JP5816073B2 - 組織再生材料の作製方法及び組織再生材料 - Google Patents

組織再生材料の作製方法及び組織再生材料 Download PDF

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Description

本発明は、多孔質な支持体(多孔質体)に細胞懸濁液を導入し播種する組織再生材料の作製方法、及び組織再生材料に関する。
連通した多孔質構造を有する支持体である多孔質体に細胞が播種された組織再生材料が組織工学分野で使用されている。多孔質体中には、細胞を培養するための小孔が三次元的に連通して中心部まで存在していることが重要である。
実際には、多孔質体の小孔中に細胞、培養液、培養液に細胞が混合された液(以後、「細胞懸濁液」と呼ぶことがある。)を完全に浸透させることが難しく、単に多孔質体に細胞懸濁液を滴下したり、多孔質体を細胞懸濁液中に浸したりしても、細胞懸濁液は多孔質体の中心部まで入らない。
これに対して、特許文献1には、例えば請求項8に記載のように、多孔質体を細胞懸濁液中に沈め、減圧又は真空の下におくことにより多孔質体中に細胞懸濁液を浸透させる方法が提案されている。
特許文献2、3には、多孔質体に水を含ませておき、該水と細胞懸濁液とを同時に入れ替えることで細胞懸濁液を多孔質体中に導入する方法が開示されている。
特許文献4には、多孔質体に形成された孔を比較的大きくして細胞懸濁液を入りやすくするとともに、このように比較的大きな孔であっても細胞懸濁液を多孔質体内に留めるために、細胞懸濁液にコラーゲンやゼラチンなど増粘成分を添加する方法が開示されている。これによれば、多孔質体中に細胞懸濁液を導入して留めておくことができるとされている。
特表2006−508717号公報 特開2007−181459号公報 特開2009−195682号公報 特開2003−038635号公報
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、負圧を利用しても実際には多孔質体全体に細胞懸濁液を浸透させることは難しいため、細胞懸濁液を浸透させる経路をレーザー光等で形成する必要がある。また負圧を利用して圧力を大きく変化させることは細胞にとって必ずしも好ましい状態とはいえない。
特許文献2、3に開示されている技術では、多孔質体全体に細胞を播種することはできるが、細胞懸濁液の一部が流れ出てしまうため導入した細胞の数が正確でなくなるという欠点があった。
特に特許文献1〜3に記載の技術では、多孔質体の小孔が比較的小さく、水を主成分とする細胞懸濁液が十分に多孔質体の中心部まで浸透できないことに問題があった。そこで比較的大きな孔(孔径180μm〜3500μm、平均孔径350μm〜2000μm)の小孔構造を有する多孔質体を用いれば細胞懸濁液を中心まで容易に浸透させることができる。しかしながら、このような大きな孔径では細胞懸濁液が容易に多孔質体中を通過してしまい、細胞懸濁液を多孔質体内に留めることが難しくなってしまう。
これに対して特許文献4に記載の技術によれば、細胞懸濁液を多孔質体の中心まで容易に浸透させることができるが、増粘成分が多孔質体中に残るため、新たな培養液の交換が難しくなってしまう問題がある。
そこで本発明は、比較的大きな孔(孔径180μm〜3500μm、平均孔径350μm〜2000μm)、即ち、細胞懸濁液を多孔質体内に留めておくことが難しい小孔を有する多孔質体に細胞懸濁液を安定して無駄なく導入し、細胞を播種することが可能な組織再生材料の作製方法を提供することを課題とする。また、組織再生材料を提供する。
以下、本発明について説明する。ここでは分かりやすさのため、図面に付した参照符号を括弧書きで併せて記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。
請求項1に記載の発明は、接触角が水に対して15〜90°の樹脂板又はガラス板である保持板(1)の面に、細胞密度が5×10〜1×10cell/mlの細胞懸濁液(12)で満たされた、厚さが2〜100mm、孔径180〜3500μm、平均孔径350〜2000μmの連通した小孔構造を有し、気孔率が60〜95%、圧縮強度が0.05〜1MPaの生体吸収性高分子材料から成る多孔質体(11)の底面を接触させ、その後、重力方向から見て保持板が多孔質体の上側となり、且つ保持板の重さが多孔質体に加わらない状態で気体中で静止させて細胞を播種する組織再生材料の作製方法である。
本発明によれば、比較的大きな孔、即ち、細胞懸濁液をその内側に留めておくことが難しいとされている小孔を有する多孔質体に細胞懸濁液を導入でき、該多孔質体に安定して無駄なく細胞を播種することができる。
組織再生材料の作製方法S10の工程を説明する図である。 組織再生材料の作製方法S10の工程を説明する他の図である。 多孔質体の他の形態例を表す図である。 組織再生材料の作製方法S20の工程を説明する図である。 組織再生材料の作製方法S20の工程を説明する他の図である。
本発明の上記した作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下、本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
図1、図2は1つの実施形態に係る組織再生材料の作製方法S10(以下、「作製方法S10」と記載することがある。)を説明する図である。図1、図2は作製方法S10の工程における場面を表す図である。ここで組織再生材料10は、細胞が播種された多孔質体11を意味する。
作製方法S10は、載置工程S11、細胞懸濁液導入工程S12、及び反転工程S13を備えている。
載置工程S11は、図1(a)に示したように、保持板1上に多孔質体11を載置する工程である。
ここで保持板1は接触角が水に対して15°〜90°の樹脂板又はガラス板であることが好ましい。このような保持板1は、従来から細胞を静置培養する容器として用いられている、シャーレ、フラスコ、マルチウェル等に使用されているガラス材料や、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料を板状に加工して用いることができる。これらの材料は疎水性が高いことがあるので必要に応じて、多孔質体11を接触させる面を、コロナ、γ線、アルゴン線等のプラズマ処理等の化学的な方法で極性基を導入し親水性を高め、接触角が水に対して15°〜90°となるようにしておくことが好ましい。また、接触させる面にセラミックス皮膜を形成させておいてもよい。接触させる面は平滑であることが好ましいが、高さ数百μmの溝や筋状突起等が設けられていてもよい。
多孔質体11は、生体吸収性高分子材料で形成されており、厚さ(保持板1に載置した姿勢で上下方向の大きさ)が2mm〜100mmとされ、好ましくは2.1mm〜70mmである。多孔質体11は、孔径180μm〜3500μm、平均孔径350μm〜2000μmの連通した小孔構造を有し、気孔率が60%〜95%とされている。また、多孔質体11の圧縮強度は0.05MPa〜1MPaとなるように構成されている。なお、本発明における多孔質体の孔の孔径とは、10μmを下回るような液体のみを通す微小気孔は考慮に入れず、多孔質体全体において10μm以上の気孔の80%以上が孔径180μm〜3500μmであることを意味している。なお、ここで「気孔率」は、使用された生体吸収性高分子材料の原料塊の重量に対する同体積の多孔質体の重量から算出された値である。
ここで、気孔率が60%よりも小さいと細胞培養の効率が低くなり、95%を超えると多孔質体の強度が低下する。従って、気孔率は80%〜90%であることがさらに好ましい。また、孔径が180μmより小さいと細胞を自由に通すことが困難となり、多孔質体の内部まで十分に細胞を播種することができない。一方、孔径が3500μmよりも大きいと多孔質体の強度が低下してしまう。
また、平均孔径は540μm〜1200μmであることが好ましい。
上記圧縮強度について、圧縮強度が0.05MPaよりも小さいと多孔質体が、細胞懸濁液を加えた時の表面張力や、細胞の培養時に細胞懸濁液から受ける細胞の伸展応力で収縮してしまう。一方、1MPaを超える多孔質体を作製することは技術的に難しい。なお、ここで「圧縮強度」とは直径10mm×高さ2mmの円柱状の試験体をクロスヘッドスピード1mm/分で圧縮させた際の圧縮破壊強度を意味する。
多孔質体の厚さについては、多孔質体の中心部まで細胞懸濁液を十分に浸透させることが目的であるため、厚さが2mm未満のものを用いる必要性は少ない。一方、100mmを超えると細胞を導入したり、長期間培養したりすることが難しくなる。
このような多孔質体の形状は、図1、図2に示したように立方体を基本とし、その他半円型やドーム型が好ましいが、後述するように反転工程S13を経て、重力方向から見て上記した保持板1が上側となり且つ保持板1の重さが多孔質体に加わらない状態で気体中で静止させ細胞を播種することが可能であれば特に限定されない。例えば図3に示したように円板状であってもよい。
そのときの多孔質体の底面積(保持板1に接する面の面積)は、厚さに対して十分な大きさの面積を有する形状であることが好ましい。具体的には、多孔質体の体積1cm〜50000cmの範囲において、底面積が0.5cm〜200cmであることが好ましい。0.5cm未満又は200cmを超えると保持板に吊り下げた状態で播種することが難しくなる。なお、多孔質体には、生体吸収性高分子材料内に粉末状のリン酸カルシウム、例えばハイドロキシアパタイトやβ三リン酸カルシウムを分散させてもよい。
多孔質体を構成する材料は、生体吸収性高分子材料であり、一定期間体内でその形態を維持できれば特に限定することなく用いることができる。例えば、従来から用いられているポリグリコール酸、ポリ乳酸、乳酸−グリコール酸共重合体、ポリ−ε−カプロラクトン、乳酸−ε−カプロラクトン共重合体、ポリアミノ酸、ポリオルソエステル及びそれらの共重合体中から選択される少なくとも一種を例示することができる。その中でもポリグリコール酸、ポリ乳酸、乳酸−グリコール酸共重合体が、米国食品医薬庁(FDA)から人体に無害な高分子として承認されていること及びその実績の面から最も好ましい。生体吸収性高分子材料の重量平均分子量は5000〜2000000であることが好ましく、より好ましくは10000〜500000である。
多孔質体の作製方法は特に限定されないが、例えば、有機溶媒に生体吸収性高分子材料が溶解された溶液にその有機溶媒には溶解せず且つ生体吸収性高分子材料を溶解しない液で溶解する粒径が100μm〜2000μmの粒子状物質を略均一に混合し凍結する。その後に乾燥して有機溶媒を取り除くことによって粒子状物質を含有した孔径が5μm〜50μmの小孔構造を有する多孔質生体吸収性高分子を作製する。そして、この多孔質生体吸収性高分子をミル等で粉砕してから粒子状物質を生体吸収性高分子を溶解しない液で溶解して取り除いた後、篩にかけて100μm〜3000μmの平均粒径の生体吸収性顆粒状多孔質物質とし、これらの生体吸収性顆粒状多孔質物質を所定形状の容器内に入れて加圧し加熱する作製方法を挙げることができる。
引き続き、作製方法S10について説明する。載置工程S11により保持板1の面に多孔質体11が載置された姿勢となり、次に細胞懸濁液導入工程S12で、図1(b)に示したように多孔質体11に細胞懸濁液12が、例えば滴下や注入等の方法によって導入される。これにより、図2(a)に示したように、細胞懸濁液12が多孔質体11内に浸透するとともに、多孔質体11が細胞懸濁液12により全体が満たされた状態となる。このとき、多孔質体11の体積に対して細胞懸濁液12の量が多すぎると、後述の反転工程S13が行い難くなったり、培養の効率が低下したりする傾向があるため、多孔質体11全体を浸し且つ多孔質体11から過剰に漏れ出ない量の細胞懸濁液を導入することが好ましい。
導入される細胞懸濁液は、細胞密度が5×10cell/ml〜1×10cell/mlとされている。また、培養される細胞は種々の細胞が自由に使用可能である。例えば、表皮細胞、ケラチン生成細胞、脂肪細胞、肝細胞、神経細胞、神経膠細胞、星状膠細胞、上皮細胞、乳房表皮細胞、鳥細胞、内皮細胞、間葉細胞、真皮線維芽細胞、間皮細胞、造骨細胞、平滑筋細胞、横紋筋細胞、靭帯線維芽細胞、腱線維芽細胞及び軟骨細胞、骨髄細胞、骨芽細胞、歯胚細胞、歯根膜細胞、歯髄細胞、体性幹細胞、又はES細胞等を用いることができる。
次に、反転工程S13により、図2(a)で示した状態から、保持板1が上、細胞懸濁液12が含まれた多孔質体11が下となるように反転させ、図2(b)に示したような姿勢とする。即ち、重力方向から見て保持板1が多孔質体11の上側となり、且つ保持板1の重さが多孔質体11に加わらない状態で気体中で静止させる。この状態で静止を維持し、導入された細胞を多孔質体11の孔の内壁に接着させて播種が完了し、組織再生材料10とされる。多孔質体に細胞を接着させるために気体中で静止させる時間は、多孔質体の材質や細胞の種類により異なるが、一般的には20分〜300分である。
以上のような作製方法S10によれば、多孔質体11が比較的大きな孔を有するので、細胞懸濁液を多孔質体11の内部にまで適切に浸透させることができる。そして、最終的に細胞懸濁液を上記のように重力方向から見て保持板1が多孔質体11の上側となり、且つ保持板1の重さが多孔質体11に加わらない状態で気体中に静止させることにより、多孔質体11から細胞懸濁液12が漏れないように保持することができる。そして細胞懸濁液12を安定して無駄なく導入し細胞を多孔質体中に播種することが可能となる。以後、細胞が播種された多孔質体である組織再生材料10は、従来の方法によって細胞培養を行うことができる。
また、このような製作方法を実現するために上記に示したような、細胞懸濁液が播種された多孔質体が用いられることが好ましい。これにより、上記効果を奏することが可能な組織再生材料とすることが可能となる。
図4、図5は他の実施形態に係る組織再生材料の作製方法S20(以下、「作製方法S20」と記載することがある。)を説明する図である。図4、図5は作製方法S20の工程における場面を表す図である。なお本実施形態のうち、上記した1つの実施形態で説明したものと共通する部分については同じ符号を付して説明を省略する。
作製方法S20は、仮載置工程S21、細胞懸濁液導入工程S22、挟持工程S23、及び保持工程S24を備えている。
仮載置工程S21は、撥水性が高い板状部材である仮載置板2に多孔質体11を載置する工程である。仮載置板2は接触角が水に対して90°より大きい樹脂板又はガラス板であることが好ましい。
細胞懸濁液導入工程S22は、上記した細胞懸濁液導入工程S12と同様、多孔質体11に細胞懸濁液12が導入される。これにより、図4(b)に示したように、細胞懸濁液12が浸透して多孔質体11全体に満たされた状態となる。
挟持工程S23は、図5(a)に示したように、細胞懸濁液で満たされた多孔質体11を仮載置板2との間に挟むように保持板1の面に多孔質体11を接触させる工程である。
保持工程S24は、図5(b)に示したように、多孔質体11を接触させた保持板1を引き上げ、多孔質体11を保持板1側に保持させ、仮載置板2から離脱させる工程である。これにより、多孔質体11は上記1つの実施形態と同様に、重力方向から見て保持板1が多孔質体11の上側となり、且つ保持板1の重さが多孔質体11に加わらない状態で気体中で静止させる。この状態で静止を維持し、導入された細胞を多孔質体11の内壁に接着させて播種が完了し、組織再生材料10とされる。
ここで仮載置板2は撥水性のある板、保持板1は親水性のある板により構成されているので、細胞懸濁液で満たされた多孔質体の上記したような保持、離脱が適切に行われる。
以下、本発明を実施例により具体的に示すが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<移植細胞の準備>
移植細胞A:ヒト腸骨骨髄液から採取した間葉系幹細胞
ヒト腸骨骨髄液から採取した細胞を10%FBS、DMEM培地で懸濁した後、有核細胞数1×10cell/10cm直径培養皿へ播種した。37℃にて5%炭酸ガス存在下で培養した。3日目で培地を交換し、非接着細胞(造血系細胞)を除いた。以後3日に1回培地を交換した。bFGFは5日目から3ng/mlで培地に添加した。10日前後でほぼ集密的にまで増殖した。これらの培養皿をトリプシン(0.05%)+EDTA(0.2mM)で5分間インキュベートして、細胞を単離した。細胞数をCoulterカウンター(Z1シングル、コールター社製)で計測し、5000cell/cmの密度で細胞を播種した。この操作を繰り返して、ほぼ集密的(コンフルエント)になった二代目の継代培養皿から得た三代目の細胞を用いた。
移植細胞B:ヒト顎骨骨髄液から採取した間葉系幹細胞
ヒト顎骨骨髄液から採取した細胞を10%FBS、DMEM培地で懸濁した後、有核細胞数1×10cell/10cm直径培養皿へ播種した。37℃にて5%炭酸ガス存在下で培養した。3日目で培地を交換し、非接着細胞(造血系細胞)を除いた。以後3日に1回培地を交換した。bFGFは5日目から3ng/mlで培地に添加した。10日前後でほぼ集密的にまで増殖した。これらの培養皿をトリプシン(0.05%)+EDTA(0.2mM)で5分間インキュベートして、細胞を単離した。細胞数をCoulterカウンター(Z1シングル、コールター社製)で計測し、5000cell/cmの密度で細胞を播種した。この操作を繰り返して、ほぼ集密的(コンフルエント)になった二代目の継代培養皿から得た三代目の細胞を用いた。
移植細胞C:ヒト耳介軟骨から採取した軟骨細胞
ヒト耳介軟骨をメスで細かく切りわけ、コラゲナーゼで37℃30分間処理した細胞懸抱濁液を10%FBS、DMEM培地で懸濁した後、有核細胞数1×10cell/10cm直径培養皿へ播種した。37℃にて5%炭酸ガス存在下で培養した。3日目で培地を交換し、非接着成分(細胞+組織片)を除いた。以後3日に1回培地を交換した。bFGFは5日目から3ng/mlで培地に添加した。10日前後でほぼ集密的にまで増殖した。これらの培養皿をトリプシン(0.05%)+EDAT(0.2mM)で5分間インキュベートして、細胞を単離した。細胞数をCoulterカウンター(Z1シングル、コールター社製)で計測し、5000cell/cmの密度で細胞を播種した。この操作を繰り返して、ほぼ集密的(コンフルエント)になった二代目の継代培養皿から得た三代目の細胞を用いた。
<多孔質体の準備>
多孔質体A:ポリ乳酸グリコール酸共重合体(PLGA)ブロック
分子量250000のDL−乳酸/グリコール酸共重合体をジオキサンに溶解させた後、粒径500μm前後の塩化ナトリウムと混合して凍結乾燥し、粉砕して脱塩することで得られるパウダー状材料を圧縮加熱成型することによって、平均孔径540μm、気孔率90%、圧縮強度0.2MPa、直径9mmで厚さ3mmの生体吸収性合成高分子からなるブロック状の多孔質体を作製した。
多孔質体B:ポリ乳酸グリコール酸共重合体(PLGA)ブロック
分子量250000のDL−乳酸/グリコール酸共重合体をジオキサンに溶解させた後、粒径10μmのハイドロキシアパタイト粉を分散させ、粒径500μm前後の塩化ナトリウムと混合して凍結乾燥し、粉砕して脱塩することで得られるパウダー状材料を圧縮加熱成型することによって、平均孔径540μm、気孔率90%、圧縮強度0.2MPa、直径13mmで厚さ5mmの生体吸収性合成高分子+リン酸カルシウム材料からなるブロック状の多孔質体を作製した。
<実施例1>
多孔質体Aの円盤状の底面をガラス板(大きさ100mm×100mm×2mm、水に対する接触角28°)の上面に接触させ載置した。軟骨分化用培養液(αMEM、グルコース4.5mg/ml、10−7Mデキサメサゾン、50μg/mlのアスコルビン酸−2−リン酸、10ng/mlのTGF−β、6.25μg/mlのインスリン、6.25μg/mlのトランスフェリン、6.25ng/mlのセレン酸、5.33μg/mlのリノレイン酸、1.25mg/mlのウシ血清アルブミン)に2×10cell/mlの密度で懸濁させた0.19mlの移植細胞Aを多孔質体Aに滴下して導入した。ガラス板を反転させ逆さまにした状態で37℃、湿度100%、5%CO条件下で30分間材料に細胞を接着させることで多孔質体Aに細胞を播種して組織再生材料を得た。
その後、軟骨分化用培養液で満たした50ml遠沈管に入れて37℃にて3日毎に培地を交換しながら4週間培養して軟骨組織再生用細胞移植体を作製することができた。
<実施例2>
多孔質体Bの円盤状の底面をプラズマ処理ポリスチレン板(大きさ50mm×50mm×2mm、水に対する接触角71°)の上面に接触させ載置した。骨分化用培養液(αMEM、グルコース4.5mg/ml、10%のFBS、10−7Mデキサメサゾン、50μg/mlのアスコルビン酸−2−リン酸、10mMのβグリセロリン酸)に5×10cell/mlの密度で懸濁させた0.67mlの移植細胞Bを多孔質体Bに滴下して導入した。プラズマ処理ポリスチレン板を反転させ逆さまにした状態で37℃、湿度100%、5%CO条件下で100分間材料に細胞を接着させることで多孔質体Bに細胞を播種し組織再生材料を得た。
その後、骨分化用培養液で満たした50ml遠沈管に入れて37℃にて3日毎に培地を交換しながら2週間培養して骨組織再生用細胞移植体を作製することができた。
<実施例3>
多孔質体Bの円盤状の底面をプラズマ処理アクリル板(大きさ50mm×50mm×2mm、水に対する接触角58°)の上面に接触させ載置した。軟骨分化用培養液(αMEM、グルコース4.5mg/ml、10−7Mデキサメサゾン、50μg/mlのアスコルビン酸−2−リン酸、10ng/mlのTGF−β、6.25μg/mlのインスリン、6.25μg/mlのトランスフェリン、6.25ng/mlのセレン酸、5.33μg/mlのリノレイン酸、1.25mg/mlのウシ血清アルブミン)に2×10cell/mlの密度で懸濁させた0.67mlの移植細胞Cを多孔質体Bに滴下して導入した。プラズマ処理アクリル板を反転させ逆さまにした状態で37℃、湿度100%、5%CO条件下で30分間材料に細胞を接着させることで多孔質体Bに細胞を播種し組織再生材料を得た。
その後、軟骨分化用培養液で満たした50ml遠沈管に入れて37℃にて3日毎に培地を交換しながら4週間培養して軟骨組織再生用細胞移植体を作製することができた。
<実施例4>
多孔質体Aを、撥水処理されたガラス板(大きさ50mm×50mm×2mm、水に対する接触角114°)の上に置いた。骨分化用培養液(αMEM、グルコース4.5mg/ml、10%のFBS、10−7Mデキサメサゾン、50μg/mlのアスコルビン酸−2−リン酸、10mMのβグリセロリン酸)に5×10cell/mlの密度で懸濁させた0.19mlの移植細胞Bを多孔質体Aに滴下し導入した。多孔質体Aが置かれたガラス板の上からプラズマ処理ポリスチレン板(大きさ50mm×50mm×2mm、水に対する接触角71°)を静かに下ろして多孔質体Aを軽く挟むようにしてプラズマ処理ポリスチレン板面に接触させた。接触させたプラズマ処理ポリスチレン板をゆっくりと引き上げ、多孔質体Aをプラズマ処理ポリスチレン板側に保持させガラス板から離脱させた。多孔質体Aは重力方向から見てプラズマ処理ポリスチレン板が上側となり、且つプラズマ処理ポリスチレン板の重さが多孔質体Aに加わらない状態で気体中で静止させ、逆さまにした状態で37℃、湿度100%、5%CO条件下で100分間材料に細胞を接着させることで多孔質体Aに細胞を播種し組織再生材料を得た。
その後、骨分化用培養液で満たした50ml遠沈管に入れて37℃にて3日毎に培地を交換しながら2週間培養して骨組織再生用細胞移植体を作製することができた。
1 保持板
2 仮載置板
10 組織再生材料
11 多孔質体
12 細胞懸濁液

Claims (1)

  1. 接触角が水に対して15〜90°の樹脂板又はガラス板である保持板の面に、
    細胞密度が5×10〜1×10cell/mlの細胞懸濁液で満たされた、厚さが2〜100mm、孔径180〜3500μm、平均孔径350〜2000μmの連通した小孔構造を有し、気孔率が60〜95%、圧縮強度が0.05〜1MPaの生体吸収性高分子材料から成る多孔質体の底面を接触させ、
    その後、重力方向から見て前記保持板が前記多孔質体の上側となり、且つ前記保持板の重さが前記多孔質体に加わらない状態で気体中で静止させて細胞を播種する組織再生材料の作製方法。
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