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Biochips schmuggeln effizient Wirkstoffe in Zellen ein

Moderne Impfstoffe wie die gegen Sars-CoV-2 nutzen winzige Fettkügelchen, um genetische Informationen in Zellen zu bringen und so eine Immunabwehr gegen das gefährliche Virus aufzubauen. Ein Team von WissenschaftlerInnen hat nun eine ganz neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sich sehr effizient nicht nur Gene, sondern auch Wirkstoffe und andere Substanzen in Zellen transportieren lassen. Das neue Verfahren, das jetzt auch als Patent eingereicht wurde, nennt sich „Progressive Mechanoporation“.

Die ForscherInnen entwickelten einen speziellen Biochip aus einem Kunststoff, auf dem hintereinander immer enger werdende Kanäle, die mehr als zehnmal kleiner sind als ein menschliches Haar, angeordnet sind. Zellen, die durch diese Kanäle gepresst werden, strecken sich dabei immer stärker, bis Löcher in der Plasmamembran entstehen. Durch diese Löcher können dann Moleküle in das Zellinnere gelangen. Haben die Zellen die Kanäle passiert, schließen sich die Löcher von alleine wieder. Die Forschenden haben gezeigt, dass das sogar mit sehr großen Proteinen, wie beispielsweise Antikörper, klappt.

Ein großer Vorteil der Methode: Pro Sekunde können so bis zu 10.000 Zellen durch den Chip geschickt werden. Gleichzeitig ist das Verfahren sehr schonend, nur wenige Zellen werden im Vergleich zu anderen Techniken geschädigt.
Mit Hilfe der neuen Methode könnten Pharmahersteller künftig etwa sehr effizient Wirkstoffe testen, um neue Medikamente zu entwickeln. Krankenhäuser könnten in Zukunft mit der „Progressiven Mechanoporation“ routinemäßig Zellen von Patienten untersuchen und sogar behandeln.

Referenz:
TU Dresden; Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin; ICR, London
Efficient and gentle delivery of molecules into cells with different elasticity via progressive mechanoporation, Lab Chip, 2021, Advance Article;
https://doi.org/10.1039/d0lc01224f

#wirkstoffe #transport #intrazellulär #biochip #membran #medikamentenentwicklung #medizin #medimpressions

Fotocredit: Canva

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The Dance of Spike – Spikeproteine im Discofieber

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Ein Video der Johannes Kepler Universität Linz (JKU) zeigt, wie sich das Lektin CLEC4G an die Zuckermoleküle des Spikeproteins von SARS-CoV-2 heftet. Das Spike-Protein erweist sich dabei als erstaunlich geschmeidig und tanzfreudig.

Diese Beweglichkeit überraschte auch die Forscher, da das quasi dreiseitige S-Protein auf den Bildern immer „relativ geschlossen“ aussieht, erklärt Peter Hinterdorfer vom Institut für Biophysik der Universität Linz: „Wir haben aber gesehen, dass es an den Oberflächen eigentlich aufmacht und die drei Arme dynamisch sind.“

Hinter den Aufnahmen steckt eine Forschungsarbeit zu einer Idee um den Genetiker Josef Penninger, bei der man dem SARS-CoV-2-Virus mittels Lektinen den Schlüssel für menschliche Zellen „verkleben“ möchte. Erste Ergebnisse sind vielversprechend. So konnten bereits zwei von 140 untersuchten Lektinen isoliert werden. Diese könnten möglicherweise andere Substanzen, wie etwa das sich in fortgeschrittener klinischer Erprobung befindliche Medikament APN01, ein biotechnologisch hergestelltes menschliches Angiotensin Converting Enzym 2 (rhACE2), das ebenfalls an das Spike-Protein bindet, unterstützen.

Penninger: „Mit beiden Lektinen haben wir erstmals die Möglichkeit, das Virus über dessen Zuckerhülle zu binden und zu neutralisieren. Die Stellen, an denen das SARS-CoV-2 S-Protein mit den Zuckermolekülen modifiziert wird, sind hoch-konserviert und finden sich in allen derzeit zirkulierenden Mutanten wieder. Womöglich ist das die Achillesferse des Virus.“

Referenz:
Video: Johannes Kepler Universität Linz;
APA Pressemeldung 27.April 2021;
Originalliteratur: Identification of lectin receptors for conserved SARS-CoV-2 glycosylation sites, bioRxiv April 2021; https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.04.01.438087v1

#spikeprotein #lektin #sarscov2 #pandemie #covid19 #corona #viren #medizin #medimpressions

Fotocredit: Johannes Kepler Universität Linz

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Ultraleichtes Sensorpflaster ersetzt Kabel und Geräte

Für viele Menschen ist es ein notwendiges Übel – das dreimal tägliche Messen von Blutdruck und Puls. Stress verursachen auch die eingesetzten Messgeräte, die hinsichtlich Größe und Gewicht, als auch Messvorgang meist als unhandlich empfunden werden, was folglich sogar die Blutdruckwerte verfälschen kann.

Diese Situation inspirierte Forscher des Joanneum Research, gemeinsam mit Kollegen der Osaka Universität, ein elektronisches Sensorpflaster für Gesundheitsparameter zu entwickeln, das so dünn ist, dass man es kaum spürt. Insgesamt ist das Pflaster nicht mehr als 0,0025 mm dick und enthält ein ferroelektrisches Polymer zwischen zwei Elektrodenflächen, das auf einer hauchdünnen Trägerfolie aufgebracht wurde. Es schmiegt sich komplett an die Haut an und ist damit der weltweit erste, ultraflexible piezoelektrische Sensor. Neben der Pulsrate kann das Sensorpflaster Aussagen über die Elastizität der menschlichen Blutgefäße machen und über die Pulswellengeschwindigkeit den Blutdruck messen. Die Messdaten können dank eines Elektronikmoduls auch an ein Smartphone drahtlos übertragen werden.

Besonders faszinierend ist, dass das Sensorpflaster kabellos und komplett energieautark eingesetzt werden kann, da die Gewinnung der elektrischen Energie – mittels entsprechender Schaltung – über biomechanische Bewegungen, etwa während des Stufensteigens, gewonnen werden kann. Dies würde für eine dreimal tägliche Blutdruckmessung ausreichen, so die Forscher, vorausgesetzt, es findet sich ein leichtes  verbrauchsarmes Elektronikmodul für kabellose Datenübertragung, die derzeit noch rar gesät sind.

Elektronische Sensorpflaster könnten künftig als Teil des Screenings bei weiteren Herz-Kreislauferkrankungen, Stressfaktoren und Schlafapnoe eingesetzt werden.

Referenz:
Joanneum Research Weiz/Graz; Osaka University
Imperceptible energy harvesting device and biomedical sensor based on ultraflexible ferroelectric transducers and organic diodes, Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22663-6

#messpflaster #sensoren #blutdruckmessung #puls #datenaufzeichnung #smartphone #medizin #medimpressions

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Computerspiele für Forscher

Je größer und umfassender Netzwerke sind, desto schwieriger wird auch ihre Darstellung auf dem Bildschirm. Dies betrifft auch die Interaktion verschiedener Proteinkomplexe im menschlichen Körper. Der Netzwerkwissenschaftler Jörg Menche und seine Forschungsgruppe am CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin entwickelten nun eine Virtual Reality-Plattform, die es ermöglicht, riesige Datenmengen und deren komplexes Zusammenspiel auf eine einzigartige, intuitive Weise zu untersuchen. Dabei bedienten sie sich der Technologie, die normalerweise in der Entwicklung von 3-D-Computerspielen genutzt wird.

Der menschliche Körper stellt mit seinen rund 20.000 Proteinen, die im menschlichen Genom codiert sind und miteinander interagieren, ein riesiges komplexes Netzwerk dar. Stellt man die Protein-Interaktionen dar, entsteht ein kaum darstellbares Bild aus rund 18.000 Punkten – Proteinen – und rund 300.000 Strichen zwischen diesen Punkten.
Um dieses Bild „lesbar“ zu machen, schafften es die ForscherInnen erstmals, die Gesamtheit der Proteininteraktion sichtbar zu machen, um das riesige und komplexe Netzwerk interaktiv erkunden zu können.

Die 3-dimensionale Darstellung kann insbesondere bei der Identifikation seltener Gendefekte wichtig und entscheidend für therapeutische Maßnahmen sein. „Unsere Studie stellt einerseits einen wichtigen „Proof of concept“ unserer VR-Plattform dar, andererseits zeigt sie unmittelbar das enorme Potenzial der Visualisierung molekularer Netzwerke“, so Projektleiter Menche. „Gerade bei seltenen Erkrankungen, schweren Immunerkrankungen, können Proteinkomplexe, die mit spezifischen klinischen Symptomen assoziiert werden, genauer analysiert werden, um Hypothesen über ihre jeweiligen pathobiologischen Mechanismen zu entwickeln. Dies erleichtert die Annäherung an Erkrankungsursachen sowie infolge die Suche nach gezielten therapeutischen Maßnahmen.“

Referenz:
CeMM, St. Anna Kinderkrebsforschung Wien
VRNetzer: A Virtual Reality Network Analysis Platform, Nature Communications 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22570-w

#virtualreality #forschung #proteine #interaktionen #darstellung #3D #medizin #medimpressions

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Onkologie Technologie Wissenschaft

Elektrospray gegen Tumore

Lungenkrebs zählt zu den häufigsten Krebsarten und lässt sich trotz der inzwischen vielen zur Verfügung stehenden Therapieformen nur schwer behandeln. Behandlungen erweisen sich als nicht ausreichend wirksam und sind zudem mit einigen Risiken verbunden.

Das Problem einer systemisch verabreichten Chemotherapie ist die beschränkte Wirksamkeit am Ziel und die sehr hohe Belastung der PatientInnen durch mögliche Nebenwirkungen. Ein Forschungsprojekt untersuchte nun eine relativ neue Verabreichungsform, um wirksame Medikamente direkt in den Tumor zu schleusen – ein Elektrospraygerät. Bei diesem Verfahren wird der Wirkstoff unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in Richtung des Tumors beschleunigt und kann so besser eindringen.
Getestet wurde das in der Krebsbehandlung häufig verwendete Chemotherapeutikum Cisplatin. Dieses wurde direkt unter der Haut mittels Elektrospraygerät auf den Tumor aufgetragen. Im Mausmodell konnte damit nach nur zwei Behandlungen nach sieben Tagen eine Reduktion der Tumoren um 81.2% beobachtet werden. Die nicht behandelten Tumoren hatten sich dagegen in dieser Zeit um 200% vergrößert.

Der überragende Erfolg der Behandlung überraschte sogar die Forscher. Denn die Reduktion der Tumorgröße um über 80% in dieser Gruppe überstieg sogar die Reduktion von 15% in der Gruppe, die ebenfalls Cisplatin, jedoch ohne Elektrospray, erhielt, um ein Vielfaches. Der Einsatz des Elektrosprays führte offenbar zu einer erheblichen Steigerung der Aufnahme des Medikaments aus den Zwischenzellräumen, wie zumindest in vitro- Untersuchungen nahelegen. Aufgrund der vielversprechenden präklinischen Befunde sollen nun relativ rasch klinische Untersuchungen der neuen Methode folgen.

Referenz:
Universität Bern, Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW)
Electrospray Mediated Localized and Targeted Chemotherapy in a Mouse Model of Lung Cancer, Front. Pharmacol April 2021; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphar.2021.643492/full

#krebs #lunge #chemotherapie #elektrospray #cisplatin #tumorbehandlung #krebstherapie #medizin #medimpressions

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„Bakterienfressende“ Viren gegen multiresistente Keime

Bakteriophagen sind spezielle Viren, die ausschließlich Bakterien angreifen und deshalb eine Alternative zu Antibiotika darstellen können. Ein Team aus österreichischen, deutschen und schweizerischen Forschern konnte nun erstmals zeigen, dass gezielt herangezüchtete Phagen deutlich besser gegen multiresistente Keime wirken als bekannte Wildtypen (die ursprüngliche Form der Bakterien). 

Eine Therapie mit „bakterienfressenden“ Viren gilt schon seit einiger Zeit als aussichtsreiche Option zur Therapie von schwer zu behandelnden Infektionen mit multiresistenten Bakterien. Sie wirken viel gezielter auf die krankheitsverursachende Bakterienspezies und können typische Resistenzmechanismen von Bakterien umgehen. Die gezüchteten Phagen sind aber derart exakt an ihr Wirtsbakterium angepasst, dass selbst eng verwandte Stämme der gleichen Bakterienart nicht mehr von ihnen angegriffen werden und sie dadurch nur eine geringe Gesamtwirkung zeigen. Mischt man diese mit natürlich vorkommenden Phagen, wirkt die Mixtur zwar besser, aber im besten Fallt oft nur bei der Hälfte aller Zielbakterien.

Ein österreichisches Unternehmen kreuzte nun verschiedene Phagen und selektierte diejenigen, die ein möglichst breites Spektrum an Bakterienstämmen angreifen konnten. Eine Mischung der so gezüchteten Phagen wurde nun an 110 Staphylokokken-Stämmen getestet (43 Prozent von ihnen waren bereits multiresistente MRSA-Varianten).
Das Resultat nach der Behandlung mit den gezüchteten Phagen: Bei 101 der 110 Bakterienstämme wurde das Wachstum erfolgreich unterbunden. Damit könnte die neue Therapie bei manchen Krankheitsbildern als ernsthafte Alternative zur antibiotischen Behandlung von MRSA-Infektionen in Betracht gezogen werden, meinen die Forscher.

Referenz:
Friedrich-Schiller-Universität Jena, Université de Lausanne, Universität Dresden
ε2-Phages Are Naturally Bred and Have a Vastly Improved Host Range in Staphylococcus aureus over Wild Type Phages. Pharmaceuticals 2021;  https://www.mdpi.com/1424-8247/14/4/325

#multiresistenz #mrsa #antibiotika #phagen #staphylokokken #bakterien #infektion #medizin #medimpressions

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Das Blutbild ist so individuell wie ein Fingerabdruck

Die Zusammensetzung der Moleküle in unserem Blut ist einzigartig, vergleichbar zu einem Fingerabdruck eines Menschen. Verändert sich jedoch der Mix der Moleküle im Organismus könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass er erkrankt ist. Voraussetzung einer solchen Diagnose ist es aber, vorab zu wissen, ob der so genannte „molekulare Fingerabdruck“ eines Menschen im gesunden Zustand zuvor über längere Zeit stabil war.

Eine solche Langzeitstabilität bei gesunden Personen hat nun ein deutsches Forscherteam anhand von Fourier-Transform Infrarotmessungen (FTIR) nachgewiesen. Die Forscher zeigten, dass die molekulare Zusammensetzung im Blut einzelner gesunder Personen über mehrere Monate stabil war und sogar individuell zugeordnet werden konnte. „Diese bisher unbekannte zeitliche Stabilität einzelner biochemischer Fingerabdrücke bildet die Grundlage für künftige Anwendungen des blutbasierten Infrarot-Spektral-Fingerabdrucks als verlässliche Art der Gesundheitsüberwachung,“ freut sich das Team „Broadband Infrared Diagnostics“ (BIRD) um die Biologin Mihaela Žigman, LMU München.

Fourier-Transform Infrarotmessungen, die mit konventionellem Licht arbeiten, könnten künftig von Infrarotlaser-basierten Messungen abgelöst werden. Diese Art der Analyse von Molekülen im Blut wäre aufgrund der enormen Stärke des Laserlichts noch exakter als die bisher verwendete FTIR-Methode und könnte auch ganz geringe Mengen von spezifischen Molekülen nachweisen. An entsprechenden Lasertechnologien wird bereits gearbeitet.
Damit besteht die Möglichkeit von wiederholten, minimal-invasiven Messungen von blutbasierten Infrarot-Fingerabdrücken zur zukünftigen Überwachung des menschlichen Gesundheitszustands und damit zur Früherkennung von Krankheiten.

Referenz:
Ludwig-Maximilians-Universität München, Max-Planck-Institut (MPQ)
Stability of person-specific blood-based infrared molecular fingerprints opens up prospects for health monitoring, Nature Communications 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-21668-5

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Brustkrebstherapie: Mathematik als Entscheidungshilfe

Die präzise Therapiewahl bei Brustkrebs hängt entscheidend vom Status der Hormonrezeptoren (für Östrogen und Progesteron) ab. Deren übliche Bestimmung mittels Immunohistochemie (IHC) hat eine gewisse Fehlerrate, die durch Hinzunahme von Genomdaten gesenkt werden kann. Daraus ergeben sich jedoch auch widersprüchliche Befunde, die die Wahl der richtigen Therapie erschweren. In diesen Fällen könnten mathematische Modelle die Entscheidungsfindung deutlich verbessern, ergab eine Studie der Universität Wien an über 3700 Patientinnen.

Die Methodik ist weit über Brustkrebs hinaus anwendbar, und kann überall, wo aus zahlreichen Befunden gleichzeitig Folgerungen zu ziehen sind, eingesetzt werden. Wolfgang Schreiner (CeMSIIS) vergleicht das System mit selbstfahrenden Autos: „Diese prüfen durch Sensoren, ob freie Fahrt möglich ist. Dabei kann ein Sensor ein Hindernis wahrnehmen und eine Notbremsung anfordern. Ein anderer Sensor erkennt keine Gefahr. Was ist dann zu tun? Es gibt zwei mögliche Fehlentscheidungen, und jede ist auf andere Weise riskant: Wird nicht gebremst, passiert ein möglicherweise schwerer Unfall. Bremst der Wagen unnötig, riskiert man einen Auffahrunfall.“ Analog dazu ist die Situation bei der Therapiewahl für Krebspatientinnen, die auf Status der Hormonrezeptoren abgestimmt wird. Eine falsche Entscheidung (Hormon- oder Chemotherapie) würde zu vermeidbaren Nebenwirken führen, im schlimmsten Fall zum Vorenthalten einer lebensrettenden Therapie.

Die Stärke des mathematischen Modells besteht darin, dass sie nicht nur einen einzigen Faktor, nämlich die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses (z.B. Rezeptor-positiv), sondern auch die Wahrscheinlichkeiten für andere Möglichkeiten (möglicherweise positiv) und (sicher nicht Rezeptor-positiv) mitberechnet. Das Modell hat den Vorteil, dass es „selbst merkt,“ wenn es unsicher ist und liefert dann das Ergebnis „unentscheidbar“. Eine wichtige Information für den Arzt.

Referenz:
MedUni Wien
Decision theory for precision therapy of breast cancer, Sci Rep 2021, 11:4233; https://www.nature.com/articles/s41598-021-82418-7

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Wasserroboter könnte Ertrinkende retten

Noch immer ertrinken zu viele Menschen beim Schwimmen. Die meisten davon in Binnengewässern, aber auch in Schwimmbädern kam es zu Unfällen mit tödlichem Ausgang kommen. Ein weltweit einzigartiger Wasserroboter, der zukünftig das stromlinienförmige Design eines Rochens aufweisen soll, könnte nun jedoch Bademeistern und Rettungsschwimmern zur Seite stehen und Schwimmende in Not retten.

„Es gibt typische Körperpositionen, an denen man erkennt, dass sich jemand in Gefahr befindet,“ erklärt Forschungsleiter Helge Renkewitz vom Fraunhofer Institut IOSB. An der Hallendecke angebrachte Überwachungskameras können die Bewegungsmuster und Position des Ertrinkenden im Becken registrieren und die Koordinaten an den Roboter schicken. Hat das Fahrzeug sein Ziel erreicht, ortet es mithilfe von Kameras die gefährdete Person und befördert diese an die Wasseroberfläche. Eine Fixier- und Fangvorrichtung verhindert, dass leblose Körper beim Auftauchen herunterrutschen.

An Badeseen übernehmen Flugdrohnen und Zeppelinsysteme die Aufgabe der Überwachungskameras. Diese lassen sich problemlos mit Kameras ausstatten. Für die Rettung im Badesee, wo das Wasser trüb ist, muss das Unterwasserfahrzeug anstelle von optischen mit akustischen Sensoren ausgestattet sein. Mithilfe des Echos der Schallwellen lassen sich Lage und Ausrichtung von Personen so exakt bestimmen, dass der Roboter die Zielperson autonom ansteuern und aufnehmen kann.

Ein in drei Metern Tiefe abgelassener, 80 Kilo schwerer Dummy wird vom Rettungsroboter innerhalb von zwei Minuten aufgenommen und an ein inzwischen von diesem automatisch verständigtes Rettungsteam übergeben. „Verunglückte müssen innerhalb von fünf Minuten reanimiert werden, um dauerhafte Schäden auszuschließen. Diese kritische Zeitspanne konnten wir problemlos einhalten,“ so Renkewitz.

Referenz:
Fraunhofer IOSB
Pressemeldung Fraunhofer: Autonomer Wasserroboter rettet Ertrinkende, 1.3.2021; https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/maerz-2021/autonomer-wasserroboter-rettet-ertrinkende.html

#schwimmen #ertrinken #ueberwachung #roboter #notsituation #badeunfall #rettung #medizin #medimpressions

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Gehirn: mehr Rechenpower und Speicherplatz als vermutet

Nervenzellen kommunizieren miteinander via Synapsen. Deren Leistung dürfte viel höher sein, als bisher vermutet, wie Neurowissenschaftler zeigen. Die Signalübertragung ist dabei umso stärker, je grösser eine Synapse ist. „Mit dieser Erkenntnis schließen wir eine zentrale Wissenslücke der Neurobiologie“, so Kevan Martin von der Universität Zürich: „zudem ist dieses Wissen entscheidend, um zu verstehen, wie Informationen durch die Schaltpläne des Gehirns fließen und somit unser Gehirn funktioniert.“

Um die Synapsenströme zwischen Nervenzellen zu messen, fertigten sie hauchdünne Schnitte eines Mausgehirns an und führten unter dem Mikroskop feine Glaselektroden in zwei benachbarte Nervenzellen der Großhirnrinde ein. Damit konnten sie eine der beiden Nervenzellen künstlich aktivieren und gleichzeitig die Stärke des resultierenden Synapsenstroms in der anderen Zelle messen. Zudem injizierten sie einen Farbstoff, um die verästelten Zellfortsätze im Lichtmikroskop dreidimensional rekonstruieren zu können.

„Damit können nun die Schaltkreise der Großhirnrinde mithilfe von Elektronenmikroskopie exakt kartografiert und deren Informationsfluss am Computer simuliert und interpretiert werden,“ erklärt Gregor Schuhknecht, ETH Zürich: „diese Arbeiten ermöglichen ein besseres Verständnis, wie das Hirn normalerweise funktioniert, und wie «Verdrahtungsdefekte» zu neurologischen Entwicklungsstörungen führen können.“

Mithilfe von mathematischen Analysen konnten die Forschenden auch zeigen, dass Synapsen komplexer sind als bisher angenommen. Sie können nicht nur ein einziges Vesikel mit Botenstoffen aussenden, wie bisher angenommen, sondern mehrere Vesikel an verschiedenen Stellen gleichzeitig. Damit lässt sich auch ihre Signalstärke dynamischer regulieren als bisher gedacht.

Referenzen:
ETH, Universität Zürich; Harvard University
Structure and function of a neocortical synapse; Nature 13.1.2021; https://www.nature.com/articles/s41586-020-03134-2

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