CN102406950A - 一种锰基核磁共振成像造影剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锰基核磁共振成像造影剂及其制备方法和应用。所述造影剂是由有序介孔材料和锰的氧化物组成,且所述的锰的氧化物以原位分散在所述的有序介孔材料的孔道中。所述造影剂的制备包括:合成有序介孔材料;用高锰酸钾水溶液热处理;离心分离,洗涤处理,真空干燥;煅烧去除其中的表面活性剂;在H2/Ar混合气氛下进行还原处理。本发明提供的锰基核磁共振成像造影剂具有良好的生物相容性、安全无毒及高造影性能,可以很好地被癌细胞吞噬及实现药物的担载和传输,可应用于制备诊断治疗剂。另外,本发明的制备方法具有简单易行、无任何污染、产量高、成本低、效率高、易于工业化生产等优点,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种核磁共振成像造影剂,具体说,是涉及一种锰基核磁共振成像造影剂及其制备方法和应用,属于医用材料技术领域。
背景技术
核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技术是20世纪80年代开始发展起来的一种新型医学影像诊断技术,由于其具有非侵入性诊断、高分辨解剖学成像和定量评估发病机理等优点,在临床上得到了广泛的应用。此外,与CT和核素成像(PET)相比,MRI没有放射引起的电离损害,因此应用前景更广泛。然而,目前的核磁共振成像技术对于早期的疾病诊断还不能提供足够的灵敏度和准确率。解决这一问题的方法之一是使用核磁共振成像造影剂。由于造影剂可以改变人体组织周围水分子的弛豫时间,从而可进一步提高MRI成像的灵敏度和准确率。
目前的MRI造影剂可以分为两大类:一类是T1-加权MRI成像造影剂,它缩短了水质子的纵向弛豫时间,如各种顺磁性离子等;另一类是T2-加权MRI成像造影剂,它缩短了水质子的横向弛豫时间,如铁氧体等。目前临床广泛使用的是钆(Gd)的配合物,如钆-二乙烯三胺五乙酸(Gd-DTPA),其在临床上疾病的诊断发挥了重要的作用。然而Gd的配合物使用成本很高,且钆离子由于非人体必需元素,其带来的毒副作用也是一个不容忽视的问题。因此开发一种价格相对低廉、且生物相容性更好的MRI造影剂,具有重要的科学意义和广阔的应用前景。锰(Mn)离子是人体中一种必需的元素,其广泛参与了人体中的各个生理过程,如参与人体多种酶的代谢、促进铜和某些维生素的使用、促进骨的钙化过程和促进蛋白质的吸收。因此Mn元素具有比钆元素更好的生物相容性。更重要的是,Mn和Gd一样,具有作为MRI造影剂的性能。然而,由于Mn不易形成配合物,且变价较多,MRI成像的性能一直都不如Gd剂。因此,如果能解决Mn基造影性能差的问题,其在临床上的应用必将比Gd剂更加广泛。另一方面,根据MRI成像原理,T1成像时T1缩短的过程要求氢质子与造影剂的顺磁部分直接作用,即水分子的氢核要尽可能地接近磁性中心达到弛豫增强。因此要提高Mn基造影剂的MRI成像性能,一个解决的办法就是能把Mn的磁性中心尽可能地与水分子接触。近期的研究结果表明,当把Mn的氧化物做成纳米颗粒时,其MRI性能会得到提高,并且其粒径越小,性能越好。然而,虽然对Mn的氧化物纳米化可以提高其MRI成像的性能,但是其性能仍然不能满足临床的需要。因此急需要开发一种生物相容性好且MRI造影性能高的Mn基造影剂。
发明内容
针对现有技术所存在的上述问题和需求,本发明的目的是提供一种具有良好的生物相容性、高造影性能及药物的担载和传输功能的锰基核磁共振成像造影剂及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种锰基核磁共振成像造影剂,是由有序介孔材料和锰的氧化物组成,且所述的锰的氧化物以原位分散在所述的有序介孔材料的孔道中。
作为优选方案,所述的锰的氧化物以原位均匀分散在所述的有序介孔材料的孔道中。
作为优选方案,所述的锰的氧化物在所述的造影剂中所占的质量百分比为2%~10%。
作为优选方案,所述的锰的氧化物包括MnO、Mn2O3及MnO2。
作为优选方案,所述的孔道具有二维六方有序排列结构。
作为优选方案,所述的有序介孔材料的粒径为50~1000nm,孔径为2.5~8nm,孔容为0.3~1cm3/g,比表面积为350~900m2/g。
作为优选方案,所述的有序介孔材料为有序介孔SiO2材料。
一种所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,包括如下步骤:
a)以还原性表面活性剂为结构导向剂,在酸或碱的催化下,通过溶胶-凝胶法合成有序介孔材料;
b)在去除表面活性剂前用高锰酸钾水溶液热处理所合成的有序介孔材料,使高锰酸钾与介孔材料中的表面活性剂发生氧化还原反应;
c)离心分离,用去离子水反复洗涤离心得到的产物,直至离心后的上清液呈无色,然后对洗涤处理后的产物进行真空干燥;
d)对干燥后的产物进行煅烧,以去除其中的表面活性剂;
e)在H2/Ar混合气氛下进行还原处理。
步骤a)中所述的还原性表面活性剂推荐为还原性阳离子表面活性剂(优选为十六烷基三甲基溴化铵)或者还原性嵌段共聚物表面活性剂(优选为三嵌段共聚物P123表面活性剂)。
步骤a)中所述的酸推荐为盐酸、硝酸或硫酸,优选为盐酸。
步骤a)中所述的碱推荐为氢氧化钠、氨水或碳酸钠,优选为氢氧化钠。
步骤b)中所述的高锰酸钾水溶液的摩尔浓度推荐为0.005~0.1mol/L,优选为0.005~0.05mol/L。
步骤b)中所述的热处理条件推荐为在10~80℃处理0.5~4小时,优选为在30~50℃处理2~4小时。
步骤b)中的高锰酸钾水溶液与有序介孔材料的质量比推荐为1∶1~10∶1,优选为2∶1~4∶1。
步骤c)中的真空干燥条件推荐为在25~80℃真空干燥2~10小时,优选为在25~35℃真空干燥8~10小时。
步骤d)中的煅烧条件推荐为在500~700℃煅烧3~8小时,优选为在500~600℃煅烧4~6小时。
步骤e)中所述的还原处理条件推荐为在300~600℃处理2~6小时,优选为在300~500℃处理4~6小时。
由于本发明所述的锰基核磁共振成像造影剂中的介孔结构可以进行药物的担载和传输,因此所述的锰基核磁共振成像造影剂可应用于制备一种集核磁共振成像诊断和治疗药物传输为一体的诊断治疗剂。
与现有技术相比,本发明提供了一种具有良好的生物相容性、安全无毒、高造影性能的锰基核磁共振成像造影剂,所述造影剂的r1值最高可达3.1mM-1s-1,r2值最高可达45.1mM-1s-1,且体外细胞实验表明所述造影剂可以很好地被癌细胞吞噬。更重要的是,所述造影剂具有比表面积高、孔容大、孔径分布均一可调的优点,可以实现药物的担载和传输,因此还可应用于制备一种集核磁共振成像诊断和治疗药物传输为一体的诊断治疗剂。另外,本发明的制备方法具有简单易行、无任何污染、产量高、成本低、效率高、易于工业化生产等优点,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制备的锰基核磁共振成像造影剂的透射电镜照片;
图2是实施例1制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T1曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;
图3是实施例1制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T2曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;
图4是实施例1制备的有序介孔材料在负载锰的氧化物前后的小角X射线衍射对照图,其中:a表示负载前的有序介孔材料,b表示负载后的造影剂;
图5是实施例1制备的锰基核磁共振成像造影剂经FITC标记后被乳腺癌细胞MCF-7吞噬后的共聚焦显微照片;
图6是乳腺癌MCF-7细胞与培养基(空白对照)、实施例1制备的锰基核磁共振成像造影剂(Mn-MSNs)、阿霉素药物(DOX)及包覆了阿霉素的实施例1制备的锰基核磁共振成像造影剂(DOX-Mn-MSNs)分别共培养36h后的共聚焦显微照片。
图7是将实施例1制备的锰基核磁共振成像造影剂(Mn-MSNs)通过尾静脉注射到荷瘤大鼠体内后进行的核磁共振(MRI)成像的图片。
图8是实施例2制备的锰基核磁共振成像造影剂的透射电镜照片;
图9是实施例2制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T1曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;
图10是实施例2制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T2曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;
图11是实施例2制备的有序介孔材料在负载锰的氧化物前后的小角X射线衍射对照图,其中:a表示负载前的有序介孔材料,b表示负载后的造影剂;
图12是实施例2中所合成的有序介孔材料经高锰酸钾水溶液热处理前后得到的红外谱图,其中:a表示未处理;b表示经过1小时处理;c表示经过2小时处理;d表示经过3小时处理;e表示经过4小时处理。
图13是将实施例2制备的锰基核磁共振成像造影剂(Mn-SBA-15)通过直接注射到荷瘤大鼠的肿瘤部位后进行的核磁共振(MRI)成像的图片。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一、制备有序介孔SiO2纳米粒子(MSNs)
将0.28g氢氧化钠(NaOH)溶于480mL去离子水中,待溶液变澄清后,加入1g十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB),在80℃剧烈搅拌,待溶液变澄清后,逐滴加入5mL的正硅酸乙酯(TEOS),并连续搅拌2h;冷却至室温,离心收集产物,并用去离子水洗涤2次,乙醇洗涤2次,然后于室温真空干燥10小时。
经N2吸附脱附测试得知:所制备的有序介孔SiO2纳米粒子的平均粒径为120nm,孔径为2.5nm,孔容为0.8cm3/g,比表面积为850m2/g。
二、制备锰基核磁共振成像造影剂
配制20mL的0.05mol/L的KMnO4水溶液;待KMnO4完全溶解后,称取50mg上述没有去除表面活性剂的介孔SiO2纳米粒子(MSNs),超声分散在KMnO4的水溶液中;再置于40℃水浴条件下反应4h;终止反应后,离心收集产物,用大量的去离子水反复洗涤,直至离心后的上清液呈无色,然后对洗涤处理后的产物进行真空干燥:在25℃真空干燥10小时;再将干燥后的产物在550℃下煅烧6h,以去除表面活性剂;最后将煅烧后的产物置于H2/Ar气氛下于500℃热处理4h,即得所述的锰基核磁共振成像造影剂,记为:Mn-MSNs,经ICP测算得知:其中所述的锰的氧化物所占的质量百分比为5.94%。
图1是本实施例制备的锰基核磁共振成像造影剂的透射电镜照片,由图1中的a照片可以看出:所制备的造影剂Mn-MSNs具有良好的分散性;再由图1中的b和c照片可以看出:所制备的造影剂Mn-MSNs具有规整有序的孔道结构。
图2是本实施例制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T1曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;由图2可见:在还原前的r1值为0.45mM-1s-1,还原后的造影剂的r1值为2.28mM-1s-1;图3是本实施例制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T2曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;由图3可见:在还原前的r2值为9.1mM-1s-1,还原后的造影剂的r2值为15.9mM-1s-1;结合图2和图3可说明所制备的锰基核磁共振成像造影剂Mn-MSNs具有高的MRI造影性能。
图4是本实施例制备的有序介孔材料在负载锰的氧化物前后的小角X射线衍射对照图,其中:a表示负载前的有序介孔材料,b表示负载后的造影剂;由图4可说明:所制备的锰基核磁共振成像造影剂Mn-MSNs具有有序的二维六方孔道结构。
三、通过共聚焦显微镜进行细胞吞噬观察实验
首先将FITC标记好的Mn-MSNs分散到细胞培养基中(50μg/mL);再将细胞接种到共聚焦显微镜专用培养皿中,待细胞密度长到60%~70%时,去掉培养基,加入含有Mn-MSNs纳米粒子的细胞培养基再共培养6h;再去掉培养基,用PBS溶液尽量清洗掉没有被细胞吞噬的纳米粒子;最后用4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)试剂染细胞核,用台盼蓝(Trypan Blue)(200μg/mL)淬灭细胞外的FITC,然后转移到共聚焦显微镜下观察。
图5是观察到的共聚焦显微照片,由图5可见:细胞核被DAPI染色后呈现出蓝色(见a照片),Mn-MSNs被FITC标记后呈现出绿色(见b照片),用台盼蓝(Trypan Blue)淬灭细胞外的FITC后可以看到绿色的荧光出现在胞浆中(见c照片),说明Mn-MSNs纳米粒子可以被癌细胞吞噬。为了进一步判定Mn-MSNs被细胞吞噬后在细胞内的位置,用Lyso-Tracker red将溶酶体染成红色(见d照片),由e照片可见:细胞中出现了由FITC(绿色)和Lyso-Trackerred(红色)重叠后发出的黄色荧光,说明部分由FITC标记的Mn-MSNs进入了溶酶体。
四、测试所制备的锰基核磁共振成像造影剂Mn-MSNs在包覆了盐酸阿霉素(DOX)后(DOX-Mn-MSNs)的抗癌活性
将包覆了盐酸阿霉素(DOX)的Mn-MSNs(DOX-Mn-MSNs)分散到细胞培养液中(阿霉素浓度:10μg/mL);再将细胞接种到共聚焦培养皿中,直至细胞密度长至80~90%,去掉细胞培养液,加入分散了DOX-Mn-MSNs的细胞培养液共培养36h;再用DAPI染细胞核和碘化丙啶(PI)染死细胞;最后转移到共聚焦显微镜下观察。
图6是观察到的共聚焦显微照片,由图6可见:细胞核被DAPI染成蓝色,其中乳腺癌MCF-7细胞与Mn-MSNs共培养后的细胞密度(见照片a)与空白对照(见照片b)基本上无差别,说明Mn-MSNs具有良好的生物相容性;另外,由乳腺癌MCF-7细胞与DOX(见照片c)及与DOX-Mn-MSNs(见照片d)共培养后的细胞密度均显著减少,说明Mn-MSNs可以作为药物载体进行有效的药物传输从而杀死癌细胞。
照片e~h是乳腺癌MCF-7细胞分别与空白培养基(照片e)、Mn-MSNs(照片f)、DOX(照片g)及DOX-Mn-MSNs(照片h)共培养36h后用PI染料染色后观察到的共聚焦显微照片,由照片e~h可知:Mn-MSNs不会引起细胞的死亡,从另一个角度证明其具有良好的生物相容性;而加了药物(DOX)的Mn-MSNs可以大量地杀死癌细胞,说明其可以作为药物载体进行药物的有效传输。
五、检测本实施例制备的锰基核磁共振成像造影剂(Mn-MSNs)的MRI成像效果
首先将Mn-MSNs分散在生理盐水中,再将Mn-MSNs生理盐水溶液通过荷瘤大鼠的尾静脉注射到大鼠体内,然后通过临床用3.0T核磁共振设备观察不同时间后肿瘤、肾脏和肝脏的T1和T2图像。
图7是观察到的图像照片,由图7可见:在肿瘤部位、肾脏和肝脏部位都出现了T1信号的增强,说明Mn-MSNs可以有效地进行活体组织的MRI成像。
实施例2
一、制备有序介孔SBA-15纳米粒子
将0.4g ZrOCl2·8H2O和1.25g三嵌段表面活性剂P123按顺序溶解在100mL 2mol/L的盐酸水溶液中,并在35℃下剧烈搅拌约3h,直至溶液变澄清;再将2.8mL的正硅酸乙酯(TEOS)逐滴加入上述溶液中,再搅拌24h;离心收集产物,用去离子水洗涤3次后,于室温真空干燥10小时。
经N2吸附脱附检测得知:所制备的有序介孔SBA-15纳米粒子的平均粒径为800nm,孔径为6nm,孔容为0.5cm3/g,比表面积为750m2/g。
二、制备锰基核磁共振成像造影剂
配制20mL的0.05mol/L的KMnO4水溶液;待KMnO4完全溶解后,称取50mg上述没有去除表面活性剂的介孔SBA-15纳米粒子,超声分散在KMnO4的水溶液中;再置于40℃水浴条件下反应4h;终止反应后,离心收集产物,用大量的去离子水反复洗涤,直至离心后的上清液呈无色,然后对洗涤处理后的产物进行真空干燥:在25℃真空干燥10小时;再将干燥后的产物在550℃下煅烧6h,以去除表面活性剂;最后将煅烧后的产物置于H2/Ar气氛下于500℃热处理4h,即得所述的锰基核磁共振成像造影剂,记为:Mn-SBA-15,经ICP测算得知:其中所述的锰的氧化物所占的质量百分比为3.0%。
图8是本实施例制备的锰基核磁共振成像造影剂的透射电镜照片,由图8中的a照片可以看出:所制备的造影剂Mn-SBA-15也具有良好的分散性;再由图8中的b和c照片可以看出:所制备的造影剂Mn-SBA-15同样具有规整有序的孔道结构。
图9是本实施例制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T1曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;由图9可见:在还原前的r1值为1.37mM-1s-1,还原后的造影剂的r1值为3.1mM-1s-1;图10是本实施例制备的负载有锰的氧化物的有序介孔材料在进行还原处理前后的[Mn]-1/T2曲线图,其中:a表示还原前,b表示还原后的造影剂;由图10可见:在还原前的r2值为20.2mM-1s-1,还原后的造影剂的r2值为45.1mM-1s-1;结合图9和图10可说明所制备的锰基核磁共振成像造影剂Mn-SBA-15同样具有高的MRI造影性能。
图11是本实施例制备的有序介孔材料在负载锰的氧化物前后的小角X射线衍射对照图,其中:a表示负载前的有序介孔材料,b表示负载后的造影剂;由图11可说明:所制备的锰基核磁共振成像造影剂Mn-SBA-15同样具有有序的二维六方孔道结构。
图12是本实施例中所合成的有序介孔材料经高锰酸钾水溶液热处理前后得到的红外谱图,其中:a表示未处理;b表示经过1小时处理;c表示经过2小时处理;d表示经过3小时处理;e表示经过4小时处理;由图12可见:随着高锰酸钾水溶液热处理时间的延长,516波数的峰(Mn-O振动峰)逐渐增强,说明有更多的Mn被负载到介孔的孔道中;此外,2886波数和2968波数的峰(C-H振动峰)逐渐消失,说明有机表面活性剂在氧化还原反应的过程中逐渐被消耗掉。
三、检测本实施例制备的锰基核磁共振成像造影剂(Mn-SBA-15)的MRI成像效果
首先将Mn-SBA-15分散在生理盐水中,再将Mn-SBA-15生理盐水溶液直接注射到荷瘤大鼠的肿瘤部位,然后通过临床用3.0T核磁共振设备观察不同时间后肿瘤部位的T1和T2图像。
图13是观察到的图像照片,由图13可见:肿瘤部位相对于注射前出现了强烈的T1信号的增强;重要的是,肿瘤部位相对于注射前也出现了强烈的T2信号的增强;这说明Mn-SBA-15可以同时进行MRI的T1和T2的双模式成像。
综上所述可见:本发明提供的Mn基核磁共振成像造影剂具有良好的生物相容性、较高的MRI成像性能,且所述造影剂比表面积高、孔容大、孔径分布均一可调,有利于药物在其中的高效担载,可同时应用于核磁共振成像造影及药物的担载和传输。
最后有必要说明的是:以上实施例只用于对本发明作进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (18)
1.一种锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:是由有序介孔材料和锰的氧化物组成,且所述的锰的氧化物以原位分散在所述的有序介孔材料的孔道中。
2.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的锰的氧化物以原位均匀分散在所述的有序介孔材料的孔道中。
3.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的锰的氧化物在所述的造影剂中所占的质量百分比为2%~10%。
4.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的锰的氧化物包括MnO、Mn2O3及MnO2。
5.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的孔道具有二维六方有序排列结构。
6.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的有序介孔材料的粒径为50~1000nm,孔径为2.5~8nm,孔容为0.3~1cm3/g,比表面积为350~900m2/g。
7.根据权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂,其特征在于:所述的有序介孔材料为有序介孔SiO2材料。
8.一种权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)以还原性表面活性剂为结构导向剂,在酸或碱的催化下,通过溶胶-凝胶法合成有序介孔材料;
b)在去除表面活性剂前用高锰酸钾水溶液热处理所合成的有序介孔材料,使高锰酸钾与介孔材料中的表面活性剂发生氧化还原反应;
c)离心分离,用去离子水反复洗涤离心得到的产物,直至离心后的上清液呈无色,然后对洗涤处理后的产物进行真空干燥;
d)对干燥后的产物进行煅烧,以去除其中的表面活性剂;
e)在H2/Ar混合气氛下进行还原处理。
9.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤a)中所述的还原性表面活性剂为还原性阳离子表面活性剂或者还原性嵌段共聚物表面活性剂。
10.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤a)中所述的酸为盐酸、硝酸或硫酸。
11.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤a)中所述的碱为氢氧化钠、氨水或碳酸钠。
12.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤b)中所述的高锰酸钾水溶液的摩尔浓度为0.005~0.1mol/L。
13.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤b)中所述的热处理条件是在10~80℃处理0.5~4小时。
14.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤b)中的高锰酸钾水溶液与有序介孔材料的质量比为1∶1~10∶1。
15.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤c)中的真空干燥条件是在25~80℃真空干燥2~10小时。
16.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤d)中的煅烧条件是在500~700℃煅烧3~8小时。
17.根据权利要求8所述的锰基核磁共振成像造影剂的制备方法,其特征在于:步骤e)中所述的还原处理条件是在300~600℃处理2~6小时。
18.一种权利要求1所述的锰基核磁共振成像造影剂的应用,其特征在于:用于制备一种集核磁共振成像诊断和治疗药物传输为一体的诊断治疗剂。
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