ES2603273T3 - Proceso para producir partículas cargadas con factores de crecimiento, así como las partículas así obtenidas - Google Patents

Proceso para producir partículas cargadas con factores de crecimiento, así como las partículas así obtenidas Download PDF

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Abstract

Proceso para preparar material inorgánico corpuscular cargado con factores de crecimiento, que consiste en tratar un material inorgánico corpuscular formado por hidroxilapatito, fosfato tricálcico, carbonato cálcico, óxido de luminio o mezclas de ellos con factores de crecimiento en solución acuosa tamponada en el intervalo ácido entre pH 4 y 5 durante un periodo de tiempo de al menos 30 minutos, separarlo de la solución acuosa tamponada y lavarlo como mínimo una vez con al menos el mismo volumen de una solución tampón libre de factores de crecimiento.

Description

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DESCRIPCION
Proceso para producir partmulas cargadas con factores de crecimiento, as^ como las partmulas as^ obtenidas
La presente invencion se refiere a un proceso para producir material corpuscular (partmulas) cargado con factores de crecimiento, a las partmulas asf obtenidas y a su uso para mejorar la incorporacion de los materiales de implante en la sustancia osea, sobre todo en el caso de los materiales metalicos o ceramicos empleados en implantes tales como huesos y articulaciones artificiales, implantes dentales o incluso implantes de tamano minusculo.
La implantacion de huesos o articulaciones artificiales ha adquirido en los anos recientes una importancia creciente, p.ej. para el tratamiento de displasias o luxaciones de las articulaciones o de enfermedades que pueden aparecer por el desgaste de las articulaciones debido a malas posiciones de las mismas. La funcion de los implantes y de los materiales utilizados para su elaboracion - que ademas de metales como el titanio o aleaciones metalicas tambien pueden comprender ceramica o plasticos como el teflon o las polilactidas - se han ido mejorando continuamente, de manera que tras un proceso de curacion efectivo los implantes pueden alcanzar en el 90-95% de los casos una duracion de 10 anos.
A pesar de estos progresos y de los mejores metodos operativos, una implantacion sigue siendo una intervencion difmil y gravosa, sobre todo porque conlleva un lento proceso de cicatrizacion del implante que suele comprender varios meses de estancias clmicas y curas, incluyendo las medidas de rehabilitacion. Ademas de los dolores, la duracion del tratamiento y la separacion del entorno habitual son grandes molestias para el paciente. Asimismo, el lento proceso de curacion es causa de elevados costes de personal sanitario por la necesidad de una asistencia intensiva.
En los ultimos anos ha aumentado significativamente la comprension de los procesos a nivel molecular que requiere la incorporacion de un implante. Para que un implante sea compatible con los tejidos es decisiva su compatibilidad estructural y superficial. En sentido estricto la biocompatibilidad solo depende de la superficie. Las protemas tienen un papel importante en todos los niveles de la integracion. Como se explica seguidamente, durante la operacion de implantacion determinan todo el desarrollo de la cicatrizacion del implante mediante la formacion de una capa inicial de protemas que se adsorbe y sobre la cual se establecen mas tarde las primeras celulas.
Durante la interaccion molecular entre el implante - tambien denominado biomaterial - y los tejidos se producen multiples reacciones que parecen seguir un orden jerarquico riguroso. Como primera reaccion biologica tiene lugar la adsorcion de protemas a la superficie del biomaterial. A continuacion, moleculas individuales de protemas de la capa proteica formada se transforman en moleculas senalizadoras presentadas en la superficie - por ejemplo mediante variaciones de conformacion - o se liberan mediante reacciones catalfticas (proteoltticas) en forma de fragmentos proteicos que actuan como moleculas senalizadoras.
En la fase siguiente se produce la colonizacion celular desencadenada por las moleculas senalizadoras, la cual puede incluir una serie de celulas tales como leucocitos, macrofagos, inmunocitos, y finalmente tambien celulas de tejidos (fibroblastos, fibrocitos, osteoblastos, osteocitos). En esta fase juegan un papel decisivo otras moleculas senalizadoras, los denominados mediadores, como p.ej. citocinas, quimiocinas, morfogenos, hormonas tisulares y hormonas autenticas. Por ultimo, si hay biocompatibilidad, el implante se integra en todo el organismo e idealmente se logra un implante permanente.
A la luz de los trabajos realizados en los ultimos anos a nivel molecular de la osteogenesis, han cobrado creciente importancia las moleculas de senalizacion qmmica, las denominadas “protemas morfogenicas del hueso” (BMP-1- bMp-15), que influyen en el crecimiento oseo. Las BMP (en especial BMP-2 y BMP-4, BMP-5, BMP-6, BMp-7) son protemas osteoinductivas que estimulan la formacion y consolidacion osea promoviendo la proliferacion de celulas precursoras y su diferenciacion en osteoblastos. Ademas favorecen la formacion de fosfatasa alcalina, receptores hormonales, sustancias espedficas del hueso como el colageno de tipo 1, la osteocalcina, la osteopontina, y por ultimo la mineralizacion.
En este proceso las moleculas BMP regulan las tres reacciones clave: la quimiotaxis, la mitosis y la diferenciacion de las correspondientes celulas precursoras. Asimismo las BMP tienen un papel importante en la embriogenesis, la organogenesis del hueso y otros tejidos, cuyas celulas finales conocidas son los osteoblastos, los condroblastos, los mioblastos y las celulas musculares lisas (inhibicion de la proliferacion por BMP-2).
Hasta ahora se conocen 15 BMP, incluyendo multiples isoformas. Exceptuando la BMP-1, las BMP pertenecen a la superfamilia del “factor de crecimiento transformador-beta” (TGF-p), de la cual se detectaron receptores espedficos en las superficies de las respectivas celulas. Como ha demostrado el uso efectivo de BMP-2 y/o BMP-7 humanas recombinantes en ensayos de procesos de consolidacion defectuosos en ratas, perros, conejos y monos, no parece existir ninguna especificidad de especie.
Del estado tecnico se conocen multiples trabajos en el campo de los materiales y partmulas cargadas que se usan para favorecer el crecimiento de la sustancia osea. Los estudios sobre las uniones de la BMP-2 al hidroxilapatito
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(HAP) se remontan a los ongenes de la investigacion de las BMP, cuando Urist comprobo en 1984 que las BMP se pueden purificar cromatograficamente en una columna de hidroxilapatito. Tambien en el mismo ano Urist describio un agregado de BMP y TCP que induda la formacion de cartflago en ratones (US 4,596,574). En los siguientes 20 anos aparecio una serie de trabajos sobre el uso de una combinacion de fosfatos de calcio (hidroxilapatito, fosfato tricalcico) con BMP-2, en los que se describfa entre otras cosas que la BMP-2 se mezcla en una proporcion definida con colageno o hidroxilapatito (HAP) y la combinacion se liofiliza inmediatamente y se utiliza tras la liofilizacion. En otro trabajo se estudia la adsorcion de rhBMP-2, desnaturalizada en presencia de un agente de desnaturalizacion como la urea, al hidroxilapatito. Sin embargo, incluso en condiciones tan drasticas, solo se unen al hidroxilapatito cantidades muy pequenas de BMP-2.
En el estado tecnico (K. Zurlinden y otros, Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2005, 36, n° 12) se revela ademas que la ubiquitina y la rhBPM-2 se pueden inmovilizar sobre hidroxilapatito una vez activadas qmmicamente.
Actualmente la BMP-2 se puede aplicar terapeuticamente como Induct Os® (Wyeth) sobre una “esponja de colageno absorbible” o en forma del Ossigraft® (Stryker). Sin embargo estos materiales tienen en comun que la concentracion de BMP empleada por unidad de volumen es relativamente pequena, en concreto una demanda volumetrica ~ 2 ml de partfculas o de “esponja” para 1 mg de BMP-2. Solamente pueden disolverse mayores cantidades de BMP-2 en condiciones no fisiologicas, tales como valores extremos de pH en el intervalo alcalino o acido, o en presencia de detergentes a pH neutro. En muchos casos estas cantidades no son suficientes para una aplicacion de la BMP-2 adecuada al tamano de la lesion ni para una estimulacion optima del crecimiento oseo, sobre todo en presencia de otros materiales de sustitucion osea. Ademas, en estas formas de aplicacion es perjudicial que la BMP-2 solo este disponible simultaneamente para el organismo en una unica fase temprana de liberacion (“fase de aceleracion”) a causa de una insuficiente union al colageno.
La presente invencion abajo descrita esta basada en la observacion de que mediante la adsorcion de BMP-2 a un material corpuscular - constituido especialmente por material inorganico de sustitucion osea como hidroxilapatito, fosfato tricalcico, carbonato calcico, oxido de aluminio o mezclas de ellos, sobre todo bi- o trifasicas - se puede obtener sobre la fase solida una mayor cantidad de BMP, en particular de BMP-2 por fraccion volumetrica, respecto a los materiales arriba citados, si la etapa de adsorcion se efectua durante un periodo de tiempo suficientemente largo de al menos 30 minutos y a un valor de pH controlado entre 4 y 5. Tras la etapa de adsorcion tiene lugar como segunda etapa, al menos, un crecimiento extensivo con una solucion tampon exenta de factor de crecimiento oseo cuyo volumen es igual como mmimo al volumen empleado de fase solida, preferiblemente con un volumen de lfquido al menos 10 veces superior. De esta manera se puede asegurar la eliminacion de la cantidad de BMP-2 disuelta en la fase lfquida. Asf se puede reducir claramente la llamada fase de aceleracion al 1-2% de la cantidad de BMP-2 adsorbida. Ello permite aplicar dosis elevadas de BMP-2 sobre una minima area. El recubrimiento de la superficie en solucion acuosa tamponada tiene lugar en el intervalo acido entre pH 4 y 5, sobre todo a pH 4,5. Ademas es conveniente que el material corpuscular sea biorresorbible.
En el proceso de la presente invencion, la adsorcion como forma de union qmmica debe distinguirse de:
• Mezcla/combinacion con HAP o con TCP (= mezcla)
• Inclusion/atrapamiento, p.ej. en poros
• Incorporacion: p.ej. mediante liofilizacion del lfquido y precipitacion en el material
• Recubrimiento de metales o materiales ceramicos, tras lo cual se sumergen partfculas o piezas de moldeo p.ej. en una solucion de BMP e inmediatamente se someten a un secado para eliminar la solucion [por tanto la BMP-2 seca sobre la superficie formando una capa (= adhesion, no adsorcion)]
En las condiciones del proceso de la presente invencion se absorbe sobre la superficie una elevada cantidad de factor de crecimiento oseo que no puede eliminarse de las partfculas por lavado. En estudios de fijacion de BMP-2 (tabla 1) a distintos hidroxilapatitos llevados a cabo por los presentes inventores se encontro sorprendentemente que las BMP, en concreto la BMP-2, se pueden unir linealmente al fosfato calcico en grandes cantidades, dentro de un amplio intervalo.
Tabla 1
Adsorcion de BMP-2 (a pH 4,5) y desorcion de BMP-2 (a pH 7,4) en diferentes materiales granulados de
sustitucion osea
BMP-2 en receta
Algisorb® (80% TCP, Algipore® (98% HAP) Bonit® (13% SiO2, NuOss® (HAP, bovino)
de incubacion
20% HAP) 52% HAP, 35% TCP)
Control APS Control APS Control APS Control APS
Adsorcion de BMP-2, mg/g
0,1
0,53 0,78 0,58 0,81 0,26 0,23 0,45 0,69
0,2
1,06 1,54 1,27 1,52 0,52 0,39 0,61 1,16
0,3
1,35 2,14 1,52 2,27 0,67 0,52 0,98 1,41
Desorcion, t-i/2, dfas
Vida media
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En la tabla 1 estan representados los resultados de los ensayos de adsorcion a pH 4,5 (acetato Na 20 mM, pH 4,5), en los cuales la adsorcion/incubacion se realiza durante un periodo de tiempo de al menos 30 minutos (t-i/2 = 16 d), preferiblemente durante al menos 1-2 horas (t-i/2 = 19 d) y con especial preferencia durante al menos 4-6 horas (t1/2 = 20 d). Los tiempos de vida media mas largos se observaron para incubaciones de 15-17 (t-i/2 = 23 d).
Tras la adsorcion de la BMP-2 sobre el material corpuscular se mide la liberacion (desorcion). Para ello las muestras se transfieren a 2 ml de tampon (Tris/HCl 50 mM, NaCl 150 mM, pH 7,4). Tras unos tiempos prefijados las muestras se extraen, se lavan en 3 x 2 ml de tampon (Tris/HCl 50 mM, NaCl 150 mM, pH 7,4) y se miden en un contador y. Despues se transfieren a 2 ml de tampon fresco para el siguiente periodo de liberacion. La cantidad de BMP-2 inmovilizada se determina mediante el uso de protema marcada radiactivamente con yodo 125 y la medicion en el contador y.
Todos los materiales de sustitucion osea se incubaron a temperatura ambiente con la concentracion indicada de BMP-2 en tampon de acetato Na 20 mM, pH 4,5 durante 15 horas. La desorcion se determino en Tris/HCl 50 mM, NaCl 150 mM, pH 7,4. Los tiempos de vida media de la liberacion en la llamada “fase de aceleracion” - que solo afecta al 1-2% de la cantidad de BMP-2 adsorbida - fueron de 0,4-1,1 dfas (no representados). APS: aminopropil- trietoxisilano (no incluido en la presente invencion); Algipore® (densidad ~ 0,63 g/cm3; 1,3 x 104 partfculas/g) y Algisorb® (densidad ~ 0,63 g/cm3; 1,3 x 104 partfculas/g) de la firma Algoss GmbH, Viena; Bonit®, de la firma DOT GmbH, Rostock; matriz de colageno NuOss®, de la firma ACE Surgical Supply Co. (Brockton, MA, USA).
La presente invencion se ilustra con mayor detalle mediante las figuras adjuntas:
Figura 1: muestra la ultraestructura de una partfcula de Algipore® obtenida de algas calcareas (la barra de escala corresponde a 10 pm. El Algisorb® posee la misma estructura. (De “Bone Augmentation in Oral Implantology [Acrecimiento oseo en implantolog^a oral]", Khoury, F. y otros, pagina 349, 2007, ediciones Quintessenz GmbH, Berlin);
Figura 2: deteccion de la actividad biologica de la rhBMP-2 adsorbida sobre Algisorb (C y D) en el cultivo con celulas MC3T3-E1:
A. Algisorb, control negativo - no hay rhBMP-2 soluble en el medio;
B. Algisorb, control positivo - adicion de 50 nM de rhBMP-2 soluble al medio;
C. rh BMP-2 adsorbida sobre Algisorb - (~ 0,5 mg rhBMP-2 por g de Algisorb) (mantenido humedo);
D. rh BMP-2 adsorbida sobre Algisorb - (~ 0,5 mg rhBMP-2 por g de Algisorb) (secado);
Figura 3A: adsorcion hidrofila e hidrofoba de rhBMP-2; y
Figura 3B: liberacion de rhBMP-2 (reaccion de primer orden).
La fig. 1 muestra una fotograffa al microscopio electronico del Algipore® microestructurado procedente de una alga calcarea (de la firma Algoss GmbH, Viena), el cual tiene un comportamiento de incorporacion y resorcion mejor que otros tipos de hidroxilapatito. El CaCO3 original del alga calcarea roja Cochlearia officinalis esta reemplazado por hidroxilapatito (HAP) (Algipore®) o fosfato tricalcico (TCP) (Algisorb®) [1].
Tal como se muestra en la figura 2, la actividad biologica de la rhBMP-2 adsorbida sobre Algisorb se pudo detectar en el cultivo con celulas MC3T3-E1. Para ello se sembraron en condiciones esteriles 5 x 105 celulas MC3T3-E1 recien tripsinizadas sobre partfculas de Algisorb fijadas por el lado inferior con adhesivo de fibrina en los pocillos de una placa de microvaloracion de 48 pocillos y se incubaron en medio Alpha-MEM (Gibco) con SBF al 10%. 6-12 h despues el medio de las celulas desarrolladas de forma confluente sobre las plaquitas se sustituyo por medio Alpha- MEM fresco con 1% de SBF y las celulas siguieron creciendo durante 6 dfas sobre el control de Algisorb o sobre Algisorb (no funcionalizado con APS) con BMP-2 adsorbida. Despues de los 6 dfas, las partfculas de Algisorb colonizadas por las celulas se lavaron con tampon de fosfato Dulbecco y se fijaron con paraformaldehido al 2%. La fosfatasa alcalina (colorante fluorescente verde) se fotografio y se determino con el kit de deteccion de fosfatasa ELF-97 (Molecular Probes, Inc., Oregon, USA) bajo un microscopio de fluorescencia (Nikon Eclipse E400, camara de 10 megapfxeles, Nikon GmbH, Dusseldorf, Alemania, longitud de onda de excitacion 345 nm, longitud de onda de emision 530 nm).
En la figura 3 se puede apreciar lo siguiente respecto a las propiedades de la fase solida de alta densidad cargada con BMP-2 segun la presente invencion. A partir de un numero s 1,3 x 104 de partfculas/g de Algisorb, para una carga de rhBMP-2 de 6,7 mg/g se puede calcular que hay 0,5 pg de rhBMP-2 unidos a cada partfcula. Esto significa que bastan 2 partfculas (= 1 pg) para producir una induccion osea significativa en un ensayo con ovejas [2].
Segun los conocimientos de los presentes inventores las mejores propiedades del Algipore residen en el sistema de poros interconectados y en la existencia de partfculas de hidroxilapatito isotropas (es decir amorfas) al contrario que el hidroxilapatito altamente cristalino de Bio-Oss (de la firma Geistlich). La variante que contiene fosfato tricalcico, el Algisorb®, tiene segun los estudios efectuados hasta la fecha un comportamiento de resorcion aun mejor que el Algipore.
El comportamiento de fijacion no es exclusivo del Algipore y del Algisorb, en otros tipos de hidroxilapatito tambien se encuentra un comportamiento semejante. La peculiaridad del Algipore y del Algisorb es que las cantidades fijadas puede ser de 1-2 mg/g y superiores. Tales valores no eran conocidos hasta la fecha en el estado tecnico. El proceso
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de la presente invencion permite obtener mas de 7 mg de BMP2/g de partmula (2,8-4,4 mg/cm3) (fase solida de alta densidad cargada con bMP-2).
De la referencia [1] se pueden obtener informaciones sobre los materiales Algipore y Algisorb utilizados conforme a la presente invencion. Entre ellos se puede emplear especialmente segun la presente invencion el Algipore®: 98% de hidroxilapatito HA - monofasico, y el Algisorb®: 80% de fosfato tricalcico p-TCP, 19,3% de HA, 0,7% de calcita, CaCO3 - bi/trifasico. Del ultimo se pueden usar todas las variantes bi/trifasicas de p-TCP y HA con igual estructura electromicroscopica. En ellas el contenido de calcita es del 0,3-0,7%.
Las investigaciones de los presentes inventores sobre las propiedades de la fase solida de alta densidad cargada con BMP-2 han dado como resultado que a partir de un numero s 1,3 x 104 de partmulas/g de Algisorb, para una carga de rhBMP-2 de 6,7 mg/g (fig. 1) se puede calcular que hay 0,5 |jg de rhBMP-2 unidos a cada partmula. Esto significa que bastan 2 partmulas (= 1 jg) para producir una induccion osea significativa en un ensayo con ovejas [2]. Asf se puede aplicar rhBMP-2 in vivo y clmicamente de forma nueva y racional, sin perdidas por difusion.
La preparacion de la fase solida de alta densidad cargada con BMP-2 conforme a la presente invencion corresponde entonces a un nivel en que el contenido de BMP-2 por unidad de volumen es superior a la concentracion que se puede alcanzar en soluciones acuosas. Para ello las soluciones tamponadas de BMP, preferentemente de BMP-2, se usan preferiblemente a una concentracion de 0,1 hasta 1,5 mg/ml de solucion tampon, sobre todo de 0,5 hasta 1,5 mg/ml de solucion tampon. Una solucion tampon con esta concentracion de BMP se anade a las partmulas en una cantidad apropiada para obtener la carga deseada en mg de BMP por g de partmula. Por ejemplo, si se desea una carga de 2,5 mg de BMP por g de partmula, hay que anadir 5 ml de una solucion tampon que contenga 1 mg de BMP por ml a 2 g de partmulas. No obstante, si el volumen de la preparacion aumenta respecto a la pesada, por ejemplo el cuadruple, entonces solo se fijan 7 mg/g de partmula en vez de 10 mg/g de partmula.
Otros estudios aun no concluidos de los presentes inventores demuestran que se pueden alcanzar valores mas altos (desde 4-5 mg de BMP hasta 8-10 mg de BMP por g de partmula). Por lo tanto se puede usar una cantidad en ml de solucion tampon ajustada a la concentracion de su contenido en BMP. Por consiguiente, para la aplicacion de las partmulas cargadas con factores de crecimiento oseo segun la presente invencion es suficiente el uso de unos pocos granulos del compuesto BMP-HAP (p.ej. junto con un implante o en un acrecimiento oseo del seno maxilar) para producir una induccion osea. Los ensayos in vitro de los presentes inventores demuestran que la BMP-2 unida al hAp es biologicamente activa. Actualmente los presentes inventores estan llevando a cabo otras pruebas con ovejas.
Para evitar la fase de aceleracion, es decir la liberacion excesiva de factores de crecimiento oseo no adsorbidos en la superficie de las partmulas, sino simplemente depositados sobre ella, tras la etapa de adsorcion las partmulas se lavan preferiblemente 3 veces con un volumen 10 veces superior al del material corpuscular en una solucion tampon exenta de factores de crecimiento oseo (tampon de acetato Na 20 mM, pH 4,5). Despues tiene lugar un lavado quintuple en tampon de PBS de pH 7,4 (NaCl 137 mM, Na2HPO4 8,1 mM, KCl 2,7 mM, KH2PO41,5 mM, pH 7,4).
El aporte de la fase solida de alta densidad cargada con BMP permite aplicar especialmente la rhBMP-2 in vivo y clmicamente de forma nueva y racional, sin perdidas por difusion. Se ha comprobado que, una vez liofilizada, la fase solida de alta densidad cargada con BMP-2 se puede almacenar durante varias semanas sin que pierda actividad (vease fig. 2). Los primeros estudios de los presentes inventores demuestran que la fase solida de alta densidad cargada con BMP se puede conservar almacenada hasta 1-2 anos. Durante este tiempo se mantiene la actividad biologica de la BMP gracias, segun los presentes inventores, al uso preferente de los materiales en condiciones esteriles.
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Claims (8)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Proceso para preparar material inorganico corpuscular cargado con factores de crecimiento, que consiste en tratar un material inorganico corpuscular formado por hidroxilapatito, fosfato tricalcico, carbonato calcico, oxido de aluminio o mezclas de ellos con factores de crecimiento en solucion acuosa tamponada en el intervalo acido entre pH 4 y 5 durante un periodo de tiempo de al menos 30 minutos, separarlo de la solucion acuosa tamponada y lavarlo como mmimo una vez con al menos el mismo volumen de una solucion tampon libre de factores de crecimiento.
  2. 2. Proceso segun la reivindicacion 1, en el cual el material corpuscular se seca despues de la etapa de lavado con la solucion tampon libre de factores de crecimiento.
  3. 3. Proceso segun la reivindicacion 2, en el cual la etapa de secado incluye una liofilizacion.
  4. 4. Proceso segun la reivindicacion 1, 2 o 3, en el cual la solucion acuosa tamponada tiene un valor de pH de 4,3 hasta 4,7, sobre todo de 4,5.
  5. 5. Proceso segun una de las reivindicaciones 1 hasta 4, en el cual el material corpuscular tiene un tamano de partfcula comprendido en el intervalo de 10 hasta 500 pm y una estructura de poros interconectados.
  6. 6. Proceso segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual se emplea BMP-2 o BMP-7 como factor de crecimiento.
  7. 7. Material corpuscular obtenible mediante el proceso segun una de las reivindicaciones anteriores.
  8. 8. Uso del material corpuscular segun la reivindicacion 7 para preparar una composicion farmaceutica destinada a incrementar el crecimiento oseo.
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