Summary
Das Ziel des Protokolls ist die Erweiterung Strecke der Bewegung des Knies Ratte zu messen. Die Auswirkungen von verschiedenen Krankheiten, die die Steifigkeit des Kniegelenks und die Wirksamkeit der Behandlungen erhöhen können quantifiziert werden.
Abstract
Normalen Knie Bewegungsumfang (ROM) ist entscheidend für Wohlbefinden und ermöglicht es, grundlegende Aktivitäten wie laufen, Treppensteigen und sitzen durchführen. Verlorene ROM wird eine gemeinsame Kontraktur genannt und führt zu erhöhter Morbidität. Aufgrund der Schwierigkeiten der Umkehr etablierten Knie Kontrakturen, Früherkennung ist wichtig, und daher wissen, Risikofaktoren für ihre Entwicklung ist wichtig. Die Ratte ist ein gutes Modell, mit denen die Wirkung einer Intervention werden, wegen der Ähnlichkeit der Ratte Knie Anatomie derjenigen Menschen, die Ratte Fähigkeit studiert kann, lange Laufzeiten der Knie Immobilisierung in Flexion, zu tolerieren, und weil mechanische Daten können sein mit histologischen und biochemischen Analyse der Knie Gewebe korreliert.
Mit Hilfe einer automatisierten Arthrometer, zeigen wir eine validierte, präzise, reproduzierbare, benutzerunabhängige Methode zur Messung der Extension ROM des Kniegelenks Ratte bei bestimmten Drehmomenten. Diese Arthrometer kann verwendet werden, um festzustellen, die Auswirkungen von Interventionen auf Knie gemeinsame ROM bei der Ratte.
Introduction
Vollständige Palette von Bewegung (ROM) der Gelenke ist entscheidend für Gesundheit und Wohlbefinden,1. Ein Verlust in gemeinsamen passive ROM ist eine Kontraktur2genannt. Gemeinsame Kontrakturen können aus zahlreichen Bedingungen, einschließlich längerer Bettruhe, Lähmung, gemeinsame Endoprothetik, Verbrennungen, Infektionen und neurologische Bedingungen1,3,4,5ergeben. Eine Kontraktur des Knies kann deaktivieren werden, da es Gelenkverschleiß beschleunigt, das Risiko von stürzen erhöht und wirkt sich nachteilig auf die Fähigkeit einer Person zu grundlegenden funktionalen einschließlich gehen, sitzen und klettern Treppen6, Aufgaben 7.
Sobald hergestellt, Kontrakturen des Knies sind schwer zu behandeln, und somit bestimmen, welche Patienten auf dem höchsten Risiko für die Entwicklung dieser Bedingung sind ist wichtig zur Vorbeugung und Vermeidung von Kontraktur-assoziierten Morbidität8. Experimente sind entworfen, um (1) die Bedingungen verursacht oder beeinflusst Knie gemeinsame Kontrakturen, 2) das Ausmaß der Kontrakturen, (3) ihre zeitlichen Verlauf (4) das Gewebe beteiligt die Kontraktur sowie (5) ihrer Reversibilität und (6) die Nützlichkeit bewerten von verschiedenen präventiven und kurativen Eingriffe am Knie gemeinsame Rom. Für all diese Experimente ist eine gültige, Objektive, präzise und reproduzierbare Methode zur Messung der ROM entscheidend. Andere ergänzenden Maßnahmen (Energieaufwand, Histomorphometrie, gen-Ausdruck und Protein-Inhalt) sind nützliche Marker, die Pathophysiologie der gemeinsame Kontrakturen zu verstehen, aber die mechanische Begrenzung ist was schränkt den Patienten und führt zu Behinderungen. Einige der Herausforderungen in diesem Bereich der Forschung umfasst der heterogene Methoden mit dem Knie ROM experimentell, sowie einen Mangel an quantitativen Daten9getestet werden kann. Die Verwendung einer Vielzahl von verschiedenen experimentellen Methoden führt zu Ergebnissen, die nicht von Labor zu Labor vergleichbar sind. Dies führte zu einer Kontroverse über die Bedingungen (z. B. Immobilisierung oder Gelenk-Endoprothetik), die gemeinsame Kontrakturen10verursachen. Daher ist eine automatisierte Methode zur Messung der experimentell gemeinsame ROM nach einem Eingriff erforderlich.
Hier beschreiben wir ein benutzerunabhängige, gültig, präzise und reproduzierbare Protokoll für die Bewertung der Ratte Knie ROM mit einer speziell angefertigten Arthrometer verbunden mit einer digitalen Kamera um das Knie ROM in Verlängerung genau zu messen. Wir testeten die Wirkung der verschiedenen Perioden der Immobilisierung auf Knie Rom. Wir beschreiben die Methoden zur Messung von ROM am vorgegebenen Drehmomente auf die daraus resultierenden Digitalbilder mit festen knöchernen Landmarken. Insgesamt diese Methoden zuverlässig messen Ratte Knie ROM und quantitative Daten bereitstellen.
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Protocol
Die Knie Immobilisierung Rattenmodell verwendet wurde von der University of Ottawa Animal Care und Veterinärdienst und der lokalen Ethikkommission genehmigt.
(1) tierische Vorbereitung
- Am Ende der vorgegebenen Immobilisierung Zeit einschläfern Sie die Ratten durch die Gabe von Kohlendioxid.
Hinweis: Hier Modell verwendet, eine Ruhigstellung mit einer Platte und 2 Schrauben (eine eingefügt in den proximalen Femur und andererseits in der distalen Tibia), die Verletzung von jedem Knie vermeidet gemeinsame Strukturen und hält eine Knie gebeugt Position von 135° wie zuvor beschrieben6 . Über einen Zeitraum von Zeit ergibt sich ein Knie Beugung Kontraktur11. - Decken Sie den Bereich auf und um die Oberfläche, die mit saugfähigen, wasserdichten Schutz-Pads auf dem Arthrometer gestellt werden. Tragen Sie Handschuhe, Kittel und Augenschutz beim Abschließen des Experiments.
- Mit einem Skalpell, teilen Sie die Haut um die Platte und Schrauben (siehe Hinweis nach Schritt 1.1) verfügbar zu machen; mehr proximalen Schraube im proximalen Femur und mehr distale Schraube in der distalen Tibia. Palpieren Sie, um die Schrauben zu finden. Sobald die Schraubenköpfe zugegriffen werden kann, entfernen Sie die Schraube mit einem Schraubendreher.
Hinweis: Während der Zeit der Ruhigstellung, die Köpfe der Schrauben können mit weichem Gewebe abgedeckt werden. In diesem Fall verwenden Sie das Skalpell, um sanft das Gewebe zu entfernen und entdecken Sie die Schraubenköpfe. - Nachdem die Schrauben entfernt sind, entfernen Sie die Platte manuell oder mittels Pinzette aus einem Bausatz Dissektion.
- Mit Schere und Pinzette, deglove der unteren Extremität von zugrunde liegenden Faszie Haut entfernen.
(2) Tier Positionierung auf die motorische Arthrometer
Hinweis: Alle Tests sollte bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Hier ist die Arthrometer powered by ein standard North American 120 V-Eingang. Der Adapter-Ausgang ist 12 V und 500 mA.
- Positionieren Sie das Tier auf die Seite mit dem experimentellen Bein (das Bein zu prüfenden) getestet werden nach oben zeigt (Abbildung 2).
- Sichern Sie den Oberschenkelknochen in die gerillten Metallklemme, die in der Montage-Bühne von dem Arthrometer integriert ist. Lochen Sie durch den Muskel mit einem Präzisions-Schraubendreher die Klemme distal der Trochanter Major und sichern den Oberschenkelknochen. Die lateralen Femur-Kondylus über das Zentrum der Drehung des Arthrometer (Abbildung 1, 2) einstellen.
- Position der beweglichen arm mit zwei senkrechten Pfosten hinter dem Bein, das Fersenbein, das Knie in passive Erweiterung zu schieben nur überlegen einmal der Elektromotor wird aktiviert.
- Ziehen Sie die Femur-Klemme an der Basis mit einem Inbusschlüssel, bis es gesichert ist.
- Sicherzustellen, dass die Kamera auf dem Arthrometer mit einem Schraubendreher richtig montiert ist und auf Manuelle Fokussierung. Fokussieren Sie die Kamera auf die femorale Kondylus.
- Wählen Sie die Richtung auf dem Arthrometer (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) je nach der Richtung des Knies ROM getestet und die Position der Ratte.
- Den Arthrometer Motor bei gleichzeitigem Drücken der macht und Start -Taste zu aktivieren.
Hinweis: Die Notwendigkeit, die Macht und Start-Taste gleichzeitig drücken ist ein Sicherheits-Feature des Gerätes, die versehentliche Aktivierung verhindert.- Beachten Sie, dass der Arthrometer Motor mit einer Geschwindigkeit von 6,6 u/min bewegen und dann für 2.1 stoppen s nach erreichen der ersten eingestellten Drehmoments.
- Hinweis:, wenn das erste Drehmoment erreicht ist, die entsprechende LED leuchtet auf und die Digitalkamera bringt automatisch ein Bild des Knies.
Hinweis: Nachdem das Bild aufgenommen wird, die Arthrometer wird weiter zum nächsten, höheren voreingestellten Drehmoment. Sobald die vier Drehmomente angewendet wurde, stoppt die Arthrometer. Sobald die Ratte sich auf dem Arthrometer befindet und Tests initiiert wird, ist die Gesamtzeit zum Testen ein Knie ca. 18,8 S. Mal etwas variieren je nach Zustand des gemeinsamen Kontraktur. Die Aufnahmen werden verwendet, um die Erweiterung bei jedem Drehmoment messen.
3. erfassen den Winkel der Kniestreckung mit motorbetriebenen Arthrometer
Hinweis: Wenn der Motor bei jeder angewandte Drehmoment aufgehört hat, wird eine digitale Kamera ausgelöst, um ein Bild aufzunehmen. Die Kamera ist auf dem Rahmen positioniert, so dass es direkt über das Kniegelenk getestet und konzentrierte sich auf die femorale Kondylus.
- Testen Sie mit dem gleichen Knie vom gleichen Tier, sondern in einer anderen Situation, z. B. nach einer Myotomie der hinteren Transarticular Muskeln durchgeführt wird, um die arthrogen (nicht muskulös) Bestandteil einer Kontraktur zu isolieren oder mit einem Knie aus ein anderes Tier.
- Abschluss der Myotomie Sezieren des Muskels proximalen genug, um das Kniegelenk um sicherzustellen, dass die Kapsel nicht geschnitten wird.
Hinweis: Es empfiehlt sich, die Myotomie auszufüllen, wenn das Bein in Verlängerung, nach dem Auftragen der Drehmomenteinstellung 4 (17.53 N-cm) ist. Wiederholen Sie Schritte 2.1 bis 3.1.
- Abschluss der Myotomie Sezieren des Muskels proximalen genug, um das Kniegelenk um sicherzustellen, dass die Kapsel nicht geschnitten wird.
- Sobald beide Beine unter allen Bedingungen getestet wurden (z. B. vor und nach Myotomie), der Tierkadaver und alle biogefährliches Material nach institutionellen Protokoll entsorgen und reinigen Sie die Arthrometer.
4. Knie ROM Messung Analyse
- Analysieren Sie ROM mit ImageJ.
Hinweis: Hier wurde Version 1.45s verwendet. - Öffnen Sie die Datei mit dem digitalen Bild genommen von der Kamera auf die Ratte Arthrometer montiert.
Hinweis: Die Person, die Durchführung der Analyse sollte die experimentelle Gruppierung des Tieres (z. B. immobilisiert versus Kontrolle) blenden lassen. - Wählen Sie den Winkel-Tool aus der Hauptsymbolleiste und verfolgen Sie die Femorotibial Winkel durch Ziehen einer femoralen Linie aus der Mitte des Femur-Klemme an der lateralen Kondylus (ausgerichtet mit der femoralen Diaphyse, Abbildung 2) und eine tibiale Linie aus der seitlichen femoral Kondylus auf den lateralen Malleolus (Abbildung 2).
Hinweis: Der Femoro tibiale Winkel entspricht dem maximalen Winkel Kniestreckung bei jeder voreingestellte Drehmoment erreicht. - Verwenden Sie das Messwerkzeug, indem analysieren | Maßnahme , produzierten von 2 Linien oben berechneten Winkel zu zeigen. Verwenden Sie die Konvention von 0° Vollauszug bedeuten.
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Representative Results
Die Höhe der Kniestreckung bestimmt für verschiedene Perioden der Unbeweglichkeit werden zur Erhöhung der Dauer der Unbeweglichkeit zusammengefasst und zeigen, dass die schwere Kontrakturen nach zunehmenden Längen der Immobilisierung hergestellt wurden. Repräsentative Ergebnisse mit ImageJ sind in Abbildung 3dargestellt.
Die Möglichkeit, die maximale Ausdehnung der Ratte Knie in gewissem Sinne gültig, präzise und reproduzierbar, benutzerunabhängige zu messen, die Vorspannung in den Daten reduziert. Im Beispiel vorausgesetzt wir die maximale Kniestreckung nach 16 Wochen der Ruhigstellung für 7 Ratten ausgewertet, vergleicht man das immobilisierte (experimentelle) Glied, das nicht immobilisiert kontralaterale Bein. Das Glied gewählt für Immobilisierung wechselten von einer Ratte auf die nächste (z. B. Ratte 1 hatte dem rechten Knie immobilisiert, Ratte 2 links). Die Ermittler, die Messung der Winkel war geblendet auf die Seite während der Messung immobilisiert wurde. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3dargestellt. Für die immobilisierten Knie war die Möglichkeit, dass maximale Erweiterung gegenüber der kontralateralen reduziert. Teilung der Transarticular Muskeln beseitigt myogen Bestandteil der Flexion Kontraktur. Nach Myotomie, erhöht die maximale Verlängerung-Funktion für das experimentelle und kontralaterale Knie; jedoch weiter die experimentellen Knie eine Beugung Kontraktur (Abbildung 3).
Abbildung 1 : Ratte Knie Arthrometer. (A) ganze Apparat (B) repräsentatives Bild des Tieres innerhalb Arthrometer (C) Elektronik Display und Klemmen für Arthrometer. (D) vergrößerte Bild des Elektronik-Display. Zahlen geben die verschiedenen Drehmomente umgesetzt: Drehmoment 1 = 2,53 N-cm, Drehmoment 2 = 7,53 N-cm, Drehmoment 3 = 12,53 N-cm Drehmoment 4 = 17,53 N-cm. (E) vergrößerte Bild des femoralen Klemme und tibiale drängen Apparat. Die femorale Klemme bleibt auf die Bühne. Die tibiale bewegliche Arm hat 2 senkrechte Pfosten, die die distalen untere Extremität zu beheben und das Knie zu bewegen, in Verlängerung. Pfeilspitze und Chevron zeigen die Femur-Klemme und dem beweglichen Arm bzw.. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Arthrometer und experimentellen Ratten für Auswertung. (A) Knie Verlängerung der hinteren Extremität wird anhand der tibiale Linie der femoralen lateralen Kondylus des seitlichen Malleolus und die femorale Linie gezogen von der lateralen Kondylus bis zur Mitte der Oberschenkel-Klemme. Pfeilspitze und Chevron zeigen die Femur-Klemme und dem beweglichen Arm bzw.. (B) hohe Vergrößerung Bilder der femoralen Kondylus und (C) hohe Vergrößerung des seitlichen Malleolus.
Abbildung 3 : Immobilisiert und kontralateralen Ratte Knie Bewegungsfreiheit nach 16 Wochen Ruhigstellung. Für beide Knie, nach dem Test Kniestreckung mit allem artikuläre Strukturen intakt (n = 7), eine Myotomie der Trans-artikuläre Muskeln wurde durchgeführt, um festzustellen, arthrogen Beschränkung auf Rom Daten werden als mittlere Grad von Vollauszug vorgestellt (unter Verwendung der Konvention 0° = Vollauszug) mit Fehlerbalken, Standardabweichung darstellt. * p < 0,01 mit unabhängigen Stichproben T-Test darstellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Die Ratte Knie Arthrometer wurde entwickelt, um die maximale Ausdehnung des Ratte Knies nach einer Intervention reproduzierbar und zuverlässig zu bestimmen. Vorteile dieses Gerätes beinhalten die konsequente Generation des Drehmoments über das Kniegelenk mit einer konstanten Arm Länge und Erweiterung Kraft. Ein weiterer Vorteil bietet die Möglichkeit, das Drehmoment auf eine Ebene festgelegt, die wiederholte Tests auf dem gleichen Gelenk, den Einfluss unterschiedlicher artikuläre Strukturen auf Knie ROM, wie Muskeln, Kapsel oder Ligamentum beurteilen können. Zum Beispiel folgende Prüfung von voll intakten Gelenk, das hintere Transarticular Knie Muskeln aufgeteilt werden könnte und Arthrometer Tests wiederholt um den arthrogen Beitrag zur Erweiterung Einschränkung11zu ermitteln.
Spezifische mechanische Eigenschaften von dem Arthrometer, die Optimierung der Messgenauigkeit und Präzision gehören die gerillte Klemme, die Drehung des Oberschenkels während des Tests (Abbildung 1) zu verhindern soll. Die distalen zwei aufrechte Metallpfosten engagieren das Bein nach hinten, schob die Knie in Verlängerung im Uhrzeigersinn, und minimieren das Risiko der hinteren Luxation des Schienbeins am Femur während des Tests (Abbildung 1). Die Höhe der Beiträge und vorderen Überhang an den aufrechten Oberlenker sicherstellen, dass die Tibia aus der Beiträge nicht verrutscht. Die Fähigkeit der senkrechten Pfosten zu drehen und behalten ihre Position auf der Tibia nur proximal zu den Kalkaneus gewährleistet konstantes Drehmoment. Vier Drehmomente werden nacheinander getestet: 2,53 N-cm, 7,53 N-cm, 12.53 N, und 17.53 N-cm. Die höchste Drehmoment war entschlossen, den Betrag der Kraft, die Kapsel Scheitern in normalen (unbetätigter) Ratte Kniegelenken (d. h. Ausdehnung übertrifft 0°) nach Teilung der alle Transarticular Muskel geführt. Das niedrigste Drehmoment war der Punkt des Widerstands gegen die Winkelbewegung knapp über messbare Mengen an normalen Ratte Kniegelenke. Die mittleren zwei Drehmomente wurden eingerichtet, um etwa auf halbem Weg zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Drehmomente werden.
Andere Methoden zur Messung der gemeinsamen ROM bei bestimmten Drehmomenten für beide Ratte beschrieben worden und andere Tiermodelle12,13,14,15,16. Einige der Vorteile unseres Modells gegenüber diesen anderen Systemen gehören einer angenehme Größe, die Benchtop Platzierung des Geräts ohne die Notwendigkeit für spezielle Einrichtungen ermöglicht. Andere Modelle erfordern auch Desartikulation der Extremität untersucht, während das hier vorgestellte Modell nicht der Fall ist. Mechanisch, gilt der Lichtbögen Weg der Post die Ausschubkraft der distalen Bein, die eckige Abfolge des Knies, damit die Aufrechterhaltung einer konsistenten Winkel der Krafteinleitung. Die Bühne der Arthrometer ermöglicht die Platzierung der gesamten Ratte auf das Messwerkzeug, ermöglicht das Testen aller in Situ artikuläre Strukturen, die verlorene Rom beitragen können, ohne zu verletzen gemeinsame Anatomie. Während das Ethik-Protokoll für unser Labor Tests an lebenden Tieren schließt, wäre dies theoretisch möglich mit entsprechenden Analgesie und Posttest Protokolle zu opfern.
Die Arthrometer stellt einige Nachteile. Das Gerät war groß, bis zum Knie Erwachsene Ratte um sicherzustellen, dass der bewegliche Arm Länge, damit es würde das Bein nicht abrutschen und das Bein würde der Arm nicht abrutschen. Jüngere Ratten oder kleinere und größere Arten würde entsprechend dimensionierten Komponenten profitieren. Darüber hinaus eine Neuprogrammierung der optimalen Hebelarm und Kraft (Drehmoment) erforderlich wären. Wenn zum Beispiel ein größerer oder kleinerer Tier verwendet wurde, kann es notwendig sein, Anpassung der Länge der Hebelarm und/oder Menge von Gewalt angewendet, um optimale Drehmoment zu erreichen. Andere Teile der Arthrometer müssen auch entsprechend der Größe des Tieres angepasst werden. Während die Bewegungen der Arthrometer benutzerunabhängige sind, gemeinsame Messung mit ImageJ menschliches Versagen bleiben vorbehalten. Wir haben jedoch festgestellt, dass die Verwendung der hier vorgestellten Methoden, gibt es hohe Intra-Rater und Inter Rater Zuverlässigkeit mit Intraclass Korrelationskoeffizienten von 0,987 und 0.903, beziehungsweise. Weil das höchste Drehmoment oft die artikuläre Strukturen während des Tests beeinträchtigt, ist eine gültige Inter Rater Zuverlässigkeit für die tierischen Platzierung und Aktivierung der Arthrometer schwierig festzustellen. Um Messfehler zu vermeiden, die möglicherweise zugeordnet, die mehrere Ermittler führen Sie diesen Teil des Protokolls, empfehlen wir Ihnen, den gleichen Prüfer die Ratten, die Arthrometer für die Dauer einer Studie zu sichern, so dass Voreingenommenheit konsistent ist experimentelle und Knien zu kontrollieren. Da die Kniesehnen die Knie- und Hüftgelenke kreuzen, auftreten Retroversion des Beckens während der Tests bei Drehmomenten 1 und 2 vor Myotomie. Dies kann zu einem Anstieg der Kniestreckung für beide experimentelle und Kontrolle Knie bei diesen Drehmomenten beitragen. Schließlich können Ergebnisse vom wahren in Vivo ROM variieren, wie das Protokoll entwickelt wurde, um euthanasierten statt lebender Tiere zu testen.
Während wir die Verwendung einer Vorrichtung zur Bewertung der Auswirkungen der Immobilität auf die Ratte Kniegelenk beschrieben, konnte auch andere Erkrankungen gemeinsame ROM untersucht werden. Es gibt zahlreiche Beispiele, Beispiele für die Auswirkungen des Traumas, erhöhter Muskeltonus sekundäre Zentralnervensystem Beleidigung oder gentechnische Veränderungen in Bezug auf neuromuskuläre Erkrankungen. Jeweiligen Interventionen wie Stammzell-Anwendung auf dem Kniegelenk, der neuromuskulären Blockade oder Gen-Therapie-Behandlungen, die helfen, neue Behandlungsmöglichkeiten zu entdecken könnte auch mit dem Gerät bewertet werden.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Angaben oder Interessenkonflikte zu erklären.
Acknowledgments
Die Autoren möchten Joao Tomas für seine technische Unterstützung mit dem Gerät und dem Khaoula Louati für Unterstützung bei der Entwicklung der Bildanalyseverfahren danken.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Arthrometer | The Ottawa Hospital Rehabilitation Centre - Rehabilitation Engineering | N/A | |
| Camera | Canon | EOS-500D | Commonly known as EOS Rebel T1i |
| ImageJ | National Institutes of Health | Version 1.45s | |
| Absotbent Underpads | VWR | 820202-845 | |
| Dissection Kit | Fisher | 08-855 | Kit Includes: Forceps: medium points, nickel-plated Scissors: 1.5 in. (40 mm) blades, stainless steel Dissecting knife handle: nickel-plated Knife blades: stainless steel, pack of 3 Dropping pipet: glass Bent dissecting needle: stainless steel with plastic handle Straight dissecting needle: stainless steel with plastic handle Vinylite Ruler 6 in. (15 cm) |
| Precision Screw Driver | Mastercraft | 057-3505-8 | |
| Scalpel Blades - #10 | Fine Science Tools | 10010-00 | |
| Screwdriver | Stanley | 057-3558-2 | |
| Hex Keys | Mastercraft | 058-9684-2 | |
| Universal AC to DC powder adapter | RCA | 108004951 |
References
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