CN110531059A - 一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法,主要包括过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法的建立,通过消化系统模拟装置模拟了人体胃‑十二指肠“生化反应”条件,并在模拟评价方法中提出了构建过敏原体外模拟动态消化实验方法,构建Caco‑2(人克隆结肠腺癌细胞)小肠上皮细胞模型模拟小肠吸收转运作用的实验方法,以及构建KU812(人外周血嗜碱性白血病细胞)细胞模型评价食物过敏原消化、转运产物诱导肥大细胞脱颗粒能力的实验方法,适用于对纯化的食物过敏原或含有复杂食品基质的过敏原提取液的消化与致敏性评价。
Description
技术领域
本发明涉及食物过敏原致敏性评估领域,尤其涉及一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法。
背景技术
食物过敏已成为国内外广泛关注的食品安全问题。目前,食物过敏原的研究重点多放在建立更快速更高效的检测手段方面,针对食物过敏原的安全性评价以及其致敏性强弱的判断标准研究较少,如何有效快速地评价食物过敏原致敏性成为当前食品安全研究领域迫切解决的问题。而解决这个问题就需要构建更加完善、合理的过敏原致敏性评价方法。现有的评价方法主要包括生物信息学分析、血清学筛选、体外模拟胃液消化、体外细胞实验释放活性介质和动物致敏模型等。
以上评价方法在使用过程中均存在一定的局限性,如生物信息学分析法主要用于转基因食品过敏原的致敏性评价,其次,由于过敏原血清库资源有限,使得血清学筛选的方法收到了限制。动物致敏模型易受个体差异、耐受性等因素影响,且需考虑到动物实验伦理道德问题。因此多采用两种或三种结合的方式进行评价,其中,模拟消化及体外细胞实验结合的方法充分考虑了过敏原的结构稳定性及过敏性疾病发生的关系,具有良好的应用前景,但现有的消化方法及评价模式仍无法真实有效的评价食物过敏原的致敏性。
食品成分被摄入人体后,一般会经历口腔消化、胃消化、肠消化、肠吸收、小分子效应物质作用于靶细胞等一系列物理、生化变化,目前过敏原致敏性评价方法多采用静态消化,不能有效模拟过敏原在体内的动态变化过程,如胃液酸度变化、胃排空、消化液连续分泌、肠道转运吸收等作用。此外,现有的体外模拟胃液消化方法仅适用于过敏原纯品,无法应用于含有复杂食品基质的过敏原样品。考虑到过敏原含量少、难获得的特性,亟需设计一种低成本、自动化、处理样品量小,且可同体外细胞模型结合使用的过敏原动态消化模型。
Caco-2 细胞由人类结肠腺癌细胞所衍生而来,有许多性质类似于小肠上皮细胞,形态学上与小肠肠细胞相似。体外培养的 Caco-2 细胞融合分化后形成一种能表达微绒毛的单层细胞与相邻细胞间紧密结合形成连续的单层,细胞边缘呈刷状,是一种良好的肠道吸收模型。小肠上皮细胞模型评价过敏原消化产物转运和吸收作用。目前的过敏原致敏性评价方法多采用完整的过敏原或其消化产物进行评价,忽略了小肠的转运吸收作用以及小肠上皮的刷状缘肽酶的消化作用。
嗜碱性粒细胞在食物超敏反应中起着初级效应细胞的作用。目前检测、评价食品过敏原致敏性多采用RBL-2H3细胞模型,来自Wistar大鼠的RBL-2H3细胞系可作为人肥大细胞的替代方法来研究人体肥大细胞的过敏反应,该细胞系需采用鼠血清致敏,因此在细胞实验之前需通过动物实验获取致敏血清,过程繁琐复杂,且不能完全代替人源肥大细胞系。
综上所述,现有食物过敏原的致敏性评价方法无法真实有效的评价食物过敏原的致敏性。为此,构建一种食物过敏原的体外动态消化模型以及体外模拟评价方法将会具有广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法,包括:
(1)、过敏原动态消化模型构建;
(2)、构建过敏原体外模拟动态消化实验方法,并对其结构变化及消化稳定性进行分析;
(3)、利用Caco-2(人克隆结肠腺癌细胞)细胞构建小肠上皮细胞模型,模拟消化产物在小肠上皮消化、转运及吸收过程,对过敏原消化产物细胞毒性及吸收透过率进行评价;
(4)、构建KU812(人外周血嗜碱性白血病细胞)细胞模型,评价食物过敏原消化、转运产物诱导肥大细胞脱颗粒能力。
进一步的,通过一模拟装置研究消化过程中食物过敏原结构及致敏性的变化。
进一步的,所述模拟装置包括模拟胃消化系统、模拟十二指肠消化系统、pH自动调节装置以及恒温加热板、磁力搅拌装置,所述模拟胃消化系统、模拟十二指肠消化系统中消化液、胆盐溶液分泌、胃肠内容物排空以及酸碱度调节均采用步进电机蠕动泵一体化控制,所有拟进行操作及反应条件(各蠕动泵运行时段及流速,模拟胃腔及模拟肠腔目标pH曲线)均可在消化开始前通过触控面板进行预设,消化过程中无需中途停止以改变反应条件,全程自动消化,所取微量样品经快速灭酶处理后即可用于消化率、过敏原性等进一步分析。
进一步的,通过收集胃肠连续消化过程中不同时间节点的消化产物,采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶实验测定过敏原样品动态消化结果,并采用免疫印迹实验评价消化产物IgG/IgE结合能力。
进一步的,利用Caco-2细胞构建小肠上皮细胞模型时,将Caco-2细胞接种到碳酸聚酯多孔膜等基质上,在适当的培养条件下该细胞可自发形成有极性的具微绒毛以及紧密连接等与人小肠上皮形态学上相似的单细胞层,用于模拟小肠上皮细胞对过敏原的刷状缘肽酶消化、转运及吸收。
进一步的,构建KU812细胞模型时,通过体外培养KU812细胞株,利用过敏患者血清,建立肥大细胞体外脱颗粒细胞模型,进而测定经抗原激发后的细胞培养液中细胞活性介质含量,评估食物过敏原经消化、转运后的致敏性。
进一步的,所述模拟胃消化系统包括模拟胃液罐、样品储存罐、模拟胃腔,其中所述模拟胃液罐、样品储存罐分别经一蠕动泵连通至模拟胃腔,所述模拟胃腔内设置有pH传感器和温度传感器;
所述模拟十二指肠消化系统包括模拟肠腔、模拟胰液罐、胆盐溶液罐、废液罐,所述模拟胰液罐、胆盐溶液罐、废液罐分别经一蠕动泵连通至所述模拟肠腔,所述模拟肠腔内设置有pH传感器和温度传感器;
pH自动调节装置包括胃腔pH调节罐和肠腔pH调节罐,所述胃腔pH调节罐和肠腔pH调节罐分别经一蠕动泵连通至模拟胃腔和模拟肠腔;
所述模拟胃腔和模拟肠腔底部设有用于预热和保温的恒温加热板以及用于提供剪切混匀作用的磁力搅拌装置。
各所述蠕动泵、pH传感器和温度传感器以及恒温加热板和磁力搅拌装置均分别与电路板电连接,所述电路板与触屏控制面板电连接。
该体外动态消化模型重点模拟了人体胃-十二指肠的生化反应条件,包括:温度、通过时间、pH实时自动调控、消化液的分泌速度和分泌顺序以及胃和小肠内容物的混合及排空等,具有体积小、成本低、可自动连续消化、所需样品量小且可同体外细胞评价模型结合使用等特点,解决了目前过敏原评价方法中体外模拟胃液消化的单一静态局限,模拟了过敏原进入人体后的动态消化过程,适用于对纯化的食物过敏原或含有复杂食品基质的过敏原提取液的消化与致敏性评价。
此外,本发明将该动态消化模型同Caco-2小肠上皮细胞模型以及KU-812细胞模型结合,进而建立过敏原体外模拟评价方法。模拟消化产物在小肠上皮的刷状缘肽酶消化、转运、吸收,评价其转运产物对致敏KU812细胞的激发能力,对该食物过敏原的致敏性进行评价。
本发明将动态消化设备同小肠上皮细胞模型、肥大细胞致敏模型相结合,模拟食物过敏原在被摄入机体后的一系列生理化学反应,系统全面地对食物过敏原消化、吸收、激发过程进行模拟与评价。
与现有技术相比,本发明的有益技术效果:
1、本发明中的动态消化模型可预设各阶段消化条件,消化过程中无需中途停止,全程自动连续消化并实时调控反应体系pH至目标pH值,减少由于操作方法不一或中途停止更换反应条件,所带来的实验误差;
2、该过敏原动态消化模型的运行采用触屏面板控制,并采用电磁加热替代传统水浴加热,缩小设备空间站比;
3、样品消化过程中可随时进行微量取样操作,取样后样品无需进行二次提取步骤,经终止消化即可用于吸收透过率测定及致敏性评价等相关分析,最大程度的保留了消化产物的原始性;
4、本发明采用小肠上皮细胞模型模拟小肠对过敏原胃肠消化产物的刷状缘肽酶消化、转运、吸收作用;
5、本发明能够系统有效地反映食物过敏原诱发IgE介导的过敏反应的能力,可用于评价食品基质及加工方式对过敏原消化稳定性及致敏性影响;
6、本发明基于过敏反应的细胞机制,建立了一种人源肥大细胞检测方法,可结合过敏患者血清池的使用,评价食物过敏原致敏性。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明过敏原动态消化模型的模拟装置结构示意图;
附图标记说明:01-胃腔pH调节罐,02-模拟胃液罐,03-样品储存罐,04-模拟胃腔,05-恒温加热板,06-模拟肠腔,07-磁力搅拌装置,08-肠腔pH调节罐,09模拟胰液罐,10-胆盐溶液罐,11-废液罐,12-第一蠕动泵,13-第二蠕动泵,14-第三蠕动泵,15-pH传感器a,16-温度传感器a,17-第四蠕动泵,18-pH传感器b,19-温度传感器b,20-第五蠕动泵,21-第六蠕动泵,22-第七蠕动泵,23-第八蠕动泵,24-电路板,25-触屏控制面板。
图2 为Caco-2细胞模型原理图。
具体实施方式
一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法包括:
(1)、过敏原动态消化模型构建;
(2)、构建过敏原体外模拟动态消化实验方法,并对其结构变化及消化稳定性进行分析;
(3)、利用Caco-2细胞构建小肠上皮细胞模型,模拟消化产物在小肠上皮消化、转运及吸收过程,对过敏原消化产物细胞毒性及吸收透过率进行评价;
(4)、构建KU812细胞模型,评价食物过敏原消化、转运产物诱导肥大细胞脱颗粒能力。
通过如图1所示的一模拟装置研究消化过程中食物过敏原结构及致敏性的变化。所述模拟装置包括模拟胃消化系统、模拟十二指肠消化系统、pH自动调节装置以及恒温加热板05、磁力搅拌装置07,所述模拟胃消化系统、模拟十二指肠消化系统中消化液、胆盐溶液分泌、胃肠内容物排空以及酸碱度调节均采用步进电机蠕动泵一体化控制,所有拟进行操作及反应条件均可在消化开始前通过触控面板进行预设,消化过程总无需中途停止以改变反应条件,全程自动消化,所取微量样品经快速灭酶处理后即可用于消化率、过敏原性等进一步分析。
其中:所述模拟胃消化系统包括模拟胃液罐02、样品储存罐03、模拟胃腔04,其中所述模拟胃液罐02、样品储存罐03分别经第二蠕动泵13和第三蠕动泵14连通至模拟胃腔04,所述模拟胃腔04内设置有pH传感器a15和温度传感器a16;所述模拟十二指肠消化系统包括模拟肠腔06、模拟胰液罐09、胆盐溶液罐10、废液罐11,所述模拟胰液罐09、胆盐溶液罐10、废液罐11分别经第六蠕动泵21、第七蠕动泵22、第八蠕动泵23连通至所述模拟肠腔06,所述模拟肠腔06内设置有pH传感器b18和温度传感器b10;所述pH自动调节装置包括胃腔pH调节罐01和肠腔pH调节罐08,所述胃腔pH调节罐01和肠腔pH调节罐08分别经第一蠕动泵12和第五蠕动泵20连通至模拟胃腔04和模拟肠腔06;所述模拟胃腔04和模拟肠腔06底部设置有用于预热和保温的恒温加热板05,同时所述模拟胃腔04和模拟肠腔06内底部设置有磁力搅拌装置07;各所述蠕动泵、pH传感器、温度传感器、恒温加热板和磁力搅拌装置均分别与电路板24及触屏控制面板25电连接。
本发明通过收集胃肠连续消化过程中不同时间节点的消化产物,采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶实验测定过敏原样品动态消化结果,并采用免疫印迹实验评价消化产物IgG/IgE结合能力。利用Caco-2细胞构建小肠上皮细胞模型时,将Caco-2细胞接种到碳酸聚酯多孔膜等基质上,在适当的培养条件下该细胞可自发形成有极性的具微绒毛以及紧密连接等与人小肠上皮形态学上相似的单细胞层,用于模拟小肠上皮细胞对过敏原的刷状缘肽酶消化、转运及吸收。构建KU812细胞模型时,通过体外培养KU812细胞株,利用过敏患者血清,建立肥大细胞体外脱颗粒细胞模型,进而测定经抗原激发后的细胞培养液中细胞活性介质含量,评估食物过敏原经消化、转运后的致敏性。
实施例1:过敏原体外模拟动态消化实验
(1)料液填充:配置胃肠消化过程中所需模拟消化液、酸碱调节试剂(HCl, NaHCO3)以及胆汁盐溶液,消化液使用前至于4°冰箱保存,以保护酶活;
(2)软件开启与预热:打开电源仪器进入初始化,确认步进电机泵,pH传感器,温度传感器,恒温加热板(电磁加热板)连接正常后,点击主页面“设置”键,选择“温度控制”模式,设置加热板温度,将待消化样品以及模拟胃肠反应腔,置于控温加热板预热10分钟。
(3)pH校准:点击主页面“设置”键选择“pH校准”,按照6.86、4.01、9.18的顺序依次进行pH传感器1和2的校准,及时点击“记录”并“储存”。
(4)管路充满:将各料液罐、反应腔置于相应位置,点击主页面“手动控制”键,选择“充满管路”模式,等待管路充满点击“停止运行”,该过程预计耗时60s,消耗料液体积1.0ml/泵。
(5)消化流程编辑:点击主页面“编辑流程”键,根据所需实验条件设置模拟胃、十二指肠消化系统中各泵开始、结束时间、流速、目标pH值,从而模拟胃肠消化液连续分泌、胃肠排空,并使得模拟胃腔中pH变化符合人体空腹消化时pH变化规律:pH=1.68+3.82(-t/42),模拟肠腔pH保持在6.5左右;
(6)模拟消化:点击“运行流程”键,选择并检查预设条件,进入预设运行流程,点击搅拌控制键,点击运行按钮,模拟消化正式开始,消化过程中可实时观测反应体系pH、温度及各泵运行情况,并可根据实时温度对目标温度进行“+”“-”控制。样品消化过程中可随时进行微量取样,经终止消化即可用于吸收透过率测定及致敏性评价等相关分析。
(7)管路清洗及维护:消化完成后,点击“×”退出,点击主页面“手动控制”键,将管路中的液体原路返还,并依次使用超纯水及75%乙醇进行管路清洗并清空,完成后点击“停止运行”按钮。
实施例2:SDS-聚丙烯酰胺凝胶实验
收集不同时间节点的模拟胃消化产物(0、1、2、5、10、20、30、60、90)和模拟十二指肠肠消化产物(0、1、5、10、15、30、60、90、120),通过SDS-聚丙烯酰胺凝胶实验测定过敏原样品在体外动态消化过程中的结构变化及消化稳定性。
实施例3:体外评价过敏原消化产物IgG/IgE结合能力
采用免疫印迹实验(Westen-blot)分析动态消化过程中过敏原消化产物的IgG/IgE 结合能力的变化。取各时间点模拟胃、十二指肠消化产物,经灭酶处理后结合兔多克隆抗体(IgG) 或虾过敏的患者的血清抗体(IgE) 进行实验分析。
实施例4:Caco-2小肠上皮细胞模型的构建
从液氮中取出冻存Caco-2细胞快速放入37℃水浴中,快速摇晃,直至冻存液融化,吸出细胞液置于干净的离心管低速离心(3min,1000g),除去上清液,加入5mL完全DMEM培养液重悬沉淀细胞,将重悬细胞液接种到培养瓶中,标明名称、代数、时间、作者等信息。置于37℃、5%CO2恒温培养箱中进行培养,期间依据细胞培养液颜色、细胞贴壁情况与细胞形态更换培养液。当细胞汇合程度达到80%时,加入1~2 mL的0.25%胰蛋白酶-0.02%EDTA混合消化液,轻轻摇晃培养瓶放于37℃培养箱中消化5min,按1:2进行细胞传代。
待细胞整体情况稳定后,将Caco-2细胞以2.0×105cell/ml浓度接种于悬挂式Transwell培养皿AP侧(肠腔侧)微孔滤膜上,37℃、5%CO2恒温培养箱培养约20天,该细胞可自发形成有极性的具微绒毛以及紧密连接等与人小肠上皮形态学上相似的单细胞层。
实施例5:过敏原消化产物细胞毒性评价
当培养瓶内细胞生长达到80%时,将细胞消化为细胞悬液,进行细胞计数然后将细胞悬液配置成3×104~5×104cell/mL。在96 孔板中接种细胞悬液(100μL/孔,5个平行),37℃,5%CO2恒温培养箱中孵育24h后去除培养液,将配置的不同浓度含食物过敏原消化产物的培养基加入培养孔中(100μL/孔),在37℃,5%CO2条件下孵育24h。每孔加入10μL cck-8(CellCounting Kit-8)溶液孵育4h,用酶标仪测定在450nm处吸光值。
注:A(阳性):具有细胞、cck-8溶液和蛋白溶液的孔的吸光度;
A(空白):具有培养基、cck-8溶液而没有细胞的孔的吸光度;
A(阴性):具有细胞、cck-8溶液而没有蛋白溶液的吸光度;
实施例6:模拟过敏原消化产物在小肠上皮消化、转运及吸收实验
如图2所示为Caco-2细胞模型原理图,依据实例5实验结果,用不含钙离子、镁离子的Hank’s平衡盐溶液将过敏原消化产物稀释至适当浓度,将实施例4中构建成功的小肠上皮细胞模型用D-Hank’s平衡盐溶液清洗后,AP侧加入含过敏原消化产物的无菌D-Hank’s平衡盐溶液0.5ml,BL侧(基底侧)加入不含药物的D-Hank’s平衡盐溶液1.5ml,将培养板置于37℃水浴振荡器中,缓慢震荡,于2h取出BL侧样品溶液至EP管中,微孔滤膜过滤,采用酶联免疫吸附法测定测定过敏原含量,从而对过敏原消化产物吸收透过率进行评价,并将其转至实施例8的体外肥大细胞模型中评价其致敏性。
实施例7:于血清库中选取相应至少10名过敏患者的血清,等体积混合制备血清池,并建立患者血清信息表。
实施例8:体外细胞致敏性评价方法的建立
取状态良好的KU812细胞,常温离心(1000rpm,5min),弃上清,加入 Human MyelomaIgE(人骨髓瘤IgE)溶解于1640完全培养基,使其终浓度为0.5μg/mL,于37℃培养箱孵育一周,为促进 KU812 细胞表面FcεRI受体的表达。用Hank’s平衡盐溶液清洗细胞,加入含有过敏患者血清池的完全培养基孵育12h(血清:培养基=1:30)。次日,将细胞加入48孔细胞培养板中,每孔1 mL,将合适浓度的待测样品加入到每孔中激发 KU812 细胞,4 h 后检测肥大细胞活性介质(β-己糖苷酶、类胰蛋白酶、组胺等)含量,进而结合实施例2、3、6实验结果,对纯化的食物过敏原或含有复杂食品基质的过敏原提取液的致敏性进行评价。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法,其特征在于,包括: (1)、过敏原动态消化模型构建; (2)、构建过敏原体外模拟动态消化实验方法,并对其结构变化及消化稳 定性进行分析; (3)、利用 Caco-2 构建小肠上皮细胞模型,模拟消化产物在小肠上皮消 化、转运及吸收过程,对过敏原消化产物细胞毒性及吸收透过率进行评价; (4)、构建KU812 细胞模型,评价食物过敏原消化、转运产物诱导肥大细 胞脱颗粒能力。
2.根据权利要求 1 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,通过一模拟装置研究消化过程中食物过敏原结构及致敏性的变化。
3. 根据权利要求 2 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,所述模拟装置包括模拟胃消化系统、模拟十二指肠消化系统、pH 自动调节装置以及恒温加热板、磁力搅拌装置,所述模拟胃消化系统、模拟十 二指肠消化系统中消化液、胆汁、胃肠排空操作以及酸碱度调节均采用步进电 机蠕动泵一体化控制,所有操作均可在消化开始前通过触控面板进行预设,消 化过程中无需中途停止以改变反应条件,所取微量样品经快速灭酶处理后即可 用于消化率、过敏原性等进一步分析。
4. 根据权利要求 1 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,通过收集胃肠连续消化过程中不同时间节点的消化产物,采用 SDS- 聚丙烯酰胺凝胶实验测定过敏原样品动态消化结果,并采用免疫印迹实验评价 消化产物 IgG/IgE 结合能力。
5. 根据权利要求 1 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,利用 Caco-2 细胞构建小肠上皮细胞模型时,将 Caco-2 细胞接种 权 利 要 求 书2 到碳酸聚酯多孔膜等基质上,在适当的培养条件下该细胞可自发形成有极性的 具微绒毛以及紧密连接等与人小肠上皮形态学上相似的单细胞层,用于模拟小 肠上皮细胞对过敏原的刷状缘肽酶消化、转运及吸收。
6. 根据权利要求 1 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,构建 KU812 细胞模型时,通过体外培养 KU812 细胞株,利用过敏 患者血清,建立肥大细胞体外脱颗粒细胞模型,进而测定经抗原激发后的细胞 培养液中细胞活性介质含量,评估食物过敏原经消化、转运后的致敏性。
7. 根据权利要求 3 所述的食物过敏原动态消化模型和体外模拟评价方法, 其特征在于,所述模拟胃消化系统包括模拟胃液罐、样品储存罐、模拟胃腔, 其中所述模拟胃液罐、样品储存罐分别经一蠕动泵连通至模拟胃腔,所述模拟 胃腔内设置有 pH 传感器和温度传感器; 所述模拟十二指肠消化系统包括模拟肠腔、模拟胰液罐、胆盐溶液罐、废 液罐,所述模拟胰液罐、胆盐溶液罐、废液罐分别经一蠕动泵连通至所述模拟 肠腔,所述模拟肠腔内设置有 pH 传感器和温度传感器; 所述 pH 自动调节装置包括胃腔 pH 调节罐和肠腔 pH 调节罐,所述胃腔 pH 调节罐和肠腔 pH 调节罐分别经一蠕动泵连通至所述模拟胃腔和所述模拟肠腔; 所述模拟胃腔和模拟肠腔底部设有用于预热和保温的恒温加热板以及用于 提供剪切混匀作用的磁力搅拌装置; 各所述蠕动泵、pH 传感器和温度传感器以及恒温加热板和磁力搅拌装置均 分别与电路板电连接,所述电路板与触屏控制面板电连接。
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