www.CRTER.org李廣周，等. 低氧環境對骨代謝影響的研究與進展低氧環境對骨代謝影響的研究與進展李廣周1，吳 偉2(1重慶三峽學院體育與健康學院，重慶市 404100；2上海體育學院，上海市 200438)引用本文：李廣周，吳偉. 低氧環境對骨代謝影響的研究與進展J.中國組織工程研究，2016，20(33):4963-4969.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.33.014 ORCID: 0000-0001-9038-0542(吳偉)文章快速閱讀：低氧環境對骨代謝的影響以往的高原訓練主要以研究有氧耐力、心肺功能為主。少有涉及骨代謝方面的研究，文章主要闡述低氧環境對骨代謝的影響機制，為高原訓練提供一定的理論參考。文章著重闡述了低氧環境下，通過低氧誘導因子及成骨細胞和破骨細胞相關通路對骨代謝的影響。并且根據這些影響的規律，分析和評價在低氧環境下，運動訓練對骨代謝的作用。低氧環境會對機體的有氧運動能力、心血管系統、血液成分、免疫系統、神經內分泌系統、自由基抗氧化系統、酸堿平衡系統產生影響，對機體維持身體健康具有一定的促進作用。李廣周，男，1973年生，河南省淮陽縣人，漢族，碩士，副教授，主要從事運動康復的研究。通訊作者：吳偉，碩士，上海體育學院，上海市 200438 中圖分類號:R318文獻標識碼:A文章編號:2095-4344(2016)33-04963-07稿件接受：2016-06-04文題釋義：低氧：是指高原環境隨海拔增高, 形成大氣壓下降和其中的氧分壓降低, 即空氣中的氧含量低下, 導致吸入氣氧分壓下降而引起人體的低氧血癥。骨代謝：骨的功能是為肌肉收縮提供附著處及保護內臟等重要的生命器官。一般認為骨在細胞水平上是不活躍的，事實上骨的細胞在不停地進行著細胞代謝，不僅骨的細胞之間會相互作用，還存在骨髓中的紅細胞生成細胞、基質細胞相互作用，以進行骨的改建和重建。有兩種細胞在骨代謝中起著重要的作用，一種是吸收骨基質的破骨細胞，另一種是合成骨基質的成骨細胞。該兩者分布在骨膜、骨小梁及骨皮質處。在兩種細胞相互作用的部位被稱作為基本多細胞單位。在每一個基本多細胞單位，骨可因破骨細胞的吸收而消失，也能被重新合成骨的成骨細胞所取代。有些成骨細胞被摻合在骨基質中變成骨細胞。摘要背景：以往的研究中，在低氧刺激下機體的有氧運動能力、心血管系統、血液成分、免疫系統、神經內分泌系統、自由基抗氧化系統、酸堿平衡系統等都會產生影響，但目前低氧環境對于骨代謝的影響以及其相關機制的研究尚不明確。目的：從低氧誘導因子及成骨細胞和破骨細胞相關通路入手，詳細闡述低氧環境對骨代謝的影響，同時也分析和評價低氧環境下運動訓練對骨骼的影響，為高原訓練對骨吸收和骨形成提供一定理論依據。方法：應用計算機檢索中國學術期刊全文數據(CNKI)和PubMed數據庫中2000年1月至2015年9月關于低氧環境對骨代謝影響的文章，檢索詞為“低氧環境；低氧誘導因子；骨代謝；運動；高原訓練”；英文檢索詞為“hypoxia environment, hypoxia inducible factors, bone metabolism, exercise, altitude training”。初檢文獻233篇，根據納入標準保留46篇進行分析、綜述。結果與結論：低氧環境中對骨代謝的影響較復雜，主要通過低氧誘導因子及成骨細胞和破骨細胞相關通路的作用，隨著作用時間及氧濃度不同作用不同；目前發現低氧誘導因子對骨骼影響主要以低氧誘導因子1為主。一方面低氧誘導因子1可以通過血管內皮生長因子而促進骨骼生長，另一方面也可以直接作用于成骨細胞和破骨細胞；低氧環境下低氧誘導因子1主要是通過酸化作用刺激破骨細胞，而增加骨吸收能力；不同的骨代謝相關信號通路在低氧環境下被激活的程度不一，成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收平衡隨之發生改變。高原訓練可能會對骨代謝產生不利影響，要控制好高原的海拔，訓練的周期及強度。 關鍵詞：組織構建；骨組織工程；低氧環境；低氧誘導因子；骨代謝；運動；高原訓練主題詞：低氧；缺氧誘導因子1；代謝；運動醫學；成骨細胞；組織工程 3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Research progress in bone metabolism in the hypoxic environmentLi Guang-zhou1, Wu Wei2 (1School of Sports and Health, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China)AbstractBACKGROUND: It has been reported that human aerobic endurance, cardiovascular system, blood constituent, immune system, neuroendocrine system, free radical antioxidant system, and acid-base balance system can be influenced under hypoxic conditions. However, very little is known regarding bone metabolism under hypoxic conditions and the underlying mechanisms. OBJECTIVE: To summarize the effects of hypoxic conditions on bone metabolism from the views of hypoxia inducible factors, osteblasts and osteoclasts, and the effects of exercise training under hypoxic conditions on the skeleton, contributing to understanding the theoretical advantages and disadvantages of altitude training.METHODS: A computer-based online search was conducted in CNKI and PubMed databases from January 2000 to September 2015 using the keywords “hypoxia environment, hypoxia inducible factors, bone metabolism, exercise, altitude training” to screen the relevant English and Chinese literatures. A total of 233 literatures were screened and finally 46 eligible literatures were included. RESLUTS AND CONCLUSION: The effects of hypoxic conditions on bone metabolism are complex, which are mainly linked to hypoxia inducible factors, osteblasts and osteoclasts. Hypoxia-inducible factor 1 is considered to influence the skeleton by promoting the bone growth induced by vascular endothelial growth factor and directly affecting the osteblasts and osteoclasts. Additionally, hypoxia-inducible factor 1 has been shown to enhance osteoclast-mediated bone resorption. The balance between osteoblast-mediated bone formation and osteoclast-mediated bone resorption is disturbed under hypoxic conditions. We need to pay attention to the training period and intensity at altitude because altitude training may not benefit the bone metabolism.Subject headings: Anoxia; Hypoxia-Inducible Factor 1; Metabolism; Sports Medicine; Osteoblasts; Tissue EngineeringCite this article: Li GZ, Wu W. Research progress in bone metabolism in the hypoxic environment. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(33):4963-4969.1ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction Li Guang-zhou, Master, Associate professor, School of Sports and Health, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, ChinaCorresponding author: Wu Wei, Master, Investigator, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China低氧環境是指相對于海平面高度常氧環境大氣壓為1個標準大氣壓即101.08 kPa，氧含量為20.9%，氧分壓為21.28 kPa)而言氧分壓較低的一種環境，包括自然高海拔低氧環境和人工低氧環境。在低氧刺激下，機體的有氧運動能力、心血管系統、血液成分、免疫系統、神經內分泌系統、自由基抗氧化系統、酸堿平衡系統等都會產生影響。適當的海拔高度可以調節人體的潛在機能，有助于人類身體健康。目前低氧環境對于骨吸收和骨形成的影響以及其相關機制的研究尚不明確，骨骼系統對于機體維持健康也是非常重要的一部分，因此文章主要針對低氧環境下骨吸收和骨形成的表型及相關因子直接和間接對骨代謝影響的機制進行具體闡述。同時，在低氧環境下，對運動訓練進行分析和評價。為高原訓練提供一定的理論參考。1 資料和方法 Data and methods1.1 資料來源 應用計算機檢索CNKL數據庫(http:/ /)；PubMed數據庫(/)的相關文獻。檢索時間為2000年1月至2015年9月。中文檢索詞為“低氧環境；低氧誘導因子；骨代謝；運動；高原訓練”；英文檢索詞為“hypoxia environment, hypoxia inducible factors，bone metabolism, exercise，altitude training”。共檢索到233篇。1.2 檢索方法納入標準：具有原創性，論點論據可靠的文章。針對性強，相關度高的文章。發表在國內外專業內權威雜志。排除標準：論文陳舊、缺乏創新的重復性研究。質量評估：文獻篩選和質量評價由作者獨立進行并核對，通過閱讀題名和摘要，排除與研究目的、內容不相關及研究重復的文章123篇，對其余111篇查找全文，其中英文文獻50篇，中文文獻61篇，最后保留與納入標準完全符合的46篇文章進行整理分析。文獻檢索流程圖見圖1。2 結果 Results2.1 低氧環境下低氧誘導因子對骨骼的影響 低氧誘導因子是迄今為止發現的組織細胞在低氧狀態下誘符合篩選標準累計111篇否是符合標準46篇閱讀全文排除文獻0篇納入分析文獻共46篇檢索數據庫：Pubmed；檢索詞：hypoxia environment，hypoxia inducible factors，bone metabolism，exercise，altitude training檢索數據庫：萬方數據庫； 檢索詞：低氧環境；低氧誘導因子；骨代謝；運動通過題目及摘要確認是否與低氧環境對骨代謝的影響有關圖1 文獻檢索流程圖生的最直接或唯一的調控因子，包括3種亞型低氧誘導因子1、低氧誘導因子2和低氧誘導因子31。低氧誘導因子1主要在骨髓和肝臟內表達，低氧誘導因子2主要在肺、心及腎臟內表達，低氧誘導因子3的調控作用主要集中在肺發育、脂肪細胞分化、耐力及腦膜瘤等中2-5。研究表明，低氧誘導因子2在成骨細胞分化中發揮負調控作用，抑制低氧誘導因子2將有利于低氧誘導因子1的表達水平6-7。目前發現低氧誘導因子對骨骼影響主要以低氧誘導因子1為主。2.1.1 低氧誘導因子1通過血管內皮生長因子作用于骨骼 低氧誘導因子1是有低氧誘導因子1和低氧誘導因子1組成的異源二聚體8，低氧環境可以促進低氧誘導因子1的生成。在骨發育過程中，低氧誘導因子1具有明顯的促進血管生成及骨骼發育的作用。組織局部的缺氧是激活低氧誘導因子1的一個重要誘因，低氧誘導因子1可以調控血管內皮生長因子，血管內皮生長因子起到募集血管并使之侵入軟骨的作用。Gerber等9研究發現，一旦激活低氧誘導因子1通路，可以造成血管內皮生長因子和其他血管生成因子的過量合成、分泌，從而刺激長骨的血管生成。其主要過程為缺氧時低氧誘導因子1先聚集，促進血管內皮生長因子的轉錄和表達，從而刺激大量相關血管生成因子的合成與分泌，而且血管內皮生長因子作用于血管內皮細胞表面的血管內皮生長因子受體，從而激活一系列的缺血轉錄通路，誘導新生血管生成。在軟骨內成骨的過程中，肥大軟骨細胞表達血管內皮生長因子的增加以及軟骨膜周圍血管內皮生長因子受體表達的增加導致血管侵入到軟骨中，從而完成軟骨化骨過程。當低氧誘導因子1基因被移除后，小鼠在軟骨內成骨過程中血管內皮生長因子表達減少，新骨形成速度減慢，鈣元素含量和骨小梁面積減少10。朱勛兵等11研究發現，在低氧環境下小鼠椎體發育伴有低氧誘導因子1mRNA及蛋白量的增加及其下游基因血管內皮生長因子表達的增加。這一結果提示，低氧環境能夠促進骨組織內血管生成，促進骨骼生長(見圖2，3)。圖2 C57BL6小鼠胚胎孕齡10.5 d(E10.5)解剖鏡下見脊椎輪廓(60)11圖3 C57BL6小鼠胚胎孕齡10.5 d (E10.5)椎體組織切片呈甲苯胺藍深染色，提示含豐富的甲苯胺藍異染性蛋白多糖基質成分(200)11血管內皮生長因子的細胞合成不僅受到低氧因素的誘導還受到其他信號通路的影響，如前列腺素 E1/E2、轉化生長因子、骨形態發生蛋白、成纖維細胞生長因子2、類胰島素生長因子1、內皮素1和維生素D3，而這些蛋白因子也均受到低氧誘導因子1通路的調控或影響。2.1.2 低氧誘導因子1直接作用于骨骼 一方面低氧誘導因子1可以通過血管內皮生長因子而促進骨骼生長，另一方面也可以直接作用于成骨細胞和破骨細胞。但是對于低氧誘導因子1對于成骨細胞和破骨細胞的作用，研究結果卻不一而論。低氧壞境對成骨細胞的作用：低氧抑制成骨細胞的生成與分化。持續12 h低氧使低氧誘導因子1中的下游基因Twist表達上調，抑制了Runx2下游靶基因的表達。Runx2是成骨細胞生成的一個主控基因，阻礙了骨髓間充質干細胞向成骨的分化，不利于成骨細胞的生成，此外，當氧濃度過低時(1% O2)也不利于成骨細胞的生成12。成骨細胞是由具有多向分化潛能的間充質干細胞在特定轉錄因子誘導下分化而來的，低氧直接抑制了間充質干細胞的生成13。成骨細胞在低氧條件下(1% O2)培養36 h后，成骨細胞增殖細胞核抗原(PCNA，osteoblast pcna)的表達明顯下降。低氧使低氧誘導因子1穩定表達，明顯抑制成骨細胞線粒體活性細胞增殖和骨鈣素及成骨細胞表達骨保護素(osteoprotegerin，OPG)的表達。低氧的影響主要發生在成骨細胞分化的早期階段，此階段低氧可使成骨細胞處于過早分化狀態，無法為基質的成熟和礦化提供正確信號14。低氧能夠促進成骨細胞的生成與分化。血管生成和骨形成在骨骼發育和骨折愈合中相互關聯，血管內皮生長因子的表達能夠促進成骨細胞的生成。成骨細胞在低氧處理3 h后，轉化生長因子1表達成倍增加，低氧9 h后血管內皮生長因子表達到達最高峰，隨低氧時間延長，轉化生長因子1和血管內皮生長因子表達下降。短期低氧可能促進成骨細胞早期增殖及分化，長期低氧則可能抑制成骨細胞的增殖及分化15。此外，隨著氧分壓的降低，可以增強Runx2、骨形態發生蛋白2 mRNA和蛋白的表達，促進成骨細胞的生成16。也學者認為，低氧時低氧誘導因子1激活經典的Wnt/-catenin通路，從而促進成骨細胞生長和分化17。Tseng等18研究發現，短期低氧能夠通過低氧誘導因子1，整合素連接激酶(ILK)、蛋白激酶B(Akt)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)途徑誘導成骨細胞骨形態發生蛋白2的表達，促進成骨細胞分化。低氧環境對破骨細胞的作用：目前有關低氧誘導因子1對破骨細胞的直接作用的研究還比較少，且未見明顯作用。Wang等19研究發現，低氧誘導因子1與低氧誘導因子2的高表達并沒有影響破骨細胞的數量與活性。在低氧條件下，誘導RANKL/骨保護素通路的比例發生變化時，骨保護素的表達量升高，骨吸收的活性在下降20，破骨細胞的數量與活性也明顯被抑制。此外，Yao等21研究發現，血管內皮生長因子也不能單獨促進破骨細胞的形成與分化。低氧環境下低氧誘導因子1主要是通過酸化作用刺激破骨細胞，而增加骨吸收能力。研究發現，低氧增加破骨細胞的生成與破骨細胞的分化階段無關，而只是取決于低氧的持續時間。低氧時無氧代謝增加，酸性代謝產物積聚，可引起局部微環境輕度酸化，而破骨細胞的激活正是依賴于細胞外酸化22。常氧下(20%O2)培養破骨細胞形成，逐漸降低時，破骨細胞的數量、體積和骨吸收能力增加，最大的效應發生在2%O2時23。有關低氧誘導因子對骨骼影響機制十分復雜，研究結果也不盡相同。不同的氧濃度下，低氧誘導因子對成骨細胞、破骨細胞的作用不一；在低氧環境下，成骨細胞及破骨細胞受到其他多種因素，如酸堿度、滲透壓等；低氧誘導因子通過不同的通路及因子對骨骼的影響也不同。2.2 低氧環境對骨代謝相關通路及其靶點的影響 在低氧環境下，骨代謝相關通路也有所改變。MAPK信號轉導途徑在成骨細胞分化過程中發揮著重要的作用，研究發現，在MAPK家族中，ERK、p38和JNK都參與了成骨細胞的分化。ERK1/2信號通路誘導Cbfa-1和ALP的表達，也可使基質礦化增強、向成骨方向分化速率加快24。此外，Minet等25研究發現，MAPK信號轉導途徑可以提高低氧誘導因子1的轉錄活性，其原因是低氧誘導因子1/低氧誘導因子2在低氧狀態下的調控都需要MAPK p42/44或PI3K的存在。Wnt信號通路又稱Wnt/-catenin，是骨發育過程中一條經典的通路，其對成骨細胞的作用廣泛且復雜，既可以促進又可以抑制，主要取決于個體發育所處的時期26。當穩定表達Wnt1和Wnt3時，可以誘導ALP的活性，促進成骨細胞的早期階段分化，同時Wnt1和Wnt10可以抑制脂肪細胞分化，促進其向成骨細胞分化27。而Wnt5介導的Wnt/Ca2+信號通路可以調節破骨細胞的分化與功能活性28。離體細胞實驗中，發現低氧誘導增強Wnt信號通路，而缺氧條件下，則抑制Wnt信號通路。因此，推測不同的低氧濃度對于Wnt信號通路影響較大。轉化生長因子/骨形態發生蛋白信號通路在細胞增殖、分化和細胞基質形成方面也發揮著比較廣泛而重要的功能，并且MAPK和Wnt信號可以對其進行調控29。Kale等30發現，轉化生長因子1能引起細胞積聚，刺激成骨生成，并提高ALP、I型膠原及骨鈣素的活性，而轉化生長因子3則會顯著降低ALP的表達。造成這種結果，可能是與轉化生長因子/骨形態發生蛋白信號通路被激活的程度及時間有關。RANKL/RANK/OPG信號通路在成骨細胞及破骨細胞的通訊中起著關鍵的作用，成骨細胞通過改變骨保護素和RANKL的合成，從而間接調節破骨細胞的分化和成熟。RANK結合RANKL能夠促進破骨細胞的分化及成熟，但在這個過程中，骨保護素作為一種誘餌受體，可以阻斷RANK和RANKL的結合，骨吸收和骨形成達到平衡的關鍵就在于RANKL/OPG的比值31。Yang等20研究發現，在低氧條件下，RANKL/RANK/OPG信號通路能夠促進成骨細胞的生成，對破骨細胞則沒有影響。原因可能是低氧環境誘導了骨保護素的水平增加，從而阻斷了RANK和RANKL的結合，抑制了破骨細胞的分化和成熟。Notch信號對骨的發育及骨細胞的活性很重要，調節成骨細胞和破骨細胞的分化和功能，它的作用與細胞環境相關，不同的氧濃度對Notch信號通路的影響不同32-34。當Notch信號通路被激活時，初始階段主要由Notch1促進成骨細胞的分化及成熟，到了后期主要由Notch2提高了破骨細胞的活性。Hilton等35的研究表明，在骨髓間充質干細胞中當Notch信號通路被激活時，8周時會出現骨量增加，但在26周時變異組的骨量減少到對照組的10%。不同的骨代謝相關信號通路在低氧環境下被激活的程度不一，成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收平衡隨之發生改變，隨著時間的持續，對骨生長及重建的效果也不一。2.3 低氧環境下運動訓練對骨骼的影響 首先，運動訓練對骨代謝的影響是顯而易見的。研究顯示，鈣、激素和維生素D等在骨代謝方面只是具有3%-10%的作用。而更多的則是力學的應力，達到了40%以上36。適宜的運動強度對一些骨生化指標，如鈣、鎂、磷及堿性磷酸酶、甲狀旁腺激素等有一定的影響，能夠促進骨密度的增大、骨量的累積，促進骨的形成37-41。此外，不同的運動項目對骨代謝的影響也不盡相同。由于不同運動項目對于人體骨骼系統的應力作用不同，導致運動項目與骨密度和骨量累積的選擇性有一定差異。一般認為，籃球、足球、網球等沖擊力較大的運動項目要比行走等沖擊力小的運動項目更有效地增加骨密度和累計骨量；陸地上的運動項目要比水中的運動項目更有利于骨密度的增加和骨量的累積42-44。較低的運動強度對骨代謝的影響是基本上沒有促進的作用，過大的強度或過度的運動則會對骨代謝造成不利的影響，可以導致骨量的流失，甚至疲勞性骨折等問題。尤其對于女性運動員，研究發現，過度的運動導致年輕女性運動員雌激素缺乏，致使骨量流失，在閉經期的女性運動員，如果過度運動，其骨折的發生率會明顯增加45。在低氧環境下，對骨生長及骨重建的影響本身就比較復雜，骨生長及重建在低氧環境中持續的時間和不同的氧濃度條件下，表型不一。此外，低氧環境下，是否會與運動訓練對骨代謝影響的一些骨生化指標和機制產生矛盾。比如，在缺氧的情況下，機體的血鈣水平會下降，且隨著缺氧程度的增加而下降的更加明顯。因此，在低氧環境下進行運動訓練，可能會導致骨量流失，不利于骨生長發育。張紅品等46在研究中，就提出高原訓練模式對少兒骨骼發育不利的說法。在低氧環境下，目前的研究主要都是通過低氧誘導因子、與成骨細胞和破骨細胞相關信號通路對骨骼產生影響。短期內，低氧誘導因子1能夠促進成骨細胞的分化，隨著時間慢慢增長，這種作用將逐漸減少，長期低氧誘導因子1則會抑制成骨細胞的分化。長期低氧環境中，低氧誘導因子1對破骨細胞作用不明顯，主要通過酸化作用能刺激破骨細胞，促進骨吸收。相關信號通路在低氧環境下被激活后也主要是與其作用時間及氧濃度有關，其作用也不一。因此，根據低氧環境中低氧誘導因子及相關信號通路對成骨細胞及破骨細胞影響中推測：低氧環境下訓練在剛開始階段能夠促進骨的生長及骨量的累積，在持續低氧環境中，訓練時間增長會不利于骨的生長及骨量的累積，到后期抑制骨的生長及骨量的累積，導致骨發育遲緩或者骨質疏松等骨疾病。當氧濃度慢慢下降，降至某個臨界值的時候，對骨的生長及骨量累積也都將產生不利影響。此過程的運動訓練對骨代謝的影響存在諸多不可知的因素，運動訓練本身要求要有適宜的強度，并且不能過度訓練。假設在低氧環境下，一旦出現強度過大或者過度訓練，是否會對運動員的骨代謝造成雙重的不利影響。對于女性運動員，在閉經期是否可以進行低氧環境下的運動訓練。低氧環境下對骨代謝的影響和運動訓練對骨代謝的影響，它們之間組合對骨代謝又將會產生何種影響。此外，低氧環境是否會對機體酸堿度、滲透壓等水平產生影響，從而影響到骨生長及骨量的累積。3 小結 Conclusion 低氧環境中對骨代謝的影響較復雜，主要通過低氧誘導因子及成骨細胞和破骨細胞相關通路的作用，隨著作用時間及氧濃度不同作用不同。因此在高原訓練中，高原的海拔、訓練的周期和訓練的強度將會影響到運動員的骨生長及骨量累積。高原訓練對骨骼是否有影響，造成骨骼發育遲緩及骨質疏松等問題，有必要做系統評價和Meta分析進行定性定量的比較。 作者貢獻：文章資料收集、成文均由文章作者完成，通訊作者審校。利益沖突：所有作者共同認可文章無相關利益沖突。倫理問題：沒有與相關倫理道德沖突的內容。文章查重：文章出版前已經過CNKI反剽竊文獻檢測系統進行3次查重。文章外審：文章經國內小同行外審專家雙盲審核，符合本刊發稿宗旨。作者聲明：第一作者對研究和撰寫的論文中出現的不端行為承擔責任。論文中涉及的原始圖片、數據(包括計算機數據庫)記錄及樣本已按照有關規定保存、分享和銷毀，可接受核查。文章版權：文章出版前雜志已與全體作者授權人簽署了版權相關協議。4 參考文獻 References 1 Semenza GL.Oxygen homeostasis. 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