Sostituzione del disco spinale: lo sviluppo di dischi artificiali
Degenerazione del disco
I cambiamenti del disco legati all'età si verificano presto e sono progressivi. Quasi tutti gli individui sperimentano un ridotto contenuto di acqua nucleare e un maggiore contenuto di collagene entro il 4 ° decennio. Questa essiccazione e la fibrosi del disco sfocano il confine nucleare / anulare (3). Questi cambiamenti senescenti consentono traumi rotazionali minori ripetuti di produrre lacrime circonferenziali tra gli strati anulari. Questi difetti, di solito nelle porzioni posteriori o posterolaterali dell'anulus, possono allargarsi e combinarsi per formare una o più lacrime radiali attraverso le quali il materiale nucleare può erniare (4). Il dolore e la disfunzione dovuti alla compressione delle strutture neurali da parte di frammenti di ernia del disco sono fenomeni ampiamente riconosciuti. Va notato, tuttavia, che le lesioni anulari possono essere responsabili del dolore assiale con o senza la presenza di un'ernia del disco franco (5, 6).
La progressione del processo degenerativo altera le pressioni intradiscali, causando uno spostamento relativo del carico assiale verso le regioni periferiche delle piastre terminali e delle faccette. Questo trasferimento di carichi biomeccanici sembra essere associato allo sviluppo dell'ipertrofia delle faccette e dei legamenti (7, 8). Esiste una relazione diretta tra degenerazione del disco e formazione di osteofiti (9). In particolare, il deterioramento del disco intervertebrale porta ad una maggiore trazione sull'attacco delle fibre anulari più esterne, predisponendo così alla crescita di osteofiti situati lateralmente (10). La degenerazione del disco provoca anche uno spostamento significativo dell'asse di rotazione istantaneo dell'unità spinale funzionale (11). Le esatte conseguenze a lungo termine di una tale perturbazione della biomeccanica spinale non sono note, ma è stato ipotizzato che questo cambiamento promuova un carico anormale dei segmenti adiacenti e un'alterazione dell'equilibrio spinale.
Opzioni terapeutiche
Le opzioni terapeutiche non operative per gli individui con dolore al collo e alla schiena includono riposo, calore, analgesici, terapia fisica e manipolazione. Questi trattamenti falliscono in un numero significativo di pazienti. Le attuali opzioni di gestione chirurgica per la malattia spinale comprendono la chirurgia decompressiva, la decompressione con fusione e la sola artrodesi.
Ogni anno negli Stati Uniti vengono eseguite più di 200.000 discectomie (12). Sebbene la discectomia sia eccezionalmente efficace nell'alleviare prontamente un significativo dolore radicolare, le percentuali di successo complessive per queste procedure vanno dal 48% all'89% (13, 14, 15). In generale, il ritorno del dolore aumenta con il tempo trascorso dall'intervento. Dieci anni dopo la discectomia lombare, il 50-60% dei pazienti presenterà un significativo mal di schiena e il 20-30% soffrirà di sciatica ricorrente (16). In generale, le ragioni di questi risultati non ottimali sono probabilmente legate a continui processi degenerativi, rottura ricorrente del disco, instabilità e stenosi spinale (17, 18).
Esistono diverse ragioni specifiche per il fallimento della discectomia chirurgica. L'ernia del disco reale potrebbe non essere stata il principale generatore di dolore in alcuni pazienti. Numerose ricadute sono dovute al collasso dello spazio su disco. Sebbene l'altezza del disco sia spesso ridotta nel paziente preoperatorio con un nucleo polposo erniato, è un evento estremamente comune dopo discectomia chirurgica (14). Il restringimento dello spazio su disco è molto importante in termini di riduzione delle dimensioni del forame neurale e modifica del carico e della funzione delle faccette. Il restringimento dello spazio su disco aumenta la pressione intra-articolare e si è visto che schemi di carico anormali producono cambiamenti biochimici nella cartilagine intra-articolare sia a livello del disco interessato che a livello adiacente (19, 20). L'intero processo predispone allo sviluppo di alterazioni ipertrofiche dei processi articolari (21). Il restringimento dello spazio su disco consente anche lo spostamento rostrale e anteriore della faccetta superiore. Questo spostamento della faccetta superiore diventa significativo quando colpisce la radice del nervo in uscita che attraversa un forame già compromesso (4). La destabilizzazione dell'unità spinale funzionale è un'altra potenziale fonte di dolore continuo. Un'escissione parziale del disco è associata ad aumenti significativi di flessione, rotazione, flessione laterale ed estensione attraverso il segmento interessato. Man mano che aumenta la quantità di materiale nucleare rimosso, la rigidità attraverso il livello diminuisce di conseguenza (22). Negli studi sul cadavere è stato anche dimostrato che l'escissione del disco porta all'instabilità a livello superiore al segmento infortunato. Questa situazione è stata documentata anche clinicamente (23, 24, 25).
L'artrodesi, con o senza decompressione, è un altro mezzo per trattare chirurgicamente la spondilosi sintomatica in tutte le regioni della colonna vertebrale mobile. La fusione ha la capacità di eliminare l'instabilità segmentaria, mantenendo la normale altezza dello spazio su disco, preservando l'equilibrio sagittale e arrestando l'ulteriore degenerazione a livello operativo. La discectomia con fusione è il principale trattamento chirurgico per la spondilosi cervicale sintomatica da oltre 40 anni (26, 27, 28). Un rapporto del 1986 stimava che negli Stati Uniti venivano eseguite annualmente oltre 70.000 fusioni lombari (29). Dato lo sviluppo esplosivo della strumentazione e della tecnologia dei dispositivi intersomatici, l'attuale numero annuale di pazienti trattati con una fusione lombare è ancora più elevato. La logica principale per l'artrodesi spinale è che il dolore può essere alleviato eliminando il movimento attraverso un segmento destabilizzato o degenerato (30). Sono stati riportati risultati da buoni a eccellenti nel 52-100% delle fusioni intersomatiche lombari anteriori e nel 50-95% delle fusioni intersettoriali lombari posteriori (31, 32, 33, 34, 35).
La fusione spinale non è, tuttavia, una procedura benigna. In numerosi pazienti, i sintomi ricorrenti si sviluppano anni dopo la procedura originale. La fusione disturba la biomeccanica dei livelli adiacenti. Artropatia facciale ipertrofica, stenosi spinale, degenerazione del disco e formazione di osteofiti sono state segnalate a livelli adiacenti a una fusione e questi processi patologici sono responsabili del dolore in molti pazienti (17, 18, 36, 37, 38, 39, 40, 41). I risultati a lungo termine delle fusioni lombari sono stati riportati da Lehman et al. Questi ricercatori hanno descritto una serie di pazienti che sono stati trattati con fusioni prive di strumenti e seguiti per 21-33 anni. Circa la metà dei pazienti presentava dolore lombare che necessitava di farmaci all'ultimo follow-up e circa il 15% era stato trattato con un ulteriore intervento chirurgico durante il periodo di studio (38). Infine, ci sono una serie di altri svantaggi della fusione come trattamento per il dolore spinale, tra cui la perdita di mobilità spinale, il collasso dell'innesto che provoca alterazioni dell'equilibrio sagittale, dolore nel sito di raccolta di autoinnesto e la possibilità di alterazione della sinergia muscolare.
Disco artificiale
Sir John Charnley ha rivoluzionato la moderna ortopedia con il suo sviluppo della protesi totale d'anca (42). Oggi, le artroplastiche dell'anca e del ginocchio sono due delle procedure chirurgiche più apprezzate in termini di soddisfazione del paziente. È possibile che lo sviluppo di un disco artificiale possa influenzare il trattamento della malattia degenerativa del disco in modo simile. Sebbene le sfide associate allo sviluppo di un disco protesico siano grandi, il potenziale per migliorare la vita di molte persone che soffrono di sintomi di spondilosi spinale è enorme.
L'idea della sostituzione del disco spinale non è nuova. Uno dei primi tentativi di eseguire l'artroplastica discale fu intrapreso da Nachemson 40 anni fa (43). Fernstrom ha tentato di ricostruire i dischi intervertebrali impiantando sfere di acciaio inossidabile nello spazio del disco (44). 1966 pubblica un rapporto su 191 protesi impiantate in 125 pazienti. Si è verificata una subsidenza nell'88% dei pazienti per un periodo di follow-up di 4-7 anni. Questi sforzi pionieristici sono stati seguiti da oltre un decennio di ricerche sui processi degenerativi della colonna vertebrale, della biomeccanica spinale e dei biomateriali prima che riprendessero seri sforzi per produrre un disco protesico.
Sfide di progettazione e impianto
Ci sono una serie di fattori che devono essere considerati nella progettazione e nell'impianto di una protesi discale efficace. Il dispositivo deve mantenere la corretta spaziatura intervertebrale, consentire il movimento e fornire stabilità. I dischi naturali fungono anche da ammortizzatori e questa potrebbe essere una qualità importante da incorporare nella progettazione di dischi protesici, in particolare se considerata per la ricostruzione lombare multilivello. Il disco artificiale non deve spostare un carico assiale significativo sulle faccette. Il posizionamento del disco artificiale deve essere effettuato in modo tale da evitare la distruzione di importanti elementi spinali come le sfaccettature e i legamenti. L'importanza di queste strutture non può essere enfatizzata. Le sfaccettature non solo contribuiscono con la forza e la stabilità della colonna vertebrale, ma potrebbero essere una fonte di dolore. Ciò può essere particolarmente importante da determinare prima dell'artroplastica discale poiché si ritiene attualmente che la sostituzione del disco sarà probabilmente inefficace come trattamento per il dolore alle faccette. Un'eccessiva lassità legamentosa può influire negativamente sull'esito della protesi discale predisponendo la migrazione dell'impianto o l'instabilità spinale.
Un disco artificiale deve presentare un'enorme resistenza. L'età media di un paziente che necessita di una sostituzione del disco lombare è stata stimata in 35 anni. Ciò significa che per evitare la necessità di un intervento chirurgico di revisione, la protesi deve durare 50 anni. È stato stimato che un individuo prenderà 2 milioni di passi all'anno e eseguirà 125.000 curve significative; pertanto, nell'aspettativa di vita di 50 anni del disco artificiale, ci sarebbero oltre 106 milioni di cicli. Questa stima sconta il sottile movimento del disco che può verificarsi con i 6 milioni di respiri effettuati all'anno (45). Numerosi fattori oltre alla resistenza devono essere considerati nella scelta dei materiali con cui costruire una protesi del disco intervertebrale. I materiali devono essere biocompatibili e non presentare corrosione. Non devono incitare alcuna risposta infiammatoria significativa. La resistenza alla fatica deve essere elevata e i detriti da usura minimi. Infine, sarebbe l'ideale se l'imaging fosse "amico".
Tutte le protesi del disco intervertebrale attualmente proposte sono contenute nello spazio del disco; pertanto, è necessario tenere conto delle variazioni delle dimensioni, del livello e dell'altezza del paziente. Potrebbe essere necessaria la strumentazione per ripristinare l'altezza dello spazio su disco compresso prima del posizionamento della protesi.
La protesi del disco intervertebrale dovrebbe idealmente replicare la normale gamma di movimento su tutti i piani. Allo stesso tempo, deve limitare il movimento. Una protesi del disco deve riprodurre la rigidità fisiologica in tutti i piani di movimento più la compressione assiale. Inoltre, deve trasmettere con precisione lo stress fisiologico. Ad esempio, se la rigidità globale di un dispositivo è fisiologica ma è presente una significativa discrepanza non fisiologica all'interfaccia osso-impianto, ci possono essere riassorbimento osseo, deposizione ossea anormale, placca terminale o fallimento dell'impianto.
La protesi del disco deve avere una fissazione immediata e a lungo termine sull'osso. La fissazione immediata può essere eseguita con viti, punti o "denti" che sono parte integrante dell'impianto. Mentre queste tecniche possono offrire stabilità a lungo termine, altre opzioni includono superfici porose o macrotexture che consentono la crescita ossea. Indipendentemente da come viene raggiunta la fissazione, ci deve essere anche la possibilità di revisione.
Infine, l'impianto deve essere progettato e costruito in modo tale che il fallimento di ogni singolo componente non comporti un evento catastrofico. Inoltre, le strutture neurali, vascolari e spinali devono essere protette e la stabilità spinale mantenuta in caso di incidente o carico imprevisto.
Dispositivi protesici attuali
I dischi protesici sono stati costruiti in base all'utilizzo di una delle seguenti proprietà primarie: idraulica, elastica, meccanica e composita.
Nucleo del disco protesico PDN
Le sostituzioni del disco Hydrogel hanno principalmente proprietà idrauliche. Le protesi in idrogel vengono utilizzate per sostituire il nucleo mantenendo l'anello fibroso. Un potenziale vantaggio è che una tale protesi può avere la capacità di posizionamento percutaneo. L'impianto PDN è un sostituto del nucleo costituito da un nucleo di idrogel vincolato in una camicia di polietilene (Raymedica, Inc., Bloomington, MN) (Figura 1) (46, 47)
Nucleo del disco protesico PDN |
Il nucleo di idrogel a forma di pellet viene compresso e disidratato per ridurre al minimo le dimensioni prima del posizionamento. Dopo l'impianto, l'idrogel inizia immediatamente ad assorbire il fluido e ad espandersi. Il polietilene a peso molecolare ultra-stretto (UHMWPE) consente al fluido di passare attraverso l'idrogel. Questa guaina flessibile ma non elastica consente al nucleo di idrogel di deformarsi e riformarsi in risposta ai cambiamenti nelle forze di compressione, limitando tuttavia l'espansione orizzontale e verticale all'idratazione. Sebbene la maggior parte dell'idratazione avvenga nelle prime 24 ore dopo l'impianto, sono necessari circa 4-5 giorni affinché l'idrogel raggiunga la massima espansione. Il posizionamento di due impianti PDN nello spazio del disco fornisce l'ascensore necessario per ripristinare e mantenere l'altezza dello spazio del disco. Questo dispositivo è stato ampiamente valutato con test meccanici e in vitro e i risultati sono stati buoni (46, 47). Schönmayr et al. riportato su 10 pazienti trattati con PDN con un follow-up minimo di 2 anni (47). Significativi miglioramenti sono stati osservati sia nei punteggi Prolo che Oswestry, e il movimento segmentale è stato preservato. Complessivamente, 8 pazienti sono stati considerati avere un risultato eccellente. La migrazione dell'impianto è stata osservata in 3 pazienti, ma solo 1 ha richiesto un nuovo intervento. Un paziente, un golfista professionista, ha risposto favorevolmente per 4 mesi fino a quando il suo dolore non è tornato. Aveva segnato una degenerazione delle sue sfaccettature e il suo dolore era alleviato dalle iniezioni di sfaccettature. Ha subito una procedura di fusione e da allora ha funzionato bene. I dispositivi sono stati principalmente inseriti tramite un percorso posteriore. Bertagnoli ha recentemente riferito di aver collocato la PDN attraverso una via transpsoatica anterolaterale (48). Il PDN è in fase di valutazione clinica in Europa, Sudafrica e Stati Uniti.
Acroflex Disc
Due protesi a disco di tipo elastico sono la protesi Acroflex proposta da Steffee e il composito termoplastico di Lee (49, 50). Il primo disco Acroflex consisteva in un nucleo di gomma poliolefinica a base di esene vulcanizzato su due piastre terminali in titanio. Le placche terminali avevano montanti da 7 mm per un fissaggio immediato e sono state rivestite con perline di titanio sinterizzate da 250 micron su ciascuna superficie per fornire una maggiore superficie per crescita ossea ossea e adesione della gomma. Il disco è stato prodotto in diverse dimensioni e sottoposto a numerosi test di fatica prima dell'impianto. Solo 6 pazienti sono stati impiantati prima che la sperimentazione clinica fosse interrotta a causa di un rapporto secondo cui il 2-mercaptobenzotiazolo, una sostanza chimica utilizzata nel processo di vulcanizzazione del nucleo di gomma, era probabilmente cancerogeno nei ratti (51). I 6 pazienti sono stati valutati dopo un minimo di 3 anni, momento in cui i risultati sono stati classificati come segue: 2 eccellenti, 1 buono, 1 giusto e 2 scarso (49). Una delle protesi in un paziente con scarso risultato ha sviluppato uno strappo nella gomma all'incrocio della vulcanizzazione. La seconda generazione di Acroflex-100 è costituita da un nucleo di elastomero siliconico HP-100 legato a due piastre terminali in titanio (DePuy Acromed, Raynham, MA) (Figura 2).
Acroflex Disc |
Nel 1993 la FDA ha approvato 13 pazienti aggiuntivi per l'impianto (52). I risultati di questo studio non sono ancora stati pubblicati.
Lee et al. hanno pubblicato un rapporto sullo sviluppo di due diverse protesi del disco create in modo da simulare le proprietà anisotrope del normale disco intervertebrale (50). Non sono a conoscenza di pubblicazioni che descrivono l'impianto di questi dispositivi nell'uomo.
Dischi articolanti
Per la colonna lombare sono state sviluppate diverse protesi articolate a pivot o a disco. Hedman e Kostuik hanno sviluppato un set di piastre incernierate in lega di cobalto-cromo-molibdeno con una molla interposta (53). Questi dispositivi sono stati testati su ovini. Dopo 3 e 6 mesi dall'impianto non è stata osservata alcuna reazione infiammatoria e nessuna delle protesi è migrata. Due dei tre impianti di 6 mesi presentavano una significativa crescita ossea. Non è chiaro se il movimento sia stato preservato attraverso i segmenti operati (45). Non sono a conoscenza di pubblicazioni che descrivono l'impianto di questi dispositivi nell'uomo.
Il Dr. Thierry Marnay di Francia ha sviluppato una protesi articolata a disco con un nucleo in polietilene (Aesculap AG & Co. KG., Tuttlingen, Germania). Le piastre terminali metalliche hanno due ali verticali e le superfici a contatto delle piastre terminali sono spruzzate al plasma con titanio. Nella maggior parte dei pazienti che hanno ricevuto questo impianto sono stati riportati risultati da buoni a eccellenti (54).
Link SB Charité Disc
Il disco più impiantato finora è il disco Link SB Charité (Waldemar Link GmbH & Co, Amburgo, Germania). Attualmente più di 2000 di queste protesi intervertebrali lombari sono state impiantate in tutto il mondo (55). Il Charité III è costituito da un distanziatore biconvesso in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE). C'è un anello radiopaco attorno al distanziatore per la localizzazione dei raggi X. I distanziali sono disponibili in diverse dimensioni. Questo distanziatore centrale si interfaccia con due piastre terminali separate. Le placche terminali sono realizzate in fusione di cobalto-cromo-molibdeno, ciascuna con tre denti ventrale e dorsale. Le placche terminali sono rivestite con titanio e idrossiapatite per favorire il legame osseo (Figura 3).
Disco artificiale CHARITÉ (DePuy Spine, Inc.)
Fotografia per gentile concessione di DePuy Spine, Inc.
La Food and Drug Administration (FDA) ha approvato il disco artificiale CHARITÉ (DePuy Spine, Inc. di Raynham, MA) per l'uso nel trattamento del dolore associato alla malattia degenerativa del disco. Il dispositivo è stato approvato per l'uso a un livello nella colonna lombare (da L4-S1) per i pazienti che non hanno avuto alcun sollievo dalla lombalgia dopo almeno sei mesi di trattamento non chirurgico.
Sebbene vi sia grande preoccupazione per quanto riguarda i detriti da usura nelle protesi dell'anca in cui UHMWPE si articola con il metallo, ciò non sembra verificarsi nel Charité III (55). Questa protesi è stata impiantata in oltre un migliaio di pazienti europei con risultati relativamente buoni. Nel 1994 Griffith et al. hanno riportato i risultati in 93 pazienti con follow-up a 1 anno (56). Sono stati osservati miglioramenti significativi nel dolore, nella distanza a piedi e nella mobilità. Il 6, 5% dei pazienti ha manifestato guasti al dispositivo, lussazione o migrazione. Ci sono state 3 deformazioni dell'anello e 3 pazienti hanno richiesto un nuovo intervento. Lemaire et al. ha descritto i risultati dell'impianto del disco SB Charité III in 105 pazienti con una media di 51 mesi di follow-up (57). Non vi è stato alcuno spostamento di nessuno degli impianti, ma 3 si sono stabilizzati. I fallimenti sono stati ritenuti secondari al dolore facciale. David ha descritto una coorte di 85 pazienti sottoposti a revisione dopo almeno 5 anni dopo l'impianto della protesi Charité (58). Il 97% dei pazienti era disponibile per il follow-up. Il 68% ha avuto risultati buoni o migliori. 14 pazienti hanno riportato il risultato come scarso. Undici di questi pazienti sono stati sottoposti ad artrodesi secondaria a livello di protesi. Nonostante le preoccupazioni di molti altri ricercatori, è interessante notare che David ha trattato 20 pazienti con spondilolistesi o retrolistesi con un risultato identico a quello dell'intero gruppo. Sono in corso studi clinici con protesi Charité III in Europa, Stati Uniti, Argentina, Cina, Corea e Australia.
Il disco di Bristol
Ci sono stati diversi rapporti sui risultati di una protesi del disco cervicale originariamente sviluppata a Bristol, in Inghilterra. Questo dispositivo è stato progettato da Cummins (59). Il design originale è stato modificato. La seconda generazione del disco Cummins è un dispositivo a sfera e presa realizzato in acciaio inossidabile. È fissato ai corpi vertebrali con viti. Cummins et al. descritto 20 pazienti che sono stati seguiti per una media di 2, 4 anni. I pazienti con radicolopatia migliorarono e quelli con mielopatia migliorarono o si stabilizzarono. Di questo gruppo, solo 3 hanno manifestato dolore assiale continuo. Si rompevano due viti e c'erano due arretramenti parziali delle viti. Questi non hanno richiesto la rimozione dell'impianto. Un'articolazione è stata rimossa perché era "libera". L'errore è stato causato da un errore di fabbricazione. Al momento della rimozione, l'articolazione era saldamente incorporata nell'osso ed era coperta da una cicatrice liscia anteriormente. Un esame dettagliato ha rivelato che l'adattamento a sfera e presa era asimmetrico. È importante notare che i tessuti circostanti non contenevano detriti da usura significativi. Il movimento articolare è stato preservato in tutti tranne 2 pazienti (Figura 4).
"Il disco di Bristol; a. Radiografia cervicale laterale in estensione; b. Radiografia cervicale laterale in flessione" |
Entrambi questi pazienti avevano impianti a livello C6-7 che erano così grandi che le sfaccettature erano completamente separate. Questa discrepanza dimensionale è stata ritenuta la ragione per cui il movimento non è stato mantenuto. Non si è verificata subsidenza. Questa protesi discale è attualmente in fase di valutazione in ulteriori studi clinici in Europa e in Australia.
Protesi del disco cervicale di Bryan
Il sistema del disco cervicale Bryan (Spinal Dynamics Corporation, Seattle) è progettato sulla base di un nucleo elastico proprietario, a basso attrito, resistente all'usura. Questo nucleo si trova tra e si articola con piastre di titanio (gusci) di forma anatomica che sono montate sulle piastre terminali del corpo vertebrale (Figura 5).
"Protesi del disco cervicale Bryan" |
I gusci sono ricoperti da un rivestimento poroso ruvido. Una membrana flessibile che circonda l'articolazione forma uno spazio sigillato contenente un lubrificante per ridurre l'attrito e prevenire la migrazione di eventuali detriti di usura che possono essere generati. Serve anche a prevenire l'intrusione del tessuto connettivo. L'impianto consente la normale gamma di movimento in flessione / estensione, flessione laterale, rotazione assiale e traslazione. L'impianto è prodotto in cinque dimensioni che vanno da 14 mm a 18 mm di diametro. L'esperienza clinica iniziale con la protesi totale del disco cervicale Bryan è stata promettente (Jan Goffin, comunicazione personale, marzo 2000). 52 dispositivi sono stati impiantati in 51 pazienti da 8 chirurghi in 6 centri in Belgio, Francia, Svezia, Germania e Italia. Non ci sono state gravi complicanze operative o postoperatorie. Ventisei dei pazienti sono stati seguiti per 6 mesi e su 23 pazienti sono disponibili dati clinici e radiografici completi. Il 92% dei pazienti è stato classificato come risultato eccellente o buono all'ultimo follow-up. Il movimento di flessione / estensione è stato preservato in tutti i pazienti e non vi è stata significativa subsidenza o migrazione dei dispositivi.
Conclusione
La sostituzione del disco spinale non è solo possibile, ma è un'eccitante area di indagine clinica che ha il potenziale di rivoluzionare il trattamento della degenerazione spinale. Lo sviluppo di un disco protesico pone enormi sfide, ma i risultati degli sforzi iniziali sono stati promettenti. Il futuro di questo campo e dei nostri pazienti è luminoso.
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