एक प्रोटोटाइप छोटी फ्लो cytometer और साथी Microfluidic मिश्रण प्रौद्योगिकी के कम गुरुत्वाकर्षण पर्यावरण हार्डवेयर प्रदर्शनों
Summary
स्पेसफ्लाइट रक्त निदान नवाचार की जरूरत है. कुछ प्रदर्शनों में उड़ान कम गुरुत्व स्वास्थ्य निदान तकनीक illustrating प्रकाशित किया गया है. यहाँ हम उपकरणों और अन्य setups के लिए अनुकूलनीय तैयारी रणनीतियों के साथ एक प्रोटोटाइप बिंदु का ख्याल प्रवाह cytometry के डिजाइन के लिए एक परवलयिक उड़ान परीक्षण रिग का निर्माण और संचालन के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं.
Abstract
अभी हाल तक, अंतरिक्ष यात्री खून के नमूने, उड़ान में एकत्र किए गए अंतरिक्ष शटल पर पृथ्वी के लिए ले जाया, और स्थलीय प्रयोगशालाओं में विश्लेषण किया. मनुष्य कम पृथ्वी की कक्षा से आगे की यात्रा के लिए कर रहे हैं, अंतरिक्ष के लिए तैयार, बिंदु का ख्याल दिशा में एक संक्रमण (पीओसी) परीक्षण की आवश्यकता है. इस तरह के परीक्षण प्रक्षेपण और अंतरिक्ष के तनावों से, व्यापक एक कम गुरुत्व वातावरण में प्रदर्शन करने के लिए आसान है, और अप्रभावित होने की जरूरत है. अनगिनत पीओसी उपकरणों प्रयोगशाला पैमाने समकक्षों की नकल करने के लिए विकसित किया गया है, लेकिन सबसे संकीर्ण आवेदन किया है और कुछ एक उड़ान में, कम गुरुत्व वातावरण में प्रत्यक्ष उपयोग कर सकते है. वास्तव में, कम गुरुत्व में जैव चिकित्सा निदान के प्रदर्शनों नई तकनीक का परीक्षण करने की मांग जब मुश्किल घटक विकल्प और कुछ साजो चुनौतियों दृष्टिकोण करने के लिए कर रही है, पूरी तरह सीमित कर रहे हैं. शून्य को भरने में मदद करने के लिए, हम निर्माण और संचालन एक प्रोटोटाइप रक्त नैदानिक उपकरण की और उसके संबंधित पी के लिए एक मॉड्यूलर विधि प्रस्तुत कर रहे हैंएक परवलयिक उड़ान, कम गुरुत्व जहाज पर विमान उड़ान परीक्षण के लिए मानकों को पूरा करने वाले arabolic उड़ान परीक्षण रिग. विधि पहली उड़ान में, कम गुरुत्व कोशिकामापी एक प्रवाह का परीक्षण और एक साथी microfluidic मिश्रण चिप के लिए रिग विधानसभा पर केंद्रित है. अवयव एक ऐसी microvolume नमूना लोडर के रूप में अन्य डिजाइन और कुछ कस्टम घटक, के लिए अनुकूल हैं और micromixer विशेष रुचि का हो सकता है. विधि तो बदलाव उपयोगकर्ता प्रशिक्षण, एक मानक संचालन प्रक्रिया (एसओपी) का विकास, और अन्य मुद्दों के संबंध में एक सफल उड़ान परीक्षण के लिए तैयार करने के लिए दिशा निर्देशों और सुझावों की पेशकश के द्वारा, उड़ान की तैयारी करने के लिए ध्यान केंद्रित. अंत में, हमारे प्रदर्शनों को विशिष्ट उड़ान में प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं वर्णित हैं.
Introduction
मौजूदा अंतरिक्ष के लिए तैयार स्वास्थ्य निदान की अपर्याप्तता गहरी मानवयुक्त अंतरिक्ष की खोज के लिए एक सीमित कारक प्रस्तुत करता है. निदान, व्यापक कम गुरुत्व में उपयोग करने के लिए आसान है, और प्रक्षेपण और अंतरिक्ष (उदाहरण के लिए, उच्च जी बलों, कंपन, विकिरण, तापमान परिवर्तन, और केबिन दबाव परिवर्तन) के तनावों से अपेक्षाकृत अप्रभावित रहने की जरूरत है. बिंदु का ख्याल परीक्षण (POCT) के क्षेत्र में विकास छोटे रोगी के नमूनों (जैसे, एक उंगली चुभन), सरल और छोटे fluidics (यानी, microfluidics) के उपयोग के माध्यम से प्रभावी अंतरिक्ष समाधान के लिए अनुवाद, और अन्य के बीच, बिजली की आवश्यकताओं को कम कर सकते हैं फायदे. एक आकर्षक दृष्टिकोण सेल गिनती और बायोमार्कर मात्रा का ठहराव, साथ ही महत्वपूर्ण miniaturization की क्षमता की ओर सहित, क्योंकि प्रौद्योगिकी के व्यापक उपयोगिता के में अंतरिक्ष पीओसी के लिए प्रवाह cytometry है. पिछला अंतरिक्ष प्रासंगिक प्रवाह cytometers 'परमाणु पैकिंग effic शामिलiency 'एक साथ चाप-दीपक प्रेरित प्रतिदीप्ति और इलेक्ट्रॉनिक मात्रा (कल्टर मात्रा) माप 1-4 का उपयोग किया है कि (एनपीई) साधन का प्रतिनिधित्व कोशिकामापी एक अपेक्षाकृत छोटे benchtop प्रवाह' शून्य गुरुत्वाकर्षण '5 दौरान cytometry डेटा वास्तविक समय प्रवाह की पहली पीढ़ी, एक 'कोशिकामापी sheathless microflow' 4- और 5-भाग में सफेद रक्त कोशिका (WBC) अंतर गणना करने में सक्षम 5 μl पूरे रक्त के नमूने 6-9 pretreated, और का उपयोग कर एक 'फाइबर ऑप्टिक आधारित' हाल ही में इंटरनेशनल में जहाज पर परीक्षण किया कोशिकामापी प्रवाह अंतरिक्ष स्टेशन 10.
संभावित अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए मूल्यांकन निदान तकनीक आमतौर पर भारहीनता (जैसे, शून्य गुरुत्वाकर्षण, मंगल ग्रह का निवासी गुरुत्व) 11 के एक चुना स्तर अनुकरण करने के लिए लगभग एक परवलयिक उड़ान पथ का उपयोग करने वाले कम गुरुत्व विमान जहाज पर किया जाता है. उड़ान के अवसर सीमित हैं क्योंकि मूल्यांकन चुनौतीपूर्ण है, repetmicrogravity की itive कम Windows यह मुश्किल के तरीके या सामान्य रूप से 20-40 सेकंड से अधिक समय तक निर्बाध समय की आवश्यकता है कि प्रक्रियाओं का आकलन करने के लिए कर सकते हैं, और प्रदर्शनों आसानी से उड़ान में 12-15 उपयोग नहीं अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता हो सकती है. इसके अलावा, इन विट्रो निदान (IVD) प्रौद्योगिकियों में इस्तेमाल किया, या, कम गुरुत्वाकर्षण के लिए डिजाइन के पिछले प्रदर्शनों सीमित हैं और बहुत काम अप्रकाशित बनी हुई है. ऊपर प्रवाह cytometers के अलावा, साहित्य में वर्णित अन्य अंतरिक्ष प्रासंगिक IVD-प्रौद्योगिकियों एक स्वचालित 12 कोशिकामापी कैमरा आधारित immunophenotyping आवेदनों 16 के लिए एक पूरे रक्त धुंधला डिवाइस, एकीकृत potentiometry, amperometry, और conductometry के लिए एक हाथ में नैदानिक विश्लेषक शामिल 12,17, निदान मंच 1 'एक सीडी पर लैब प्रसार आधारित मिश्रण और जुदाई 18, और एक घूर्णन पर निर्भर करता है कि विश्लेष्य quantitation के लिए एक microfluidic' टी सेंसर 'डिवाइस9,20. डिवाइस मूल्यांकन संभव बनाने के लिए प्रयास कर (या संभव है क्या पता लगाना) जब कम गुरुत्वाकर्षण के परीक्षण के लिए नए चेहरे भी इन विट्रो निदान के लिए असंबंधित परवलयिक उड़ान प्रदर्शनों को देख सकते हैं. अच्छी तरह से प्रलेखित उड़ान तैयारी में उड़ान रणनीतियों, और उड़ान परीक्षण उपकरणों के साथ अन्य पिछले चिकित्सा या जैविक प्रयोगों से प्रदर्शनों तालिका 1 15, 21-35 में शामिल किए गए हैं. ये कारण पुस्तिका में उड़ान कार्यों, विशेष उपकरणों के उपयोग, और प्रयोगात्मक रोकथाम के शामिल किए जाने के लिए सूचनात्मक हो सकता है.
| श्रेणी | उदाहरण |
| आपातकालीन चिकित्सा देखभाल | सांस की नली इंटुबैषेण (Laryngoscope निर्देशित, पर माणिक21) में, कार्डियक जीवन समर्थन (anesthetized सूअरों) 22 |
| सर्जिकल केयर | लेप्रोस्कोपिक सर्जरी (वीडियो 24,25 से anesthetized सूअरों पर, 23 नकली) |
| मेडिकल इमेजिंग या शरीर क्रिया विज्ञान आकलन | कम शरीर नकारात्मक दबाव चैम्बर 26, डॉपलर प्रवाहमापी (सिर घुड़सवार) 27, केंद्रीय शिरापरक दबाव मॉनिटर 28 से अल्ट्रासाउंड |
| विशिष्ट जैविक उपकरण | Microplate रीडर (और में उड़ान दस्ताना बॉक्स) 29, सेल चक्र प्रयोगों 30, माइक्रोस्कोप के लिए तापमान नियंत्रण प्रणाली (brightfield, चरण विपरीत, और मल्टी चैनल प्रतिदीप्ति सक्षम) 15, केशिकावैद्युतकणसंचलन इकाई वीडियो माइक्रोस्कोप से 31 युग्मित |
| अन्य | अवलोकन के लिए संदंश 32 के साथ संयंत्र कटाई, निहित चूहों 33,34 और मछली 35 |
अच्छी तरह से वर्णित तरीके / प्रयोगों के साथ तालिका 1 पैराबोलिक उड़ान प्रदर्शन उदाहरण
पिछले उदाहरण पर विस्तार और सफल उड़ान प्रदर्शनों में अधिक से अधिक जानकारी प्रदान करने के लिए, हम एक परवलयिक उड़ान परीक्षण योजना के भाग के रूप में संबंधित microfluidic मिश्रण तकनीक के साथ कोशिकामापी प्रवाह एक प्रोटोटाइप के निर्माण और संचालन के लिए एक मॉड्यूलर और अनुकूलनीय प्रक्रिया प्रस्तुत कर रहे हैं. रिग नमूना लोड हो रहा है, microfluidic मिश्रण, और फ्लोरोसेंट कण का पता लगाने के प्रदर्शनों में सक्षम बनाता है, और अंतरिक्ष के वातावरण के लिए 2010 नासा सुविधा पहुँच (फास्ट) परवलयिक flig जहाज पर परीक्षण किया गया था29 सितंबर से 1 अक्टूबर के लिए भेजा HTS, 2010 इन प्रदर्शनों fingerstick आकार के खून के नमूने, लोड पतला या अभिकर्मकों के साथ मिश्रित कर रहे हैं, जिसमें एक संभावित डिवाइस कार्यप्रवाह के क्रमश: शुरुआत, मध्य और अंत से खींच, और ऑप्टिकल के माध्यम से विश्लेषण किया पता लगाने. एक कॉम्पैक्ट यूनिट में एक प्रवाह cytometer स्केलिंग नवाचार और सावधान हिस्सा चयन की आवश्यकता है. कस्टम और मुस्तैद घटकों अंतिम घटक विकल्प का सबसे अच्छा प्रारंभिक अनुमानों के रूप में चुना, यहां इस्तेमाल किया जाता है, और अन्य नवीन आविष्कारों के डिजाइन के लिए अनुकूल हो सकता है. प्रोटोटाइप घटक विकल्पों की एक रूपरेखा के बाद, सेटअप रिग विधानसभा के लिए एक कंकाल के रूप में सेवारत एक समर्थन संरचना पर वर्णित है. प्रोटोटाइप घटकों, स्थानों सौंपा सुरक्षित, और सफल प्रयोग के लिए आवश्यक अतिरिक्त घटकों के साथ कर रहे. ध्यान दें तो मानक संचालन प्रक्रिया (एसओपी) के विकास, प्रशिक्षण, और अन्य रसद शामिल अधिक सार प्रक्रियाओं को पाली. अंत में, प्रदर्शन-विशिष्ट प्रक्रियाओं हैंवर्णित. विशिष्ट प्रोटोटाइप के लिए यहां लागू किया है, हालांकि यहां वर्णित रणनीतियों और रिग घटकों (जैसे, माइक्रोस्कोप, एक्रिलिक बॉक्स, आदि) का समर्थन करने का विकल्प है, एक कम गुरुत्व वातावरण में किसी भी रक्त नैदानिक उपकरण का परीक्षण करने के लिए प्रासंगिक सामान्य मुद्दों और चुनौतियों से बात .
2010 उड़ानों में, दो चंद्र गुरुत्व (लगभग 1/6 पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण प्राप्त) और अंतत: इन 3 दिन भर के समय में परिवर्तन किया गया है, हालांकि दो सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण उड़ानें, 4 दिन भर में निर्धारित किया गया. प्रदर्शनों एक संशोधित निजी तौर पर संचालित, संकीर्ण शरीर जेट विमान 36 जहाज पर प्रदर्शन किया गया. प्रत्येक उड़ान प्रत्येक उच्च गुरुत्वाकर्षण कम गुरुत्वाकर्षण की स्थिति का 20-25 सेकंड द्वारा पीछा (लगभग 1.8 ग्राम) के बारे में 20 सेकंड से बेदखल, 30-40 parabolas प्रदान की. Parabolas के आधे से मार डाला गया के बाद, विमान के चारों ओर मोड़ करने के लिए विमान को सक्षम और पीई जबकि लैंडिंग साइट की ओर वापस सिर करने के लिए स्तर उड़ान में लगभग 5-10 मिनट की अवधि के लिए रोक दियाparabolas के शेष rforming.
Protocol
Representative Results
Discussion
यहाँ वर्णित विधि भूमि परीक्षण के लिए तुलनीय परिणाम के साथ 2010 तेजी परवलयिक उड़ानों के दौरान प्रमुख प्रौद्योगिकी घटकों (नमूना लोड हो रहा है, microfluidic मिश्रण, और ऑप्टिकल पहचान) के प्रभावी प्रदर्शन के सक्षम हो?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हार्डवेयर विकास नासा एसबीआईआर संविदा NNX09CA44C और NNX10CA97C द्वारा समर्थित किया गया था. ऑप्टिकल ब्लॉक और नमूना लोडर प्रदर्शनों के लिए डेटा विश्लेषण नासा तीसरे चरण अनुबंध NNC11CA04C द्वारा समर्थित किया गया था. मानव रक्त संग्रह नासा आईआरबी प्रोटोकॉल # एसए-10-008 उपयोग किया गया था. नेशनल इंस्ट्रूमेंट्स मेडिकल डिवाइस अनुदान कार्यक्रम के माध्यम से प्रदान की नियंत्रण / अधिग्रहण सॉफ्टवेयर. माइक्रोचिप्स के लिए नए नए साँचे जॉन्स हॉपकिन्स microfabrication सुविधा और नेनो सिस्टम के लिए हार्वर्ड सेंटर में किए गए थे. ओटो जे Briner और ल्यूक Jaffe (डीएनए चिकित्सा संस्थान) उड़ान सप्ताह के दौरान 2010 की गर्मियों नासा उड़ान वीडियो स्टाफ प्रदान की वीडियो फुटेज के दौरान रैक विधानसभा में सहायता प्राप्त. कार्लोस Barrientos (डीएनए चिकित्सा संस्थान) फोटोग्राफ और आंकड़ा सहायता प्रदान की है. प्रौद्योगिकी 2010 के कार्यक्रम के लिए अंतरिक्ष के वातावरण के लिए सुविधा का उपयोग, नासा कम गुरुत्वाकर्षण कार्यालय, मानव अनुकूलन और Countermeasures प्रभाग, नासा ग्लेन रिसर्च सेंटर के लिए विशेष धन्यवाद,सीन नाम टेक्नोलॉजीज, और मानव रिसर्च प्रोग्राम.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Micro air pump | Smart Products, Inc. | AP-2P02A | Max pressure = 6.76 psi; 1.301” x 0.394” x 0.650” , 0.28 oz (8 g); available direct from Smart Products |
| Differential pressure sensor | Honeywell International, Inc. | ASDX015D44R | Range of 0-15psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); suppliers include Digi-Key and Mouser Electronics |
| Rigid plastic vial (small size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-05 | Polystyrene; ID 0.81" (20.6 mm), IH 2.06" (52.4 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| Rigid plastic vial (larger size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-140 | Polystyrene; ID 1.88" (47.6 mm), IH 3.31" (84.1 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| latex examination gloves | dynarex corporation | 2337 | Middle finger used for latex diaphragm in fluid source vial. Other brands (e.g., Aurelia ® Vibrant ™) acceptable. |
| Optical glue | Norland Products | NOA 88 | Low outgassing adhesive; available direct from Norland; Also available from Edmund Optics Inc. |
| 3-way solenoid valves | The LEE Company | LHDA0531115H | Gas valves, but can function with liquid; 1.29 " L, 0.28 " D. Discontinued product. Similar products available from The LEE Company. |
| Volumetric water flowmeter | OMEGA Engineering inc. | FLR-1602A | Non-contacting flow rate meter strongly preferred. We recommend SENSIRION LG16 OEM Liquid Flow Sensor for flow rates from nl/min up to 5 ml/min. |
| PCD-mini photon detector | Sensl | PCDMini-00100 | For fluorescence detection; available direct from Sensl |
| Accelerometer | Crossbow Technology, Inc. | CXL02LF3 | 3-demensional force detection. Supplied to DMI by NASA. Similar product available from Vernier Software & Technology, LLC. |
| Stereomicroscope | AmScope | SE305R-AZ-E | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCU223C | 1024 x 768 Resolution, Color, USB 2.0; available direct from Thorlabs |
| USB and Trigger Cable (In/Out) for CCD Camera | Thorlabs | CAB-DCU-T1 | Available direct from Thorlabs |
| Microbore tubing | Saint-Gobain Corporation | AAD04103 | Tygon®; ID 0.02", OD 0.06", 500ft, 0.02" wall. Suppliers: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc. |
| Hollow steel pins | New England Small Tube | (Custom) | 0.025" OD, 0.017" ID, 0.500” L, stainless steel tube, type 304, cut, deburred, passivated; enable microbore tubing connections, chip tubing connections |
| Slide clamp | World Precision Instruments, Inc. | 14042 | Available direct from World Precision Instruments |
| Leur adaptor pieces | World Precision Instruments, Inc. | 14011 | Available direct from World Precision Instruments |
| Silicon wafer | Addison Engineering, Inc. | 6" diameter; for SU-8 mold fabrication | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Needle (23 gauge), bevel tip | Terumo Medical Corporation | NN-2338R | Ultra thin wall; 23G x 1.5"; 22G also usable; suppliers: Careforde, Inc., Port City Medical |
| Dispensing needle (23 gauge), blunt tip | CML Supply | 901-23-100 | 23Gx 1"; available from CML Supply |
| Rotary tool | Robert Bosch Tool Corporation | 1100-01 | Dremel® 1100-01 Stylus™ |
| Cover glass | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 12-518-105E | Gold Seal™ noncorrosive borosilicate glass; for PDMS chip cover; 24×60 mm; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Vacuum pump | Mountain | MTN8407 | For degassing PDMS; supplier: Ryder System, Inc. |
| Vacuum chamber | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 5311-0250 | Nalgene™ Transparent Polycarbonate; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
| Hand magnifier | Mitutoyo | 183-131 | Use in reverse direction to enable viewing at ~15". |
| Ethanol | CAROLINA | 861283 | For chip cleaning. Dilute to 70% using millipore water. |
| Water purification system | Thermo Fisher Scientific, Inc. | D11901 | Available direct from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Optomechanical translation mounts | Thorlabs | K6X | 6-Axis Kinematic Optic Mount; discontinued product; new product (K6XS) available direct from Thorlabs |
| Laptop | Hewlett-Packard | VP209AV | HP Pavilion Laptop running Windows 7 |
| Laptop tray (spring loaded) | National Products, INC. | RAM-234-3 | RAM Tough-Tray™. Can accommodate 10 to 16 inch wide laptops. |
| USB splitter | Connectland Technology Limited | 3401167 | |
| USB Data Acquisition Cards (8 analog input, 12 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6008 | 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
| USB Data Acquisition Cards (16 analog input, 32 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6216 | 16-Bit, 400 kS/s Isolated M Series MIO DAQ, Bus-Powered |
| Control/acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2009 | Custom coded National Instruments (NI) LabVIEW |
| 3D Solid Modeling Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corp. | SolidWorks 2011 | |
| 2D Modeling Software | AUTODESK | AutoCAD LT 2008 | |
| Vertical equipment rack | (NASA provided) | N/A | |
| Solid aluminum optical breadboard | Thorlabs | MB2424 | 24" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Taps; available direct from Thorlabs |
| Industrial grade steel and hardener | The J-B Weld Company | J-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue | |
| Micro-hematocrit capillary | Fisher Scientific | 22-362-574 | inner diamter 1.1 to 1.2 mm |
| 1 mL syringes | Henke-Sass, Wolf | 4010.200V0 | NORM-JECT®; supplier: Grainger, Inc. |
| Human red blood cells | Innovative Research | IPLA-WB3 | Tested and found negative by supplier for: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag or HIV 1-NAT, ALT, and syphilis by FDA-Approved Methods. Because no test methods can guarantee with 100% certainty the absence of an infectious agent, human derived products should be handled as suggested in the U.S. Department of Health and Human Services Manual on BIOSAFETY IN MICROBIOLOGICAL AND BIOMEDICAL LABORATORIES, FOR POTENTIALLY INFECTIOUS HUMAN SERUM OR BLOOD SPECIMENS |
| Phosphate buffered saline concentrate | P5493 | SIGMA | 10x; diluted to 1x |
| Tween | P9416 | SIGMA | TWEEN® 20 |
| Centrifuge | LW Scientific | STRAIGHT8-5K | Swing-Out 8-place Centrifuge. Available through authorized dealers. Other centrifuges available direct from LW Scientific. |
| HD video recorder | Sony | MHS-CM5 | |
| Orange fluorescent nucleic acid stain | Invitrogen | S-11364 | SYTO® 83 Orange Fluorescent Nucleic Acid Stain. Stored in DMSO solvent. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
| Fluorescent counting beads | Invitrogen | MP 36950 | CountBright™ Absolute Counting Beads. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
References
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