
2. 江南大学食品学院,江苏 无锡 214122;
3. 江南大学附属中心医院,江苏 无锡 214002
崔树茂(1986-),男,博士,研究员,博士生导师,研究方向:生物发酵与微生态健康创新研究,通信作者,E-mail:cuishumao@jiangnan.edu.cn
,
ZHOU Yong-kang2,
YIN Meng-qi1,
MAO Bing-yong2,
TANG Xin2,
ZHANG Qiu-xiang2,
ZHAO Jian-xin2,
ZHU Ying-wei3
,
CUI Shu-mao2
2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China;
3. Jiangnan University Medical Center, Wuxi Jiangsu 214002
酒精性肝病(alcoholic liver disease,ALD)是指由长期酗酒引起的一系列肝脏病理演变,起始为脂肪变性,逐步进展至酒精性肝炎、肝纤维化,最终有可能恶化为肝硬化及肝癌,对社会及个体均造成了沉重的健康负担[1]。目前,针对ALD的治疗策略主要包括戒酒、药物治疗以及营养辅助等。戒酒无疑是首要措施,但对长期酗酒的个体而言,戒酒进程可能会引发诸如震颤、焦虑、失眠等戒断症状,这增加了患者的痛苦程度以及治疗的复杂性。在药物治疗方面,酒精相关性肝病的治疗靶点及临床试验主要集中在以下3种策略:一是通过减少氧化应激、减轻肝细胞死亡以及促进肝脏再生来减轻肝脏损伤;二是使用药物抑制炎症反应,包括经典药物泼尼松龙以及更具针对性的靶向药物,如TNF和IL-1抑制剂;三是通过益生菌治疗、粪便移植或FXR激动剂来改善肠道健康[2]。
葛根作为一种传统药食同源,在中国拥有广泛且悠久的药用和食用历史。葛根中富含异黄酮类化合物、多糖、三萜皂苷等多种活性成分[3]。研究表明,葛根具有抗氧化、抗炎、降血脂、保护心血管、改善胰岛素抵抗等多种潜在健康益处,尤其在肝脏保护方面,葛根能够减轻氧化应激和炎症反应,调节肝脏脂质代谢,对酒精性肝损伤具有预防和治疗的潜力[4]。葛根素是葛根中主要的异黄酮类化合物,临床应用表明,葛根素在治疗心血管病、糖尿病等疾病方面具有潜在的应用价值。然而,肝脏的首过效应会减少葛根素进入血液循环的有效量,导致葛根素口服生物利用度低,一些研究表明葛根素在大鼠体内口服生物利用度仅为7%左右[5]。在临床治疗中,为了达到预期的治疗效果,可能需要增加葛根素治疗剂量,但这同时会造成药物安全性和胃肠道刺激等诸多问题。目前,主要通过纳米技术、联合益生菌、结构修饰等方式来提升异黄酮类化合物的生物利用度和生物活性。
据报道,益生菌发酵药食同源原料可能产生协同效应[6]。一方面,药食同源原料中的营养成分和活性物质促进了益生菌的增殖;另一方面,益生菌的发酵作用能够改变药食同源原料的活性成分结构,提高其生物利用度和稳定性,增强其药理作用。本研究旨在通过Lieber-DeCarli模型,比较副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素与未发酵葛根素对ALD小鼠肝功能、氧化应激和肠屏障的保护作用,并探讨潜在机制,以期为开发新型、高效、低毒的慢性酒精性肝损伤治疗策略提供科学依据和临床选择。
1 材料 1.1 实验动物、药品与试剂盒本实验使用6周龄C57BL/6J雄性小鼠,体质量(18±2) g,购自北京维通利华实验动物技术有限公司。所有小鼠均饲养于江南大学实验动物中心的SPF级屏障环境中,饲养温度(24±2)℃,相对湿度(50±10)%,光照周期为12 h光暗交替。实验动物使用许可证号:SYXK(苏)2021-0056。本动物实验已得到江南大学动物伦理委员会的批准[JN No 20240330c0760820(142)]。实验所用到的葛根素(纯度98%)由上海麦克林生化科技股份有限公司提供(货号P816259);Lieber-DeCarli液体对照饲料和液体模型饲料由南通特洛菲饲料科技有限公司生产(货号TP4030);4%多聚甲醛固定液购自国药集团化学试剂有限公司(货号P0099);BCA蛋白质测定试剂盒购自上海碧云天生物技术有限公司(货号P0012);甘油三酯(triglyceride,TG)测定试剂盒(货号A110-1-1)、总胆固醇(total cholesterol,TC)测定试剂盒(货号A111-1-1)、谷草转氨酶(aspartate transaminase,AST)测定试剂盒(货号C010-2-1)、谷丙转氨酶(alanine transaminase,ALT)测定试剂盒(货号C009-2-1)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)测定试剂盒(货号A003-1-2)、还原型谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)测定试剂盒(货号A006-2-1)、过氧化氢酶(catalase,CAT)测定试剂盒(货号A007-1-1)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)测定试剂盒(货号A001-3-2)购自南京建成生物工程研究所有限公司;小鼠脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)酶联免疫吸附检测试剂盒(货号SBJ-0941)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)检测试剂盒(货号SBJ-M0039)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)检测试剂盒(货号SBJ-M0657)和白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)检测试剂盒(货号SBJ-M0027)购自南京森贝伽生物科技有限公司。实验所用菌株副干酪乳杆菌CCFM1367分离自健康成人粪便,保藏于江南大学食品微生物保藏中心。
1.2 仪器Eppendorf 5424 R小型台式高速离心机,德国艾本德(Eppendorf)公司;Multiscan Go多功能酶标仪;迈瑞全自动生化分析仪(BS-480),深圳迈瑞有限公司;数字切片扫描仪(Pannoramic MIDI),匈牙利3D-Histech公司;荧光定量PCR仪,上海伯乐有限公司。
2 方法 2.1 样品制备将冻存于-80 ℃冰箱的副干酪乳杆菌CCFM1367在MRS固体培养基表面划线接种,置于37 ℃恒温环境下倒置培养24~48 h。挑选单个菌落接种至MRS肉汤培养基,37 ℃培养18~24 h,混匀菌液得到菌体悬液,按2%接种量接种至新鲜MRS肉汤培养基,重复操作2~3次得种子液。接着,以5%接种量将种子液接种到含葛根素(5 g·L-1)的发酵培养基中,37 ℃恒温培养48 h。发酵结束后,65 ℃热处理30 min灭活菌株并维持产物稳定性,8 000 r·min-1离心15 min去除菌体等不溶性物质,收集上清液。最后,将收集得到的发酵上清液分装至容器内,冻存于-80 ℃以备后续实验使用。
2.2 动物实验 2.2.1 动物实验设计32只6周龄C57BL/6J雄性小鼠随机分为4个组别,每组8只小鼠,具体分为:对照组(Control)、模型组(Model)、未发酵葛根素组(PUE,200 mg·kg-1·d-1)以及副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素干预组(FPUE,200 mg·kg-1·d-1)。Lieber-DeCarli慢性ALD模型的建立和实验剂量参考已有报道[7-8]。实验过程分为以下几个阶段:第1周为流质饮食适应性饲养期,所有小鼠均饲喂Lieber-DeCarli对照液体饲料;第2周为含酒精液体饲料的过渡期,其间,对照组依旧饲喂不含乙醇的对照液体饲料,而其余3组则饲喂Lieber-DeCarli液体模型饲料,通过逐步调整液体模型饲料与对照液体饲料的混合比例(1 ∶ 2、1 ∶ 1、2 ∶ 1),使乙醇含量以每2天为一个梯度,从9.3%递增至28%。第2周末,除对照组外,其余各组小鼠继续饲喂乙醇质量浓度为40 g·L-1的液体模型饲料,为期5周。实验过程中,所有液体饲料均根据生产商的要求每日使用粉末制备并更换饲料,记录小鼠的食物摄入量,每周测量小鼠体质量。
2.2.2 样本采集及肝指数测定实验结束后,收集新鲜粪便于预先灭菌的离心管中,随后储存于-80 ℃冰箱中以保持样本的新鲜度。小鼠禁食12 h后,使用异氟烷进行麻醉,通过眼眶静脉丛采血并辅以颈椎脱臼处死后解剖取各器官。收集血液样本静置1 h后,以3 000 r·min-1离心15 min,收集上层血清,并保存于-80 ℃冰箱以备后续分析。采集完整的肝脏组织后,使用PBS清洗并用滤纸吸干表面水分,随后拍照并测定湿质量。肝脏指数通过以下公式计算:
| $ \text { 肝脏指数 }=\frac{\text { 小鼠肝脏质量/ } \mathrm{g}}{\text { 小鼠体质量/ } \mathrm{g}} \times 100 \% $ |
采集肝脏的相同部位置于4%多聚甲醛溶液中固定用于后续组织病理学分析,剩余肝组织存放于-80 ℃冰箱中。回肠组织在采集后同样迅速冷冻储存于-80 ℃,部分远端回肠组织则固定于4%多聚甲醛溶液中,以进行后续免疫荧光分析。
2.2.3 组织病理学分析将肝脏组织样本在4%多聚甲醛溶液中固定48 h后,进行苏木精-伊红(hematoxylin and eosin,HE)染色和油红O染色,以评估肝脏脂肪变性、炎症程度和肝脏脂质蓄积情况。使用Pannoramic MIDI数字切片扫描仪对染色后的肝脏切片进行扫描,并通过CaseViewer 2.3软件观察肝组织的病理变化。
2.2.4 血生化指标测定使用全自动生化分析仪检测小鼠血清样本中的血脂谱,包括TG、TC、ALT和AST水平。依照试剂盒说明书测定小鼠血清中LPS含量。针对肝脏组织中的脂质指标(TC、TG水平),结果以蛋白质含量为基准进行计算,蛋白质含量使用BCA蛋白质测定试剂盒测定。
2.2.5 肝脏氧化应激和炎症指标检测使用组织匀浆器将肝脏组织与磷酸盐缓冲液匀浆后将离心取上清液。根据试剂盒说明书,测定收集的上清液中的CAT、GSH、MDA以及SOD的水平。使用相应的ELISA试剂盒,根据操作说明书进行小鼠肝脏中炎症因子(TNF-α、IL-6和IL-1β)水平的检测。
2.2.6 实时荧光定量PCR分析采用RNA提取试剂盒提取小鼠肝脏组织样本中的总RNA,并用反转录试剂盒逆转录为cDNA,对酒精代谢(CYP2E1、CYP1A2和ALDH)相关的目标基因mRNA相对表达水平进行定量分析,以小鼠的GAPDH基因作为内参,通过2-ΔΔCT计算法来定量分析目标基因mRNA的相对表达水平。具体的引物序列信息列于Tab 1。
| Gene | Primer(5′-3′) | |
| CYP2E1 | Forward | CCGCATCCAAAGAGAGGCACAC |
| Reverse | GCACAGCCAATCAGAAAGGTAGGG | |
| CYP1A2 | Forward | GCTTCTCCATAGCCTCGGAC |
| Reverse | CTGGCTGACTGGTTCGAAGT | |
| ALDH | Forward | ATCCTCGGCTACATCAAATCG |
| Reverse | GTCTTTTACGTCCCCGAACAC | |
| GAPDH | Forward | CCTCGTCCCGTAGACAAAATG |
| Reverse | TGAGGTCAATGAAGGGGTCGT |
通过免疫荧光法检测小鼠回肠组织紧密连接蛋白ZO-1、Claudin-1和Occludin的蛋白水平。大致步骤如下:预先制备小鼠回肠组织样本,使用山羊血清封闭样本表面非特异性结合位点。随后,加入稀释比例为1 ∶ 500的抗ZO-1、抗Claudin-1和抗Occludin一抗,于4 ℃条件下孵育过夜。次日,用稀释比例为1 ∶ 400的异硫氰酸荧光素标记的二抗在室温避光条件下孵育50 min。完成孵育后,依次进行样本清洗和核染色操作。最后,通过切片扫描仪扫描样品,并使用ImageJ软件计算蛋白的荧光强度以定量评估其表达水平。
2.3 统计学方法使用GraphPad Prism 8.0软件进行统计分析。所有实验数据以x±s表示。组间比较使用单因素方差分析。检验水准α=0.05。
3 结果 3.1 副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素对小鼠基础指标的影响实验动物的具体分组和干预方案见Fig 1A。长期饮酒对小鼠的基础指标产生明显负面影响,结果如Fig 1B所示,长期酒精暴露抑制了小鼠的体质量增长,而PUE和FPUE干预组在不同程度上缓解了这一抑制作用。如Fig 1C-1D所示,酒精暴露还导致了小鼠肝脏的显著肿大,而FPUE干预组在缓解酒精引起的肝脏肿大方面的效果差异有统计学意义(P < 0.05),而PUE组差异无统计学意义。以上结果表明,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素具有缓解长期酒精暴露引起的小鼠肝脏肿大的作用,说明副干酪乳杆菌CCFM1367发酵后具有提高葛根素功效的潜力。
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| Fig 1 Effect of PUE and FPUE on mice exposed to long-term alcohol (x±s, n=6) A: Animal experimental protocol; B: Body weight; C: Liver weight; D: Liver index. ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05 vs Model group. |
小鼠肝脏组织的病理学结果如Fig 2所示。肝脏HE病理切片显示,相较于对照组小鼠,模型组小鼠肝细胞出现明显的脂肪变性,细胞质内大量空泡可见,肝细胞排列紊乱,部分细胞发生肿大和坏死,表明长期酒精暴露对肝脏造成严重损伤,5周酒精饮食有效建立了慢性ALD模型。此外,PUE与FPUE干预组均能降低酒精对小鼠肝脏的损伤,但与PUE干预组相比,FPUE干预组小鼠细胞质内空泡减少,肝细胞排列更为整齐,细胞形态接近于对照组。油红O染色结果显示,肝细胞的脂质堆积情况,模型组小鼠肝脏组织中存在大量分布广泛且密集的红色脂滴,而对照组肝脏组织中几乎未见脂滴。与模型组相比,PUE和FPUE干预组的红色脂滴数量均不同程度减少,其中FPUE组的脂滴数量及面积最少。以上结果表明,葛根素能够有效缓解酒精性脂肪肝,而副干酪乳杆菌CCFM1367发酵使葛根素在抑制酒精诱导的肝脏脂肪堆积方面具有更强的效果。
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| Fig 2 HE and oil red O staining of mouse liver tissue (×100, ×20) |
长期饮酒可能导致肝细胞损伤,从而使血清中血脂水平(如ALT和AST)升高,这是肝脏损伤或炎症的标志。如Fig 3A-3D所示,模型组小鼠的血脂水平明显高于对照组,具体表现为血清ALT和AST水平的明显升高(P < 0.01),同时,血清TC和TG水平也明显升高(P < 0.01),表明长期酒精暴露导致了小鼠体内脂质堆积。与模型组相比,PUE和FPUE干预组均能在不同程度上改善血清生化指标异常,包括降低TC、TG水平,以及降低ALT和AST水平(P < 0.05)。如Fig 3E-3F所示,与PUE干预组相比,FPUE干预组小鼠肝脏中TG和TC水平明显降低(P < 0.05)。上述结果表明,FPUE干预组在多数指标上的改善效果优于PUE干预组,说明副干酪乳杆菌CCFM1367发酵使葛根素在缓解长期酒精暴露引起的代谢紊乱和肝损伤方面具有更好的效果。
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| Fig 3 Effect of PUE and FPUE on lipid profiles of chronically alcohol-exposed mice (x±s, n=6) A-D: Serum TC, TG, ALT and AST; E-F: Liver TG and TC. ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05, **P < 0.01 vs Model group. |
肝脏分解酒精会造成肝脏的氧化应激。如Fig 4所示,PUE和FPUE干预组在不同程度上改善了酒精暴露造成的小鼠肝脏氧化应激,表现为提升抗氧化酶(GSH、T-AOC、CAT)活性,并降低MDA含量。与模型组相比,FPUE干预组在提高抗氧化酶活性以及减少酒精引起的脂质过氧化方面均明显优于PUE组(P < 0.05)。这些结果表明,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵使葛根素在缓解长期酒精暴露引发的肝脏氧化应激方面具有更好的效果。
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| Fig 4 Effect of PUE and FPUE on oxidative stress in liver tissues of chronically alcohol-exposed mice (x±s, n=6) A: Liver GSH, T-AOC, CAT and MDA. #P < 0.05, ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05, **P < 0.01 vs Model group. |
长期酒精摄入会导致肝脏炎症的发生,并且酒精暴露也会造成肠壁受损,最终导致更多肠源性毒素(如内毒素LPS)通过门静脉循环进入肝脏中,进而增加ROS和促炎细胞因子的产生,加剧肝脏炎症和损伤。如Fig 5A所示,FPUE干预组能够明显降低血清LPS水平(P < 0.01);如Fig 5B-5D所示,FPUE干预组明显低于模型组小鼠肝脏组织中TNF-α、IL-6和IL-1β水平。以上结果表明,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素能够有效缓解酒精诱导的肝脏炎症。
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| Fig 5 Effect of PUE and FPUE on hepatic inflammation in chronically alcohol-exposed mice (x±s, n=6) A: Serum LPS; B-D: Liver TNF-α, IL-6 and IL-1β. ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05, **P < 0.01 vs Model group. |
长期酒精暴露会诱导小鼠肝脏中与酒精代谢相关酶表达增加,如乙醇脱氢酶(ADH)、ALDH等,以应对酒精的代谢需求。如Fig 6A所示,FPUE干预组能够明显提高ADH活性(P < 0.01),有助于加速酒精及其代谢产物乙醛的清除。如Fig 6B-6D所示,FPUE干预组能够明显降低CYP2E1和CYP1A2 mRNA的表达(P < 0.01),这有助于减少酒精引起的氧化应激和肝脏损伤。此外,FPUE干预组还能提高肝脏组织中ALDH的表达(P < 0.01),这有助于改善肝脏的解毒功能。因此,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵能够增加葛根素在调节酒精代谢酶活性及其表达方面的效果。
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| Fig 6 Effects of PUE and FPUE on alcohol metabolism and related gene expression in liver tissues of chronically alcohol-exposed mice (x±s, n=6) A: Liver ADH; B-D: CYP2E1, CYP1A2 and ALDH mRNA expression. #P < 0.05, ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05, **P < 0.01 vs Model group. |
酒精暴露会破坏肠道的紧密连接结构,导致ZO-1、Claudin-1和Occludin等重要紧密连接蛋白的表达紊乱,进而损害肠道屏障功能。如Fig 7A所示,对照组显示出ZO-1、Claudin-1和Occludin的连续且均匀地染色,而模型组的ZO-1、Claudin-1和Occludin染色显示出明显的间断和不规则,这表明酒精暴露引起肠道紧密连接蛋白破坏。此外,FPUE干预组显示出接近对照组的染色结果,表明副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素能有效缓解酒精造成的肠道紧密连接蛋白损伤,恢复肠道屏障。对相关蛋白免疫荧光进行量化分析,结果表明ZO-1、Claudin-1和Occludin的平均荧光强度在模型组中明显降低,而在FPUE干预组中明显升高(P < 0.01)(Fig 7B-7D),表明FPUE干预能够明显改善小鼠的肠道屏障功能,这可能是由于副干酪乳杆菌CCFM1367发酵过程增强了葛根素的有益特性,使其在保护肠道屏障方面更具优势。
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| Fig 7 Effect of PUE and FPUE on intestinal barrier function in chronically alcohol-exposed mice (x±s, n=5) A: Immunofluorescence staining image (×20); B: Mean gray value of ZO-1; C: Mean gray value of Claudin-1; D: Mean gray value of occludin. ##P < 0.01 vs Control group; *P < 0.05, **P < 0.01 vs Model group. |
ALD的临床表现包括一系列病理变化,从酒精性脂肪肝、酒精性肝炎、肝纤维化到肝硬化,甚至可能进一步发展为肝癌[9]。有研究表明,酒精引起的氧化应激、炎症反应、肠道屏障功能受损以及肠道微生物失调会进一步地促进ALD的发生和进展[10]。益生菌发酵应用于药食同源中,不仅能够提升中药的生物活性、减少潜在的毒性,还能生成新的活性物质,并提高其生物利用度。例如,葛根在短双歧杆菌CCRC 14061发酵后,大豆黄酮和染料木黄酮的含量分别增加了785%和1 010%,同时能够刺激NHEK细胞合成透明质酸[11]。本研究前期筛选得到了一株能够高效利用葛根素的副干酪乳杆菌CCFM1367,然而,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素能否增加葛根素缓解酒精性肝损伤的功效仍需进一步研究。本研究旨在评估副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素在缓解长期酒精暴露引起的代谢紊乱和肝损伤方面的潜在保护作用。
本研究表明,FPUE干预在缓解酒精引起的肝脏脂肪变性及炎症损伤方面具有显著效果,FPUE干预显著改善了HE和油红O染色中的肝脏病理变化,降低了血清TG、TC、ALT和AST水平,表现出更优的护肝作用。酒精在肝脏中主要通过ADH和微粒体乙醇氧化系统(MEOS)代谢。其中,MEOS代谢酒精时会产生大量的ROS和脂质过氧化物(如MDA),导致肝损伤与炎症[12]。Zhao等[8]研究结果表明,葛根素通过增强肝脏抗氧化酶活性(如GSH、SOD等),减少自由基的产生,从而减轻肝脏氧化损伤,这一结果与本研究中FPUE的改善效果相符。此外,与模型组相比,FPUE干预组小鼠肝脏MDA含量明显降低了43.64%±6.84%,而PUE干预组为30.48%±4.56%。Li等[13]研究表明,葛根素能够下调NF-κB的激活,减少炎症因子的表达。与此类似,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素同样能够显著降低慢性ALD模型中小鼠血清LPS及肝脏炎症因子TNF-α、IL-6和IL-1β水平。
本研究与以往研究一致强调了葛根素在防治酒精性肝损伤方面的潜力[14],并为益生菌发酵葛根素的优势提供了新的证据支持。本研究显示,发酵葛根素在缓解长期酒精暴露引起的肝损伤方面显著优于未发酵葛根素,这可能归因于益生菌发酵过程提高了葛根素的生物利用度,释放出更多的活性物质,这些物质通过多种途径发挥作用,例如,通过调节肝脏代谢酶活性、改善肠道屏障功能等,从而增强了葛根素的肝脏保护效果,从而改善小鼠慢性ALD。然而,本研究仍存在一些局限性。首先,尽管本研究通过多项实验指标评估了益生菌发酵葛根素对ALD小鼠的保护作用,但尚未通过长期毒性实验评估其安全性,也未通过剂量-效应关系实验进一步确认其有效性。因此,未来的研究需要进一步验证副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素的长期使用安全性以及最佳剂量。
综上,副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素在缓解ALD中的保护作用及其潜在机制涉及多个方面。副干酪乳杆菌CCFM1367发酵葛根素在缓解长期酒精暴露引起的肝损伤和代谢紊乱方面具有明显的保护效果。
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