通过RAFT控制聚合轻便和高效制备三组分荧光Glycopolymers

1Department of Biochemistry, University of Missouri, 2Department of Biological Sciences, University of Missouri, 3Department of Molecular Microbiology & Immunology, University of Missouri, 4Department of Child Health, University of Missouri
Chemistry
 

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Wang, W., Lester, J. M., Amorosa, A. E., Chance, D. L., Mossine, V. V., Mawhinney, T. P. Facile and Efficient Preparation of Tri-component Fluorescent Glycopolymers via RAFT-controlled Polymerization. J. Vis. Exp. (100), e52922, doi:10.3791/52922 (2015).

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Abstract

合成glycopolymers是各种生化和生物医学研究领域使用的工具和灵活的工具。使用可逆加成 - 断裂链转移控制良好的荧光统计glycopolymers的简便而有效的合成的一例(RAFT)基聚合是证明。该合成开始于由lactobionolactone N的反应得到β -半乳糖-含glycomonomer -2- lactobionamidoethyl甲基丙烯酰胺的制备- (2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(AEMA)。 2- Gluconamidoethyl甲基丙烯酰胺(GAEMA)被用作结构类似物缺乏一个终端β-D-半乳糖苷。下面RAFT介导的共聚合反应涉及三个不同的单体:N - (2-羟乙基)丙烯酰胺作为间隔物,AEMA作为靶进行进一步荧光标记,和glycomonomers。宽容含水系统,在反应中使用的RAFT试剂是(4-氰基戊酸)-4-二硫代苯甲酸酯。低分散度(≤1.32),可预测的共聚物组合物,以及高的聚合再现性的产品中观察到。荧光聚合物是通过修改glycopolymers用羧基琥珀酰亚胺酯靶向伯胺官能团上AEMA获得。所得glycopolymers的凝集素结合特异性通过用涂有特定glycoepitope识别外源凝集素相应琼脂糖珠测试验证。因为易于合成的,严密控制的产品组合物和反应的重现性好,该协议可以被翻译朝向其它制备RAFT基glycopolymers具有特定的结构和组合物,根据需要。

Introduction

在过去的二十年里,研究合成glycopolymers经历了缓慢但持续的发展,在研究,包括研究侧重于凝集素识别过程1-3传染机制证明显著的潜力。因为合成glycopolymers具有多价的糖部分表现出高得多的凝集素结合功效相比,单价碳水化合物,它们在糖生物学领域3很大的需求。在临床研究中特别感兴趣的是使用荧光glycopolymers的表征的凝集素介导的细菌可用对人体呼吸道细胞表面和粘膜糖蛋白的碳水化合物结合。早在体外研究中细菌的结合试验中使用可商购的聚丙烯酰胺系glycopolymers。其中一些探头表现出令人鼓舞的结果,但对于,obtainability,和很多到很多差异在这两个POL引发市场担忧ymer分子量和glycoepitope内容。一种经济的在实验室协议被开发这将提供对结构的含量,大小和靶向细菌凝集素合成glycopolymers的纯度令人满意的控制。

在寻 ​​找一个合适的合成方法来glycopolymers,一个相对较新的聚合技术,使用采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)试剂4一型受控的自由基聚合的测试。这样的RAFT试剂最近已应用在几glycopolymer制剂5-7。与其他glycopolymer制备协议相比,RAFT介导的聚合中表现出一些优点,包括耐多种单体的结构和反应条件,用水溶液潜在的兼容性,以及所需的聚合产物8,9-低尺寸分散性。值得注意的令人感兴趣的是制备RAFT-BA的协议SED三组分glycopolymers,允许不同的单体,其中每一个可具有不同的功能10-13的组合物的控制。然而,大多数的以前的研究工作要么缺乏异头挂件碳水化合物10,或采用阶梯导致三嵌段共聚物的聚合反应,即包括共价连接的均聚物,这往往用于不同的目的不是统计聚合物,其是共聚物,其中单体的序列残留遵循统计规律9-13。

最近,采用硫羰基硫基RAFT化合物(4-氰基戊酸)-4-二硫代苯甲酸酯在含水环境中,一组的制备RAFT基含有特定挂件糖及其在应用线性三组分统计glycopolymers凝集素介导的细菌结合测试报告14。该方法中,以视觉方式呈现的总体目标,是制备三组分通过RAFT控制共聚统计荧光glycopolymers。因为易于一步法聚合协议的,精细地控制聚合物长度和组合物,以及该反应的高再现性,该协议可以很容易地应用于glycopolymers具有所需结构的其它的RAFT基合成。

Protocol

1.合成Glycomonomer 2- Lactobionamidoethyl甲基丙烯酰胺

  1. 溶解2克乳糖酸3.0毫升无水甲醇和缓慢下降明智的时尚加无水乙醇直到溶液刚变浑浊,然后通过旋转蒸发除去溶剂。
  2. 溶解残渣,从步骤1.1,溶在3.0ml无水甲醇中,并再次,慢慢加入无水乙醇直至刚好混浊,然后经由旋转蒸发蒸去溶剂。重复此步骤3次,得到lactobiono -1,5-内酯(1.94克,98%产率)。此产品具有足够的纯度在下面反应中使用。
  3. 3.0毫升甲醇中添加1.0克lactobionolactone与N - (2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(AEMA,0.58克)和氢醌单甲醚(MEHQ,1.0毫克),自聚合的抑制剂,2.0毫升甲醇中,接着以1.0毫升三乙胺。在RT搅拌48小时。
  4. 加20 500ml的去离子H 2澳(DH 2
  5. 以除去任何剩余的乳糖酸,加20的dh 2 O中的溶液,然后通过阴离子交换柱的水溶液(OH -型 ,10毫米×20毫米)到含有1.0毫克的MEHQ接收烧杯中。
  6. 除去三乙胺,在步骤1.5中产生的,通过蒸发,通过旋转蒸发浓缩至干。
  7. 添加20毫升的dh 2 O,并通过缓慢加入阳离子交换树脂(H +型 )的1毫克等分试样直至不再茚三酮反应性材料是可检测的除去未反应AEMA。监视除去通过取该溶液的1微升等份各树脂加入后,将其应用到一个薄层层析板,然后喷涂板在乙醇溶液中的2%茚三酮。当没有深蓝色的颜色被观察到的开发时,板被加热到90℃保持1分钟,终点已经到达。
  8. 从样品中取出的MEHQ通过在甲醇(约0.5毫升)的最低量溶解的冷冻干燥物,然后添加冷的无水丙酮(-20℃,15毫升)以沉淀产物。用烧结玻璃漏斗收集沉淀,通过过滤,然后干燥该沉淀物在干燥器中在真空下,得到2- lactobionamidoethyl甲基丙烯酰胺(LAEMA),为灰白色粉末(0.94克,68%产率)。此产品具有足够的纯度在下面反应中使用。

2.合成单体2- Gluconamidoethyl甲基丙烯酰胺

注:2-gluconamidoethyl甲基的制备(GAEMA),它不具有侧链的糖,改编自发布方法15。

  1. 添加2.0克AEMA的溶解在10毫升甲醇中的溶液的D-葡萄糖酸内酯(1.6克)在30毫升甲醇中,并在搅拌下,慢慢地添加1.6毫升三乙胺。
  2. 在RT搅拌24小时,进行反应。
  3. 用烧结玻璃漏斗过滤沉淀出的产品,并冲洗沉淀三次,每次10毫升异丙醇中,然后用10毫升无水丙酮。干燥在真空下干燥器沉淀的产物。

3. R​​AFT Glycopolymer合成

  1. 以除去抑制剂的MEHQ存在于商业的N - (2-羟基乙基)丙烯酰胺(HEAA),加入1 ml HEAA至2ml微量离心管中,随后加入0.5克三氧化二铝纳米颗粒。离心管中,在300×g离心30秒,并使用顶层HEAA在以下的反应。
  2. 小心加入32.8毫克LAEMA的(70.0微摩尔),1.7毫克AEMA的(10.5微摩尔)和27.5微升HEAA(270微摩尔),全部溶解在0.4的dh 2 O毫升,以良好的清洁1毫升Schlenk管,从而有一个monom3:77 20 ER摩尔比。
  3. 在平行的反应中,为了产生对照聚合物,其不具有任何挂件糖,以代替在步骤3.2采用LAEMA的,在反应代替21.4毫克GAEMA的(70.0微摩尔)。
  4. 到相应的Schlenk管( 3.2或3.3),依次添加含0.53毫克(4-氰基戊酸)-4-二硫代苯甲酸酯(1.9微摩尔,RAFT试剂)和50微升DMF中含有250微克的DMF中的50微升4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(0.9微摩尔,引发剂)。通过手指轻轻拍打混合。
  5. 冻结包含在Schlenk管内容采用干冰:乙醇浴(75克干冰在100ml乙醇中),内10-50毫乇施加真空,然后关闭的Schlenk阀并允许溶液缓慢解冻至室温。重复此冷冻撤离冻融循环两次。确保所有的试剂,最后解冻后解散。
  6. 将舒伦克管插入密封塑料BA克,疏散袋的空气,然后密封。含有Schlenk管袋转移到水浴预热在70℃孵育24小时。
  7. 在Schlenk管中的溶液小心地转移到准备好的透析袋(MWCO = 3500),和透析针对卫生署2 O(10×2升)24小时,改变的dh 2 O每隔一小时的前8个小时。以下透析,从透析管转移样品到一试管中,冷冻的样品在-80℃下,然后冻干它。

注意:得到的统计的聚甲基丙烯酰胺/丙烯酰胺(PMA)含有侧链4-ö-β-D-吡喃半乳糖基-D-葡糖酰胺(lactobionamide)(来自步骤3.2)或D-葡糖酰胺(来自步骤3.3)共聚物,分别是获得。为便于讨论,这两个glycopolymers简写为PMA-LAEMA和PMA-GAEMA分别。

4.后期修饰Glycopolymers与荧光团

  • 溶解5.0毫克含有〜0.9微摩尔的伯胺官能团的glycopolymer PMA-LAEMA或PMA-GAEMA在0.9磷酸盐缓冲盐水(PBS,0.1M磷酸钠,0.15M氯化钠,pH值7.5)中的溶液,分别
  • 慢慢在100μlDMF中添加0.6毫克的羧基琥珀酰亚胺基酯向快速搅拌下的解决方案。轻轻搅拌该反应16小时,在黑暗中在室温。
  • 虽然避光,装载样品放入事先准备好的透析管(MWCO = 3500),并针对透析卫生署2 O(2升)16小时,更换透析液每隔一小时前8小时。以下透析,从透析管转移样品到一试管中,冷冻的样品在-80℃下,然后冻干它。
  • 注意:按照冻干,荧光glycopolymers PMA-LAEMA荧光素和PMA-GAEMA荧光素,分别被获得。

    在甘氨酸5表征共聚物

    1. 确定数均分子量(M n)时,重均分子量(M w)的与glycopolymers的上装有凝胶渗透色谱法(GPC)的软件,其GPC商用HPLC系统的分散度(M W / M n)的列适合分子量的兴趣,和折射率检测器,用0.1M的Tris / 0.1M的氯化钠缓冲液(pH 7)作为洗脱剂以0.6ml / min的14的流速。使用聚乙二醇标准作为分子量标准(分子量:200-1,200,000克/摩尔)。
    2. 量化glycopolymers 16内伯胺官能团的实际浓度。根据公布的方法分析17总碳水化合物的含量合成glycopolymers的。
    3. 通过核磁共振光谱执行14结构组成和glycomonomers LAEMA纯度测试,GAEMA和glycopolymers PMA-LAEMA,PMA-GAEMA在D 2 O中。

    合成Glycopolymers与6.结合凝集素试验涂琼脂糖珠

    1. 添加1.5毫升PBS中至50μl悬浮液的鸡冠刺桐凝集素(ECL)包被的琼脂糖珠,离心机在300×g离心1分钟,并小心地取出和处理上清液。重复此步骤两次,然后重悬珠子在0.5ml PBS中。
    2. 加入3 PMA-LAEMA荧光素或PMA-GAEMA荧光素(阴性对照)在6微升PBS至珠粒悬浮微克,孵育混合物,在黑暗中,在室温进行1小时。
    3. 用1.5毫升PBS清洗3次,并重新悬浮珠0.2毫升的PBS洗涤混合物。加载一个等分试样(4微升)到一个井上的免疫荧光显微镜载玻片(聚四氟乙烯涂层),盖上盖玻片,并使用FITC滤波用荧光显微镜观察(激发波长:467-498纳米,发射波长:513- 566纳米)和10X客观的检查T的结合他荧光glycopolymers与珠14。

    Representative Results

    glycomonomer的合成

    乳糖酸被本文用作glycomonomers的制备的一个例子。使用在LAEMA 11合成的初步报告的方法,不同的收益率在准备与纯度不理想,观察。使用阳离子和阴离子交换树脂的改性的纯化方法,除去提供稳定的产品产率和高纯度的未反应的起始原料,它是由1 H和13 C-NMR光谱( 图1)证实。

    RAFT glycopolymer合成和修改后的glycopolymers与荧光

    与此相反,通过台阶的RAFT聚合制备的嵌段glycopolymers,这一步共聚协议提供在整个聚合物主链均匀glycomonomer分布。这里示出的glycopolymers含有20摩尔%GL的ycomonomer,77摩尔%HEAA作为间隔物,和3摩尔%AEMA的作为后修饰(参见2)。1 H和13 C-NMR光谱法的靶确认PMA-LAEMA和PMA-GAEMA的结构( 图34)。如图5所示 ,当对没有RAFT合成的glycopolymer的GPC洗脱曲线作图,二者PMA-LAEMA和PMA-GAEMA具有低分散度,证明了RAFT方法的功效。正如预期的那样,PMA-GAEMA有Mn为比PMA-LAEMA由于PMA-GAEMA缺乏挂件糖较小。碳水化合物和伯胺官能团的RAFT glycopolymers的内容的分析表明,单体在产物glycopolymers的比率为与开始在RAFT介导的聚合反应( 表1)使用的单体的化学计量比是一致的。这标志着单体compositio的严格控制ns的合成glycopolymers,作为设计的。

    伯胺官能基团与活化的荧光团反应是在蛋白质标记一种广泛使用的技术。这种技术就是在这里采用与羧基标签纯化glycopolymers。以下修正后,荧光聚合物获得( 图6)。通过GPC分析法检测反应中的荧光素标记的聚合物的不降解(数据未显示)。

    结合合成glycopolymers测试与外源凝集素涂层琼脂糖珠

    以评估合成glycopolymers的凝集素结合特异性,凝集素包被的琼脂糖珠与已知的糖结合特异性使用。 鸡冠刺桐凝集素(ECL),在实验中使用的,具有朝向β-D-半乳糖苷的结合特异性。 图7A清楚地表明,PMA-LAEMA-FLuorescein,其中包含β-D-半乳糖苷作为侧碳水化合物,表现出很强的与ECL凝集素结合。与此相反,负结合于glycopolymer PMA-GAEMA荧光素,它不具有一个侧挂糖的ECL, 如图7B所示 。该结果例证了合成荧光glycopolymer的结合效力和亲和力。

    图1
    图1.分配1 H-(a)和13 C-NMR(B)光谱(D 2 O)为LAEMA。(这个数字已经被修改Wang 14) 请点击这里查看本一个更大的版本图。

    <P类=“j​​ove_content”FO:保持together.within页=“总是”> 图2
    图2.含β半乳糖苷作为吊坠糖荧光glycopolymer PMA-LAEMA的合成示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图3
    图3.分配1 H-(A)和13 C-NMR(B)光谱(D 2 O)的PMA-LAEMA glycopolymer。(这个数字已经被修改Wang 14) 辩诉交易SE点击此处查看该图的放大版本。

    图4
    图4.分配1 H-(A)和13 C-NMR(B)光谱(D 2 O)的PMA-GAEMA。(这个数字已经被修改Wang 14) 请点击此处查看大图这个数字。

    图5
    RAFT基PMA-GAEMA和PMA-LAEMA图5.凝胶渗透色谱痕迹使用和不使用RAFT试剂制备的。与此相反的PMA-LAEMA而不RAFT试剂(蓝色)中制备,RAFT-基于PMA-LAEMA(绿色)具有低得多的分散度(M W / M n)的。筏基PMA-GAEMA(红色)和PMA-LAEMA有类似的GPC曲线,但前者具有较小的Mn为由于没有任何挂件糖。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图6
    白色非标记glycopolymer(左管)相比图6 PMA-LAEMA前和修正后用荧光团之后。(A)中 ,荧光素标记的PMA-LAEMA显示强的黄色(右管)。 (B)在紫外线,非标记的PMA-LAEMA(左管,1毫克/毫升在PBS中)是黑暗,并与无荧光呈现,而荧光素标记的PMA-LAEMA(右管,1毫克/毫升在PBS中)示出了强烈的绿色荧光。://www.jove.com/files/ftp_upload/52922/52922fig4large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

    图7
    图7. 鸡冠刺桐凝集素(ECL)涂层琼脂糖珠结合含glycopolymersβ-D-半乳糖,而不是那些不具备一个挂件糖。(A)PMA-LAEMA荧光素(3微克)表现出很强的结合与ECL ,而在(B)的 PMA-GAEMA荧光素,其具有无挂件β-D-半乳糖苷残基,显示出与凝集素包被的珠无结合。 比例尺= 100微米。

    表1.定向的合成参数和glycopolymers的实际组成。一)定位值,值期望的产品; B)DP,聚合度; C)NA,无法使用。 请点击此处查看该图的放大版本。

    DP b 分散度 glycomonomers的实际内容
    摩尔%
    伯胺的实际内容
    摩尔%
    指定值 100 <1.3 20 3
    PMA-LAEMA 99 1.26 19 3.2
    PMA-GAEMA 89 1.32 NAÇ 2.7

    Discussion

    一种简便,高效的协议进行的RAFT基三组分荧光glycopolymers,具有和不具有侧链的碳水化合物,以及它们在一个凝集素结合试验使用,证明本报告中。该协议开始的glycomonomers LAEMA和GAEMA的准备。通过单步的RAFT控制共聚,glycopolymers具有可重复的产率,预测的单体组合物和低分散​​性,能得到。以下修正后glycopolymers用羧基琥珀酰亚胺酯,将所得各荧光标记glycopolymer的结合是很容易可测试其凝集素结合特异性。

    在初始制备的步骤是在随后glycopolymer合成所采用的glycomonomers的,容易获得的乳糖酸和葡糖酸内酯被利用。从理论上讲,任何感兴趣的碳水化合物,从单糖到复杂的寡糖,可以转换器具d,来glycomonomers由缀合的靶糖到伯羟基上的葡萄糖的C6。以下的氧化还原葡萄糖残基,和其后续的脱水内酯,产物然后可以容易地与上AEMA的伯胺反应形成相应的glycomonomer反应。这条路线的进一步的实例可以看出,在最近的一份报告14。应当指出的是,在启动任何聚合步骤之前,MEHQ,一种有效的聚合抑制剂,必须从所有单体和glycomonomer制剂在使用前除去。这可容易的通过使用甲醇的最小量以溶解该具有MEHQ然后立即用丙酮把它在-20℃以沉淀在高收率抑制剂无产品的glycomonomer完成。

    至关重要的自由基聚合计划,注重细节和单体纯度的强调。由于是典型在RAFT聚合体系,它由自由基源,在RAFT试剂,单体和溶剂。在这种可视呈现,单步RAFT聚合系统进行说明,着重于生产从反应混合物具有在水溶液中三种不同的单体生成的统计共聚物。两个独立的RAFT介导的反应被呈现,其中一个利用glycomonomer一个拥有一个挂件,非还原性糖类末端( 即,β-D-半乳糖),以及其他的,具有无界糖残基的多元醇。常见的两种RAFT介导的反应是单体具有在作为间隔分子奇异羟基,而另一个具有一个游离胺为修正后与氨基反应的荧光团。

    因为氧在反应混合物中,环境中的存在是有害的RAFT介导的聚合,其去除跟踪水平通过几个冷冻EVA是容易实现cuate - 解冻循环,同时保持在高真空下的Schlenk管反应容器中。

    应当指出的是,在反应的不同单体的摩尔比可根据需要进行调整。另外,通过改变RAFT试剂的使用量,所得到的聚合物的长度,可以控制18。然而,在RAFT试剂与引发剂的摩尔比应始终大于二,以确保产品的低分散度。在这些条件下,共聚的演变是稳定,并且该反应的再现性是非常高的。如此说来,这是不可能的,可以得到所有参与单体的统计共聚物内的完全均匀分布,由于它们的不同的聚合速度。表征不同单体的聚合物中的分布仍是非常具有挑战性的。

    修正后的方法,在这里提出,是既简单,更amenabl以e为使用更宽选择的荧光标记,比施加到标签glycopolymers 2,11其他协议。这些将包括许多水溶性胺 - 反应性荧光团,量子点,生物素,和其他。合成,标记glycopolymers的结合特异性可容易地核查使用外源凝集素与已知结合亲和力。 PMA-GAEMA属没有挂件糖是一个合适的阴性对照。 Glycopolymers经由这个路线来制备不同的荧光标记物已被成功地用于在的凝集素介导的细菌结合14调查。所提出,此简单而且有效的统计荧光glycopolymers准备应于各种各样glycobiological研究提供的巨大潜力。

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Reagent
    Lactobionic acid Sigma-Aldrich 153516
    D-Gluconolactone  Sigma-Aldrich G2164
    N-(2-hydroxyethyl) acrylamide (HEAA) Sigma-Aldrich 697931
    Orange II sodium salt Sigma-Aldrich O8126
    Hydroquinone monomethyl ether (MEHQ) Sigma-Aldrich 54050 Polymerization inhibitor
    N-(2-aminoethyl) methacrylamide hydrochloride (AEMA) Polysciences, Inc 24833-5
    Triethylamine Fisher Scientific BP-616
    Anion-exchange resin IRN-78 hydroxide-form, 80 mesh Sigma-Aldrich 10343-U
    Cation-exchange resin 50Wx8, 200 mesh Sigma-Aldrich 217514
    Aluminum oxide, ~150 mesh  Sigma-Aldrich A1522 Type WN-6, Neutral, Activity Grade Super I
    Ninhydrin Sigma-Aldrich N4876 An ethanol solution of 0.2% ninhydrin was used in the test
    4-Cyano-4-(phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid Sigma-Aldrich 722995 RAFT agent
    4,4′-Azobis(4-cyanovaleric acid) Sigma-Aldrich 11588 Polymerization initiator
    Carboxyfluorescein succinimidyl ester  Life Technologies C1157
    Erythrina Cristagalli lectin coated agarose bead Vector Laboratories AL-1143 
    Solvent
    dH2O Produced by Barnstead water purification system, 18 megOhm-cm
    Isopropanol Fisher Scientific A461-4 ACS grade or better
    Methanol Fisher Scientific A454-4 ACS grade or better
    Absolute ethanol Fisher Scientific BP2818-100 ACS grade or better
    Dimethylformamide Sigma-Aldrich 22705 ACS grade or better
    Acetone Fisher Scientific A929-4 ACS grade or better
    Equipment
    Dialysis membrane (MWCO: 3,500) Spectrum Labs 132720
    Polyethylene glycol analytical standard standard Sigma-Aldrich O2393
    Schlenk tube, 1 ml Quark Glass Customized
    TSK-GEL G4000 PWxl  Tosoh Bioscience  8022 Used for GPC analysis of the glycopolymers
    Empower 3 with GPC/SEC package Waters Corporation
    Waters Alliance HPLC system  Waters Corporation Equipped with refractive index detector (Waters 2414) and fluorescence detector (Waters 2475)
    Avance III 800 MHz NMR Spectrometer Bruker Corporation
    BX43 fluorescence microscope Olympus Corporation Used with FITC filter in the glycopolymer binding test
    Rotavap / Rotoevaporator Heidolph
    Fritted disc funnel Fisher Scientific 10-310-109
    Lyophilizer Labconco
    Immunofluorescence microscope slide Polysciences 18357-1
    Revco Ultima Plus -80 °C Freezer Thermo Scientific
    Plastic Vacuum Bag and Hand Pump Ziploc
    Vacuum Pump, Direct Drive, Maxima C Plus Fisher Scientific
    Vacuum Gauge Sargent-Welch

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    References

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