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BIOLOGÍA TUMORAL MUERTE CELULAR SEMINARIO 12 BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR AÑO 2020 ADAPTACIÓN VIRTUAL OBJETIVOS • Comprender el concepto de neoplasia. Adquisición de fenotipo invasivo. Crecimiento tumoral y metástasis. Tropismo celular metastásico. Angiogénesis tumoral. • Poder distinguir entre las distintas proteínas codificadas por protooncogenes y sus funciones. • Poder distinguir entre las distintas proteínas codificadas por genes supresores de tumores y sus funciones. • Discutir y desarrollar sobre distintos enfoques moleculares para el diseño de estrategias en el tratamiento de neoplasias. OBJETIVOS • Desarrollar sobre aquellas mutaciones que provocan la proliferación celular, o pérdida de la inhibición del crecimiento celular y control del ciclo celular. • Comprender los mecanismos involucrados en la muerte celular. Desarrollar el rol de las caspasas y vías de señalización en la muerte celular programada (apoptosis). PRIMERA SECCIÓN • BIOLOGÍA TUMORAL CONCEPTOS – CRECIMIENTO – INVASIÓN Y METÁSTASIS • ADQUISICIÓN DEL FENOTIPO INVASIVO • ANGIOGÉNESIS LA CÉLULA TUMORAL Y EL CANCER La proliferación continua e incontrolada, y la pérdida generalizada del control de la división celular son unas de las principales alteraciones que causan el desarrollo de tumoral. Como se ha visto en seminarios previos, existen distintos sistemas de regulación en la célula durante las fases de su ciclo de vida. La acumulación de alteraciones en múltiples de estos sistemas tienen como resultado neto los cambios que visualizamos en las células tumorales. Tabla I: Distribución absoluta y relativa de casos incidentes de cáncer estimados por la IARC para Argentina en 2018 según localizaciones tumorales más frecuentes y sexo. El cáncer es la sexta causa de muerte a nivel mundial y la tercera en nuestro país. Neoplasias Una neoplasia no se define únicamente por una célula con alteraciones del ciclo celular, sino que existen características para cada modelo tumoral que permiten evidenciar su potencial invasivo. Clásicamente, se describe que las neoplasias se desarrollan a partir de la acumulación de mutaciones. Entre otros cambios, se advierte que las células tumorales adquieren varios cambios vinculables a un fenotipo invasivo. Hay más de 100 tipos distintos de cáncer que pueden diferir sustancialmente en su comportamiento y respuesta al tratamiento. Es relevante señalar que en la actual concepción de patología oncológica no se habla de “una” célula tumoral, sino de una población de células tumorales, que deben interactuar con un microambiente que favorece su desarrollo. Mecanismos relacionados a neoplasias Neoplasias Debemos distinguir entre tumores benignos y malignos: • Un TUMOR BENIGNO permanece confinado en su localización original, sin invadir el tejido sano adyacente ni propagarse a lugares distantes del cuerpo. • Un TUMOR MALIGNO es capaz de invadir el tejido normal adyacente y de propagarse por el cuerpo mediante los sistemas circulatorio o linfático (metástasis). En estos esquemas utilizamos como ejemplo un conducto tubular donde se señala la luz, el epitelio y su lámina basal. Se puede apreciar en el segundo y tercer esquema la diferencia entre la proliferación y su relación con las estructuras señaladas, dependiendo del comportamiento del tumor (benigno/maligno). Definiciones A su vez, tanto los tumores malignos como los benignos se clasifican de acuerdo al tipo de célula del que proceden: • Los CARCINOMAS que son alteraciones de las células epiteliales (aproximadamente el 90% de los canceres humanos). • Los SARCOMAS que son tumores sólidos de tejido mesenquimático, como el tejido conectivo, óseo, muscular, cartilaginoso o fibroso. • Las LEUCEMIAS y los LINFOMAS que surgen de las células hematopoyéticas y de las células del sistema inmune respectivamente. Por último, estos tumores se clasifican a su vez atendiendo al tejido de origen (pulmón, mama, páncreas. Etc.) y al tipo de célula involucrada (por ej.: Carcinoma de Pulmón de Células No Pequeñas). Alteraciones del ciclo celular Como mencionamos antes, existen distintas alteraciones en las etapas del ciclo celular que pueden llevar a la aparición de cáncer. Podemos organizar estas alteraciones en los siguientes grupos: • Alteraciones relacionadas al aumento de la proliferación celular: En este grupo podemos encontrar el aumento en la secreción de factores de crecimiento autócrinos por parte de las células tumorales, que estimulan su propia proliferación. También podemos encontrar el requerimiento reducido de factores de crecimiento o de otras proteínas como componentes de las vías de transducción de señales que conducen a la proliferación celular. Estimulación autócrina del crecimiento Alteraciones del ciclo celular • Alteraciones asociadas a la perdida de la inhibición del crecimiento celular: En este grupo podemos encontrar mecanismos como la incapacidad de sufrir muerte celular programada, la inhibición de la proliferación dependiente de la densidad, donde las células normales proliferan hasta alcanzar una densidad celular determinada y la inhibición por contacto. Este último esta dado por los tipos de uniones celulares que presentan las células normales, y se ve afectado en la célula tumoral mostrando cambios fenotípicos tanto en la estructura como en las moléculas de adhesión que expresa. Inhibición dependiente de la densidad. Inhibición por contacto. ONCOGENES, PROTO-ONCOGENES Y GENES SUPRESORES DE TUMORES Se han descubierto varios genes alterados que se repiten en los distintos canceres, nos referimos a estos como genes críticos del cancer. Estos genes pueden clasificarse en dos grupos en función de si el producto génico promueve la proliferación celular o la disminuye/inhibe. Los genes del primer grupo son aquellos genes que conducen a un cáncer debido a una ganancia de su función. Estos genes son llamados PROTO-ONCOGENES, mientras que los mismos genes hiperactivados o sobreexpresados por mutaciones son llamados ONCOGENES. Los genes del segundo grupo en los cuales la pérdida de la función del gen puede provocar el cáncer, son llamados GENES SUPRESORES DE TUMORES. Alteraciones que pueden transformar a un proto-oncogen en un oncogen ONCOGENES, PROTO-ONCOGENES Dentro del grupo de oncogenes, uno de los primeros en ser identificado corresponde al homólogo humano del oncogén rasH del virus del sarcoma de Harvey. Tres miembros relacionados de la familia de los genes ras (rasH, rasK y rasN) son los oncogenes que se encuentran con mayor frecuencia en los tumores humanos. Los oncogenes ras surgen de los proto-oncogenes presentes en las células normales como resultado de mutaciones que tienen lugar durante el desarrollo tumoral (los oncogenes ras difieren de sus proto-oncogenes en mutaciones puntuales cuya consecuencia es la sustitución de un único aminoácido en posiciones clave). Como se trató en otros seminarios, los genes ras codifican proteínas de unión a guanina que intervienen en la transducción de las señales mitogénicas a partir de diversos receptores de factores de crecimiento. La actividad de las proteínas Ras está controlada por la unión de GTP o GDP, de tal manera que alternan entre el estado activo (unidas a GTP) e inactivo (unidas a GDP). Las mutaciones características en los oncogenes ras tienen el efecto de mantener las proteínas Ras en la conformación activas, provocando la proliferación celular incontrolada. La función de las proteínas oncogénicas en la regulación de la proliferación celular esta ilustrada por sus actividades en las vías de la transducción de la señal estimuladas por factores de crecimiento, como la activación de la señalización de ERK corriente debajo de los receptores de proteínas tirosin-kinasas. Las proteínas oncogénicas pertenecientes a esta vía incluyen factores de crecimiento polipeptídicos, receptores de factores de crecimiento, proteínas de señalizaciónintracelular y factores de transcripción. ONCOGENES, PROTO-ONCOGENES Los genes supresores de tumores representan un mecanismo opuesto de control del crecimiento celular, normalmente inhibiendo la proliferación celular y el desarrollo del tumor. En muchos tumores, estos genes están ausentes o inactivados, por lo que no intervienen como reguladores negativos de la proliferación celular, lo que contribuye a la proliferación anormal de las células tumorales. Varios genes supresores de tumores codifican proteínas reguladoras de la transcripción (ej.: Smad2 y Smad4), la apoptosis, proteínas de reparación del ADN, o regulan la progresión del ciclo celular. Un ejemplo a tener en cuenta es el producto del gen p53, el cual regula tanto la progresión del ciclo celular como de la apoptosis. El ADN dañado desencadena la rápida inducción de p53, que activa la transcripción de los genes pro-apoptóticos e inhibidores del ciclo celular. p53 bloquea la progresión del ciclo celular como respuesta a una lesión del ADN mediante la inducción del inhibidor Cdk p21, el cual bloque al progresión del ciclo celular en G1 al inhibir los complejos Cdk2/ciclina E. Esto da tiempo a la reparación del daño en el ADN antes de que se replique. GENES SUPRESORES DE TUMORES GENES SUPRESORES DE TUMORES Otra proteína como ejemplo es el gen Rb (gen descubierto en el Retinoblastoma), el cual inhibe el paso a través del punto de restricción en G1 reprimiendo la transcripción de determinados genes relacionados con la progresión del ciclo celular y la síntesis de ADN. En las células normales el paso a través de este punto de restricción se regula por los complejos Cdk4, 6/ciclina D, que fosforilan e inactivan a Rb. Por tanto, la inactivación de Rb en los tumores debido a su mutación supone la perdida de un regulador negativo de la progresión del ciclo celular. Inhibición de la progresión del ciclo celular por Rb y p16. Acción de p53 Evolución tumoral Estadios de progresión en el desarrollo de cáncer en el epitelio del cuello uterino. Desarrollo de carcinomas de colon. Evolución tumoral En el ciclo de desarrollo del cáncer, algunas células pueden invadir tejidos locales y vasos. Si esto ocurre, las células pueden viajar mediante la circulación a órganos lejanos y establecer nuevas colonias celulares. Conocemos a este mecanismo como METASTASIS. Para que ocurra esto deben ocurrir varios mecanismos biológicos, como la Transición Epitelio-Mesenquimática, la migración celular y la generación/modificación de un microambiente óptimo para el crecimiento de la célula tumoral. Adquisición del fenotipo invasivo El desarrollo de las células tumorales se ve afectado por el tejido de sostén (estroma) generando un microambiente que favorece la proliferación celular. Mientras el carcinoma progresa, las células tumorales inducen cambios en el estroma. Estos cambios consiste en: • Secreción de Proteínas Señalizadoras: Modifican el comportamiento de las células del estroma para favorecer la secreción de factores tróficos, y así promover el crecimiento de las células tumorales. • Enzimas Proteolíticas: Modifican la matriz extracelular favoreciendo los movimientos celulares de las células tumorales, y así facilitar la invasión y la metástasis. Adquisición del fenotipo invasivo Cambios celulares Adquisición del fenotipo invasivo Principales vías moleculares Nicho premetastásico Teoría del suelo y la semilla Tropismo metastásico Para entrar a la circulación la célula tumoral debe producir proteasas o recurrir a las producidas por la células del estroma Metaloproteasas de matriz MMPs Catepsinas Serin-proteasas Degradan MEC y membrana basal Activan pre-proteínas x clivaje: TGF-β Macrofagos y MDSC secretan las MMPs e inducen invasión y migración Comportamiento de la célula metastásica El microambiente tumoral es clave para la evolución tumoral. Mientras que en algunos casos las células tumorales van a permanecer en quiescencia (dormancy), en otros modelos el desarrollo metastásico va a ser precoz. Metabolismo de la célula tumoral En diversos modelos tumorales, diversas vías codificadas por protoncogenes favorecen la síntesis de la enzima lactatodeshidrogenasa (LDH). La misma permite la generación de lactato y se favorece la generación de ATP por glicólisis. En algunas células tumorales se advierte, por la activación de las vías mencionadas, un aumento en la captación de glucosa a partir de la mayor concentración del transportador GLUT1 Metabolismo de la célula tumoral Este fenómeno (Efecto Warburg) es utilizado para la detección de focos metastásicos en las tomografías por emisión de positrones (PET). Luego de la infusión de glucosa marcada, se advierte que existe una captación aumentada en regiones con compromiso tumoral. Sin embargo, en muchas ocasiones, y sobre todo al evidenciarse grandes masas tumorales, es frecuente encontrar fenómenos compatibles con necrosis. ¿Por qué? ¿Qué mecanismos permiten la adaptación celular en estos casos? Respuesta a la hipoxia Respuesta a la hipoxia Switch angiogénico Según la concentración de VEGF, se establecen dos principales tipos celulares al inicio de la angiogénesis - Tip cell (punta), comportamiento migratorio, con formación de frente de avance y filopodios que estabilizan la dirección de migración según VEGF. - Stalk cell (base), comportamiento proliferativo, mantiene uniones de adhesión con tip cells pudiendo orientar en conformidad el huso mitótico. Produce factores parácrinos que producen quimiorrepulsión. Ha de advertirse que la formación de dos poblaciones celulares es establecida mediante inhibición de contacto y que pone en relieve el rol morfogénico de VEGF. Las tip cells se fusionarán entre ellas mediante contacto establecido por filopodios y moléculas de adhesión especializadas (cadherinas-VE). La formación del vaso requiere, asimismo, la adquisición de polaridad en las células vasculares y la formación de un lumen. Esta última estará mediada por pinocitosis y electrorrepulsión generada por la carga negativa del glucocálix de las células de la base. La estabilización del vaso será favorecida por la generación de nueva membrana basal y la secreción de inhibidores tisulares de metaloproteasas de matriz (TIMP) La secreción de factores parácrinos permite la migración de pericitos para la finalización del desarrollo vascular. Las células tip y stalk, al encontrarse en un medio ahora normóxico, entrarán en un estado de quiescencia, sin el rol proliferativo generado por VEGF. Recordar El paradigma actual no es hablar únicamente de “la célula tumoral” sino del microambiente tumoral SEGUNDA SECCIÓN • MUERTE CELULAR: REGULACIÓN Y MECANISMOS MOLECULARES • ESTRATEGIAS EN EL TRATAMIENTO DE NEOPLASIAS MUERTE CELULAR: GENERALIDADES La muerte celular en animales ocurre, en su mayoría, no por accidente sino por el proceso de muerte celular programada, el cual está cuidadosamente regulado para que el destino de las células individuales cumpla las necesidades del organismo completo. En adultos, la muerte celular es responsable del equilibrio entre proliferación celular y el mantenimiento de números celulares constantes en los tejidos que sufren renovación celular. Adicionalmente, la muerte celular programada proporciona un mecanismo de defensa por el cual las células dañadas y potencialmente peligrosas pueden ser eliminadas por el bien del organismo. Las células infectadas por virus con frecuencia sufren muerte celular programada, previniendo así la producción de nuevas partículas virales y limitando la propagación del virus a través del organismo hospedador. Otros tipos de agresiones celulares, como las lesiones del ADN, también inducen la muerte celular programada. En el caso del ADN lesionado, la muerte celular programa puede eliminar células que portanmutaciones potencialmente dañinas, incluyendo células con mutaciones que pueden dar lugar al desarrollo del cáncer. APOPTOSIS En contaste con la muerte accidental de las células que resulta de una lesión aguda (NECROSIS), la muerte celular programada es un proceso activo, que tiene lugar generalmente mediante una serie concreta de cambios células conocidos como APOPTOSIS. Durante la apoptosis, el ADN cromosómico generalmente es fragmentado como resultado de la escisión entre nucleosomas. La cromatina se condensa y a continuación el núcleo se disgrega en pequeños fragmentos. Finalmente, la célula se encoge y se rompe en fragmentos envueltos de membrana denominados cuerpos apoptóticos. FAGOCITOSIS Las células apoptóticas y los fragmentos celulares son reconocidos de manera eficaz y fagocitado mediante macrófagos y otras células fagocíticas. Este reconocimiento esta mediado por al expresión de señales conocidoas como “cómeme” presentes en la superficie celular de las células apoptóticas. Estas señales incluyen a la fosfatildilserina, que normalmente esta restringida a la cara interna de la membrana plasmática. Durante la apoptosis, la fosfatidilserina se expresa en la superficie celular donde es reconocida por receptores expresados en las células fagocíticas. CASPASAS Las caspasas son una familia de proteasas que actúan como los últimos efectores o ejecutores de la muerte celular programa, desencadenando los eventos de la apoptosis mediante la escisión de mas de 100 proteínas diana diferentes. Una diana clave de las caspasas incluyen un inhibidor de una ADNasas, que cuando esta activada es responsable de la fragmentación de ADN nuclear. Adicionalmente, las caspasas escinden ambas láminas nucleares (dando lugar a la fragmentación del núcleo), las proteínas citoesqueléticas y las proteínas de matriz del Golgi. Las caspasas también escinden y activan una “escramblasa” que trasloca la fosfatidilserina desde la cara interna de la membrana plasmática a la externa. Los mamíferos contienen familias de al menos 7 caspasas, clasificadas como iniciadores o efectores, las cuales funcionan en cascada para generar los eventos de la apoptosis. CASPASAS Las caspasas de sintetizan en forma de precursores inactivos (llamados procaspasas) que pueden convertirse en su forma activa en una reacción de escisión proteolítica catalizada por otras caspasas. Los mamíferos contienen familias de al menos 7 caspasas, clasificadas como iniciadores o efectores, las cuales funcionan en cascada para generar los eventos de la apoptosis. Las caspasas iniciadoras se activan directamente como respuesta a las distintas señales que inducen la apoptosis. A continuación, las caspasas iniciadoras escinden y activan a las caspasas efectoras, que se ocupan de digerir a las proteínas celulares diana que intervienen en las distintas etapas de la apoptosis. Por consiguiente, la activación de una caspasa incitadora pone en marcha una reacción en cadena de activación de caspasas que conduce a la muerte de la célula. Bcl-2 Este gen fue identificado en mamíferos y se descubrió que actúa como un regulador clave de la muerte celular programada, inhibiendo la apoptosis (al contrario de otras proteínas oncogénicas como Ras). Algunos miembros de la familia de Bcl-2 (miembros familiares antiapoptóticos) funcionan como inhibidores de apoptosis y programan la muerte celular. Otros miembros de esta familia, sin embargo, son proteínas proapoptóticas que inducen la activación de las caspasas y promueven la muerte celular. El destino de la célula está determinado por el equilibrio de la actividad proapotótica y antiapoptótica de la familia de Bcl-2. Las proteínas efectoras proapoptóticas, como Bax y Bak, son efectores corriente abajo que inducen directamente la apoptosis. Son inhibidos por interacciones con los miembros antiapoptóticos de la familia, como Bcl-2. Bcl-2 Como mencionamos, los miembros de la familia de Bcl2 actúan en las mitocondrias, que juegan un papel central en el control de la muerte celular programada. Cuando se activan, Bax y Bak se oligomerizan para formar poros en la membrana externa mitocondrial, provocando la salida del citocromo C del espacio intermembrana de la mitocondria. La liberación de citocromo C desencadena la activación de las caspasas, en particular la caspasa-9, que es activada mediante la formación de un complejo con Apaf-1 llamado apoptosoma. Bajo condiciones normales de supervivencia celular, Apaf-1 y la caspasa-9 se encuentran en el citosol, de modo que permanece inactiva. Una vez activa por la formación del apoptosoma, la caspasa-9 escinde y activa las caspasas efectoras situadas más adelante en la vía, como la caspasa-3 y la caspasa-7. VIAS DE SEÑALIZACIÓN Y p53 La actividad integrada de diversas vías de señalización, algunas de las cuales inducen al muerte celular y otras lo hacen para favorecer la supervivencia celular, regulan la muerte celular programa. Estas vías se clasifican como INTRÍNSECAS y EXTRÍNSECAS en función de la implicación de las proteínas de la familia Bcl-2 y la identidad de la caspasa que ponga en marcha la muerte celular. La vía intrínseca se actica por las lesiones del ADN y otras formas de estrés celular, mientras que la vía extrínseca es activada procedentes de otras células. En las células de mamíferos, una de las vías principales que desencadenan la detención del ciclo celular como respuesta a los daños del ADN depende del factor de transcripción p53. Ante el daño al ADN, las proteínas quinasas ATM y Chk2 fosforilan y estabilizan a p53, cuyas concentraciones aumentan e inducen la activación transcripcional de los genes diana de esta proteína para la detención del ciclo celular en fase G1. No obstante, la activación de p53 por el ADN dañado también induce la apoptosis. Esto se debe, al menos en parte, a la activación transcripcional de genes que codifican a miembros de la familia Bcl-2 proapoptótica. Como mencionamos previamente, algunas moléculas polipeptídicas secretadas pueden desencadenar la vía extrínseca de la apoptosis al interactuar con receptores en la membrana plasmática. Estos receptores activan directamente una caspasa iniciadora, la caspasa-8. Los polipéptidos que actúan para señalizar la muerte celular en esta vía pertenecen a la familia del factor de necrosis tumoral (TNF). Se unen a miembros de la familia de receptores TNF, que pueden señalizar la apoptosis en una diversidad de tipos celulares (uno de los miembros mejor caracterizados de esta familia es el receptor de superficie Fas, que juega papeles importantes en el control de la muerte celular en el sistema inmune). EL TNF y los miembros de la familia relacionados consisten en tres cadenas polipeptidicas idénticas, y su unión induce la trimerización del receptor. Las porciones citoplasmáticas de los receptores se unen a moléculas adaptadoras que a su vez se unen a la caspasa-8. En algunas células, la activación de la caspasa-8 y la consiguiente activación de las caspasa-3 y caspasa-7 es suficiente para inducir directamente la apoptosis.En otras células es necesaria la amplificación de la señal que resulta de la escición por parte de la caspasa-8 de la proteína una proteína proapoptótica de la familia Bcl- 2, dando lugar a la activación de Bid. Esto permeabiliza la mitocondria y activa la vía de la caspasa-9. VIA EXTRÍNSECA ESTRATEGIAS EN EL TRATAMIENTO DEL CÁNCER La manera más efectiva de hacer frente al cáncer sería evitar el desarrollo de la enfermedad. No siendo esto posible, lo siguiente sería poder detectar de manera fiable y temprana el tumor antes de que alcance etapas mas avanzadas de carácter maligno. En este grupo entran aquellos estudios bioquímicos (ej.: estudio de muestra de sangre), genéticos y de imagen (ej.: colonoscopia o TAC) que permitan detectar la lesión tumoral y a partir del diagnóstico elegir el tratamiento adecuado. Labiología molecular juega un rol importante en la detección precoz, pudiendo identificar a aquellos individuos que tienen una tendencia hereditaria a desarrollar cáncer. Esta tendencia se debe a mutaciones en los genes supresores de tumores, en al menos un oncogen, así como en los genes que codifican para proteínas de reparación del ADN (ej.: BRCA1 y BRCA2). ESTRATEGIAS EN EL TRATAMIENTO DEL CÁNCER En el caso de los tratamientos más utilizados como la quimioterapia y radioterapia, ambos tratamientos utilizan a su favor alguna de las peculiaridades moleculares de las células cancerosas que las distinguen de las células normales. Una de esas propiedades es la inestabilidad genética que refleja deficiencias en el mantenimiento de los cromosomas, sitios de control del ciclo celular y/o reparación del ADN. La radiación ionizante y la mayoría de los medicamentos contra el cáncer dañan el ADN o interfieren con la segregación cromosómica en la mitosis, y preferentemente destruyen las células tumorales ya que poseen una capacidad disminuida para sobrevivir al daño. ESTRATEGIAS EN EL TRATAMIENTO DEL CÁNCER Con aparición de los anticuerpos monoclonales, se desarrolló una nueva terapéutica conocida como inmunoterapia. El uso de anticuerpos monoclonales está limitado a las dianas extracelulares, como los factores de crecimiento o los receptores de superficie celulares. Sin embargo, este tratamiento muestra mucha efectividad contra ciertas proteínas oncogénicas sobreexpresadas en la superficie de las células tumorales (ej.: ErbB-2 en el cáncer de mama). *Las técnicas de biología molecular utilizadas para poder estudiar las diferencias genotípicas y fenotípicas de las células tumorales serán desarrollados en la cursada de Genética. Un abordaje alternativo a la terapia del cáncer es la utilización de drogas que inhiben el crecimiento del tumor interfiriendo con la angiogénesis (formación de los vasos sanguíneos), en lugar de actuar directamente contra la célula tumoral. Los tumores requieren la formación de nuevos vasos sanguíneos para suministrar el oxigeno y nutrientes que requiere para su crecimiento. Por tanto, las células tumorales secretan determinados factores de crecimiento (ej.: VEGF) que estimulan la proliferación de las células endoteliales de los capilares, lo que origina el crecimiento de nuevos capilares en el tumor.
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