separated state after introduction. Subsequently, a DNA sample A for separation and a DNA sample B diluted with a buffer solution 18c in a separated state are introduced and electrophoresed.
[0023]
In this reference example, since acrylamide and DNA are polymerized to prepare the separation DNA conjugate A, the difference in weight and structure from the DNA is large, and the migration speed of the separation DNA conjugate A (0.6 cm). / Min to 0.7 cm / min) is about 1/20 to 1/30 of the optimal migration speed of DNA (13 cm / min to 20 cm / min), and the movement is very slow and is relatively pseudo. A state that may be said to be fixed is realized. By performing the arrangement and voltage control, concentration adjustment, temperature control, and the like set in this way, the present gene diagnosis apparatus performs normal electrophoresis and abnormal DNA treatment by the action of the DNA conjugate A for separation while performing electrophoresis. Can be separated in several tens of minutes.
[0024]
Reference numeral 15 denotes a detection unit that measures the passing amount of the DNA sample to be electrophoresed. 15a is D 2 lamp, 15b photodiode array, 15c preamplifier, 15d is A / D converter. Some of the capillary tube 19 to expose the glass portion is irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 260nm from D 2 lamp 15a. The ultraviolet irradiation light obtained at this time is detected by the photodiode array 15b, and the absorbance is measured. The control arithmetic unit 8 controls the power unit 9a is emitting a D 2 lamp 15a, a photodiode array detected current is amplified by a preamplifier 15c at 15b, A / D converter 15d control arithmetic unit 8 to the absorbance as a digital value in It is converted by. The control calculation unit 8 has a built-in timer (not shown), and can measure the elapsed time from the migration start time. The earlier the time, the longer the elapsed time, the noise DNA, the middle the elapsed time is abnormal DNA, and the shorter the elapsed time is normal DNA.
[0025]
Reference numeral 16 denotes an electrode that applies a positive potential during electrophoresis (second electrode of the present invention), and 17 denotes an electrode that applies a negative potential during electrophoresis (first electrode of the present invention). Controls the power supply unit 9a, applies a voltage between the electrode 16 and the electrode 17, and performs electrophoresis. In FIG. 3, 18 is a buffer solution for carrying charge during electrophoresis and stabilizing the pH of the DNA sample, 18 a is a cathode side container (first container of the present invention) containing the buffer solution 18, and 18 b is It is a container (second container of the present invention) on the anode side that accommodates the buffer solution 18. 19 is a capillary tube for electrophoresis of the DNA sample B during electrophoresis (sealed flow path of the present invention), and 20 is a suction pump for injecting a reagent such as a DNA sample or linear polymer into the capillary tube 19. is there. And, 21a denotes a current detector of the reference example for monitoring a current value changes to the presence of air bubbles in the buffer 18 (bubble detecting section of the present embodiment), 22 was detected that there is a bubble It is a notification unit for an alarm or the like that rings.
[0026]
As shown in FIG. 4, the electrode 17 is immersed in the buffer solution 18 of the container 18a, and the electrode 16 is immersed in the buffer solution 18 of the container 18b. The buffer 18 in the container 18a and the container 18b is communicated with the buffer in the capillary tube 19. Further, the buffer solution contains a linear polymer 18d and a DNA binding control agent, and the buffer solution 18 contained in the containers 18a and 18b or the capillary tube 19 is Tris-Borate (pH 7.2 to pH 8). About) It is appropriate to use a buffer or the like. Among these, the DNA binding control agent mixed in the buffer accommodated in the capillary tube 19 includes a binding promoter such as magnesium chloride for promoting the binding of DNA to the DNA conjugate for separation, and a releasing agent such as urea for promoting the separation. There are two types. These two types of DNA binding control agents can control various migration speeds for DNA by selecting two types of mixing ratios and material substances (for example, other electrolytes as binding promoters). .
[0027]
When a voltage is applied between the electrode 16 and the electrode 17, electrophoresis is induced in the capillary tube 19, and the separation DNA conjugate A and the DNA sample B are negatively charged. Therefore, the separation from the container 18a to the container 18b is performed. DNA conjugate A and DNA sample B move, but if air bubbles are present inside capillary tube 19 at this time, the conductor in capillary tube 19 is insulated, and electrophoresis becomes impossible. Therefore, it is necessary to prevent bubbles from being mixed into the capillary tube 19, but if bubbles are mistakenly mixed, it is necessary to detect as soon as possible, interrupt electrophoresis, and wash the capillary tube 19. is there. In order to detect this, the gene diagnosis apparatus of the reference example detects the current value flowing out from the electrode 17 during electrophoresis by the current detection unit 21a and monitors it by the control calculation unit 8, and the current value is a predetermined threshold value 0.01 μA. In the following cases, it is detected that bubbles are generated in the capillary tube 19.
[0028]
Next, the operation of the gene diagnostic apparatus of this reference example will be described. First, a capillary tube 19 into which a DNA sample or each solution has been introduced is set in the genetic diagnosis apparatus, and the buffer solution 18 in the containers 18a and 18b is immersed at both ends as shown in FIGS. A predetermined voltage is applied between the electrode 16 and the electrode 17 by the power supply unit 9 a in the control calculation unit 8. Since the DNA in the capillary tube 19 is negatively charged and proceeds to the anode side, the power supply unit 9a needs to apply the electrode 16 so as to have a positive potential and the electrode 17 have a negative potential. Electrophoresis is started by application of a predetermined voltage from the power supply unit 9a. However, when the control calculation unit 8 has a current value of 0.01 μA or less after electrophoresis, the genetic diagnosis apparatus of this reference example While controlling the entire system so as to stop the migration, the notifying unit 22 can notify the measurer of abnormality due to bubbles or the like.
[0029]
(Embodiment 1 )
Next, the genetic diagnostic apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. The genetic diagnosis apparatus of the first embodiment uses a photodiode array as a bubble detection unit. Figure 6 is a control circuit main portion view of genetic diagnosis apparatus in the first embodiment of the present invention, FIG. 7 is a graph showing the relationship between the bubbles and the absorbance of the genetic diagnosis apparatus according to the first embodiment of the present invention. Since the genetic diagnostic apparatus of Embodiment 1 has basically the same configuration as the genetic diagnostic apparatus of the reference example , the same reference numerals are given to the same members, and the description thereof is omitted.
[0030]
In FIG. 6, reference numeral 15b denotes a photodiode array for detecting bubbles, which is a bubble detector in the genetic diagnosis apparatus of the first embodiment.
[0031]
The bubble detection unit of the first embodiment measures ultraviolet absorbances of at least two wavelengths, preferably 200 nm and 260 nm, at an initial position where the liquid is injected into the capillary tube 19, and the two absorbances are below a predetermined threshold. When they are simultaneously inserted, it is detected that bubbles are generated in the capillary tube 19. Detection accuracy can be increased when measuring absorbance of three wavelengths or more. Note that the ultraviolet absorbance of two or more wavelengths can be seen by separating the wavelengths from one D 2 lamp 15a using the photodiode array 15b.
[0032]
FIG. 7 is a relationship diagram between the elapsed time and the absorbance when the elapsed time from the start of reagent and sample filling is plotted on the horizontal axis and the absorbance is plotted on the vertical axis. The solid line indicates the absorbance at 200 nm, and the broken line indicates the absorbance at 260 nm. In FIG. 6, the portion where the absorbance decreased at both 200 nm and 260 nm is a portion indicating that bubbles are mixed in the capillary tube 19. In the first embodiment, as shown in FIG. 6, the glass portion is exposed at the initial stage of sample injection of the capillary tube 19, and ultraviolet rays including two or more wavelengths from the D 2 lamp 15a, 200 nm and 260 nm in the first embodiment. The ultraviolet ray irradiation light obtained at this time is separated and detected by the photodiode array 15b, and the absorbance of each is measured. The control arithmetic unit 8 controls the power unit 9a is emitting a D 2 lamp 15a, a photodiode array detected current is amplified by a preamplifier 15c at 15b, A / D converter 15d control arithmetic unit 8 to the absorbance as a digital value in It is converted by. The control calculation unit 8 monitors two wavelengths, and controls the entire system to stop electrophoresis when the absorbance falls from a predetermined threshold value for both wavelengths. The measurer can be notified.
[0033]
As described above, when air bubbles are mixed in the capillary tube 19 of the genetic diagnosis apparatus according to the first embodiment, the air bubbles are detected, the electrophoresis is immediately stopped, and the sample in the capillary tube 19 is washed. it can.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
[0035]
Since the genetic diagnosis apparatus of the present invention can notify that bubbles are generated in the closed flow path when electrophoresis a DNA sample, the electrophoresis is immediately stopped without repeating unnecessary electrophoresis. It becomes possible to replace the liquid in the sealed flow path with a liquid without bubbles. The fact that electrophoresis cannot be performed due to bubbles or the like can be quickly detected, and measurement can be performed with high efficiency.
[0036]
By measuring the UV absorbance of at least two wavelengths, it is possible to quickly detect and notify immediately, and without repeating unnecessary electrophoresis, the electrophoresis is immediately stopped and the liquid in the sealed channel is bubbled. It is possible to replace it with a liquid without any water.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a genetic diagnostic apparatus in a reference example for explaining the present invention. FIG. 2 is an external view of the genetic diagnostic apparatus with an open top. FIG. 3 is an apparatus configuration diagram including an electrophoresis unit of the genetic diagnostic apparatus. FIG. 4 is a main part diagram of the control circuit of the genetic diagnosis apparatus. FIG. 5 is an introduction state diagram of the DNA conjugate for separation and the DNA sample in the closed flow path of the genetic diagnosis apparatus. FIG. 7 is a main part diagram of the control circuit of the genetic diagnosis apparatus according to the first embodiment. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between bubbles and absorbance of the genetic diagnosis apparatus according to the first embodiment of the present invention.
1 Power switch 2 operation button 3 display panel 4 upper lid 5 housing 6 electrophoresis unit 7 detecting unit 15a D 2 support table 8 control arithmetic unit 9 power box 9a power unit 10 separation unit 13 temperature controller 15 lamp 15b photodiode array 15c Preamplifier 15d A / D converter 16, 17 Electrode 18, 18c Buffer 18a, 18b Container 18d Linear polymer 19 Capillary tube 20 Suction pump 21a Current detection unit 22 Notification unit A DNA conjugate for separation B DNA sample

Claims (1)

緩衝液を収容し第1電極が浸漬された第1容器と、緩衝液を収容し第2電極が浸漬された第2容器と、前記第1容器と前記第2容器間をリニアポリマーとDNA結合制御剤を含む緩衝液を充たして連絡した密閉流路と、前記密閉流路に設けられ、内部を通過するDNA試料の通過量を検出する検出部を備え、さらに前記密閉流路には、前記緩衝液の中に、DNA試料に水素結合可能な塩基配列と高分子化合物とが結合し、水素結合による結合力の差から前記DNA試料を正常DNAと異常DNAに分離する分離用DNAコンジュゲートと前記DNA試料とが充填され、前記所定の電圧を印加することにより前記密閉流路内のDNA試料が電気泳動され、前記検出部が正常DNAと異常DNAの通過量をそれぞれ測定する遺伝子診断装置であって、前記密閉流路内には、気泡を検知する気泡検知部が設けられ、前記気泡検知部が、前記密閉流路内の気泡を少なくとも2波長以上の紫外線吸光度を測定することによって検出するものであることを特徴とする遺伝子診断装置。A first container in which a buffer solution is contained and the first electrode is immersed; a second container in which a buffer solution is contained and the second electrode is immersed; and a linear polymer and DNA bond between the first container and the second container A sealed channel that is filled with a buffer containing a control agent and communicated, and a detection unit that is provided in the sealed channel and detects a passing amount of a DNA sample passing through the interior; A DNA conjugate for separation in which a base sequence capable of hydrogen bonding to a DNA sample and a polymer compound are bound in a buffer solution, and the DNA sample is separated into normal DNA and abnormal DNA from the difference in binding force due to hydrogen bonding ; the DNA sample and are filled, the DNA sample of the closed flow path by applying a predetermined voltage is electrophoresis, gene diagnosis device the detecting unit measures each passage of normal DNA and abnormal DNA In Te, the said closed passage, the bubble detecting section is provided for detecting the air bubbles, which the bubble detecting section detects by measuring the bubble at least 2 or more wavelengths of the ultraviolet absorbance of the closed flow path genetic diagnosis and wherein the at.
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