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ratón de laboratorio

Dibujo lineal de un ratón de laboratorio.
El ratón albino de laboratorio es un organismo modelo icónico para la investigación científica en diversos campos.
SCID albina
Un SCID
Con color de capa intermedio.
Color de pelaje intermedio
Mantenido como mascota de pie sobre un trozo de hierba.
Mantenido como mascota

El ratón de laboratorio o ratón de laboratorio es un pequeño mamífero del orden Rodentia que se cría y se utiliza para investigaciones científicas o como alimento para determinadas mascotas. Los ratones de laboratorio suelen ser de la especie Mus musculus . Son el modelo de investigación sobre mamíferos más utilizado y se utilizan para investigaciones en genética , fisiología , psicología , medicina y otras disciplinas científicas . Los ratones pertenecen al clado Euarchontoglires , que incluye a los humanos . Esta estrecha relación, la alta homología asociada con los seres humanos, su facilidad de mantenimiento y manejo y su alta tasa de reproducción, hacen de los ratones modelos especialmente adecuados para la investigación orientada a los seres humanos. Se ha secuenciado el genoma del ratón de laboratorio y muchos genes de ratón tienen homólogos humanos. [1] Los ratones de laboratorio se venden en tiendas de mascotas como alimento para serpientes y también se pueden tener como mascotas .

Otras especies de ratones que a veces se utilizan en investigaciones de laboratorio incluyen dos especies americanas, el ratón de patas blancas ( Peromyscus leucopus ) y el ratón ciervo norteamericano ( Peromyscus maniculatus ).

La historia como modelo biológico.

Los ratones se han utilizado en la investigación biomédica desde el siglo XVII, cuando William Harvey los utilizó para sus estudios sobre reproducción y circulación sanguínea y Robert Hooke los utilizó para investigar las consecuencias biológicas de un aumento de la presión del aire. [2] Durante el siglo XVIII, Joseph Priestley y Antoine Lavoisier utilizaron ratones para estudiar la respiración . En el siglo XIX, Gregor Mendel llevó a cabo sus primeras investigaciones sobre la herencia del color del pelaje de los ratones, pero su superior le pidió que dejara de criar en su celda "criaturas malolientes que, además, copulaban y mantenían relaciones sexuales". [2] Luego cambió sus investigaciones a los guisantes pero, como sus observaciones se publicaron en una revista botánica algo oscura, fueron prácticamente ignoradas durante más de 35 años hasta que fueron redescubiertas a principios del siglo XX. En 1902, Lucien Cuénot publicó los resultados de sus experimentos con ratones que demostraban que las leyes de herencia de Mendel también eran válidas para los animales, resultados que pronto fueron confirmados y extendidos a otras especies. [2]

A principios del siglo XX, Clarence Cook Little, estudiante de Harvard, estaba realizando estudios sobre genética de ratones en el laboratorio de William Ernest Castle . Little y Castle colaboraron estrechamente con Abbie Lathrop, quien era una criadora de ratones y ratas elegantes que comercializaba entre aficionados a los roedores y dueños de mascotas exóticas, y luego comenzó a vender en grandes cantidades a investigadores científicos. [3] Juntos generaron la cepa de ratón endogámico DBA (Dilute, Brown y no Agouti) e iniciaron la generación sistemática de cepas endogámicas. [4] Desde entonces, el ratón se ha utilizado ampliamente como organismo modelo y está asociado con muchos descubrimientos biológicos importantes de los siglos XX y XXI. [2]

El Laboratorio Jackson en Bar Harbor, Maine, es actualmente uno de los mayores proveedores de ratones de laboratorio del mundo, con alrededor de 3 millones de ratones al año. [5] El laboratorio es también la fuente mundial de más de 8.000 cepas de ratones genéticamente definidos y es el hogar de la base de datos Mouse Genome Informatics . [6]

Reproducción

cachorros de 1 dia

El inicio de la reproducción ocurre alrededor de los 50 días de edad tanto en hembras como en machos, aunque las hembras pueden tener su primer estro entre los 25 y 40 días. Los ratones son poliestros y se reproducen durante todo el año; la ovulación es espontánea. La duración del ciclo estral es de 4 a 5 días y dura aproximadamente 12 horas y ocurre por la noche. Los frotis vaginales son útiles en apareamientos programados para determinar la etapa del ciclo estral. El apareamiento puede confirmarse por la presencia de un tapón copulador en la vagina hasta 24 horas después de la cópula. La presencia de espermatozoides en un frotis vaginal también es un indicador fiable de apareamiento. [7]

El período medio de gestación es de 20 días. Un estro posparto fértil ocurre entre 14 y 24 horas después del parto , y la lactancia y la gestación simultáneas prolongan la gestación entre 3 y 10 días debido al retraso en la implantación. El tamaño promedio de la camada es de 10 a 12 durante la producción óptima, pero depende en gran medida de la cepa. Como regla general, los ratones consanguíneos tienden a tener períodos de gestación más largos y camadas más pequeñas que los ratones consanguíneos e híbridos . Las crías se llaman cachorros y pesan entre 0,5 y 1,5 g (0,018 a 0,053 oz) al nacer, no tienen pelo y tienen los párpados y las orejas cerrados. Los cachorros se destetan a las 3 semanas de edad cuando pesan entre 10 y 12 g (0,35 a 0,42 oz). Si la hembra no se aparea durante el estro posparto, reanuda el ciclo 2 a 5 días después del destete. [7]

Los machos recién nacidos se distinguen de las hembras recién nacidas por la mayor distancia anogenital y la papila genital más grande en el macho. Esto se logra mejor levantando las colas de los compañeros de camada y comparando el perineo . [7]

Genética y cepas.

Los ratones son mamíferos del clado (un grupo formado por un ancestro y todos sus descendientes) Euarchontoglires , lo que significa que se encuentran entre los parientes no primates más cercanos de los humanos junto con los lagomorfos , las musarañas y los lémures voladores .

Los ratones de laboratorio son de la misma especie que el ratón doméstico ; sin embargo, suelen ser muy diferentes en comportamiento y fisiología . Hay cientos de cepas endogámicas , exógamas y transgénicas establecidas . Una cepa , en referencia a los roedores, es un grupo en el que todos los miembros son lo más parecidos posible genéticamente. En ratones de laboratorio, esto se logra mediante endogamia . Al tener este tipo de población, es posible realizar experimentos sobre el papel de los genes o realizar experimentos que excluyan la variación genética como factor. Por el contrario, las poblaciones exógenas se utilizan cuando no son necesarios genotipos idénticos o se requiere una población con variación genética, y generalmente se las denomina cepas en lugar de cepas . [8] [9] Se han desarrollado más de 400 cepas endogámicas estandarizadas. [ cita necesaria ]

La mayoría de los ratones de laboratorio son híbridos de diferentes subespecies, más comúnmente de Mus musculus domesticus y Mus musculus musculus . Los ratones de laboratorio pueden tener una variedad de colores de pelaje, incluidos agutí, negro y albino . Muchas (pero no todas) las cepas de laboratorio son endogámicas. Las diferentes cepas se identifican con combinaciones específicas de letras y dígitos; por ejemplo C57BL/6 y BALB/c . La primera de estas cepas endogámicas fue producida en 1909 por Clarence Cook Little , quien influyó en la promoción del ratón como organismo de laboratorio. [10] En 2011, se estima que el 83% de los roedores de laboratorio suministrados en los EE. UU. eran ratones de laboratorio C57BL/6. [11]

genoma

La secuenciación del genoma del ratón de laboratorio se completó a finales de 2002 utilizando la cepa C57BL/6. Este fue sólo el segundo genoma de mamífero secuenciado después del humano. [11] El genoma haploide tiene una longitud de unos tres mil millones de pares de bases (3.000 Mb distribuidos en 19 cromosomas autosómicos más 1, respectivamente, 2 cromosomas sexuales), por lo que es igual al tamaño del genoma humano. [ cita necesaria ] Estimar la cantidad de genes contenidos en el genoma del ratón es difícil, en parte porque la definición de gen aún se está debatiendo y ampliando. El recuento actual de genes codificantes primarios en el ratón de laboratorio es de 23.139. [12] en comparación con un estimado de 20.774 en humanos. [12]

Cepas mutantes y transgénicas.

Dos ratones que expresan una proteína fluorescente verde mejorada bajo iluminación UV flanquean a un ratón simple de la línea parental no transgénica
Comparación de un ratón obeso knockout (izquierda) y un ratón de laboratorio normal (derecha)

Se han creado diversas cepas mutantes de ratones mediante diversos métodos. Una pequeña selección de las muchas cepas disponibles incluye:

Desde 1998 es posible clonar ratones a partir de células derivadas de animales adultos.

Cepas endogámicas comúnmente utilizadas

Hay muchas cepas de ratones que se utilizan en la investigación; sin embargo, las cepas endogámicas suelen ser los animales elegidos para la mayoría de los campos. Los ratones endogámicos se definen como el producto de al menos 20 generaciones de apareamiento hermano X hermana, y todos los individuos derivan de una sola pareja reproductora. [15]

Los ratones endogámicos tienen varios rasgos que los hacen ideales para fines de investigación. Son isogénicos , lo que significa que todos los animales son casi genéticamente idénticos. [16] Aproximadamente el 98,7% de los loci genéticos del genoma son homocigotos , por lo que probablemente no haya rasgos recesivos "ocultos" que puedan causar problemas. [16] También tienen fenotipos muy unificados debido a esta estabilidad. [dieciséis]

Muchas cepas endogámicas tienen rasgos bien documentados que las hacen ideales para tipos específicos de investigación. La siguiente tabla muestra las 10 cepas más populares según Jackson Laboratories .

Proyecto DO de Jackson Labs

Árbol filogenético de las ocho cepas fundadoras utilizadas en el proyecto DO, así como su edad aproximada de divergencia. M. spretus está incluido como un grupo externo que divergió hace aproximadamente 2 millones de años (ma), no forma parte del proyecto DO. [29]

El proyecto Jackson Labs DO ( Diversity Outbred ) [30] es un programa de cría de ratones que utiliza múltiples cepas fundadoras endogámicas para crear una población genéticamente diversa de ratones para su uso en investigaciones científicas.

Estos ratones están diseñados para realizar un mapeo genético preciso y capturan una gran parte de la diversidad genética del genoma del ratón. [31]

Este proyecto ha dado como resultado más de 1.000 ratones genéticamente diversos que se han utilizado para identificar factores genéticos de enfermedades como la obesidad, el cáncer, la diabetes y el trastorno por consumo de alcohol. [32]

Apariencia y comportamiento

Los ratones de laboratorio han conservado muchas de las características físicas y de comportamiento de los ratones domésticos; sin embargo, debido a muchas generaciones de selección artificial, algunas de estas características ahora varían notablemente. Debido a la gran cantidad de cepas de ratones de laboratorio, no resulta práctico describir de forma exhaustiva la apariencia y el comportamiento de todos ellos; sin embargo, a continuación se describen dos de las cepas más utilizadas.

C57BL/6

Un ratón de laboratorio hembra C57BL/6

Los ratones C57BL/6 tienen un pelaje de color marrón oscuro, casi negro. Son más sensibles al ruido y los olores y tienen más probabilidades de morder que las cepas de laboratorio más dóciles como BALB/c . [39]

Los ratones C57BL/6 alojados en grupo (y otras cepas) muestran un comportamiento de barbero, en el que el ratón dominante en una jaula elimina selectivamente el pelo de sus compañeros de jaula subordinados. [40] Los ratones que han sido afeitados extensamente pueden tener grandes zonas calvas en sus cuerpos, comúnmente alrededor de la cabeza, el hocico y los hombros, aunque la barba puede aparecer en cualquier parte del cuerpo. Se pueden eliminar tanto el pelo como las vibrisas . La barbería se observa con mayor frecuencia en ratones hembra; Los ratones machos tienen más probabilidades de mostrar dominio mediante la lucha. [41]

C57BL/6 tiene varias características inusuales que lo hacen útil para algunos estudios de investigación pero inapropiado para otros: es inusualmente sensible al dolor y al frío, y los analgésicos son menos efectivos en esta cepa. [42] A diferencia de la mayoría de las cepas de ratones de laboratorio, el C57BL/6 bebe bebidas alcohólicas voluntariamente. Es más susceptible que el promedio a la adicción a la morfina , la aterosclerosis y la pérdida auditiva relacionada con la edad . [11] Cuando se comparan directamente con los ratones BALB/c, los ratones C57BL/6 también expresan una respuesta sólida a las recompensas sociales [43] [44] y empatía. [45]

BALB/c

Ratones de laboratorio BALB/c

BALB/c es una cepa albina criada en laboratorio de la que se derivan varias subcepas comunes. Con más de 200 generaciones criadas desde 1920, los ratones BALB/c se distribuyen globalmente y se encuentran entre las cepas endogámicas más utilizadas en experimentación animal . [46]

Los BALB/c se caracterizan por mostrar altos niveles de ansiedad y por ser relativamente resistentes a la aterosclerosis inducida por la dieta , lo que los convierte en un modelo útil para la investigación cardiovascular. [47] [48]

Los ratones macho BALB/c son agresivos y lucharán contra otros machos si se los aloja juntos. Sin embargo, la subcepa BALB/Lac es mucho más dócil. [49] La mayoría de las subcepas de ratones BALB/c tienen una larga vida reproductiva. [46]

Se observan diferencias entre las diferentes subcepas de BALB/c, aunque se cree que se deben a una mutación más que a una contaminación genética. [50] El BALB/cWt es inusual porque el 3% de la progenie muestra hermafroditismo verdadero . [51]

tg2576

Un modelo útil para la enfermedad de Alzheimer (EA) en el laboratorio es la cepa de ratones Tg2576. Esta cepa expresa las mutaciones dobles K670M y N671L observadas en la variante de empalme 695 humana de la proteína precursora de amiloide (APP). Un promotor del gen de la proteína priónica de hámster , predominantemente en las neuronas, impulsa la expresión. En comparación con sus compañeros de camada no transgénicos, los ratones Tg2576 muestran un aumento de cinco veces en Aβ40 y un aumento de 10 a 15 veces en Aβ42/43. [52] [53] [54] Estos ratones desarrollan placas seniles relacionadas con respuestas inflamatorias celulares porque sus cerebros tienen aproximadamente cinco veces más APP humana mutante transgénica que APP de ratón autóctono. Los ratones exhiben las principales características de la enfermedad de Alzheimer (EA), como una mayor generación de fibrillas de amiloide con el envejecimiento, formación de placas y deterioro del aprendizaje y la memoria del hipocampo . Los ratones Tg2576 son un buen modelo para la EA en etapa temprana porque muestran amiloidogénesis y deterioro de la memoria de trabajo relacionados con la edad, pero no muestran degeneración neuronal. [55] La ausencia de muerte celular sugiere que los cambios en las cascadas de señalización celular típicas involucradas en el aprendizaje y la plasticidad sináptica probablemente estén relacionados con el fenotipo de la memoria. Los trastornos del aprendizaje asociativo se exacerban cuando se cruzan ratones Tg2576 con animales transgénicos PS1 que poseen la mutación A246E FAD. Este cruce promueve la acumulación de amiloide y el desarrollo de placa en el SNC. [56] Esto da credibilidad a la teoría de que la patogénesis de la EA está influenciada por la interacción entre los productos del gen APP y PS-1. Aunque los ratones Tg2576 no replican perfectamente la EA en etapa tardía con muerte celular, sí ofrecen una plataforma para investigar la fisiología y bioquímica de la enfermedad. Con la ayuda de modelos de ratones transgénicos, los investigadores pueden avanzar en la investigación de la EA al comprender las intrincadas relaciones. entre productos genéticos que participan en la producción del péptido Aβ. E fisiología y bioquímica de la enfermedad. [57] [58]

Agricultura

Ratón de laboratorio (tenga en cuenta la etiqueta en la oreja)

Manejo

Tradicionalmente, los ratones de laboratorio eran cogidos por la base de la cola. Sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que este tipo de manejo aumenta la ansiedad y el comportamiento aversivo. [59] En cambio, se recomienda manipular ratones usando un túnel o con las manos ahuecadas. En las pruebas de comportamiento, los ratones con mango por la cola muestran menos disposición a explorar e investigar los estímulos de la prueba, a diferencia de los ratones con mango de túnel, que exploran fácilmente y muestran respuestas sólidas a los estímulos de la prueba. [60]

Nutrición

En la naturaleza, los ratones suelen ser herbívoros y consumen una amplia variedad de frutas o cereales. [61] Sin embargo, en los estudios de laboratorio suele ser necesario evitar la variación biológica y, para lograrlo, los ratones de laboratorio casi siempre se alimentan únicamente con pienso comercial granulado para ratones. La ingesta de alimentos es de aproximadamente 15 g (0,53 oz) por 100 g (3,5 oz) de peso corporal por día; La ingesta de agua es de aproximadamente 15 ml (0,53 imp fl oz; 0,51 US fl oz) por 100 g de peso corporal por día. [7]

Procedimientos de inyección

Las vías de administración de las inyecciones en ratones de laboratorio son principalmente subcutánea , intraperitoneal e intravenosa . No se recomienda la administración intramuscular debido a la pequeña masa muscular. [62] También es posible la administración intracerebral. Cada vía tiene un lugar de inyección recomendado, un calibre aproximado de la aguja y un volumen máximo recomendado de inyección al mismo tiempo en un lugar, como se indica en la siguiente tabla:

Para facilitar la inyección intravenosa en la cola, los ratones de laboratorio pueden calentarse cuidadosamente bajo lámparas de calor para vasodilatar los vasos. [62]

Anestesia

Un régimen común de anestesia general para el ratón doméstico es la ketamina (en dosis de 100 mg por kg de peso corporal) más xilazina (en dosis de 5 a 10 mg por kg), inyectada por vía intraperitoneal. [64] Tiene una duración del efecto de unos 30 minutos. [64]

Eutanasia

Los procedimientos aprobados para la eutanasia de ratones de laboratorio incluyen gas CO 2 comprimido , anestésicos barbitúricos inyectables , anestésicos inhalables, como el halotano, y métodos físicos, como la dislocación cervical y la decapitación. [65] En 2013, la Asociación Americana de Medicina Veterinaria emitió nuevas directrices para la inducción de CO 2 , afirmando que una tasa de flujo del 10% al 30% volumen/min es óptima para la eutanasia de ratones de laboratorio. [66]

Susceptibilidad a patógenos

Un estudio reciente detectó un astrovirus murino en ratones de laboratorio mantenidos en más de la mitad de los institutos estadounidenses y japoneses investigados. [67] Se encontró astrovirus murino en nueve cepas de ratones, incluidas NSG , NOD-SCID, NSG-3GS, C57BL6- Timp-3 −/− , uPA-NOG, B6J, ICR, Bash2 y BALB/C, con diversos grados. de prevalencia. Se desconocía la patogenicidad del astrovirus murino.

Legislación en investigación

Reino Unido

En el Reino Unido, como ocurre con todos los demás vertebrados y algunos invertebrados, cualquier procedimiento científico que pueda causar "dolor, sufrimiento, angustia o daño duradero" está regulado por el Ministerio del Interior en virtud de la Ley de Animales (Procedimientos Científicos) de 1986 . Las regulaciones del Reino Unido se consideran unas de las más completas y rigurosas del mundo. [68] Cada año se publican datos detallados sobre el uso de ratones de laboratorio (y otras especies) en investigaciones en el Reino Unido. [69] En el Reino Unido, en 2013, había un total de 3.077.115 procedimientos regulados en ratones en establecimientos de procedimientos científicos, autorizados en virtud de la Ley. [70]

Estados Unidos

En los EE. UU., los ratones de laboratorio no están regulados por la Ley de Bienestar Animal administrada por el APHIS del USDA . Sin embargo, la Ley del Servicio de Salud Pública (PHS), administrada por los Institutos Nacionales de Salud, ofrece un estándar para su cuidado y uso. Se requiere el cumplimiento del PHS para que un proyecto de investigación reciba financiación federal. La política de PHS es administrada por la Oficina de Bienestar de Animales de Laboratorio. Muchos institutos de investigación académica buscan la acreditación de forma voluntaria, a menudo a través de la Asociación para la Evaluación y Acreditación del Cuidado de Animales de Laboratorio , que mantiene los estándares de atención que se encuentran en la Guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio y la política de PHS. Sin embargo, esta acreditación no es un requisito previo para la financiación federal, a diferencia del cumplimiento real. [71]

Limitaciones

Si bien los ratones son, con diferencia, los animales más utilizados en la investigación biomédica, estudios recientes han puesto de relieve sus limitaciones. [72] Por ejemplo, la utilidad de los roedores en las pruebas de sepsis , [73] [74] quemaduras , [74] inflamación , [74] accidente cerebrovascular , [75] [76] ELA , [77] [78] [79] La enfermedad de Alzheimer , [80] la diabetes , [81] [82] el cáncer , [83] [84] [85] [86] [87] la esclerosis múltiple , [88] la enfermedad de Parkinson , [88] y otras enfermedades han sido incluidas en pregunta de varios investigadores. En cuanto a los experimentos con ratones, algunos investigadores se han quejado de que "se han desperdiciado años y miles de millones de dólares siguiendo pistas falsas" debido a la preocupación por el uso de estos animales en los estudios. [72]

Los ratones se diferencian de los humanos en varias propiedades inmunes: los ratones son más resistentes a algunas toxinas que los humanos; tienen una menor fracción total de neutrófilos en la sangre , una menor capacidad enzimática de los neutrófilos , una menor actividad del sistema del complemento y un conjunto diferente de pentraxinas implicadas en el proceso inflamatorio ; y carecen de genes para componentes importantes del sistema inmunológico, como IL-8 , IL-37 , TLR10 , ICAM-3 , etc. [73] Los ratones de laboratorio criados en condiciones libres de patógenos específicos (SPF) generalmente tienen una raza bastante inmadura. Sistema inmunológico con déficit de células T de memoria . Estos ratones pueden tener una diversidad limitada de la microbiota , lo que afecta directamente al sistema inmunológico y al desarrollo de condiciones patológicas. Además, las infecciones virales persistentes (por ejemplo, los herpesvirus ) se activan en humanos, pero no en ratones SPF con complicaciones sépticas , y pueden cambiar la resistencia a las coinfecciones bacterianas . Los ratones "sucios" posiblemente sean más adecuados para imitar patologías humanas. Además, en la inmensa mayoría de los estudios se utilizan cepas de ratones endogámicos, mientras que la población humana es heterogénea, lo que señala la importancia de los estudios en ratones híbridos, consanguíneos y no lineales entre cepas. [73]

Un artículo en The Scientist señala: "Las dificultades asociadas con el uso de modelos animales para enfermedades humanas son el resultado de las diferencias metabólicas, anatómicas y celulares entre los humanos y otras criaturas, pero los problemas son aún más profundos", incluidos problemas con el diseño y la ejecución. de las propias pruebas. [76] Además, el enjaulamiento de animales de laboratorio puede convertirlos en modelos irrelevantes de la salud humana porque estos animales carecen de variaciones diarias en experiencias, agencia y desafíos que puedan superar. [89] Los ambientes empobrecidos dentro de las pequeñas jaulas de ratones pueden tener influencias nocivas en los resultados biomédicos, especialmente con respecto a los estudios de salud mental y de sistemas que dependen de estados psicológicos saludables. [90]

Por ejemplo, los investigadores han descubierto que muchos ratones en laboratorios son obesos debido al exceso de comida y al ejercicio mínimo, lo que altera su fisiología y metabolismo de los fármacos. [91] Muchos animales de laboratorio, incluidos los ratones, sufren estrés crónico, lo que también puede afectar negativamente los resultados de la investigación y la capacidad de extrapolar con precisión los hallazgos a los humanos. [92] [93] Los investigadores también han observado que muchos estudios con ratones están mal diseñados, lo que lleva a hallazgos cuestionables. [76] [78] [79]

Algunos estudios sugieren que los datos publicados inadecuados sobre pruebas con animales pueden dar lugar a investigaciones irreproducibles, con detalles faltantes sobre cómo se realizan los experimentos que se omiten en los artículos publicados o diferencias en las pruebas que pueden introducir sesgos. Ejemplos de sesgos ocultos incluyen un estudio de 2014 de la Universidad McGill que sugiere que los ratones manipulados por hombres en lugar de mujeres mostraron niveles de estrés más altos. [94] [5] [95] [96] Otro estudio realizado en 2016 sugirió que los microbiomas intestinales en ratones pueden tener un impacto en la investigación científica. [97]

Tamaño de mercado

Se prevé que el mercado mundial de ratones genéticamente alterados crecerá hasta los 1.590 millones de dólares en 2022, a un ritmo del 7,5 por ciento anual. [98]

Ver también

Referencias

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