Summary
이 프로토콜은 중간 크기의 경색과 우수한 생존율을 가진 독특한 마우스 스트로크 모델을 보여줍니다. 이 모델을 통해 전임상 뇌졸중 연구자는 허혈 기간을 연장하고, 노령 마우스를 사용하고, 장기적인 기능적 결과를 평가할 수 있습니다.
Abstract
실험적 뇌졸중 연구에서 내강 내 필라멘트가 있는 중뇌동맥 폐색(MCAO)은 마우스의 허혈성 뇌졸중을 모델링하는 데 널리 사용됩니다. 필라멘트 MCAO 모델은 전형적으로 C57Bl/6 마우스에서 때때로 후뇌동맥에 의해 공급되는 영역에 뇌 조직을 포함하는 대규모 뇌경색을 나타내는데, 이는 주로 후방 소통 동맥 폐쇄증의 높은 발생률에 기인합니다. 이 현상은 필라멘트 MCAO 후 장기 뇌졸중 회복 중 C57Bl/6 마우스에서 관찰된 높은 사망률의 주요 원인으로 간주됩니다. 따라서 많은 만성 뇌졸중 연구는 원위 MCAO 모델을 활용합니다. 그러나 이러한 모델은 일반적으로 피질 영역에서만 경색을 일으키므로 결과적으로 뇌졸중 후 신경학적 결함을 평가하는 것이 어려울 수 있습니다. 이 연구는 몸통의 MCA가 작은 두개골 창을 통해 영구적으로 또는 일시적으로 부분적으로 폐색되는 수정된 경두개 MCAO 모델을 확립했습니다. 교합 위치가 MCA의 원점에 비교적 근접하기 때문에 이 모델은 피질과 선조체 모두에서 뇌 손상을 일으킵니다. 이 모델의 광범위한 특성 분석은 노화된 마우스에서도 우수한 장기 생존율과 쉽게 감지할 수 있는 신경학적 결함을 입증했습니다. 따라서 여기에 설명된 MCAO 마우스 모델은 실험적 뇌졸중 연구를 위한 유용한 도구입니다.
Introduction
미국에서는 매년 약 800,000명이 뇌졸중을 앓고 있으며, 이러한 뇌졸중의 대부분은 허혈성 뇌졸중이다1. 조직 플라스미노겐 활성제(tPA) 및/또는 혈전 절제술을 통한 대뇌 혈류의 적시 회복은 현재 뇌졸중 환자에게 가장 효과적인 치료법입니다. 그러나 장기적으로 신경 기능이 완전히 회복되는 경우는 드뭅니다 2,3. 따라서 기능적 개선을 목표로 하는 새로운 뇌졸중 치료법을 찾는 것은 임상적으로 관련된 뇌졸중 동물 모델을 필요로 하는 집중적인 연구 분야입니다.
설치류에서 가장 흔한 허혈성 뇌졸중 모델은 뇌졸중을 유도하기 위해 내강 내 중뇌동맥 폐색(MCAO)을 사용합니다. 1989년 Zea Longa가 처음 개발한 이 모델에서는 나일론 필라멘트가 내경동맥(ICA)에 도입되어 중뇌동맥(MCA)으로 가는 혈류를 차단합니다4. 그러나 이 모델에는 한계가 있습니다. 첫째, 필라멘트가 ICA에 삽입되면 특히 생쥐에서 후뇌동맥(PCA)으로 가는 혈류도 부분적으로 차단될 수 있습니다. 결정적으로, 전방 및 후방 대뇌 순환을 연결하는 작은 동맥인 후방 소통 동맥(PcomA)은 실험적 뇌졸중 연구에 주로 사용되는 균주인 C57Bl/6과 같은 일부 마우스 균주에서 종종 덜 발달되어 있습니다. PcomA의 이러한 개통성은 뇌졸중5 이후 마우스의 병변 크기 변화에 기여하는 것으로 여겨진다. 실제로, MCAO 기간 동안 PCA로 가는 혈류량이 급격히 떨어지고 PcomA가 충분한 부수적 혈류를 제공할 수 없는 경우, 뇌졸중 경색은 PCA의 영역으로 확장될 수 있습니다. 더욱이, 이 모델에서, 허혈의 긴 기간은 마우스의 더 높은 사망률로 이어진다. 결과적으로, 30-60분의 짧은 MCAO 지속 시간이 일반적으로 마우스에 사용됩니다. 그러나 대부분의 뇌졸중 환자는 재관류 치료 전에 몇 시간 동안 허혈을 경험합니다. 따라서, 허혈의 지속 기간이 연장된 마우스 스트로크 모델은 임상적 관련성이 높다.
이 절차의 전반적인 목표는 중간 크기의 경색과 우수한 생존율을 가진 마우스에서 허혈성 뇌졸중을 모델링하는 것입니다. 이 경두개 MCAO 모델은 장기간의 허혈을 수행할 수 있고 노화된 마우스가 이 모델을 잘 견디기 때문에 임상 뇌졸중의 중요한 특성을 해결하여 기능 회복에 대한 장기적인 평가가 가능합니다.
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Protocol
이 작업에 설명된 모든 절차는 연구 중인 동물의 관리 및 사용에 대한 NIH 지침에 따라 수행되며 프로토콜은 Duke Institute Animal Care and Use Committee(IACUC)의 승인을 받았습니다. 본 연구에는 영(8-10주령) 및 고령(22개월령) 수컷 C57Bl/6 마우스를 사용하였다. 이 프로토콜의 개요는 그림 1에 나와 있습니다.
1. 수술 준비
- 쥐의 총체적 이상 및 행동 결함을 검사합니다.
참고: 수술 전에 외과의는 수술용 마스크, 모자, 장갑 및 가운을 포함한 적절한 PPE(개인 보호 장비)를 착용하는 것이 중요합니다. - 마우스의 무게를 잰다. 체중에 따라 인공호흡기( 재료 표 참조)를 프로그래밍하십시오.
- 마우스를 4인치 x 4인치 x 7인치 마취 유도 상자에 넣습니다. 30으로 설정된 산소 유량계( 재료 표 참조)와 70으로 설정된 아산화질소 유량계를 켭니다. 5% 이소플루란으로 기화기를 켭니다.
- 가이드 와이어를 20G 정맥 주사(IV) 카테터에 삽입합니다.
- 호흡수가 분당 30-40회로 감소하면 인덕션 상자에서 마우스를 꺼냅니다.
- 마우스를 누운 자세로 수술대에 놓습니다. 마우스의 혀를 빼내고 왼손 손가락으로 잡습니다. 후두경( 재료 표 참조)을 동물의 입에 삽입하여 성대를 시각화합니다.
- 오른쪽 가운데 손가락을 사용하여 후두경에서 마우스 턱을 고정합니다. 왼손을 풀어 20G IV 카테터를 잡습니다.
- 가이드 와이어를 성대에 약간 삽입한 다음 카테터의 날개 부분이 코끝과 평평해질 때까지 20G IV 카테터를 기관에 천천히 밀어 넣습니다.
알림: 마우스가 움직이는 경우 와이어를 삽입하지 마십시오. 기관에 외상과 출혈을 일으킬 수 있습니다. - 인공호흡기를 켜고( 재료 표 참조) 마우스에 삽관된 20G IV 카테터에 연결합니다. 이소플루란을 1.5%로 줄이고 양쪽 폐가 기계적으로 환기되도록 합니다.
알림: 이소플루란 농도를 줄이는 것을 잊지 마십시오. 그렇지 않으면 마우스는 과다 마취를 받게 됩니다. - 양쪽 눈에 눈연고를 바르고 카프로펜 5mg/kg을 피하주사한다.
- 오른쪽 측두각이 위를 향하도록 마우스를 측면 위치에 유지합니다. 가열 패드(37°C)와 온도 조절기로 제어되는 열 램프를 사용하여 직장 온도를 35°C로 유지합니다( 재료 표 참조).
- 오른쪽 눈과 귀 사이의 표면을 면도하고 요오드와 알코올 면봉으로 수술 부위를 최소 3회 소독합니다.
2. MCAO 수술
- MCAO 수술을 위한 멸균 기구 패키지를 엽니다. 멸균 장갑을 착용하고 수술용 가위를 사용하여 오른쪽 눈과 오른쪽 귀 사이에 1cm의 피부를 절개합니다.
알림: 피부색, 체온 및 발가락 꼬집음에 대한 반응을 15분마다 모니터링합니다. - 측두근과 교근을 노출시키기 위해 집게로 밑에 있는 근막을 절개합니다.
알림: 귀밑샘이 손상되지 않도록 주의하십시오. - 겸자를 사용하여 측두근의 하부를 만지고 접합궁의 위치를 감지합니다. 안면 신경의 가지를 조심스럽게 옆으로 당깁니다.
- 고온 소작 루프( 재료 표 참조)의 끝을 사용하여 측두근을 5mm 가로 절개합니다.
- 두 개의 겸자를 사용하여 밑에 있는 접합궁을 절개하고 상악골과 접합골 사이의 관절을 노출시킵니다.
- 가위를 사용하여 접합 아치의 3mm 부분을 자르고 제거합니다. 교근을 두개골 기저부에서 분리합니다.
알림: 후안와 부비동과 표재성 측두정맥이 골절되지 않도록 주의하십시오. - 서로 다른 방향으로 배치된 4개의 작은 견인기를 적용하여 두개골 기저부를 노출시키고 삼차 신경 가지를 하나의 견인기로 옆으로 당깁니다.
참고: 두개골 기저부의 외부 표면에 있는 고랑은 전두엽과 측두엽 사이의 측면 균열 위치를 표시합니다. MCA는 여기에 있으며(그림 2A), 몸통과 가지는 얇고 투명한 두개골을 통해 볼 수 있습니다(그림 2B). 이 동맥과 다른 주요 대뇌 동맥의 관계는 그림 2A에 나와 있습니다. - MCA 몸통 위의 두개골과 코 피질의 분지 근위부에 0.9% 생리식염수 한 방울을 떨어뜨립니다. 전기 그라인더를 사용하여 작은 골절이 보일 때까지 두개골을 얇게 만듭니다.
알림: 그라인더가 두개골을 관통하여 아래 동맥을 손상시킬 수 있으므로 두개골에 대고 밀지 마십시오. - 집게의 끝을 사용하여 얇아진 두개골을 들어 올려 제거합니다. 가짜 쥐의 경우 여기서 멈추고 동맥을 결찰하지 마십시오.
알림: MCA 트렁크를 가로지르는 작은 직사각형 창이 형성됩니다. - MCA 위에 검은색 꼰 실크의 단일 가닥 고리를 놓습니다(그림 2C). 삽입 8-0 MCA 몸통을 들어 올리고 바늘 아래에 봉합사( 재료 표 참조)를 묶고 바늘의 양쪽 끝을 명주실 고리 매듭 상단에 남겨 둡니다(그림 2D).
- 일시적인 MCAO의 경우 MCAO 발병을 나타내는 동맥 혈류를 차단하기 위해 바늘 아래에서 명주 실 매듭을 약간 조입니다(그림 2E).
- 겸자를 사용하여 봉합사를 잡고 허혈 끝에서 바늘을 천천히 제거합니다(예: 60분 이상).
참고: 바늘을 제거하면 명주 실 매듭이 MCA에서 빠져나가고 뇌가 재관류됩니다(그림 2F). - 영구적인 MCAO의 경우 동맥 주위의 명주 실 고리를 단단히 조이고 바늘을 제거합니다. 여분의 봉합사 재료를 잘라 제거하십시오.
- 피부 절개 부위에 0.25% 부피바카인을 한 방울 떨어뜨리고 6-0 나일론 봉합사를 사용하여 근육과 피부를 간헐적으로 별도로 봉합합니다( 재료 표 참조). 피부 절개 부위에 항생제 연고를 바릅니다.
알림: 피부 절개는 멸균 스테이플이나 접착제로 봉합할 수도 있습니다.
3. 수술 후 관리
- 이소플루란을 꺼서 마우스를 깨우십시오. 자발적 호흡이 회복되면 인공호흡기를 분리하십시오.
- 마우스를 온도가 제어된 회수 챔버( 재료 표 참조)로 옮깁니다.
- 마우스의 오른쪽 반사가 회복되거나 움직이기 시작하면 발관합니다.
- 온도 및 습도가 조절되는 챔버에서 마우스를 면밀히 모니터링하십시오. 마우스가 완전한 의식을 얻은 후 홈 케이지로 되돌립니다(회복 기간 ~2시간). 카프로펜 5mg/kg을 3일 동안 매일 피하 투여합니다.
4. 레이저 스페클 콘트라스트 이미징(LSCI)
- MCAO 후 6시간 24시간 후에 마취된 마우스를 입체 프레임에 장착합니다. 정수리를 면도하고 요오드와 알코올을 번갈아 가며 면봉으로 세 번 닦습니다.
알림: 마취는 1.3단계에서 언급한 대로 수행되었습니다. LSCI는 MCAO 이전에도 수행됩니다. - 3cm 정중선 피부를 절개하고 두개골에서 피부를 절개합니다. 4개의 작은 바늘 견인기를 적용하여 두개골 상단을 노출시킵니다.
- 레이저 스페클 카메라( 재료 표 참조)를 머리 위로 이동하고 카메라의 초점을 조정합니다. 뇌 혈류를 이미지화합니다.
5. 2,3,5-트리페닐테트라졸륨 클로라이드(TTC) 염색
- 실험이 끝날 때, 일반적으로 뇌졸중 후 1일, 3일 또는 28일에 5% 이소플루란으로 마우스를 깊이 마취합니다. 통증 반응이 없는지 확인하기 위해 꼬리를 꼬집습니다.
- 수술용 가위로 쥐의 목을 베고 뇌를 적출합니다. 얼음처럼 차가운 식염수에서 20분 동안 뇌를 배양합니다.
- 얼음 위의 뇌 슬라이서 매트릭스에 뇌를 넣고 뇌에 차가운 식염수를 떨어뜨립니다. 얇은 면도날을 사용하여 뇌를 1mm 조각으로 자릅니다.
- 뇌 조각을 같은 방향으로 2% TTC 용액이 담긴 접시에 담그십시오( 재료 표 참조). 접시를 어두운 곳에서 실온에서 15분 동안 보관하십시오.
참고: 정상적인 뇌 조직은 붉어지고 허혈성 조직은 흰색으로 유지됩니다. - 뇌 절편을 10% 포르말린으로 옮겨 24시간 동안 고정합니다. 뇌 절편을 이미지화하고 경색 부위를 측정합니다.
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Representative Results
수술용 현미경으로 직접 관찰하면 허혈 중에 MCA 혈류가 차단되는 것을 육안으로 확인할 수 있습니다. 이전 연구에서는 레이저 도플러 모니터를 사용하여 허혈성 부위의 혈류가 >80% 감소하는 것으로 나타났다6. MCAO 후 혈류 변화를 결정하기 위해 LSCI를 사용하여 허혈성 모욕 및 재관류를 추가로 확인할 수 있습니다(그림 1). 실제로, 그림 3A에서, 우측 MCA의 영역에서 혈액 공급이 감소한 것을 관찰할 수 있다. 일시적인 MCAO의 경우, 봉합사를 제거한 후 뇌 혈류의 재관류가 분명했고(그림 3B), 24시간 후에 더욱 개선되었습니다(그림 3C). 뇌졸중 뇌는 24시간 후에 절편하고 TTC로 염색할 수 있습니다. 죽은 조직은 TTC와 반응하지 않았고 흰색으로 유지되었습니다(그림 1). TTC 염색은 이 모델이 피질과 외측 선조체 영역 모두에서 경색 조직을 생성하고 필라멘트 MCAO에 비해 경색 크기가 적당하다는 것을 보여주었습니다(그림 4). 이 모델은 어린 동물과 늙은 동물에 적용되었으며, 관찰 28일 동안 무시할 수 있는 사망률(<5%)이 발견되었다7.
이 모델은 주로 왼쪽 앞발에 운동 및 감각 결함을 일으킵니다. 우리의 이전 연구는 실린더 테스트, 오픈 필드 테스트, 테이프 제거 테스트, 폴 테스트 및 Von Frey 필라멘트 테스트 6,8,9,10과 같은 다양한 행동 테스트에서 입증된 바와 같이 뇌졸중 마우스의 신경학적 결함을 보여줍니다. 90분 동안 경두개 MCAO를 투여받은 마우스는 가짜 수술 마우스에 비해 인지 결핍을 보였다6. 경두개 MCAO 후의 장기 기능적 결과는 늙은 쥐에서 체계적으로 조사되지 않았지만, 늙은 쥐의 유사한 모델에서는 뇌졸중 후 28일 동안 신경학적 결손이 분명히 나타났다7.
그림 1: 프로토콜 개요. 오른쪽 MCA는 생쥐의 작은 두개골 창을 통해 일시적 또는 영구적으로 폐색됩니다. TTC 염색 및 LSCI는 각각 경색 크기를 결정하고 허혈 후 뇌혈류를 평가하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 경두개 MCAO 수술 단계 . (A) 결찰된 MCA의 위치. (B) MCA 트렁크 및 그 가지의 노출. (C) 실크 봉합사의 단일 가닥이 MCA 위에 배치됩니다. (D) 안 8-0 바늘은 MCA 몸통을 들어 올리는 데 사용되며 봉합사는 바늘 아래에 묶여 있습니다. (E) 봉합사를 약간 조여 혈류를 차단합니다. (F) 재관류를 위해 바늘과 봉합사를 제거합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 지연된 재관류가 있는 MCAO의 레이저 스페클 대비 이미지 . (A) 오른쪽 반구는 허혈을 나타내는 낮은 관류 면적(빨간색 화살표)을 가졌습니다. (B) 허혈 6시간 후, 재관류를 허용하기 위해 봉합사를 제거하고 동맥 가지가 보이게 되었습니다. (C) 24시간 후, 이 동맥 분지에서 혈류 관류가 개선되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 필라멘트 MCAO와의 차이점 . (A) 잉크 관류된 뇌는 뇌 표면의 혈관을 보여줍니다. 빨간색 화살표는 이 경두개 MCAO 모델에서 결찰된 MCA 트렁크를 가리킵니다. 녹색 화살표는 필라멘트 MCAO 모델에서 MCA 폐색 부위인 MCA 원점을 가리킵니다. 뇌경색은 뇌졸중 후 24시간 후에 TTC로 염색된 뇌 슬라이드에서 볼 수 있습니다. 여기의 샘플은 (B) 어린 마우스에서 60분의 필라멘트 MCAO와 (C) 젊은(8-10주령) 및 (D) 늙은 C57Bl/6 마우스(22개월령)에서 영구 경두개 MCAO에서 얻은 것입니다. 정상 조직은 적색, 경색 조직은 백색입니다. 이 모델에서 경색 크기는 보통이며 경색 영역에는 피질과 선조체가 모두 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
최초의 경두개 MCA 폐색 모델은 1981년 쥐에서 확립되었고(11,12),1989년 무두개절제술 MCAO 모델로 대체되었다4. 초기 경두개 MCA 폐색은 수술 부위가 넓어 접합궁 전체를 제거하고 근육을 옆으로 당겼습니다. 수술 후 국소 조직이 부풀어 올라 동물들의 스트레스를 유발하고 먹이 섭취를 줄였습니다. 수정된 경두개 MCAO 모델에서는 절개가 덜 침습적이며 접합궁의 작은 부분만 제거됩니다. 수술 부위는 4개의 작은 바늘 견인기를 사용하여 노출되며 혈관이나 신경이 파괴되지 않습니다. MCA 트렁크는 8-0을 사용하여 들어 올리기 때문에 작은 두개골 창으로 충분합니다. 수술용 봉합사 바늘, 전체 바늘이 MCA 아래로 들어갈 필요가 없습니다. 수술 후 국소 조직 부종이 발견되지 않았다6.
이 모델에는 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 피질과 피질 이하 영역을 모두 포함하는 경색 영역을 생성하므로 신경학적 결함을 쉽게 평가할 수 있습니다. 둘째, 이 모델에서는 일과성 및 영구적 허혈성 뇌졸중을 모두 유도할 수 있다. 중요한 것은, 연장된 허혈성 내구는 늦은 재관류를 모방하기 위하여 적용될 수 있다 입니다. 예를 들어, 이전 뇌졸중 연구에서 6시간 MCAO가 성공적으로 수행되었습니다9. 셋째, 부수적 혈액 공급 및 재관류를 위해 PcomA에 대한 의존도가 최소화되어 뇌졸중 중증도의 변동성이 감소합니다. 마지막으로, 거의 모든 생쥐, 심지어 늙은 생쥐도 장기간의 기능 연구에서 살아남을 수 있습니다. 종합하면, 이 모델은 뛰어난 임상적 관련성을 보여줍니다.
참고로 이 스트로크 모델에는 한계가 있습니다. 첫째, 높은 수준의 미세수술 기술이 필요합니다. 초보 동물 외과 의사는 실체 현미경으로 개두술과 MCA 결찰을 완벽하게 하는 데 시간이 필요할 수 있습니다. 연삭, 두개골 제거 및 봉합사 배치의 신중한 실행은 이 모델을 성공적으로 구현하는 데 중요합니다. 또한 각 동물에 대해 동일한 위치에서 MCA를 결찰하는 것이 중요합니다. 둘째, 이 모델에서는 수막이 바늘에 의해 약간 손상되어 수막에 초점을 맞춘 연구를 고려해야 할 수 있습니다. 마지막으로, 허혈 지속 시간 >6h를 시행할 수 있지만, 레이저 도플러 또는 레이저 스페클 영상으로 뇌혈류를 측정하여 재관류를 확인해야 합니다.
요약하면, 이 수정된 마우스 뇌졸중 모델은 중등도의 뇌 손상을 유도하고, 고령 및 뇌졸중 동반 질환 동물에서 장기 생존 실험을 수행할 수 있으며, 뇌졸중 결과를 개선하기 위한 실험적 뇌졸중 연구 및 신약 개발을 발전시킬 것으로 기대됩니다.
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Disclosures
모든 저자는 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
저자들은 Kathy Gage의 편집 지원에 감사를 표합니다. 계획 수치는 BioRender.com 로 만들어졌습니다. 이 연구는 마취과(듀크 대학 의료 센터)와 NIH 보조금(NS099590, HL157354, NS117973 및 NS127163)의 자금으로 지원되었습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.25% bupivacaine | Hospira | NDC 0409-1159-18 | |
| 0.9% sodium chloride | ICU Medical | NDC 0990-7983-03 | |
| 2,3,5-Triphenyltetrazolium Chloride (TTC) | Sigma or any available vendor | ||
| 20 G IV catheter | BD | 381534 | 20 GA 1.6 IN |
| 30 G needle | BD | 305106 | |
| 4-0 silk suture | Look | SP116 | Black braided silk |
| 8-0 suture with needle | Ethilon | 2822G | |
| Alcohol swabs | BD | 326895 | |
| Anesthesia induction box | Any suitable vendor | Pexiglass make | |
| Electrical grinder | JSDA | JD 700 | |
| High temperature cautery loop tip | Bovie | AA03 | |
| Isoflurane | Covetrus | NDC 11695-6777-2 | |
| Laser doppler perfusion monitor | Moor Instruments | moorVMS-LDF1 | |
| Lubricant eye ointment | Bausch + Lomb | 339081 | |
| Mouse rectal probe | Physitemp | RET-3 | |
| Nitrous Oxide | Airgas | UN1070 | |
| Otoscope | Welchallyn | 728 | 2.5 mm Speculum Otoscope served as a laryngoscope to visualize vocal cords in mice |
| Oxygen | Airgas | UN1072 | |
| Povidone-iodine | CVS | 955338 | |
| Recovery box | Brinsea | TLC eco | |
| Rimadyl (carprofen) | Zoetis | 6100701 | Injectable 50 mg/mL |
| Rodent ventilator | Kent Scientific | Rodent Jr. | |
| Temperature controller | Physitemp | TCAT-2DF | |
| Triple antibioric & pain relief | CVS | NDC 59770-823-56 | |
| Vaporizer | RWD | R583S |
References
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