JPH03500721A - 半透膜内に生物学的材料のカプセル化 - Google Patents

半透膜内に生物学的材料のカプセル化

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JPH03500721A JP63506446A JP50644688A JPH03500721A JP H03500721 A JPH03500721 A JP H03500721A JP 63506446 A JP63506446 A JP 63506446A JP 50644688 A JP50644688 A JP 50644688A JP H03500721 A JPH03500721 A JP H03500721A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 半透膜内に生物学的材料のカプセル化 致■分■ 本発明はカプセル化製品に関する。さらに詳しくは、本発明はゲル形成性ポリマ ーの半透膜内に生活性材料のカプセル化方法に関する。
宜」U4植 カプセル化方法はバイオテクノロジーの種々の分野において増加する用途を見出 しつつある。そのような方法は、後でバイオリアクター、人工臓器、生分離シス テム、制御された薬物放出システムなどに使用できる酵素、ホルモン、薬物、吸 着剤および細胞のような種々の材料をカプセル化するために使用される。先行技 術プロセスは非水溶液、極端なpH1または高温度の使用のような苛酷な条件を しばしば必要とする。そのような技術は生きている細胞および不安定なタンパク のようなデリケートな生物学的材料のカプセル化には本来不適当である。理想的 には、生物学的材料のためのカプセル化技術は緩和な条件と、カプセル化される 材料に対して不活性で無毒な膜材料を使用すべきである。また、このカプセル化 技術は半透膜を提供し、そして膜厚および膜孔径の調節を許容しなければならな い。好ましくは、膜の電荷は種々の用途に通するように調節可能でなければなら ない。膜はまた攪拌から発生する液体せん断または摩擦効果に耐えるのに十分な ように強くなければならない。
良く知られた膜カプセル化方法は、高分子電解質膜複合体の形成を含むポリ(L −リジン)−アルギン酸塩脱法である。この方法においては、生活性材料とアル ギン酸ナトリウムの混合物が液滴形成装置を通って塩化カルシウムを含有する覆 面液中に押出される。Ca”陽イオンが殆ど瞬間的にアルギン酸塩マトリックス を架橋し、ゲルビーズを形成する。ビーズは次に外層中のカルシウムイオンを置 換するためポリーL−リジンで処理され、高分子電解質複合体膜を形成する。ビ ーズ内部のアルギン酸カルシウムゲルは、次にカルシウムキレート剤を使用して 液化される。膜カプセル化方法はゲル包接に見られる問題を蒙ることがない。動 物細胞培養物用途においては、細胞が膜カプセル内でおびただしく発育し、組織 類似密度に達することが観察された。しかしながらこの方法は多数の処理ステッ プを含んでいる。この方法はまたその高分子電解質性格のため帯電した膜を提供 する。また、この膜はアルギン酸塩またはポリ (L−リジン)と一層強く相互 作用するヘパリン、ポリスルホン酸およびポリリン酸のような電解質の存在下で は比較的貧弱な機械的強度および貧弱な化学的安定性を持っている。さらに液化 したアルギン酸塩がカプセル内に残っている。アルギン酸塩は多価イオンまたは 他の帯電したマクロ分子と複合化によって生材料の機能を妨害し得る。
アルギン酸塩はまたプラスに帯電した表面上に吸着し、そして汚染を生じ得る。
このように生活性材料の改良したカプセル化方法に対して需要が存在し、そして そのような改良方法を提供することが本発明の目的である。本発明のそれ以上の 理解は以下の説明および請求の範囲から得られるであろう。ここですべての部お よびパーセントは特記しない限り重量による。
オ溌1江1し甜1斐 本発明によれば、以下のステップ: (A)カプセル化すべき所望の材料を、該材料と併存でき、そしてCa”、K” 、ポリリン酸塩等のような少量の、効果あるそして拡散可能なゲル化剤を含み、 場合により増結剤を含んでもよい媒体中に懸濁するステップと、 (B)前記懸濁液を前記材料を包囲する十分な寸法の、そして外側層を有する液 滴に形成するステップと、(C)前記外側層を、前記ゲル化剤と接触する時ゲル 化するゲル形成性ポリマーの存効量を含むゲル化溶液と接触させることによって 分離したカプセルを形成するように前記液滴をゲル化するステップを含む方法に よって所望の材料が半透膜内にカプセル化される。
日の ましい貝 を −るための能動」lI螢隨所本発明によれば、ゲル形成性 ポリマーが種々の材料をカプセル化する半透膜を形成するために使用される。本 発明のプロセスは生物学的材料のカプセル化に特に良く通していることが認めら れるであろう。生物学的材料をカプセル化するための既知方法の多くと異なって 、この方法は生物学的材料の大部分はゲル形成性ポリマーと決して接触しない。
生物学的材料は懸濁液中のその元の環境内にとどまる。このため本発明の好まし い具体例の説明は生物学的材料のカプセル化の状況にある。しかしながら本発明 方法は他の材料をカプセル化するためにも使用することができ、そのような他の 使用は本発明の広い範囲にあることが企図される。
カプセル化すべき生物学的材料は、組織、細胞小器官、植物または動物細胞、デ ルタ細胞、ランゲルハンス島、肝細胞、バクテリア、藻類、カビ、ビールス、タ ンパク、医薬化合物等であることができる。材料は本発明の液滴方法によってカ プセル化するのに通するように十分に小さい寸法のものでなければならないが、 しがし直径は1ミクロン以下から数ミリメートルまで広く変化できる。この方法 は生きた細胞を半透膜中にカプセル化し、細胞に生育のため必要な栄養および他 の物質へのアクセスを許容するが、しかし抗体、毒素およびバクテリアのような 選択した寸法以上の分子量を有する物質から細胞を保護する。このため生物学的 材料を長期間生存状態に保つことができる。
生物学的材料は最初核材料と生理学的に共存し得る水性媒体中に懸濁される。媒 体は必要な栄養を含め、存毒物質を含まず、そして例えば典型的な緩衝液のよう な適当なpHを持っていなければならない。媒体はまた、ゲル化剤の有効量を含 んでいる。ゲル化剤は外部へ拡散し、そして後で詳しく記載するようにそれと接 触したときゲル形成性ポリマーをゲル化するタイプのものであり、そしてそのた めに有効な量にある。場合によって水性媒体はデキストラン、ヒアルウロン酸、 ポリエチレングリコール、デンプン等のような増粘剤を含む。
カプセル化すべき材料の懸濁液は、例えば懸濁液を細いノズル、毛細管または皮 下注射針を通って落下させることによって材料を包囲するのに十分な寸法の液滴 に形成される。この方法はデリケートな生物学的材料にも適用できる9代わりに 、カプセル化すべき材料は大規模使用のためパンチプレスタイプ装置を使用し、 またはペレットミルを使用してペレット化することができる。液滴またはペレ溶 液を収容した槽中へ落下することによって外側表面層をゲル形成性ポリマーと接 触させることにより、殆ど瞬間的にゲル化した半透膜が形成される。ゲル形成性 ポリマーはゲル化剤と接触し、殆ど瞬間的に液滴をカプセル化する半透膜を形成 する。
ゲル形成性ポリマーはゲル化剤と接触するときゲルを形成する任意の無毒性水溶 性ゲル形成性ポリマーでよい。場合によりゲル形成性ポリマーは水溶性多糖類の ようなイオノトロピー性ゲル形成性ポリマーである。適当な多糖類は植物材料か ら典型的に抽出したものであり、そしてアルギン酸ナトリウム、グアーガム、ア ラビヤゴム、カラゲーナン、ペクチン、トラガントガム、キサンタンガム、およ び脱アセチル化キチン(キトサン)を含む。ゲル化剤と接触する時、多糖類分子 は水不溶性形状保持ゲルカプセルを形成する。
本発明の一利益は、ゲル形成性ポリマーがゲル化前液滴の外側表面部分のみと接 触することである。このためカプセル化された材料に対してもしあってもポリマ ーの影響は少ししかない。本発明の他の利益は、この方法はカプセル形成のため 最初ゲル包接ステップの必要性を回避することである。もし最初ゲル化を使用し て形成される膜タイプが特定の生処理用途のために適切であるならば、カプセル はゲル化溶液から回収され、そして所望の媒体で平衡化されることができる。し かしながらカプセル膜の機械的および化学的強度は種々の生処理および生体医学 用途に適すようにさらに変質することができる。
膜を変質するため、膜へ機械的強度、化学的安定性、孔径および/または表面電 荷のような変った性質を与えるように第2のゲル形成性ポリマーを使用すること ができる。第2のポリマーは第1のポリマーと反対の電荷を持った他の高分子電 解質とすることができる。
この場合第2のポリマーは最初のゲル膜と複合するようにカプセルの外側表面上 に被覆することができる。性成する高分子電解質複合体はカプセルへ大きな化学 的安定性を与える。例えば、アルギン酸ナトリウムカプセルは、複合膜を有する カプセルを形成するようにポリ(L−リジン)、ポリエチレンイミン、キトサン またはアクリレート/メタクリレート共重合体(jイドラジットRL−100゜ 西独タルムシュタット、ローム、ゲーエムベーハー)のよウナポリカチオンで被 覆することができる。膜のどちらの側にも所望の電荷特性を持つカプセルを得る ことが可能である。
代わりに、ゲル形成性溶液は、第1のポリマーに加え、可溶化した第2のゲル形 成性ポリマーを含む。最初の膜を形成するように第1のゲル形成性ポリマーの殆 ど瞬間的なゲル化は膜内に第2のゲル形成性ポリマーを包接する。また高粘度の ため、ある種のポリマー溶液はカプセル表面の外側へそれがゲル化溶液から除去 される時付着し得る′。カプセルは油性媒体中か、または第1および/または第 2のポリマーに対するゲル化剤を含んでいる緩衝液中に置くことができる。これ らのアプローチの両方ともカプセルをカバーする薄い液体ポリマー溶液の損失を 減らす。当業者にはカプセルの物理化学的条件は第2のポリマーのゲル化を誘発 する多種類の方法で変えることができることが自明°であろう。
場合により、第2のゲル形成性ポリマーは熱ゲル形成性ポリマーであることがで きる。熱ゲル形成性ポリマーはそれらの温度がそれらのゲル化温度以下に下降す る時ゲル化し、そして一般にイオノトロピー性ゲルにまさる化学的および機械的 性質を持っている。ゲル包接には広く使用されているが、熱ゲルを使用する膜カ プセル化方法は現在存在しない。本発明においては、例えばアガロースおよびカ ッパーカラゲーナンを含む多種類の熱ゲル形成性ポリマーを使用することができ る。
もし望むならば、複合膜の第1のポリマー成分はこの分野で良く知られた手段に よって除去することができる。例えば、もし第1のポリマーがイオノトロピー性 ゲル形成ポリマー・−であるならば、その溶解は第2のポリマーのゲル化が完了 した後カプセルをキレート剤と接触させることによって達成できる。
この方法は融通性があり、そして実質的な変更を加え得ることが認められるであ ろう。膜は多種類の利用し得るゲル形成性ポリマーを使用して形成することがで きる。異なる特性の膜はポリマーのタイプおよび濃度を変えることによって得る ことができる。アガロース、カッパー力ラゲーナン、またはゼラチンのような水 性熱ゲルは、生きている細胞および不安定タンパクのようなデリケートな材料を カプセル化するために使用し得る。もしカプセル化する材料が有機溶媒、反応性 架橋剤および短時間の極端なT)Hの存在下で安定であるならば、ここで使用可 能なポリマーのリストは沈澱ゲル(例えばセルロースアセテート)、重縮合ゲル (例えばエポキシおよびポリウレタン)および共重合ゲル(例えばポリアクリル アミド)を含むように拡張し得る。これらのポリマーを使用して形成したカプセ ルはより大きい構造剛直性および化学的不活性の膜内に吸着剤、薬物および安定 な酵素をカプセル化するために使用し得る。
実施例1 この実施例はカプセル化すべき材料を含有するアルギン酸カルシラムカプセルの 形成を例証する。0.8%アルギン酸ナトリウム(シグマA 7128.タイプ ■)を含有する溶液を調製し、室温においてマグネチックスクーラーを使用して 攪拌し続ける。カプセル化すべき材料を含む水性懸濁液を0.1 M Ca C I tおよび20%デキストラン(シグマD’4133)を添加した0、1M  HEPES緩衝液(p H7)中に調製する。懸濁液は高速攪拌アルギン酸溶液 中へ落下する液滴を形成するように皮下注射針を通して落下させる。
界面のアルギン酸分子のCa ”陽イオンによる架橋のため懸濁液滴のまわりに カプセル膜が殆ど瞬間的に生成する。カプセルを除去する前に、ポリマー溶液は 必要量の0.1M HEPES緩衝液(pH7)を加えることによって5倍に希 釈される。このステップはカプセル外側のアルギン酸塩溶液を希釈し、そしてカ プセルがそれらの外側表面上のアルギン酸塩溶液のゲル化により、それらが密着 した時相互に合体する可能性を減らす、カプセルは溶液から回収され、そして過 剰の溶液は適当寸法の網を使用して排液される。カプセルは0.1 M Ca  C1tを含有する0、1M HEPES緩衝液(pH7)へ移され、そして外表 面を安定化するため1分間インキュベートする。最後にカプセルは所望の媒体で 平衡化される。
実施例2 この実施例は所望の材料を含有するアガロースカプセルの形成を例証する。0. 5%アガロース(シグマA 4018.タイプ■)と0.25%アルギン酸ナト リウム(シグマA 7128.タイプ■)とを含む溶液を調製し、暖めそしてマ グネチックスクーラーを使用して40°Cで攪拌し続ける。生物学的材料を含有 する水性緩衝化懸濁液を0.1 M Ca Cl tで調製する。この懸濁液の 粘度を20%デキストラン(シグマD 4100)を加えることによって増加さ せる。懸濁液をアルギン酸塩/アガロース溶液中へ落下する液滴を形成するよう に皮下注射針を通して落下させる。界面のアルギン酸塩のCa・2陽イオンによ る架橋のため懸濁液滴のまわりにカプセル膜が殆ど瞬間的に生成する。生成した カプセルを分離し、油性媒体中35°Cで激しく振とうし、その時液滴を囲む膜 中およびまわりのアガロースは固化し、ゲルー油界面における界面張力は平滑な そして均一な外表面をもたらす。カプセルは次にCa ”のキレート剤である0 、05M EDTAを含む緩衝液中で平衡化し、これはゲル膜のアルギン酸カル シウム成分を液化除去する。最後にカプセルを洗い、所望の媒体中に置く。
存在のためかなり強いことがわかった。このカプセルはまたNaC1゜EDTA 、リン酸塩等の高濃度を含有する溶液中で安定であることがわかった。
実施例3 この実施例は所望の材料を含有するキトサンカプセルの形成を例証する。0.5 %キトサン(シグマC3,646)を0.5%(V/V)酢酸を含む水中に溶解 する。カプセル化すべき材料は40%デキストラン(シグマD 4133)を含 む1.5%トリポリリン酸ナトリウム溶液(pH5,5)と混合する。この懸濁 液は粘い懸濁液の小さい液滴(0,5〜1.0ユ直径)形成のため空気ジェット へ接続した皮下注射針を通して押出す。液滴は液体を包囲するポリリン酸キトサ ン塩膜を瞬間的に形成する。カプセルを溶液から除去し、そしてさらに1.5% トリポリリン酸ナトリウム溶液(pH8,5)中で半時間処理する。最後にカプ セルは所望の緩衝液中で平衡化される。
実施例4 この実施例は哺乳類細胞のアルギン酸塩/ポリ−(L−リジン)カプセル中への カプセル化を例証する。KB細胞を10%デキストランおよび1.3%Ca C 1gよりなり、13mM HEPESで緩衝化した溶液(pH7)中へ10s細 胞/戚の濃度で懸濁する。溶液を高速攪拌等張NaCl溶液中0525%アルギ ン酸ナトリウム溶液(KELCO,LV)中ヘアトマイザーを通って押出す、こ のように形成したKB細胞含有カプセルは溶液を等張NaC1溶液を使用して5 倍希釈した後除去する。カプセルはその後カプセルを強化するため0.05%ポ リ(L−リジン)溶液へ5分間露出される。最後にカプセルを除去し、所望の媒 体で平衡する前に過剰のポリ(L−リ、ジ゛ン)を除去するため洗浄される。こ の方法を用いてカプセル化したKB紺胞は生き続け、正常の生育を示す。
産呈上勿且里註 このカプセル化方法は多種類の分野、特にバイオテクノロジーにおいて増加する 用途を見出す、そのような方法は酵素、ホルモン、薬物、吸着剤および細胞をカ プセル化するために使用され、それらはバイオリアクター、人工臓器、生分離シ ステム、制御された薬物放出システム等に使用できる。
補正書の翻訳文提出書 (特許法第184条の8) 1、特許出願の表示 PCT/US88102j 13 2、発明の名称 半透膜中に生物学的材料のカプセル化 3、特許出願人 住 所 アメリカ合衆国48109−1092ミシガン、アナ−バー、ウエスト エンジニャリングビルディンク225住 所 大阪市中央区淡路町2丁目1番1 3号 弘栄ビル電話(06) 222−0547 1989年11月27日 6、添付書類の目録 (1)補正書の翻訳文 1通 請求の範囲 1.材料をカプセル膜内にそして実質上膜形成ポリマーを含まないカプセルコア 内にカプセル化する方法であって、(A)材料をイオノトロピー性ゲルのための ゲル化剤の存効量を含む媒体中に懸濁するステップ、 (B)前記懸濁液を前記材料を含みそして外側表面部分を存する液滴に形成する ステップ、 (C)イオノトロピー性ゲル形成性ポリマーおよび第2のゲル形成性ポリマーの 選択した濃度を含み、前記第2のゲル形成性ポリマーは熱ゲル形成性ポリマー、 沈澱ゲル形成性ポリマーまたは共有結合架橋ゲル形成性ポリマーよりなる群から 選ばれ、前記イオノトロピー性ゲル形成性ポリマーは前記ゲル化剤と接触すると き選択された所望厚みの半透膜マトリックスを形成するようにゲル化し、そして 前記第2のゲル形成性ポリマーを前記膜マトリックス中に包接するものであるゲ ル化溶液と選択した時間接触させることによって分離したカプセルを形成するス テップ、および(D)前記第2のゲル形成性ポリマーを複合ゲルマトリックス膜 を形成するようにゲル化するステップ、を含んでいることを特徴とする前記方法 。
2、前記材料は生物学的材料であり、そして前記媒体はそれと生理−学的に共存 し得る水性媒体である第1項の方法。
3、前記熱ゲル形成性ポリマーはアガロースである第1項の方法。
4、前記熱ゲル形成性ポリマーは寒天である第1項の方法。
5、前記熱ゲル形成性ポリマーはゼラチンである第1項の方法。
6、前記熱ゲル形成性ポリマーはカンバーカラギーナンである第1項の方法。
7、前記沈澱ゲル形成性ポリマーはコラーゲンである第1項の方法。
8、前記生物学的材料は組織、細胞小器官、植物細胞、動物細胞、デルタ細胞、 ランゲルハンス島、肝細胞、バクテリア、藻類、カビ、ビールス、タンパクおよ び医薬化合物からなる群から選ばれる第2項の方法。
9、前記イオノトロピー性ゲル形成性ポリマーは多糖類ガムである第1項の方法 。
10、前記ゲル化剤は多価イオンである第1項の方法。
11、前記多糖類ガムはアルギン酸ナトリウムである第9項の方法。
12、前記多糖類ガムはキトサンである第9項の方法。
13、前記複合ゲルマトリックス膜はそれからイオノトロピー性ゲル形成性ポリ マーを可溶化しそして除去するステップによって後で処理される第1項の方法。
14、前記媒体は増粘剤を含んでいる第1項の方法。
15、第1項の方法の生産物。
16、アルギン酸塩およびアガロースよりなる複合ゲルマトリックス膜を持って いる第1項の方法の生産物。
17、アルギン酸塩および寒天よりなる複合ゲルマトリックス膜を持っている第 1項の方法の生産物。
18、アルギン酸塩およびゼラチンよりなる複合ゲルマトリックス膜を持ってい る第1項の方法の生産物。
19、アルギン酸塩およびコラーゲンよりなる複合ゲルマトリックス膜を持って いる第1項の方法の生産物。
20、アルギン酸塩およびカラギーナンよりなる複合ゲルマトリックス膜を持っ ている第1項の方法の生産物。
21、アガロースよりなる膜を持っている第1項の方法の生産物。
国際調査報告 I酎−−1−−一−^6寥11□ζ虐畷−”116PCT/LIS881024 132国際調査報告 。58802413

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.(A)カプセル化すべき材料を有効量のゲル化剤を含む媒体中に懸濁するス テップ、 (B)前記懸濁液を前記材料を含みそして外側表面部分を有する液滴に形成する ステップ、 (C)前記液滴の前記外側表面部分を前記ゲル化剤と接触するときゲル化して半 透膜を形成する第1のゲル形成性ポリマーの有効量を含んでいるゲル化溶液と接 触させることによって分離したカプセルを形成するステップ、 を含んでいることを特徴とする材料をカプセル膜中にカプセル化する方法。
  2. 2.前記材料は生物学的材料であり、前記媒体はそれと生理学的に共存し得る水 性媒体である第1項の方法。
  3. 3.前記第1のゲル形成性ポリマーはイオノトロピー性ゲル形成性ポリマーであ り、そして前記膜は高分子電解質複合体をそれと形成するように前記第1のポリ マーと反対の電荷を有する高分子電解質ポリマーで後から被覆される第1項の方 法。
  4. 4.前記ゲル化剤は多価イオンである第3項の方法。
  5. 5.前記水性媒体は増粘剤を含んでいる第4項の方法。
  6. 6.前記生物学的材料は組織、細胞小器官、植物細胞、動物細胞、デルタ細胞、 ランゲルハンス島、肝細胞、バクテリア、藻類、カビ、ビールス、タンパクおよ び医薬化合物よりなる群から選ばれる第5項の方法。
  7. 7.前記第1のゲル形成性ポリマーは多糖類ガムである第6項の方法。
  8. 8.前記ガムはアルギン酸ナトリウムである第7項の方法。
  9. 9.前記ガムはキトサンである第7項の方法。
  10. 10.前記高分子電解質ゲル形成性ポリマーはポリリジンである第8項の方法。
  11. 11.前記第1のポリマーの内側部分は後で可溶化され、そして前記カプセルか ら除去され、それにより前記高分子電解質複合体よりなるカプセル膜が残る第1 0項の方法。
  12. 12.(A)カプセル化すべき材料を有効量のゲル化剤を含む媒体中に懸濁する ステップ、 (B)前記懸濁液を前記材料を含みそして外側表面部分を有する液滴に形成する ステップ、 (C)前記ゲル化剤と接触するときゲル化して半透膜を形成しそして第2のゲル 形成性ポリマーをその中に包接する第1のゲル形成性ポリマーおよび前記第2の ゲル形成性ポリマーの有効量を含んでいるゲル化溶液と、前記液滴の前記外側表 面部分を接触させることによって分離したカプセルを形成するステップ、(D) 前記第2のゲル形成性ポリマーをゲル化するステップ、を含んでいることを特徴 とする材料をカプセル膜中にカプセル化する方法。
  13. 13.前記材料は生物学的材料であり、前記媒体はそれと生理学的に共存し得る 水性媒体である第12項の方法。
  14. 14.前記第1のゲル形成性ポリマーはイオノトロピー性ゲル形成性ポリマーで あり、そして前記ゲル化剤は多価イオンである第13項の方法。
  15. 15.前記第2のゲル形成性ポリマーは熱ゲル形成性ポリマーである第14項の 方法。
  16. 16.前記水性媒体は増結剤を含んでいる第15項の方法。
  17. 17.前記生物学的材料は組織、細胞小器官、植物細胞、動物細胞、デルタ細胞 、ランゲルハンス島、肝細胞、バクテリア、藻類、カビ、ビールス、タンパクお よび医薬化合物よりなる群から選ばれる第16項の方法。
  18. 18.前記イオノトロピー性ゲル形成性ポリマーは多糖類ガムである第17項の 方法。
  19. 19.前記ガムはアルギン酸ナトリウムである第18項の方法。
  20. 20.前記ガムはキトサンである第18項の方法。
  21. 21.前記熱ゲル形成性ポリマーはアガロースである第18項の方法。
  22. 22.前記第1のゲル形成性ポリマーの内側部分は後で可溶化され、そしで前記 カプセルから除去される第18項の方法。
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