二甲双胍在糖尿病性肾病中的肾脏保护机制

二甲双胍在糖尿病性肾病中的肾脏保护机制
马美灿;詹晓蓉;秦雪丹;鹿继璇
【摘要】二甲双胍以良好的降血糖效果和不良反应少而闻名.二甲双胍主要通过AMP活化的蛋白激酶(AMPK)通路的激活来发挥作用.高血糖和蛋白尿条件
下,AMPK和自噬等肾脏细胞防御机制失活,肾脏细胞病理机制相继激活,如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路,内质网应激,上皮-间充质转化,氧化应激和缺氧等.除了降低血糖以外,二甲双胍可在一定程度上起到保护肾脏作用.现就二甲双胍保护肾脏的多种作用机制,以及二甲双胍用于糖尿病肾病和其他非糖尿病性慢性肾病肾保护作用的研究进行综述.
【期刊名称】《医学综述》
【年(卷),期】2018(024)016
【总页数】7页(P3242-3248)
【关键词】2型糖尿病;二甲双胍;肾病;AMP活化的蛋白激酶通路
【作者】马美灿;詹晓蓉;秦雪丹;鹿继璇
【作者单位】哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科,哈尔滨 150001;哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科,哈尔滨 150001;哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科,哈尔滨 150001;哈尔滨医科大学附属第一医院内分泌科,哈尔滨 150001
【正文语种】中文
【中图分类】R587.1
近年来，糖尿病及其并发症发病率逐年升高，由糖尿病并发症导致的病死率亦逐年升高。

国际糖尿病联合会显示，全球现有超过2.5亿人患有糖尿病，预计到2050年，糖尿病患病人数将增加到3.8亿，其中90%为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)[1]。

在实践中，与之相关的病理生理学基础研究及治疗效果在不断提高，患者可以通过饮食、体育锻炼以及药物的调整良好控制血糖水平，降低并发症发生率及死亡的风险。

糖尿病肾病(diabetes nephropathy，DN)是糖尿病的严重并发症之一。

研究表明，在美国40%的慢性肾功能衰竭患者是由于DN发展所致[2]。

DN的特点是进行性蛋白尿致肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)降低，肾脏足细胞数量减少，进行性肾小球硬化从而最终导致肾小管间质纤维化。

二甲双胍是一种双胍类衍生物，是目前治疗T2DM的一线药物。

二甲双胍可有效降低肝脏糖异生，减少肠道葡萄糖吸收，并增加外周组织的胰岛素敏感性。

此外，二甲双胍可降低低密度脂蛋白(low-density lipoprotein，LDL)及三酰甘油水平，并可使肥胖患者体质量下降[3]。

临床显示，二甲双胍可显著降低T2DM患者并发症如心肌梗死、心绞痛、猝死、卒中、周围性血管疾病的发生率[4]。

在二甲双胍推出初期，有研究指出二甲双胍可能与DN患者的乳酸代谢增加有关。

但是临床研究表明二甲双胍并没有参与到额外的乳酸代谢中[5-6]。

因此，DN患者和慢性肾脏病(chronicle kidney disease，CKD)患者使用二甲双胍是安全可靠的。

二甲双胍会积极参与到肾脏细胞内的多种分子层面运作机制中，起到减缓肾脏损伤、保护肾脏细胞的作用。

现就二甲双胍在DN中的肾脏保护机制予以综述。

1 二甲双胍的药动学和药效学研究
研究人员普遍认为，二甲双胍主要通过肝细胞内AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)的磷酸化来抑制肝糖异生。

AMPK通过抑制合
成代谢通路和刺激分解代谢通路，作为燃料传感器和许多器官和组织中的能量稳态的主调节器[7]。

虽然负责AMPK磷酸化的特定通路尚不清楚，但研究表明，AMPK的上游激酶分子组分肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)[又被称为
STK11(serine-threonine kinase 11)]起着重要的作用[8]。

Shaw等[9]的研究显示，成年小鼠肝细胞中LKB1的缺失显著降低了AMPK活性，表明LKB1在AMPK信号转导中的重要性。

有研究报道，二甲双胍的主要靶点是线粒体呼吸复合物1[7]。

二甲双胍被有机阳离子转运蛋白1(organic cation transporter 1，OCT1)转运进
入肝细胞，进而抑制呼吸复合物1导致ATP合成减少和细胞AMP/ATP比值升高。

细胞能量状态的下降激活了LKB1或AMPK[9]。

AMPK的激活抑制肝糖异生，增加骨骼肌中的葡萄糖摄取和刺激肌肉和脂肪组织中的非酯化脂肪酸氧化[10]。

Shu 等[11]的研究证据支持OCT1是肝细胞中二甲双胍的主要转运蛋白，用二甲双胍处理的OCT1缺陷型小鼠肝糖异生显著减少。

研究还表明，OCT1基因遗传变异的
个体对二甲双胍治疗无反应，再次证实OCT1是二甲双胍对肝脏治疗作用的关键
因素[11]。

此外，活化的AMPK磷酸化cAMP反应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)调节的CREB转录共激活因子2(regulated transcription coactivator 2，CRTC2或TORC2)，抑制葡萄糖-6-磷酸酶的表达。

磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase， PEPCK)参与糖原异生，从而抑制糖异生。

LKB1中的损伤：AMPK信号转导将导致非磷酸化的CRTC2转位至细胞核并与磷酸化的CREB结合，过氧化物酶体增殖物激活受体γ
辅激活因子1α(peroxisome-proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1α，PGC-1α)及其葡糖异生靶基因PEPCK和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase，G6Pase)表达，导致糖原异生增加[12]。

在骨骼肌等外周组织中，二甲双胍通过各种机制改善胰岛素敏感性，包括提高胰岛
素受体酪氨酸激酶活性，促进糖原合成、募集和葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)的激活。

在脂肪细胞中，二甲双胍促进非酯化脂肪酸的减少并抑制脂肪分解，通过降低脂毒性间接改善胰岛素敏感性[13]。

二甲双胍主要在小肠吸收，口服生物利用度为50%～60%。

二甲双胍似乎不与任
何肝或血浆蛋白结合[14]。

吸收部分中90%通过过滤和活性管分泌随尿液排出。

二甲双胍转运至肠细胞的机制尚未阐明。

Zhou等[15]的一项研究显示二甲双胍的肠吸收主要由质膜单胺转运蛋白(plasma membrane monoamine transporter，PMAT)介导，PMAT主要在肠细胞的腔侧上表达。

二甲双胍通过调节肠腔侧的SGLT1和血液侧的GLUT2，通过AMPK的快速激活来调节葡萄糖摄取[16]。

2 二甲双胍肾保护功能的有关机制
二甲双胍能够在DN患者的肾脏组织中造成损伤的多个分子生物学机制中起到抑
制作用。

有关机制包括：AMPK/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路，内质网应激，上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)，自噬，氧化应激和晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGE)，缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)和脂毒性[17]。

2.1 AMPK/mTOR通路中二甲双胍的抑制作用 mTOR主要作用于丝氨酸苏氨酸激酶，在细胞增殖及生长过程中发挥重要作用。

研究表明，高血糖可激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinosiol-3- kinase，PI3K)及蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)通路，导致mTOR的激活，mTOR激活可诱导基膜增厚和系膜基质积聚相关蛋白的合成增加。

除此之外，mTOR可增加肾脏纤维细胞增殖，EMT和转化生长因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)、结缔组织生长因子的
产生[18]，均导致了肾元的丧失。

mTOR相关巨噬细胞浸润及促炎性细胞因子，
单核细胞趋化蛋白1 (monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)已被证明
可加剧与DN发生相关的炎症反应[18]。

研究表明mTOR可导致肾小管细胞凋亡，加重对糖尿病患者的损害。

mTOR信号通路在肾脏细胞自噬的调节中也同样有着
重要作用。

细胞自噬作用在肾脏中为一种细胞保护作用[19-20]。

mTOR激活可抑制肾脏细胞自噬作用，导致细胞凋亡及细胞坏死发生，对肾脏造成不可逆性损伤[21]。

mTOR导致DN发生，抑制mTOR可有效控制DN的发展[22]。

AMPK是生物能量代谢调节的关键分子，主要作用于机体细胞代谢，如脂质氧化、ATP合成。

ATP水平的降低可导致AMPK活化及底物磷酸化，从而增强细胞代谢效应，降低合成代谢需要的能量消耗。

例如，葡萄糖缺乏造成AMP/ATP比例增加，导
致AMPK通路激活，磷酸化抑制mTOR。

相反，能量过剩时，AMPK活化减少而mTOR激活，从而刺激蛋白质合成和细胞生长[23-24]。

研究表明高血糖条件下，肾小球及肾小管AMPK信号传导通路受到抑制，AMPK活化剂如二甲双胍的使用可减轻由高血糖导致的肾功能损害[25]。

Zhang等[26]在C57BL/6J小鼠模型研究中，二甲双胍治疗可恢复磷酸化AMPK蛋白表达，改善肾脏代谢功能。

Lu等[27]的研究中，小鼠应用二甲双胍后，肾脏成纤维细胞TGF-β激活诱导胶原产生过程
受到抑制，意味着AMPK的激活会抑制慢性肾功能不全患者肾脏纤维化的发生。

可见应用二甲双胍可有效恢复AMPK通路及抑制mTOR通路从而保护糖尿病患者肾脏功能。

2.2 内质网应激中二甲双胍的抑制作用内质网是蛋白质折叠、翻译后修饰及运输
的中心位点。

内质网的主要功能为：①合成、折叠、加工蛋白质;②Ca2+储存；③脂质合成。

蛋白质折叠过程受分子伴侣[葡萄糖调节蛋白78结合蛋白(glucose regulated protein 78，GRP78)/结合蛋白(binding protein，BiP)]调控。

内质网在病理状态下会导致蛋白质的错误折叠，毒性物质积聚会导致内质网应激的发生。

内质网在应激条件下会产生非折叠蛋白质产生增多，非折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)增加[28]。

UPR错综复杂的信号系统主要由三部分压力
传感器组成：①蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)：PERK通常与内质网分子伴侣GRP78/Bip结合，内质网内未折叠蛋白质导致PERK的活化和解离，激活PERK磷酸化真核起始因子
2a(eukaryotic initiation factor 2a, elF-2a)，最终导致蛋白质翻译受抑制[28]。

②肌醇酶1(inositol-requiring enzyme 1, IRE-1)：IRE-1分解产生GRP78/BiP
可促进转录因子X盒结合蛋白1(X-box-binding protein 1, XBP-1)mRNA的剪接，这一过程可导致内质网分子伴侣的产生。

在内质网应激严重的情况时，最终会导致依赖内质网的降解反应-细胞死亡的发生[28]。

③激活转录因子6(activating transcription factor 6，ATF-6)：GRP78/BiP解离后产生ATF-6转移至高尔基体，在此蛋白激酶将ATF-6加工成为氨基末端片段。

IRE-1和ATF-6通路激活分子伴
侣及其他蛋白质折叠及减轻ER应激的酶类的表达[28]。

高血糖和蛋白尿在肾脏细胞中启动内质网应激是通过活性氧类(reactive oxygen species,ROS)的产生来实
现的。

ROS产生增加使肾脏抗氧化剂和膜蛋白合成增加，从而修复氧化应激反应
造成损伤[29]。

ROS的增加可能造成内质网应激反应[30-31]。

Zhang等[26]的研究中发现，抑制表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptors，EGFRs)可降低内质网应激，激活AMPK通路和自噬信号，从而减轻高血糖对肾脏损伤，
因此保护内质网对肾脏细胞内未折叠蛋白质的功能被认为是高血糖状态下保护肾脏功能的重要治疗靶点。

有证据表明，二甲双胍对肾脏多种因素导致的内质网应激有显著的抑制作用[4,32-33]。

Lee等[34]的研究表明, 人近端肾小管细胞中白蛋白诱导的内质网应激通过活性Src激酶mTOR通路传导。

与此同时，二甲双胍减少了由白蛋白引起的内质网
应激和胱天蛋白酶3依赖的细胞凋亡，从而在近端小管细胞减少肾小管间质损伤。

在Kim等[4]的研究中，二甲双胍治疗可降低高血糖状态下内质网应激以及肾脏纤维化，二甲双胍在内质网应激中的作用是通过抑制GRP78及诱导抗氧化蛋白血红
素氧化酶1的产生进行的[4]。

由此可见，二甲双胍可显著降低内质网应激，从而
对肾脏起到保护作用。

这两项研究表明，二甲双胍减轻内质网应激的能力是通过AMPK激活进行调节的，AMPK的化学抑制和遗传沉默作用已经阻断了二甲双胍
的保护作用。

2.3 间充质内皮细胞转化肾脏纤维化是由肾小球超滤过，持续性蛋白尿，细胞炎
症反应，调节肾单位间结构关系的细胞因子局部释放的集合产物[2]。

EMT核心过程为肾小管上皮细胞发生表型改变转化为成纤维细胞，成纤维细胞最终进入间质中。

肾小管EMT主要由以下部分组成：①上皮细胞的黏附作用丧失；②α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)表达，肌动蛋白重组；③肾小管基底膜
的破坏；④细胞迁移及肾间质破坏[35]。

在高血糖、蛋白尿、缺氧等因素作用下，间充质细胞转化为肌成纤维细胞。

导致其发生的因素包括蛋白质(TGF-β1、结缔组织生长因子)，细胞因子(白细胞介素1、抑癌蛋白M、血管紧张素Ⅱ、蛋白酶、纤溶酶活化抑制剂1、AGE)[36-37]。

Zhang等[38]的研究中，大鼠肾近端小管细胞暴露于高葡萄糖条件下则足以诱导EMT，由上皮标志物(钙黏附蛋白E和细胞角蛋白19)的减少以及间充质标志物(α-SMA和波形蛋白)的增加所证明。

Xu等[39]的
研究表明，在DN患者中，脂质积聚发生在EMT之前，故在EMT之前抑制由高
葡萄糖水平引起的脂毒是DN治疗中的潜在治疗靶标。

在高血糖条件下形成的AGE显示出活化AGE受体(receptor of AGE，RAGE)的特性，促进TGF-β1和CTGF在肾近端小管中的表达，导致肾纤维化[40]。

在Rodriguez-Romo等[41]
的研究中，采取染色质压缩、DNA甲基化等方式诱导促炎性介质及促细胞纤维化因子的产生，例如：MCP-1、补体蛋白3(complement protein 3，C3)、TGF-
β1在诱导肾脏细胞发生EMT及纤维化起重要作用。

二甲双胍抗纤维化作用在糖
尿病及非糖尿病CKD模型中已被充分证实。

Lee等[33]在研究中证实二甲双胍可
以有效抑制TGF-β1在高血糖作用诱导下EMT的发生，干扰AMPK通路后，二甲
双胍肾脏保护作用减弱，可见二甲双胍在防止肾脏纤维化中也起着重要作用。

2.4 自噬自噬是细胞吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并将其包裹进入囊泡，与溶酶体融合形成自噬溶酶体，随后降解其所包裹的内容物的过程，实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。

在特定环境，如：营养不良、内质网应激、缺氧时，自噬作用激活，保护肾小管细胞[42-43]。

Xiao等[21]的研究中，在糖尿病小鼠中用雷帕霉素抑制mTOR恢复自噬作用、抑制足细胞凋亡，保护肾脏功能。

与mTOR 作用不同，AMPK通路可正向调节自噬作用。

通过mTOR和AMPK通路激活自噬途径已在非糖尿病性-肾细胞损伤体外模型中得以证实[5]。

此外，急性肾损伤模型中也存在AMPK通路激活诱导自噬的现象[6]。

以上研究均证明AMPK通路激活可诱导自噬，二甲双胍在这一过程中可诱导细胞发生自噬，从而保护肾脏功能。

2.5 氧化应激及AGE 研究表明，来自线粒体电子转运链的线粒体内ROS在DN的发展中起了重要的作用[[6，44]。

ROS水平增加，使细胞抗氧化机制受损，通过诱导多元醇通路、己糖胺通路、AGE产生增多，蛋白激酶C激活造成肾脏细胞受损[6，44]。

Giacco和Brownlee[45]研究中发现阻断ROS产生或干扰ROS信号传导可削弱上述通路。

高血糖条件下，葡萄糖结合蛋白质中的氨基、核酸、游离脂质通过不可逆非酶促反应过程形成AGEs[46]。

研究发现，AGE在糖尿病患者中含量增加，在终末期DN患者中，含量增长为2倍[47]。

AGE与RAGE结合激活转录因子蛋白核因子κB通路，增加ROS的产生，导致氧化应激[48]。

因此AGE及其受体RAGE在DN肾小管间质损害中有重要作用。

二甲双胍通过降低RAGE水平，降低AGE-RAGE相互作用，最终达到抑制ROS 的产生的目的[49]。

Chakraborty等[50]将208例T2DM患者随机分为两组，分别给予二甲双胍与安慰剂，经24周二甲双胍治疗组细胞内ROS显著减少，指示二甲双胍可导致自由基介导的氧化应激减少。

Sahu等[51]对大鼠应用顺铂诱导其急性肾衰竭发生，在应用二甲双胍治疗后，虽然无法阻止肾脏损伤，但显著降低了
体内ROS水平。

因此，二甲双胍可通过降低RAGE-AGE结合有效降低ROS产生，达到抗氧化应激，保护肾脏功能。

2.6 HIF 肾小球血流动力学及代谢改变是导致肾小管间质纤维化的重要因素。

研究表明，慢性缺氧通过激活HIF-1α加速DN进展[52-53]，故抑制HIF成为在慢性
肾病中保护肾脏结构及功能的有效治疗方法。

Takiyama等[52]在CKD模型中发现，高血糖条件下，HIF-1α表达增加，肾小球硬化及肾小管间质损伤。

与胰岛素治疗相比，二甲双胍治疗以独立于AMPK的方
式降低大鼠HIF-1α的表达及改善肾小管损伤。

该研究进一步表明，二甲双胍通
过抑制线粒体呼吸链复合物I来抑制HIF-1α水平，从而抑制氧消耗和ATP产生。

细胞内氧增加重新分配到脯氨酰羟化酶，导致HIF-1α的蛋白酶体降解。

二甲双胍可在糖尿病环境下抑制肾细胞中HIF-1α表达，起到改善DN进展有益作用[53]。

2.7 脂毒性脂质沉积可造成肾脏功能损伤，导致DN发生，其机制尚不明确。

研
究表明，固醇调节元件结合蛋白1(sterol-regulatory element binding
proteins-1，SREBP-1)为调节脂肪酸和三酰甘油运输的转录因子，在肾脏脂质沉
积中发挥重要作用[1]。

在Jun等[54]进行的研究中，高血糖可以诱导肾脏细胞SREBP-1的产生。

SREBP-1增加使细胞外基质的积聚增加及脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，FAS)水平上调，最终导致肾脏细胞脂质沉积。

Wang等[55]研究
中证实脂质沉积在DN发生中的重要作用，提出二甲双胍可以通过减轻脂毒性来
保护肾脏功能,且二甲双胍可下调SREBP-1，FAS，乙酰辅酶A羧化酶的表达，减少脂质沉积。

3 二甲双胍肾保护功能应用
二甲双胍在DN和其他非DN中的治疗应用受到美国食品药品管理局的限制，因
其在给药过程中有出现乳酸酸中毒的风险。

乳酸酸中毒非常罕见，且常常由其他潜在的条件引起[5-6]。

因此，美国食品药品管理局最近修订的指导方针，批准基于
肾病患者的估算的GFR水平使用二甲双胍治疗。

标志着医疗保健专业人员可以在
肾功能受损患者中使用二甲双胍或双胍类药物，评估其在肾脏疾病进展中的肾脏保护作用。

研究显示，二甲双胍可防止由衣霉素和毒胡萝卜素以及其他非化学诱导剂如TGF-β、血管紧张素Ⅱ、醛固酮和高葡萄糖诱导的内质网应激[32-33]。

大量证据表明
内质网应激的减少是由于二甲双胍激活AMPK[4,34,56]引起。

UPR中的3条路径具有各自的时间动力学和功能，二甲双胍如何通过激活AMPK改变其他UPR标志物的表达，细胞何时从UPR转向并承受内质网应力尚不清楚。

如果二甲双胍能够
降低在异常生理环境中生长的肾细胞的恶性UPR反应，则会阻止细胞向内质网应激并促进细胞存活。

在DN发病期间，EMT在肾小管间质纤维化过程中完结。

研究表明，二甲双胍具
有抗纤维化特性，通过激活AMPK降低由细胞因子和生长因子如TGF-β诱导的EMT[27,33,57]。

DN的早期阶段产生脂质积聚[39]，介导EMT发生。

二甲双胍
通过降低肾脏脂毒性来减少EMT的发生。

在DN期间，mTORC1在肾细胞中被
激活，导致细胞内自噬的防御机制的抑制。

二甲双胍抑制mTORC1并激活肾细胞中的AMPK，可诱导肾自噬的手段并恢复细胞修复机制。

在DN和CKD的情况下，二甲双胍疗法将有助于肾脏清除受损细胞并保护健康细胞免受进一步的细胞损伤。

高血糖条件导致ROS过度生成[44-45]。

有关二甲双胍ROS清除作用的研究[49-50,58]也明确了二甲双胍作为肾保护性药物在DN和CKD治疗中的益处。

HIF-1诱导的慢性缺氧被认为是DN和CKD发病的重要因素。

HIF通路成为保护
肾细胞免受细胞损伤的可行靶标。

二甲双胍通过降低ATP水平和肾脏氧气抑制
HIF-1α的表达。

其他AMPK激活剂和抑制剂不影响HIF通路。

表明二甲双胍介
导的HIF降低不需要激活AMPK，而二甲双胍通过独立于AMPK信号级联的机制保护缺氧条件下的肾细胞。

肾细胞中的脂质蓄积是导致糖尿病患者肾损伤的另一因素[54]。

二甲双胍通过降低所有参与脂质积累的SREBP-1，FAS和乙酰-CoA羧化酶的表达而有效地降低肾脏中的脂肪含量。

二甲双胍作为抗糖尿病药物，对多种信号转导通路起作用，具有肾保护性能。

4 小结
二甲双胍不仅可以激活AMPK信号，还可以调节其他信号通路，从而保护肾细胞免受高葡萄糖引起的损伤。

例如，mTOR的激活导致AMPK的抑制，从而导致细胞增殖和肾病。

二甲双胍能够有效激活肾细胞中的AMPK，是否直接抑制mTOR 通路而不依赖于AMPK激活仍需研究[24]。

葡萄糖和氨基酸等营养物质以及生长因子激活mTOR信号，为研究其他类似调控通路(如PI3K/Akt通路)提供了基础。

当Akt被PI3K激活时，导致mTORC1的激活。

需进一步了解二甲双胍如何激活AMPK抑制mTOR和PI3K/Akt等通路，保护肾细胞免受高葡萄糖水平诱导的细胞损伤。

二甲双胍在T2DM合并CKD患者中的合理应用，无导致乳酸酸中毒风险。

通过规范应用及密切监测可使更多患者获益。

二甲双胍对肾脏作用包括：激活MAPK及抑制mTOR通路、降低内质网应激、抑制EMT、诱导细胞自噬、抗氧化应激、抑制HIF-1α表达、降低脂毒性，其中某些作用机制间存在交叉。

二甲双胍可保护肾脏，延缓DN发展。

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