WO2015056802A1 - 分離フィルタ材料並びに血液および組織間質液成分分析センサチップ - Google Patents

分離フィルタ材料並びに血液および組織間質液成分分析センサチップ Download PDF

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blood
sensor chip
component analysis
analysis sensor
filter material
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正樹 関野
雄介 井上
隆夫 染谷
毅 関谷
酒井 真理
裕輔 阿部
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独立行政法人科学技術振興機構
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    • A61B5/1486Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using enzyme electrodes, e.g. with immobilised oxidase
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/14532Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement

Definitions

  • the present invention relates to a serum separation filter material and a blood component analysis sensor chip.
  • Non-Patent Document 1 discloses a hybrid blood removal cannula that is applied to an auxiliary artificial heart that performs a part of the function of the heart.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a blood component analysis sensor chip capable of accurately analyzing a blood component over a long period from the initial stage of implantation in a living body, and It is providing the serum separation filter material applied to the said sensor chip.
  • One embodiment of the present invention includes a filter base material having a plurality of pore pathways that penetrates in the thickness direction and is permeable to liquid, and an extracellular matrix that is produced by a cell, and has a vacuole formed by decellularization. And a separation membrane connected to the outer surface of the substrate.
  • Another aspect of the present invention is a blood and tissue interstitial fluid component analysis sensor chip having the separation filter material of the above aspect and a reaction part that reacts with an analyte in a liquid that has permeated the separation membrane.
  • the blood and tissue interstitial fluid component analysis sensor chip of the above aspect is in contact with a liquid obtained by being in contact with a first surface that is one of both surfaces in the thickness direction of the separation filter material and passing through the separation filter material.
  • a pretreatment reagent carrier containing a pretreatment reagent for performing pretreatment may be further provided, and the reaction section may be able to contact the liquid that has been pretreated through the pretreatment reagent carrier. .
  • the reaction unit may have an electrode for electrochemical measurement.
  • the reaction unit may have a fluorescent reagent that emits fluorescence when it is fixed to the separation membrane and contacts the analyte.
  • blood components and tissue interstitial fluid components can be analyzed with high accuracy over a long period from the initial stage of implantation into a living body.
  • (A) is typical sectional drawing of the blood component analysis sensor chip of 1st Embodiment of this invention.
  • (B) is typical sectional drawing which shows one process at the time of manufacture of the blood component analysis sensor chip.
  • (C) is a typical sectional view showing one process at the time of use of the blood component analysis sensor chip. It is typical sectional drawing of the blood component analysis sensor chip of 2nd Embodiment of this invention. It is typical sectional drawing which shows the state by which the base material was distribute
  • (A) is a graph showing the relationship between the number of days and the glucose concentration when a sample containing sugar, protein, or the like is permeated through a polysulfone membrane, and (b) is a serum separation of an example of the present invention. It is a graph which shows the relationship between the number of days when the sample containing sugar, protein, etc. permeate
  • (A) is a graph showing the relationship between the number of days and the protein removal rate when a sample containing sugar, protein or the like is permeated through a polysulfone membrane, and (b) is a serum of an example of the present invention. It is a graph which shows the relationship between the number of days when a sample containing sugar, protein, etc. permeate
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a blood component analysis sensor chip according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view showing a process during the manufacture of the blood component analysis sensor chip.
  • FIG. 1C is a schematic cross-sectional view showing one process during use of the blood component analysis sensor chip.
  • a blood component analysis sensor chip 1 of this embodiment includes a filter base 2 (hereinafter simply referred to as a base) and a serum separation membrane 3 connected to the outer surface of the base 2. And a reaction unit 7 that reacts with the analyte in the serum.
  • a serum separation filter material 5 is constituted by the substrate 2 and the serum separation membrane 3.
  • a pretreatment reagent carrier 8 holding a reagent for pretreatment of serum and a pretreatment are performed between the serum separation filter material 5 and the reaction unit 7.
  • a selective permeation membrane 9 is provided for permeating components necessary for analysis of the analyte in the serum and leading them to the reaction unit 7.
  • the analysis content applicable to the serum separation filter material 5 and the blood component analysis sensor chip 1 of the present embodiment is not limited to the measurement of blood glucose concentration.
  • the base material 2 is a member for defining a schematic shape of the serum separation filter material 5 and imparting strength to the serum separation filter material 5.
  • the material of the substrate 2 is preferably biocompatible. That is, the base material 2 is preferably a material that is not cytotoxic or very low. Moreover, in this embodiment, it is preferable that the base material 2 is a bioabsorbable material.
  • the blood component analysis sensor chip 1 can be embedded in the body for a long period of time.
  • the non-bioabsorbable material means a material that is not hydrolyzed and is not eroded by cells.
  • the material of the base material 2 include highly biocompatible metals such as titanium and stainless steel, and highly biocompatible resins such as polyester.
  • the substrate 2 is preferably made of resin.
  • a polyester velor may be employed as the highly flexible substrate 2.
  • the base material 2 has vacuoles of a size that allows animal cells to enter and engraft at least on the side on which the serum separation membrane 3 is formed, and includes a pore path through which serum can permeate in the thickness direction of the base material 2.
  • the structure be Further, for the purpose of efficiently forming the serum separation membrane 3 on the base material 2, the outer surface of the base material 2 is formed with cells 6 that form the serum separation membrane 3 in the manufacturing process of the blood component analysis sensor chip 1 (FIG. 1 ( It is preferable to have a surface shape suitable as a scaffold of B).
  • the base material 2 has pores inside the porous or fiber cloth so that the cells are fixed inside the base material 2. Is preferred.
  • the size of the pores of the base material 2 is preferably equal to or larger than the size of the cells so that the cells can enter the inside.
  • the cell can change its form and enter the narrow pore.
  • the base material 2 is made of a fiber cloth, since the pores inside the base material 2 are connected along the fiber weave, the invasion of cells is particularly easy and suitable.
  • the base material 2 is made of a cloth woven with polyester fibers, and the surface is subjected to a raising treatment.
  • the raised fabric has a larger surface area compared to the case where the raised treatment is not performed, so that the living body is easily induced (that is, the cells are easily engrafted and the extracellular matrix is easily produced).
  • the raised fabric has a higher degree of binding with donor and recipient biological tissues than when not raised.
  • the density of the living tissue gradually changes from the weave to the raised fiber, thereby seamlessly bonding the living body and the artificial object in the body of the donor and the recipient.
  • the serum separation membrane 3 is a layer that includes an extracellular matrix made of collagen fibers produced by the cells 6 and is in close contact with the base material 2 from the internal pores of the base material 2 to the outer surface of the base material 2.
  • the serum separation membrane 3 has vacuoles 4 that remain after the cells 6 that have formed the serum separation membrane 3 by producing an extracellular matrix are removed by decellularization.
  • the size of the vacuole 4 of the serum separation membrane 3 is defined by the outer shape of the cells 6 that form the serum separation membrane 3.
  • the vacuole 4 of the serum separation membrane 3 is formed by the recipient cell 6A (see FIG. 1 (C)) after the blood component analysis sensor chip 1 is embedded in the recipient's body when the blood component analysis sensor chip 1 is used.
  • the cells 6 forming the serum separation membrane 3 are selected such that the produced extracellular matrix is compatible with the recipient.
  • the serum separation membrane 3 is preferably formed by mammalian cells.
  • the serum separation membrane 3 is formed by donor cells by placing the substrate 2 in the body of the donor.
  • the cells 6 forming the serum separation membrane 3 may be primary cultured cells or immortalized cells.
  • the reaction unit 7 shown in FIG. 1 receives the electrical or chemical signal from the serum or emits the electrical or chemical signal to detect the presence or concentration of the detection target in the serum.
  • the reaction part 7 has the electrode 10 which can contact the analysis target substance in serum.
  • a known electrode element for performing electrochemical measurement on serum components may be appropriately selected and employed for the electrode 10.
  • the pretreatment reagent carrier 8 has a porous structure capable of supporting a pretreatment reagent selected according to the type of analysis object.
  • an enzyme for example, glucose oxidase
  • an enzyme for example, glucose oxidase for generating hydrogen peroxide according to the blood glucose concentration is attached to the pretreatment reagent carrier 8.
  • the selectively permeable membrane 9 is a membrane that selectively permeates hydrogen peroxide generated by the enzyme held on the pretreatment reagent carrier 8.
  • the base material 2 is formed into a desired shape.
  • the substrate 2 is formed by cutting a sheet-like polyester velor into a desired shape.
  • the base material 2 formed in a desired shape is fixed to a mold that holds the base material 2, and is embedded in the living body serving as a donor.
  • the implantation position of the base material 2 may be, for example, the donor's subcutaneous or intraperitoneal cavity.
  • the outer surface of the substrate 2 which is a foreign substance for the donor, is covered with donor-derived cells 6.
  • donor-derived cells 6 engraft the base material 2, and produce an extracellular matrix on the internal pores of the base material 2 and the outer surface of the base material 2.
  • the period of embedding the base material 2 in the donor may be appropriately set based on the engraftment state of the cells 6 and the production state of the extracellular matrix.
  • the base material 2 when the base material 2 is implanted under the skin of a goat and an extracellular matrix is produced in cells derived from the goat, the base material 2 is continuously embedded under the skin of the goat for about 100 days.
  • a layered structure composed of an extracellular matrix that becomes a serum separation membrane 3 in a later step encloses the cells 6 that produce it, and the substrate 2 from the inside. 2 formed over the outer surface.
  • decellularization is performed on the layer formed on the outer surface of the base material 2 from the inside of the base material 2 by the extracellular matrix and the production cells 6 thereof. That is, the cells 6 are removed from the layer formed inside and on the outer surface of the substrate 2 by the extracellular matrix and its producing cells 6.
  • the method for removing the cells 6 there is a method of destroying the cell membrane with a surfactant. Specifically, 1% SDS (sodium dodecyl sulfate) solution dissolved in physiological saline is contacted for 6 hours or more with the extracellular matrix and the layer formed by the production cells 6 on the inside and on the outer surface of the substrate 2. By doing so, the cells 6 can be removed.
  • SDS sodium dodecyl sulfate
  • the vacuoles 4 are present from the inside of the base material 2 to the outer surface of the base material 2. Then, a layer of an extracellular matrix that is integrally connected to the base material 2 remains, and this becomes the serum separation membrane 3.
  • the serum separation filter material 5 including the serum separation membrane 3 connected to the base material 2 is formed by decellularization. Subsequently, the serum separation filter material 5, the pretreatment reagent carrier 8, the selective permeable membrane 9, and the reaction part 7 are stacked and fixed in this order. If necessary, a partition for preventing blood cells or plasma from reaching the reaction section 7 without passing through the serum separation filter material 5 may be provided. The manufacturing process of blood component analysis sensor chip 1 is thus completed.
  • the blood component analysis sensor chip 1 of this embodiment is implanted in the body of a recipient (for example, a patient).
  • the vacuoles 4 are formed on the serum separation membrane 3, so that blood cells and plasma can freely migrate through the vacuoles 4. It is.
  • the recipient-derived cells 6A enter the vacuole 4 of the serum separation filter material 5, as shown in FIG.
  • the recipient-derived cells 6A are engrafted on the serum separation filter material 5 using the donor-derived extracellular matrix as a scaffold.
  • the serum separation filter material 5 selectively permeates the component that can permeate the cell membrane and the component that can pass through the gap between the extracellular matrix, It becomes an ultrafiltration membrane which does not permeate components such as blood cells, platelets and other proteins.
  • the blood component analysis sensor chip 1 removes blood cells and proteins from the blood and selectively receives the serum into the reaction unit 7. Then, the serum separated from the blood by the serum separation filter material 5 is subjected to a predetermined pretreatment reaction and analysis of the analysis object in the reaction unit 7.
  • the donor-derived extracellular matrix is decomposed by metabolism or the like and replaced with the recipient-derived extracellular matrix.
  • the blood component analysis sensor chip 1 when the blood component analysis sensor chip 1 is embedded in the recipient, the cell 6A derived from the recipient enters the vacuole 4, so that the serum separation filter material 5 becomes an ultrafiltration membrane.
  • the filtration performance of the serum separation filter material 5 that has become an outer filtration membrane is maintained by the extracellular matrix produced by the recipient-derived cells 6A.
  • the blood component analysis sensor chip 1 of the present embodiment can stably analyze blood components even in a state of being embedded in the body for a long time.
  • the vacuole 4 is present in the serum separation membrane 3, the cells are more likely to be engrafted as compared with the case where the collagen gel is coated to form a cell scaffold.
  • the serum separation membrane 3 can be repaired by the extracellular matrix derived from the recipient, the serum separation membrane 3 is maintained for a long time after implantation, and the base material 2 which is an artificial material is less likely to come into contact with blood, thereby causing a Occurrence can be kept low for a long time.
  • the blood component analysis sensor chip 1 before being implanted into the recipient has been removed from the donor-derived cells 6 by decellularization. It is highly compatible with other types of transplantation.
  • the portion where the outer surface of the substrate 2 is covered with the extracellular matrix is easily fused with the recipient tissue.
  • the blood component analysis sensor chip 1 of the present embodiment can store the serum separation filter material 5 before the reaction unit 7 is attached by freeze-drying for a long period of time.
  • the blood component analysis sensor chip 1 having the flexible substrate 2 can be deformed following the shape of the recipient organ. For this reason, the load on the recipient organ during the implantation period of the blood component analysis sensor chip 1 in the recipient is low.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a blood component analysis sensor chip according to a second embodiment of the present invention.
  • the blood component analysis sensor chip 1A of the present embodiment replaces the reaction unit 7 described in the first embodiment with a fluorescent reagent that emits fluorescence by contacting an analyte in serum.
  • the reaction part 7A which has is provided.
  • the reaction part 7A is formed on the outer surface of the serum separation membrane 3 by fixing the fluorescent reagent to the serum separation membrane 3 by chemical bonding.
  • the reaction unit 7A of the present embodiment is provided on only one of both sides in the thickness direction of the blood component analysis sensor chip 1A so that the fluorescent reagent can be attached to the serum after passing through the serum separation membrane 3. It may be provided.
  • the fluorescent reagent in the reaction unit 7A emits fluorescence by reacting with an analyte in serum in a concentration-dependent or time-dependent manner, for example.
  • the fluorescence emitted from the fluorescent reagent in the reaction unit 7A is embedded in the body together with the blood component analysis sensor chip 1A of the present embodiment, and the wavelength and fluorescence intensity are detected by a fluorescence sensor chip (not shown) that emits excitation light and detects fluorescence. Is done.
  • the blood component analysis sensor chip 1A of the present embodiment can measure the concentration of the analysis target by emitting fluorescence in accordance with the concentration of the analyte to be analyzed in the blood after being embedded in the body.
  • the serum separation membrane 3 functions as an ultrafiltration membrane when the recipient-derived cells 6A enter and engraft the vacuoles 4.
  • hydrogen peroxide is not generated in the body, so that the harmfulness to the living body is low.
  • the reaction unit 7A of the present embodiment is not limited to a reagent that emits fluorescence, and may have a reagent that emits detectable light by chemiluminescence.
  • a blood component analysis sensor chip 1B according to a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first and second embodiments in that the layered structure of the extracellular matrix and its producing cells 6 is formed ex vivo, not in the donor's body.
  • the blood component analysis sensor chips 1 and 1A described in the first and second embodiments can also be manufactured by the manufacturing method of the present embodiment (see FIGS. 1 and 2).
  • the formation method of the layered structure by the extracellular matrix and its producing cells 6 in the present embodiment is performed by, for example, culturing donor-derived cells 6 in a bioreactor or cell-printing a donor-derived tissue as a substrate 2. Or build on top.
  • This embodiment also has the same effect as the first and second embodiments. In this embodiment, it is not necessary to use the inside of the donor.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a base material is arranged in a mold for producing the serum separation filter material of this example.
  • FIG. 4 is a photomicrograph of the state of the serum separation filter material of this example before being decellularized after being implanted in the donor.
  • FIG. 5 is a photomicrograph of the state after the serum separation filter material of this example has been decellularized.
  • FIG. 6 is a graph showing the adhesion state of the thrombus for the serum separation filter material of this example and the two comparative examples.
  • the base material 2 was embedded in the body of a goat serving as a donor while being accommodated in a resin case 10.
  • the case 10 includes a lid 10a and a container 10b, a screw 10c that connects the lid 10a and the container 10b, and a through hole 10d that allows the inside and outside of the case 10 to communicate with each other.
  • the through hole portion 10d is formed in both the container 10b and the lid 10a.
  • two bioabsorbable nonwoven fabrics 11 sandwiching the base material 2 are arranged in the case 10 as a scaffold for causing rapid proliferation of donor-derived cells in the case 10.
  • the two bioabsorbable nonwoven fabrics 11 are made of, for example, polyglycolic acid in this embodiment. By setting the base material 2 between the two bioabsorbable nonwoven fabrics 11, uniform and homogeneous cells can be engrafted on the surface of the base material 2 and inside the base material 2. Both of the two bioabsorbable nonwoven fabrics 11 are absorbed or decomposed by donor cells within the period of being embedded in the donor. In addition, the thickness of the two bioabsorbable nonwoven fabrics 11 defines the thickness of the separation membrane (for example, the serum separation membrane 3 in the above embodiment) on the surface of the substrate 2.
  • the separation membrane for example, the serum separation membrane 3 in the above embodiment
  • the surface of the substrate 2 after being embedded in the donor is covered with donor-derived cells.
  • the cell nucleus is dyed, and the cross section of the fiber of the base material 2 looks like a triangle.
  • FIG. 5 it can be seen that the nucleus disappears from the surface of the substrate 2 after decellularization. That is, as a result of decellularization, the extracellular matrix remained on the substrate 2, and blood cells and other somatic cells were removed.
  • FIG. 6 a blood coagulation state when blood is applied to the serum separation filter material configured to be decellularized in the above example and allowed to stand is shown.
  • the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the thrombus coagulation rate per material area.
  • “ ⁇ ” marks indicate the thrombus coagulation rate per material area at each time for the polysulfone membrane used as a comparative example. Further, in FIG. 6, “ ⁇ ” marks indicate the thrombus coagulation rate per material area at each time for the dialysis cellulose membrane used as a comparative example. Further, in FIG. 6, “ ⁇ ” marks indicate the thrombus coagulation rate per material area at each time for the serum separation filter material of this example. As shown in FIG.
  • the polysulfone membrane and the cellulose membrane have an increased thrombus coagulation rate over time.
  • the serum separation filter material of this example had a low thrombus coagulation rate compared to the polysulfone membrane and the cellulose membrane.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of an experiment in which a liquid containing sugar, protein, or the like is allowed to pass through the serum separation filter material of this example.
  • plates 12a and 12b sandwiching the serum separation filter material 1 are fixed by screws 12c.
  • the plates 12a and 12b are formed with channels (for example, indicated by reference numeral 12d) used as an inlet and an outlet for a liquid containing sugar, protein, and the like.
  • the liquid (hereinafter referred to as “sample”) containing sugar, protein, etc. is artificial blood simulating the composition of human blood, with 170 mg / dl glucose and the same concentration as human blood. Protein and red blood cells.
  • FIG. 8A is a graph showing the relationship between the number of days (horizontal axis) and the flow rate (vertical axis) when a sample containing a protein permeates the polysulfone membrane.
  • FIG. 8B is a graph showing the relationship between the number of days (horizontal axis) and the flow rate (vertical axis) when a sample containing protein is permeated through the serum separation filter material of the example of the present invention. As shown in FIGS.
  • FIG. 9A is a graph showing the relationship between the number of days and the glucose concentration when a sample containing a protein is permeated through a polysulfone membrane (comparative example).
  • FIG. 9B is a graph showing the relationship between the number of days and the glucose concentration when a sample containing a protein is allowed to permeate the serum separation filter material of this example.
  • FIG. 10 (a) is a graph showing the relationship between the number of days and the protein removal rate when a sample containing protein is permeated through a polysulfone membrane (comparative example).
  • FIG. 10 (b) is a graph showing the relationship between the number of days and the protein removal rate when a sample containing protein is permeated through the serum separation filter material of this example.
  • a blood component analysis sensor chip capable of separating and analyzing blood serum
  • the present invention is also applicable to analysis of liquid components derived from living bodies other than blood.
  • a separation membrane having the same configuration as the serum separation membrane disclosed in the above embodiment can be used as a separation membrane that allows tissue interstitial fluid to permeate.
  • the present invention is applicable to a chip that is embedded in the body and performs biochemical analysis on components of blood and tissue interstitial fluid.

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Abstract

 分離フィルタ材料(5)は、厚さ方向に貫通し液体を透過可能な複数の空孔経路を有するフィルタ基材(2)と、細胞が産生する細胞外マトリクスを含み脱細胞化による空胞(4)を有しフィルタ基材(2)の外面に接続された分離膜(3)と、を備える。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称] 分離フィルタ材料並びに血液および組織間質液成分分析センサチップ
 本発明は、血清分離フィルタ材料及び血液成分分析用センサチップに関する。
 本願は、2013年10月18日に、日本に出願された特願2013-217367号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 従来、医療器具を生体内に埋め込むことにより長期的に診断や治療をすることが知られている。たとえば、非特許文献1には、心臓の機能の一部を代行する補助人工心臓に適用されるハイブリッド脱血カニューレが開示されている。
中野 英美子,「補助人工心臓用ハイブリッド脱血カニューレの開発」,北里大学大学院,修士学位論文
 糖尿病等の生活習慣病においては、治療後の経過を観察するために、長期間に亘って頻繁に採血をして血液成分、特に血液中のグルコース濃度を測定する必要がある。このような採血の手間を軽減する目的で、血液成分を分析するための装置を体内に埋め込むことが考えられる。しかしながら、体内において血液に接触する部材は、血液の凝固を引き起こす可能性がある。また、血液成分を分析するために体内に埋め込まれた装置に血中のタンパク質が沈着することにより血液成分の分析精度が悪化する可能性もある。
 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、生体への埋め込み初期から長期間に亘って精度よく血液成分の分析をすることができる血液成分分析用センサチップ及び当該センサチップに適用される血清分離フィルタ材料を提供することである。
 本発明の一態様は、厚さ方向に貫通し液体を透過可能な複数の空孔経路を有するフィルタ基材と、細胞が産生する細胞外マトリクスを含み脱細胞化による空胞を有し前記フィルタ基材の外面に接続された分離膜と、を備える分離フィルタ材料である。
 本発明の別の態様は、上記態様の分離フィルタ材料と、前記分離膜を透過した液体中の分析対象物に反応する反応部と、を有する血液および組織間質液成分分析センサチップである。
 上記態様の血液および組織間質液成分分析センサチップは、前記分離フィルタ材料の厚さ方向の両面のうちの一方である第一面に接し前記分離フィルタ材料を透過して得られた液体に対して前処理を行う前処理試薬を含む前処理試薬担体をさらに備えていてもよく、前記反応部は、前記前処理試薬担体を透過して前処理がされた液体と接触可能であってもよい。
 前記反応部は、電気化学的測定を行う電極を有していてもよい。
 前記反応部は、前記分離膜に固定され前記分析対象物に接触すると蛍光を発する蛍光試薬を有していてもよい。
 本発明によれば、生体への埋め込み初期から長期間に亘って精度よく血液成分や組織間質液成分の分析をすることができる。
(A)は、本発明の第1実施形態の血液成分分析センサチップの模式的な断面図である。(B)は、同血液成分分析センサチップの製造時の一過程を示す模式的な断面図である。(C)は、同血液成分分析センサチップの使用時の一過程を示す模式的な断面図である。 本発明の第2実施形態の血液成分分析センサチップの模式的な断面図である。 本発明の実施例の血清分離フィルタ材料を生産するために基材が型枠内に配された状態を示す模式的な断面図である。 本発明の実施例の血清分離フィルタ材料がドナーに埋め込まれた後脱細胞化される前の状態の顕微鏡写真である。 本発明の実施例の血清分離フィルタ材料が脱細胞化された後の状態の顕微鏡写真である。 本発明の実施例の血清分離フィルタ材料及び比較例2例に対する血栓の付着状態を示すグラフである。 本発明の実施例の血清分離フィルタ材料に蛋白質を含む試料を透過させる実験の模式図である。 (a)は、ポリスルフォン膜に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数と流量との関係を示すグラフであり、(b)は、本発明の実施例の血清分離フィルタ材料に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数と流量との関係を示すグラフである。 (a)は、ポリスルフォン膜に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数とグルコース濃度との関係を示すグラフであり、(b)は、本発明の実施例の血清分離フィルタ材料に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数とグルコース濃度との関係を示すグラフである。 (a)は、ポリスルフォン膜に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数と蛋白質除去率との関係を示すグラフであり、(b)は、本発明の実施例の血清分離フィルタ材料に対して糖や蛋白質等を含む試料を透過させたときの日数と蛋白質除去率との関係を示すグラフである。
(第1実施形態)
 本発明の第1実施形態の血清分離フィルタ材料及び血液成分分析センサチップについて説明する。図1(A)は、本発明の第1実施形態の血液成分分析センサチップの模式的な断面図である。図1(B)は、同血液成分分析センサチップの製造時の一過程を示す模式的な断面図である。図1(C)は、同血液成分分析センサチップの使用時の一過程を示す模式的な断面図である。
 図1(A)に示すように、本実施形態の血液成分分析センサチップ1は、フィルタ基材2(以下、単に基材と称する)と、基材2の外面に接続された血清分離膜3と、血清中の分析対象物に反応する反応部7とを備える。基材2と血清分離膜3とによって血清分離フィルタ材料5が構成されている。さらに、本実施形態では、血清分離フィルタ材料5と反応部7との間には、血清に対して前処理を行うための試薬が保持された前処理試薬担体8と、前処理が行われた血清中において分析対象物の分析に必要な成分を透過して反応部7へ導くための選択的透過膜9とが配されている。
 以下では、血液成分の分析の一例として、血中のグルコース濃度を測定する例を挙げる。なお、本実施形態の血清分離フィルタ材料5及び血液成分分析センサチップ1に適用可能な分析内容は、血中グルコース濃度の測定には限られない。
 基材2は、血清分離フィルタ材料5の概略形状を規定し、血清分離フィルタ材料5に強度を付与するための部材である。
 基材2の材料は、生体適合性を有することが好ましい。すなわち、基材2は、細胞毒性が無いか非常に低い材料であることが好ましい。また、本実施形態では、基材2は、生体非吸収性材料であることが好ましい。基材2が生体非吸収性材料であると、血液成分分析センサチップ1を体内に長期間埋め込むことができる。ここで、生体非吸収性材料とは加水分解されない、また細胞によって浸食されない材料を意味する。
 基材2の材料の具体例としては、チタンやステンレス等生体適合性の高い金属、ポリエステル等生体適合性の高い樹脂が挙げられる。血液成分分析センサチップ1に特に柔軟性が求められる場合には、基材2は樹脂製であることが好ましい。たとえば、柔軟性の高い基材2として、ポリエステルベロアが採用されてよい。基材2は、少なくとも血清分離膜3が形成される側で動物細胞が侵入し生着できる大きさの空胞を有し、基材2の厚さ方向に血清を透過できる空孔経路を内包する構造であることが好ましい。
 また、基材2に対して血清分離膜3を効率よく形成する目的で、基材2の外面は、血液成分分析センサチップ1の製造過程において血清分離膜3を形成する細胞6(図1(B)参照)の足場として好適な表面形状を有していることが好ましい。
 基材2が細胞6の足場として好適に機能するには、基材2は、基材2の内部に細胞の定着がされるように、多孔質または繊維布からなる内部に空孔を有することが好ましい。また、基材2の空孔の大きさは、細胞がその内部に侵入できるよう、細胞の大きさと同等またはより大きいことが好ましい。空孔の細胞侵入断面積が細胞の最大断面積より小さくても、細胞はその形態を変えて狭い空孔に侵入することができる。特に基材2が繊維布からなる場合、基材2の内部の空孔が繊維織に沿って連結されているため、細胞の侵入が特に容易であり、好適である。
 基材2の具体例として、基材2はポリエステル繊維で織られた布で構成され、表面を起毛処理されている。起毛処理された布は、起毛処理されていない場合と比較して表面積が多いので、生体を誘導しやすい(すなわち細胞が生着しやすく細胞外マトリクスの産生をさせやすい)環境となっている。さらに、起毛処理された布は、ドナー及びレシピエントの生体組織との結合度も、起毛処理されていない場合と比較して高い。基材2は、織り目から起毛繊維へと徐々に生体組織の密度が変化することで、ドナー及びレシピエントの体内で生体と人工物のシームレスな結合を行っている。
 血清分離膜3は、細胞6により産生されたコラーゲンの繊維からなる細胞外マトリクスを含み基材2の内部空孔から基材2の外面へと基材2と一体化して密着した層である。血清分離膜3には、細胞外マトリクスを産生することにより血清分離膜3を形成した細胞6が脱細胞化により除去されて残る空胞4が存在する。血清分離膜3の空胞4の大きさは、血清分離膜3を形成する細胞6の外形によって規定される。血清分離膜3の空胞4は、血液成分分析センサチップ1の使用時に血液成分分析センサチップ1がレシピエントの体内に埋め込まれた後、レシピエントの細胞6A(図1(C)参照)が入り込んで生着する場として機能する。血清分離膜3を形成する細胞6は、産生された細胞外マトリクスがレシピエントに適合可能であるように選択される。具体的には、ヒトに埋め込まれる血液成分分析センサチップ1においては、哺乳動物細胞によって血清分離膜3が形成されることが好ましい。たとえば、血清分離膜3は、基材2をドナーの体内に留置することでドナーの細胞により形成される。なお、血清分離膜3を形成する細胞6は、初代培養細胞や不死化細胞であってもよい。
 図1に示す反応部7は、電気的若しくは化学的なシグナルを血清から受け、又は、電気的若しくは化学的なシグナルを発することにより、血清中の検出対象物の有無やその濃度を検出する。本実施形態では、反応部7は、血清中の分析対象物に接触可能な電極10を有する。電極10には、血清成分に対して電気化学的測定を行うための公知の電極要素が適宜選択して採用されてよい。
 前処理試薬担体8は、分析対象物の種類に応じて選択される前処理試薬を支持可能な多孔質構造を有する。本実施形態では、血中グルコース濃度に応じて過酸化水素を生成するための酵素(たとえばグルコースオキシダーゼ)が前処理試薬担体8に付着している。
 選択的透過膜9は、本実施形態では、前処理試薬担体8に保持された酵素によって生成された過酸化水素を選択的に透過する膜である。
 次に、本実施形態の血液成分分析センサチップ1の製造方法について説明する。
 まず、基材2を所望の形状に形成する。本実施形態では、たとえば、基材2は、シート状のポリエステルベロアを所望の形状に切断して形成される。
 次に、所望の形状に形成された基材2を、この基材2を保持する型枠に固定して、ドナーとなる生物の体内に埋め込む。基材2の埋め込み位置は、たとえばドナーの皮下や腹腔内としてよい。ドナーの体内では、ドナーにとって異物である基材2の外面が、ドナー由来の細胞6で覆われる。さらに、基材2の外面において、ドナー由来の細胞6は基材2に生着し、基材2の内部空孔および基材2の外表面に細胞外マトリクスを産生する。ドナーに対する基材2の埋め込み期間は、細胞6の生着及び細胞外マトリクスの産生状態に基づいて適宜設定されてよい。たとえば、ヤギの皮下に基材2を埋め込みヤギ由来の細胞に細胞外マトリクスを産生させる場合には、約100日間ヤギの皮下に基材2を埋め込み続ける。この状態で、図1(B)に示すように、後の工程にて血清分離膜3となる細胞外マトリクスからなる層状構造がそれを産生する細胞6を内包して基材2内部から基材2外表面上にわたって形成される。
 次に、細胞外マトリクス及びその産生細胞6により基材2内部から基材2外表面上に形成された層に対して脱細胞化を行う。すなわち、細胞外マトリクス及びその産生細胞6により基材2内部および外表面上に形成された層から細胞6を除去する。細胞6の除去方法の一例としては、界面活性剤により細胞膜を破壊する方法がある。具体的には、細胞外マトリクス及びその産生細胞6により基材2内部および外表面上に形成された層に対して生理食塩水で溶いた1%SDS(ドデシル硫酸ナトリウム)溶液を6時間以上接触させることで、細胞6を除去することができる。細胞外マトリクス及びその産生細胞6により基材2内部および外上面上に形成された層から細胞6が除去されることにより、基材2内部から基材2の外面上に、空胞4を有し基材2と一体化して接続する細胞外マトリクスによる層が残り、これが血清分離膜3となる。
 以上の工程により、脱細胞化により基材2に接続する血清分離膜3を備えた血清分離フィルタ材料5が形成される。
 続いて、血清分離フィルタ材料5、前処理試薬担体8、選択的透過膜9、及び反応部7をこの順に重ねて固定する。なお、必要に応じて、血清分離フィルタ材料5を通過せずに反応部7に血球あるいは血漿が到達するのを防止するための隔壁を設けてもよい。
 以上で血液成分分析センサチップ1の製造工程は終了する。
 次に、本実施形態の血液成分分析センサチップ1の使用方法及び作用について説明する。
 本実施形態の血液成分分析センサチップ1は、レシピエント(たとえば患者)の体内に埋め込まれる。レシピエントに血液成分分析センサチップ1を埋め込む前の状態の血液成分分析センサチップ1は、空胞4が血清分離膜3に形成されているので、空胞4を通じて血球や血漿は自由に移行可能である。しかしながら、血液成分分析センサチップ1がレシピエントの体内に留置されると、図1(C)に示すように、レシピエント由来の細胞6Aが血清分離フィルタ材料5の空胞4内に入り込む。たとえば、レシピエントの体内において空胞4内に細胞6Aが入り込むと、レシピエント由来の細胞6Aは、ドナー由来の細胞外マトリクスを足場として血清分離フィルタ材料5に生着する。
 空胞4内にレシピエント由来の細胞6Aが生着することにより、血清分離フィルタ材料5は、細胞膜を透過可能な成分と細胞外マトリクスの隙間を通過可能な成分とを選択的に透過し、血球、血小板、その他タンパク質等の成分を透過しない限外濾過膜となる。
 レシピエントの体内において、血液成分分析センサチップ1は、血液から血球やタンパク質を除去して血清を選択的に反応部7内に受け入れる。そして、血清分離フィルタ材料5により血液から分離された血清は、所定の前処理反応及び反応部7における分析対象物の分析に供される。
 レシピエントの体内に長期間血液成分分析センサチップ1が埋め込まれていると、ドナー由来の細胞外マトリクスは代謝等により分解され、レシピエント由来の細胞外マトリクスに置き換わる。
 このように、本実施形態では、血液成分分析センサチップ1のレシピエントへの埋め込み時には、レシピエント由来の細胞6Aが空胞4に入り込むことにより血清分離フィルタ材料5が限外濾過膜となり、限外濾過膜となった血清分離フィルタ材料5はレシピエント由来の細胞6Aが産生する細胞外マトリクスによって濾過性能が維持される。また、血清分離フィルタ材料5の外面はレシピエント由来の細胞6A及び細胞外マトリクスによって覆われているので、タンパク質等の沈着が起こりにくい。
 その結果、本実施形態の血液成分分析センサチップ1は、体内に長期間埋め込まれた状態でも安定して血液成分の分析をすることができる。
 また、血清分離膜3には空胞4が存在するので、コラーゲンゲルをコーティングして細胞の足場を形成する場合と比較して細胞が生着しやすい。
 また、血清分離膜3はレシピエント由来の細胞外マトリクスにより修復可能であるので、埋め込みから長期間血清分離膜3が維持され、人工材料である基材2が血液に接触しにくくなり、血栓の発生を長期間低く抑えることができる。
 また、レシピエントへの埋め込み前の血液成分分析センサチップ1は、ドナー由来の細胞6が脱細胞化により除去されているので、同種別個体への移植である他家移植や、異種別個体への移植である他種移植においても高い適合性を有する。
 また、基材2の外面が細胞外マトリクスで覆われた部分はレシピエントの組織に容易に癒合する。
 また、本実施形態の血液成分分析センサチップ1は、反応部7が取り付けられる前の血清分離フィルタ材料5を凍結乾燥により長期間保管可能である。
 また、柔軟な基材2を有する血液成分分析センサチップ1は、レシピエントの臓器の形状に倣って変形可能である。このため、血液成分分析センサチップ1のレシピエントへの埋め込み期間中におけるレシピエント臓器への負荷が低い。
(第2実施形態)
 本発明の第2実施形態の血液成分分析センサチップ1Aについて説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上記第1実施形態の血液成分分析センサチップ1の構成要素に対応する構成要素には、第1実施形態における符号と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
 図2は、本発明の第2実施形態の血液成分分析センサチップの模式的な断面図である。
 図2に示すように、本実施形態の血液成分分析センサチップ1Aは、第1実施形態で説明した反応部7に代えて、血清中の分析対象物に接触することにより蛍光を発する蛍光試薬を有する反応部7Aを備える。
 反応部7Aは、血清分離膜3に上記の蛍光試薬が化学結合により固定されることにより、血清分離膜3の外面に形成される。また、本実施形態の反応部7Aは、血清分離膜3を透過した後の血清に蛍光試薬が付着可能となるように、血液成分分析センサチップ1Aの厚さ方向の両面のうちの一方のみに設けられていてもよい。
 反応部7Aにおける蛍光試薬は、たとえば、血清中の分析対象物に対して濃度依存的に、あるは時間依存的に反応して蛍光を発する。反応部7Aにおける蛍光試薬が発する蛍光は、たとえば、本実施形態の血液成分分析センサチップ1Aとともに体内に埋め込まれ、励起光を発するとともに蛍光を検出する図示しない蛍光センサチップによって波長及び蛍光強度が検出される。
 本実施形態の血液成分分析センサチップ1Aは、体内に埋め込まれた後、血液中の分析対処物の濃度に応じて蛍光を発することにより、分析対象物の濃度を測定することができる。
 また、本実施形態でも、第1実施形態と同様に血清分離膜3はレシピエント由来の細胞6Aが空胞4に入り込んで生着することで限外濾過膜として機能する。
 また、本実施形態では、第1実施形態と異なり体内において過酸化水素を発生させないので生体に対する有害性が低い。
 なお、本実施形態の反応部7Aは、蛍光を発する試薬に限らず、検出可能な光を化学発光により発する試薬を有していてもよい。
(第3実施形態)
 本発明の第3実施形態の血液成分分析センサチップ1Bについて説明する。
 本実施形態では、細胞外マトリクスとその産生細胞6とによる層状構造がドナーの体内でなくex vivoで形成される点で上記第1,2実施形態と製造方法が異なる。本実施形態の製造方法によっても第1,2に実施形態で説明した血液成分分析センサチップ1,1Aを製造することができる(図1,2参照)。
 なお、本実施形態における細胞外マトリクスとその産生細胞6とによる層状構造の形成方法は、たとえば、バイオリアクター内でドナー由来の細胞6を培養したり、セルプリンティングによりドナー由来の組織を基材2上に構築したりする。
 本実施形態でも上記第1,2実施形態と同様の効果を奏する。
 また、本実施形態ではドナーの体内を利用する必要がない。
 本発明の実施例について説明する。
 まず、本実施例の血清分離フィルタ材料を生産した例を示す。図3は、本実施例の血清分離フィルタ材料を生産するために基材が型枠内に配された状態を示す模式的な断面図である。図4は、本実施例の血清分離フィルタ材料がドナーに埋め込まれた後脱細胞化される前の状態の顕微鏡写真である。図5は、本実施例の血清分離フィルタ材料が脱細胞化された後の状態の顕微鏡写真である。図6は、本実施例の血清分離フィルタ材料及び比較例2例に対する血栓の付着状態を示すグラフである。
 図3に示すように、本実施例の血清分離フィルタ材料を生産するために、基材2は樹脂製のケース10に収容された状態でドナーとなるヤギの体内に埋め込まれた。ケース10は、蓋10a及び容器10bと、蓋10aと容器10bとを連結するネジ10cと、ケース10の内外を連通させる貫通孔部10dとを有する。本実施例では、貫通孔部10dは、容器10bと蓋10aとの両方に形成されている。
 また、本実施例では、ケース10内でのドナー由来細胞の迅速な増殖をもたらす足場として、基材2を間に挟む2枚の生体吸収性不織布11がケース10内に配されている。2枚の生体吸収性不織布11は、たとえば本実施例ではポリグルコール酸からなる。2枚の生体吸収性不織布11で基材2が挟まれた状態とされることにより、基材2の表面上及び基材2の内部に均一均質な細胞を生着させることができる。2枚の生体吸収性不織布11は、いずれもドナーに対して埋め込まれている期間内にドナーの細胞により吸収あるいは分解される。また、2枚の生体吸収性不織布11の厚さは、基材2の表面上の分離膜(たとえば上記実施形態の血清分離膜3)の厚さを規定する。
 図4に示すように、ドナーに埋め込まれた後の基材2の表面は、ドナー由来の細胞により覆われている。図4において、細胞核が染色されており、基材2の繊維の断面が三角形状に見えている。また、図5に示すように、脱細胞化された後は、基材2の表面から核が消失していることがわかる。すなわち、脱細胞化されることにより、細胞外マトリクスが基材2に残り、血球その他の体細胞が除去された。
 次に、上記の例において脱細胞化されて構成された血清分離フィルタ材料に血液を塗布して静置したときの血液凝固状態を示す。
 図6において、横軸は時間を示し、縦軸は材料面積あたりの血栓凝固率を示している。図6において、「□」印は、比較例として用いたポリサルフォン膜に対する各時間における材料面積あたりの血栓凝固率を示している。また、図6において、「◇」印は、比較例として用いた透析用セルロース膜に対する各時間における材料面積あたりの血栓凝固率を示している。また、図6において、「△」印は、本実施例の血清分離フィルタ材料に対する各時間における材料面積あたりの血栓凝固率を示している。
 図6に示すように、ポリサルフォン膜及びセルロース膜は、時間の経過とともに血栓凝固率が上昇している。これに対して、図6に示すように、本実施例の血清分離フィルタ材料は、ポリサルフォン膜及びセルロース膜と比較して血栓凝固率が低かった。
 次に、上記の方法により生産された血清分離フィルタ材料に対して、試料の例として糖や蛋白質等を含む液体を透過させた例を示す。図7は、本実施例の血清分離フィルタ材料に糖や蛋白質等を含む液体を透過させる実験の模式図である。
 図7に示すように、この例では、血清分離フィルタ材料1を間に挟むプレート12a,12bがネジ12cにより固定されている。プレート12a,12bには、糖や蛋白質等を含む液体の入口と出口として用いる流路(たとえば符号12dで示す)が形成されている。また、以下の例では、糖や蛋白質等を含む液体(以下「試料」という)は、ヒトの血液の組成を模した人工血液であり、170mg/dlのグルコースと、ヒトの血液と同等の濃度の蛋白質と、赤血球と、を含有している。
 本実施例の血清分離フィルタ材料1に対して試料を透過させたときの血清分離フィルタ材料の寿命の一例を示す。本実施例において血清分離フィルタ材料1の寿命は、試料の透過を開始してから試料が透過不能となるまでの日数で示される。図8(a)は、ポリサルフォン膜に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数(横軸)と流量(縦軸)との関係を示すグラフである。図8(b)は、本発明の実施例の血清分離フィルタ材料に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数(横軸)と流量(縦軸)との関係を示すグラフである。
 図8(a)及び図8(b)に示すように、ポリサルフォン膜では6日目以降は流量がゼロとなったが、本実施例の血清分離フィルタ材料1では、計測開始から3日目までは流量が低下したものの、4日目以降、計測期間が終了する30日目まで、略一定の流量が維持された。
 次に、血清分離フィルタ材料に対して試料を透過させたときの血清分離フィルタ材料の性能の一例を示す。本実施例において血清分離フィルタ材料の性能は、試料の透過を開始してから試料が透過不能となるまでの間における、グルコースの透過量と、蛋白質除去率で示される。
 図9(a)は、ポリサルフォン膜(比較例)に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数とグルコース濃度との関係を示すグラフである。図9(b)は、本実施例の血清分離フィルタ材料に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数とグルコース濃度との関係を示すグラフである。図10(a)は、ポリサルフォン膜(比較例)に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数と蛋白質除去率との関係を示すグラフである。図10(b)は、本実施例の血清分離フィルタ材料に対して蛋白質を含む試料を透過させたときの日数と蛋白質除去率との関係を示すグラフである。
 図9及び図10に示すように、本実施例及び比較例のいずれも、実験開始から5日目までは、グルコースの濃度と蛋白質除去率との両方で同様に良好であることが分かった。しかしながら、ポリサルフォン膜(比較例)では、図8(a)に示すように実験開始から5日で流量が低下するので、6日目以降はグルコース濃度及び蛋白質除去率は測定不能である。
 これに対して、本実施例では、図8(b)に示すように6日目以降も略一定の流量が維持されており、さらに、図9(b)及び図10(b)に示すようにグルコース濃度及び蛋白質除去率は実験開始時と略同等の良好な状態が維持されている。
 以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
 たとえば、上記実施形態では、血液の血清を分離して分析することが可能な血液成分分析センサチップが開示されているが、血液以外の生体由来の液体成分を対象とした分析にも本発明は適用可能である。たとえば、上記実施形態に開示された血清分離膜と同様の構成の分離膜は、組織間質液を透過させる分離膜として利用可能である。
 本発明は、体内に埋め込まれて血液や組織間質液の成分に対する生化学分析を行うためのチップに利用可能である。
 1,1A,1B 血液成分分析センサチップ
 2 フィルタ基材
 3 血清分離膜
 4 空胞
 5 血清分離フィルタ材料
 6 ドナー由来の細胞
 6A レシピエント由来の細胞
 7 反応部
 8 前処理試薬担体
 9 選択的透過膜
 10 電極

Claims (5)

  1.  厚さ方向に貫通し液体を透過可能な複数の空孔経路を有するフィルタ基材と、
     細胞が産生する細胞外マトリクスを含み脱細胞化による空胞を有し前記フィルタ基材の外面に接続された分離膜と、
     を備える分離フィルタ材料。
  2.  請求項1に記載の分離フィルタ材料と、
     前記分離膜を透過した液体中の分析対象物に反応する反応部と、
     を有する血液および組織間質液成分分析センサチップ。
  3.  請求項2に記載の血液および組織間質液成分分析センサチップであって、
     前記分離フィルタ材料の厚さ方向の両面のうちの一方である第一面に接し前記分離フィルタ材料を透過して得られた液体に対して前処理を行う前処理試薬を含む前処理試薬担体をさらに備え、
     前記反応部は、前記前処理試薬担体を透過して前処理がされた液体と接触可能である
     血液および組織間質液成分分析センサチップ。
  4.  請求項2または3に記載の血液および組織間質液成分分析センサチップであって、
     前記反応部は、電気化学的測定を行う電極を有する血液および組織間質液成分分析センサチップ。
  5.  請求項2または3に記載の血液および組織間質液成分分析センサチップであって、
     前記反応部は、前記分離膜に固定され前記分析対象物に接触すると蛍光を発する蛍光試薬を有する血液および組織間質液成分分析センサチップ。
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