Wachsende Herzzellen nur für dich

Als ich in Madison, Wisconsin, durch ein Mikroskop spähte, beobachtete ich, wie meine Herzzellen in einer Petrischale schlugen. Sie sahen aus wie glühende rote Garnelen ohne Schwänze, sie pulsierten und bewegten sich sehr langsam aufeinander zu. Für mehrere Stunden, so wurde mir gesagt, würden diese Kardiomyozyten zu Klumpen verschmelzen und versuchen, ein Herz zu bilden. Neben mir standen Wissenschaftler, die Experimente durchgeführt hatten, von denen sie hofften, dass sie zeigen würden, ob meine Herzzellen gesund sind, ob sie ungewöhnlich empfindlich auf Medikamente reagieren und ob sie übermäßig gestresst sind, wenn ich eine Treppe hochgehe.

Es schneite vor den Fenstern des Büroparks von Cellular Dynamics International (CDI), wo ich eine intime Demonstration beobachtete, wie sich Stammzelltechnologien eines Tages mit persönlicher Genomik und persönlicher Medizin verbinden könnten. Ich war der erste Journalist, der Experimente durchführte, um zu sehen, ob der vier Jahre alte Prozess, der induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) erzeugt, Einblicke in die Funktion und das Schicksal der Herzzellen eines gesunden Menschen geben kann. Ähnliche Tests könnten an im Labor gezüchteten Gehirn- und Leberzellen oder schließlich an einem der mehr als 200 beim Menschen vorkommenden Zelltypen durchgeführt werden. Dies ist der nächste Schritt in der personalisierten Medizin: Medikamente und andere Faktoren an verschiedenen Zelltypen testen zu können, sagte Chris Parker, Chief Commercial Officer von CDI, und blickte mir über die Schulter.



Innovatoren unter 35 | 2011

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 2011

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CDI-Wissenschaftler haben das kleine Stück meines Herzens geschaffen, indem sie Zellen aus meinem Blut entnommen und so umprogrammiert haben, dass sie in einen pluripotenten Zustand zurückversetzt wurden, was bedeutet, dass sie zu jedem Zelltyp im Körper heranwachsen können. Die Wissenschaft, die dies ermöglicht, stammt aus dem Labor des CDI-Mitbegründers und Stammzell-Pioniers James Thomson von der University of Wisconsin, dem Leiter eines von zwei Teams, die 2007 den iPS-Zell-Prozess entdeckten. (Die anderen Bemühungen wurden geleitet von Shinya Yamanaka von der Universität Kyoto.) Die Ergebnisse ähneln denen der speziellen Zellen, die einige Tage nach der Befruchtung in Embryonen erscheinen.

Seit Ende 2008 stellt das Unternehmen Kardiomyozyten her und verschickt die gefrorenen Zellen auf Trockeneis an akademische Wissenschaftler, um zu untersuchen, wie diese Zellen funktionieren, und an Forscher in der pharmazeutischen Industrie, um sie in frühen Tests von Medikamentenkandidaten zu verwenden. Ein wichtiger Grund für die Verwendung der Zellen besteht darin, dass sie aufdecken könnten, ob Medikamente für das Herz toxisch sind – Informationen, die bei anderen Arten von Tests übersehen werden können. Mehrere Medikamente mit kardiotoxischen Profilen haben es auf den Markt geschafft, und das ist inakzeptabel, sagt Parker. Er sagt, dass die aus iPS-Zellen gewonnenen Kardiomyozyten eine enorme Verbesserung gegenüber den Leichenzellen darstellen, die manchmal verwendet werden, um potenzielle Wirkstoffe zu testen. Im Gegensatz zu den Leichenzellen schlagen IPS-generierte Zellen realistisch und können in großen Mengen auf Abruf geliefert werden. Darüber hinaus können iPS-generierte Zellen die gleiche genetische Ausstattung aufweisen wie die Patienten, von denen sie stammen, was ein großer Vorteil bei der individuellen Anpassung von Medikamenten und Behandlungen ist. Diese maßgefertigten Zellen sind jedoch nicht billig. Laut Robert Palay, CEO von Cellular Dynamics, kostet ein Standardfläschchen mit 1,5 Millionen Zellen etwa 1.500 US-Dollar.

Eine besonders sensationelle Aussicht ist, dass Patienten iPS-Zellen transplantiert werden könnten, um erkrankte oder beschädigte Wirbelsäulen, Gehirne, Herzen oder anderes Gewebe zu regenerieren – ein Vorschlag, der besonders verlockend ist, da diese Zellen vom Körper des Wirts nicht abgestoßen würden. Sie könnten auch die politische Kontroverse um embryonale Stammzellen entschärfen, denn sie könnten eines Tages die Gewinnung pluripotenter Zellen ermöglichen, ohne einen menschlichen Embryo zu zerstören.

Die Transplantation ist jedoch für die meisten Gewebetypen noch Jahre entfernt, sagt Alexander Meissner, Stammzellforscher der Harvard University. Es sei nicht trivial, Hirngewebe zu regenerieren, sagt er. Das wird länger dauern, als die Leute denken. Thomson stimmt zu. Das Gerede über Transplantationen sei eine Art irrationaler Überschwang gewesen, sagt er. Der Prozess der Gewebeneubildung mit iPS-Zellen birgt noch gewisse Gefahren: Manche Zelllinien tragen beispielsweise Mutationen, die zu Krebs führen könnten, und in manchen Fällen behalten Zellen ein schwaches chemisches Gedächtnis ihrer früheren Identität als Haut- oder Blutzellen.

Thomson hält dies für vorübergehende Rückschläge. Wir haben seit langem eine Knochenmarktransplantation, bei der es sich im Wesentlichen um Stammzellen handelt, sagt er. Und derzeit wird daran gearbeitet, iPS-Zellen zur Reparatur der Makuladegeneration einzusetzen. Aber die Reparatur von Nervenschäden in einer Wirbelsäule ist viel schwieriger. Andere teilen seinen vorsichtigen Optimismus. Praktisch alles an iPS-Zellen wird überbewertet, sagt Chris Austin, Direktor des Chemical Genomics Center an den National Institutes of Health. Aber um Medikamentenkandidaten zu testen, halte ich die Möglichkeiten für beträchtlich, und wir und viele andere verfolgen dies. Es gibt viele Probleme. Sind iPS-Zellen wirklich normal? Wie bekommt man genug reine differenzierte Zellen? Aber das Potenzial ist definitiv vorhanden.

Hell scheinen: Eine Schicht der Herzzellen des Autors sieht unter dem Mikroskop wie ein chaotischer Klumpen aus.

An der Wissenschaft festhalten
Ich besuchte James Thomson zum ersten Mal an einem anderen verschneiten, kalten Tag in Wisconsin im Jahr 2008, einige Wochen nach der Veröffentlichung seines Artikels, in dem iPS-Zellen aus menschlichen Zellen angekündigt wurden. Ein schäbiger, geradliniger Mann in einem lässigen Pullover und verbeulten Dockers saß er in einem kleinen Büro, das mit tropischen Fischen, Farnen und einer antiken Dartscheibe geschmückt war, und diskutierte über seine ursprüngliche Entdeckung menschlicher embryonaler Stammzellen im Jahr 1998. Sein Arbeitsset Proteststurm: Gegner argumentierten, dass die Zerstörung eines menschlichen Embryos zur Gewinnung seiner Stammzellen einem Mord gleichkommt. Präsident George W. Bush hat 2001 die meisten Bundesmittel für die Forschung an embryonalen Stammzellen eingeschränkt, und Kritiker haben Thomson weiterhin verleumdet, obwohl er versucht, sich zurückzuhalten. Ich rede nicht viel darüber, sagte er. Ich bleibe bei der Wissenschaft.

Die Entwicklung von iPS-Zellen im Jahr 2007 schien eine elegante Buchstütze für die Ergebnisse von 1998 zu sein, denn sie bot einen neuen Weg zur Herstellung von Stammzellen, die sich in jeden Zelltyp differenzieren können – einen, der sogar besser sein könnte, weil die Zellen genetisch identisch mit den Zellen wären Patienten selbst. Es sei eine Erleichterung, dass wir eine Lösung für diese politische und ethische Situation finden könnten, sagte Thomson. Der Durchbruch kam jedoch überraschend. Wir wussten, dass der iPS-Prozess eine Möglichkeit ist, sagte er, aber als wir anfingen, war ich mir sicher, dass es mindestens 10 Jahre dauern würde. Thomson und ein Postdoc aus Wisconsin, Junying Yu, machten sich daran, iPS-Zellen zu erzeugen, indem sie Hautzellen mit Regulatorgenen modifizierten, die normalerweise nur in Embryonen vorkommen. Die Methode, sagte er, überraschte alle, indem sie funktionierte.

Thomson war 2007 Mitbegründer von CDI, ungefähr zur gleichen Zeit, als mehrere andere Koryphäen von Stammzellen an iPS-Zell-Unternehmen beteiligt wurden. Diese Möchtegern-Konkurrenten konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Entwicklung von Therapeutika. Sie verwenden iPS-Zellen, um Wirkstoffkandidaten zu identifizieren und zu entwickeln und Prozesse zu entwerfen, die eines Tages zu einer Transplantation führen könnten. Bisher hat CDI keine ernsthaften Konkurrenten auf dem Markt, die iPS-generierte Zellen in großen Mengen für die Forschung und das Wirkstoff-Screening verkaufen. Dies liegt zum Teil daran, dass Thomson und sein wissenschaftliches Team länger daran arbeiten, die Schwierigkeiten bei der Industrialisierung der Technologie zu überwinden. Es sei schwierig, iPS-Zellen herzustellen, die in großen Mengen funktionsfähig sind, sagt Meissner von Harvard.

Das in Privatbesitz befindliche Unternehmen hat seine Leistung nicht detailliert beschrieben, aber sein CEO sagte einer Lokalzeitung, dass CDI mehrere Millionen Einnahmen aus dem Verkauf seiner Herzzellen an etwa 40 Kunden erzielt, darunter die meisten großen Pharmaunternehmen. Im nächsten Jahr plant das Unternehmen die Einführung von iPS-generierten Leber-, Gehirn- und Blutzellen.

Dies ist ein Wendepunkt, sagt die Stammzellbiologin Sandra Engle, eine leitende Wissenschaftlerin bei Pfizer, die CDI-Zellen verwendet hat. Vor CDI waren diese Zellen sehr schwer zu bekommen, und wir bekamen nur winzige Mengen. Dies funktioniert nicht für Hochdurchsatztests für Medikamente. Für Kyle Kolaja, Global Head of Predictive Toxology Screens and Emerging Technologies bei Roche, besteht der Vorteil der CDI-Zellen darin, dass sie sich wie echte Zellen verhalten. Sie haben bereits einen großen Einfluss auf die Arzneimittelsicherheit und -entwicklung, sagt er. Sie haben bereits verändert, was wir tun.

Zelluläre Hinweise
Obwohl Unternehmen wie Roche und Pfizer derzeit iPS-Zellen verwenden, um potenzielle Therapeutika auf Toxizität und andere Eigenschaften zu untersuchen, könnten eines Tages iPS-basierte Tests an einzelnen Patienten durchgeführt werden, um festzustellen, ob sie einem besonderen Risiko für Nebenwirkungen ausgesetzt sind. Euan Ashley, ein Kardiologe an der Stanford University, versucht mithilfe von iPS-Zellen bei der Diagnose und Behandlung eines 16-jährigen Jungen mit frühen Symptomen einer dilatativen Kardiomyopathie, einer potenziell tödlichen Krankheit, bei der das Herz anschwillt und schwächt. Dies ist die Art von schwerer genetischer Krankheit, die durch Familien geht, von der wir glauben, dass sie von iPS-Technologien und Genomik profitieren können, sagt Ashley. Er hat die DNA des Jungen auf verräterische genetische Marker im Zusammenhang mit der Krankheit untersucht und seinen Bruder und seine Eltern getestet, um zu sehen, ob sie auch die Marker tragen. Das Team von Stanford plant, iPS-Zellen zu erzeugen, indem es Hautzellen aus der Familie umprogrammiert und sie dann dazu bringt, sich in Kardiomyozyten mit den charakteristischen genetischen Variationen zu differenzieren. Durch das Studium der Biochemie dieser Herzzellen erhoffen sich die Wissenschaftler Hinweise darauf, wie sie auf verschiedene Wirkstoffkandidaten reagieren könnten.

Wir werden die iPS-Zellen verwenden, um die Unterschiede zwischen diesem Kind und anderen mit und ohne Krankheit zu überprüfen, sagt Ashley, und um zu testen, welche Medikamente für den Jungen und andere betroffene Familienmitglieder am besten wirken. Ashley sagt, ein Ziel sei es, Tests zu entwickeln, um festzustellen, wie sich die genetischen Variationen tatsächlich auf die Zellen auswirken. Die Bedeutung genetischer Faktoren werde sich in diesen Zellen widerspiegeln, sagt er.

Kaltherzig: Proben der Zellen des Autors werden in Schalen unter kryogenen Bedingungen gelagert.

Auch andere Kliniker und Labore verwenden iPS-Zellen in Experimenten, die Aufschluss über Krankheiten geben sollen. Forscher des Salk-Instituts untersuchen beispielsweise iPS-abgeleitete Neuronen von Menschen mit Schizophrenie, um herauszufinden, wie sie sich von normalen Neuronen unterscheiden, und sie werden untersuchen, was passiert, wenn die Zellen antipsychotischen Medikamenten ausgesetzt werden. Am NIH untersucht eine Gruppe iPS-generierte Zellen von Patienten mit einer tödlichen genetischen Störung, die als Niemann-Pick-Krankheit Typ C bekannt ist. Andere Forscher haben vorgeschlagen, iPS-generierte Zellen zu verwenden, um die Wirkung toxischer Chemikalien wie Quecksilber und Pestizide zu testen.

Die Hoffnung, so die Forscher, besteht darin, eine Bibliothek von iPS-Zelllinien von Menschen zu erstellen, die spezifische Symptome oder Verhaltensweisen im Zusammenhang mit einer bestimmten Krankheit aufweisen. Roche hat mit dem Massachusetts General Hospital in Boston ein Programm gestartet, um Zelllinien zu entwickeln, die verschiedene Arten von Herzerkrankungen widerspiegeln; die ergebnisse könnten dem unternehmen bei der entwicklung von medikamenten helfen. In diesem Sommer gaben das CDI und das Medical College of Wisconsin einen Zuschuss des NIH in Höhe von 6,3 Millionen US-Dollar bekannt, um iPS-generierte Herzzellen von 250 Patienten mit linksventrikulärer Hypertrophie herzustellen, einer Erkrankung, die Bluthochdruck verursacht und das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöht.

Wissenschaftler sind noch weit davon entfernt, iPS-Zellen routinemäßig zur Diagnose von Krankheiten einzusetzen oder individuelle Prognosen anzubieten. Austin vom NIH warnt davor, dass einzelne Zellen nur einen Teil der Geschichte dessen erzählen, was im dynamischen System des menschlichen Körpers passiert. In einigen Fällen haben Sie keine Zelle, die Ihnen eine echte Antwort auf eine Krankheit wie Depression geben kann, sagt er. Welchen Zelltyp verwendest du dafür?

Mein Mambo
Ich startete meine eigene iPS-Reise in einer kleinen Quest Diagnostics-Klinik in einer grünen Straße in San Francisco. Der Phlebotomist wickelte einen Gummischlauch um meinen Arm und steckte eine Nadel hinein, um mehrere Fläschchen mit Blut zu entnehmen, die auf Eis nach Madison geschickt werden sollten. Als sie beim CDI ankamen, knackten die Techniker meine weißen Blutkörperchen und verwendeten ein biotechnologisch hergestelltes Retrovirus, um Master-Transkriptionsgene in ihre DNA einzuführen. Diese Gene reprogrammierten die Zellen so, dass bei ihrer Replikation eher pluripotente Zellen als mehr weiße Blutkörperchen resultierten. Ihre Umwandlung in funktionierende iPS-Zellen erforderte mehrere Monate des Überredens, Reinigens und Verifizierens, die etwa 15.000 US-Dollar kosteten, die das Unternehmen in meinem Namen bezahlte. Als meine pluripotente Zelllinie vor sich hin summte, veränderten die Wissenschaftler des CDI einige Zellen, um sie in drei Arten von Herzzellen zu differenzieren – die ich zum ersten Mal in einem Videoclip, den sie mir per E-Mail zuschickten, pulsieren sah.

In Madison, fast ein Jahr nachdem ich mein Blut aufgegeben hatte, war ich nur ein bisschen ängstlich, als ich auf meine schlagenden Herzzellen starrte. Ich wollte mir einen Überblick über die Experimente verschaffen, die CDI durchgeführt hatte, um zu demonstrieren, was diese kleinen Bündel aus biotechnologisch hergestelltem Zytoplasma und Zellkernen über meine Gesundheit und meine Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Medikamenten aussagen könnten.

Chris Parker und der Produktmanager des Unternehmens für Kardiomyozyten, Blake Anson, führten mich durch eine Reihe von Bewertungen, die mit Tests begannen, um sicherzustellen, dass diese Zellen immer noch Sie sind, sagte Parker. Sie zeigten mir ein Dia der 23 gepaarten Chromosomen aus meiner ursprünglichen Blutprobe und verglichen es mit einem Dia, das die Chromosomen aus den Kardiomyozyten zeigt. Sie hatten auch einen einfachen genetischen Vergleich mit 16 DNA-Markern durchgeführt, einen von den Strafverfolgungsbehörden verwendeten Test, der eine schnelle und relativ kostengünstige Möglichkeit bietet, festzustellen, ob zwei Proben übereinstimmen. Als meine hergestellten Zellen die Musterung bestanden hatten, gingen die Wissenschaftler zu Schritt zwei über: zu sehen, ob sie sich wie echte Kardiomyozyten verhalten.

Zuerst beschwammen sie die Zellen mit Elektrizität, um die Dauer der Aktionspotentiale zu überprüfen – die elektrischen Impulse, die die Herzkontraktionen antreiben. Dann maßen sie die Schläge der Zellen im Aggregat gegen eine Art EKG-Kurve, wie sie auf einem Krankenhausmonitor als Auf- und Ab-Impulse erscheinen. Meine Zellen sahen normal aus.

Pluripotenter Pionier: Der Biologe James Thomson von der University of Wisconsin war 2007 Mitbegründer von Cellular Dynamics International, nachdem er eine Methode zur Reprogrammierung gewöhnlicher menschlicher Zellen entwickelt hatte, um induzierte pluripotente Stammzellen zu erzeugen, die zu jedem Zelltyp führen können. Seitdem hat Thomson Pionierarbeit bei der Verwendung von iPS-Zellen in der Arzneimittelentwicklung geleistet.

Ein dritter Test untersuchte die Zellen gegen zwei Medikamente. Einer war Adrenalin, das die Kampf-oder-Flucht-Reaktion auslöst und den Puls einer Person beschleunigt. Wir können das hier sehen: Schlag, Schlag, Schlag, sagte Parker und zeigte mir eine Folie mit einer EKG-Linie. Ihre Herzfrequenz steigt dramatisch an, das bedeutet, dass es Ihnen gut geht – Sie können vor diesem Bären davonlaufen. Die Wissenschaftler setzten dann einen sympathischen Agonisten ein, ein Medikament, das das Herz stark verlangsamt. Damit sich Ihre Zellen entspannen können, nachdem Sie vor diesem Bären davongelaufen sind, sagte Parker. Als ich Euan Ashley meine Testergebnisse schickte, bestätigte er meine anhaltende Normalität – und bestätigte, dass die fraglichen Zellen das waren, was sie sein sollten. Diese Tests beweisen, dass die Zellen Kardiomyozyten sind, sagte er, was in diesem frühen Stadium dieser Wissenschaft wichtig ist.

Einige Wochen später führte CDI eine weitere Runde von Experimenten durch, bei denen meine Zellen Medikamenten mit bekannten toxischen Nebenwirkungen ausgesetzt wurden. Zuerst kamen Hismanal, ein Antihistaminikum, und Propulsid, ein Medikament zur Behandlung von Magen-Darm-Beschwerden. Beide Medikamente wurden in vielen Ländern, auch in den USA, vom Markt genommen, weil sie mit seltenen, aber potenziell lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen in Verbindung gebracht wurden. Diese Neigung ist auf die unerwartete und unerwünschte Nebenwirkung beider Medikamente zurückzuführen, die die normale Aktivität eines bestimmten Ionenkanals im Herzen blockieren und stören, heißt es in einem Bericht, der mir von CDI per E-Mail zugesandt wurde. Beide Medikamente hatten ähnliche Wirkungen auf die iPS-abgeleiteten Kardiomyozyten von David Duncan: eine dosisabhängige Verlängerung der Dauer des Aktionspotentials … Längere Aktionspotentialdauern sind ein anerkannter Auslöser für Herzrhythmusstörungen, die zum plötzlichen Tod führen können.

Für eine zweite Runde pharmazeutischer Tests setzten die Wissenschaftler meine Zellen zwei Krebsmedikamenten aus: Gleevec, das hauptsächlich zur Behandlung einiger Formen von Leukämie verwendet wird, und Sutent, das zur Behandlung von Tumoren im Magen, Darm und der Speiseröhre verwendet wird. Beide Medikamente haben Nebenwirkungen, die eine Schädigung des Herzens einschließen, obwohl sie weiterhin verwendet werden, weil die Krankheiten, mit denen sie behandelt werden, so schwerwiegend sind. In-vitro-Tests an David Duncans iPS-abgeleiteten Kardiomyozyten zeigten, dass beide Medikamente nachteilige Wirkungen hatten, so mein Bericht, und dass die Gleevec-vermittelte Wirkung möglicherweise durch eine Störung der mitochondrialen Funktion verursacht wurde. Auch hier waren die Reaktionen meiner Zellen nicht atypisch, obwohl die Forscher mir sagten, dass bei Krebs weitere Tests zu spezifischen Reaktionen führen könnten, die einem Arzt bei der Entscheidung helfen könnten, welche Medikamente für mich am besten geeignet sind.

Ashley sagte mir, dass iPS-generierte Herzzellen ein großes Potenzial zum Testen von Krebsbehandlungen bieten. Chemo-Medikamente sind wirklich hart für das Herz und die Herzzellen, sagte er. Wenn diese Technologie helfen kann, wird das sehr wichtig sein.

CDI hat mir gesagt, dass es im Laufe der wissenschaftlichen Entwicklung möglicherweise Tests auf der Grundlage der umfangreichen DNA-Sequenzierung durchführt, die ich für ein kürzlich erschienenes Buch durchgeführt hatte. Experimenteller Mann . Mich würde vor allem ein Test interessieren, der feststellen könnte, wie sehr ich mir wegen eines genetischen Risikofaktors für Nebenwirkungen von cholesterinsenkenden Statinen Sorgen machen sollte. Gemäß meinem genetischen Profil habe ich ein erhebliches Risiko für Myopathie – Muskelschwäche – wenn ich bestimmte Formen dieser Medikamente nehme. Dieser Zustand ist jedoch auf ein nicht funktionierendes Enzym zurückzuführen, das von der Leber produziert wird, nicht vom Herzen. Daher hängt es davon ab, ob CDI bereit ist, Leberzellen aus meiner iPS-Linie herzustellen.

Bevor ich das CDI-Labor verließ, warf ich noch einen Blick auf meine Herzzellen, die in einer Art freakigem Mambo in ihrer Petrischale vor sich hin hämmerten, und fragte mich, wann solche Ansammlungen einzelner Zellen ein Routinebestandteil der medizinischen Versorgung sein würden. Bevor dies geschehen kann, bleiben viele Hindernisse bestehen, einschließlich der hohen Kosten für die Herstellung der Zellen. Doch trotz der Kosten, sagt Thomson, wird es Leute geben, die dies tun wollen – wohlhabende Early Adopters, die etwas über eine Krankheit oder ein Medikament wissen wollen. Oder manche Leute könnten es tun, weil sie denken, dass es cool ist, ihre schlagenden Herzzellen zu haben.

Was mich betrifft, bin ich immer noch erstaunt, dass die Kardiomyozyten in der Schale ein Teil von mir sind – geschweige denn, dass sie eines Tages als Stunt-Double für meine echten Zellen verwendet werden könnten.

David Ewing Duncan ist ein in San Francisco lebender Autor. Sein neuestes Buch ist Experimenteller Mann: Was der Körper eines Mannes über seine Zukunft, Ihre Gesundheit und unsere giftige Welt verrät.

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