李 琨,安 瑩 綜述;陳發(fā)明,金 巖 審校
(第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,陜西西安710032)
隨著近代細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展和間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSC)的發(fā)現(xiàn),為多種組織缺損修復(fù)再生治療策略提供了機(jī)遇。組織再生依賴于缺損區(qū)域細(xì)胞、生物材料和信號分子的共同作用,其中足夠的可供新組織形成或再生的干細(xì)胞、與缺損組織性能和成分相似的支架材料,以及促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和歸巢的誘導(dǎo)因子等都至關(guān)重要[1]。近幾年,醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開始探索利用合適的干細(xì)胞去實現(xiàn)人體組織和器官的修復(fù)和重建,并逐漸聚焦于解決臨床問題[2]。再生醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究的一個重要分支,在將來的臨床治療中必將發(fā)揮越來越重要的作用,而干細(xì)胞具有自我更新的能力和多向分化的潛能[3],是再生醫(yī)學(xué)研究的重點和核心[4]。胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells,ESCs)是多能干細(xì)胞,可以分化為多種成體細(xì)胞[5],但因受倫理和法律的限制而在其研究和應(yīng)用中存在爭議[6]。MSCs是一種多能成體干細(xì)胞,最初從人的骨髓中分離得來,隨后又在成人和胎兒的其他組織中發(fā)現(xiàn)[7]。成體干細(xì)胞(adult stem cells)通常依據(jù)其所處部位不同而命名為不同種類的干細(xì)胞,例如骨髓干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、牙源性干細(xì)胞等。近年來研究表明:來自同一種組織的干細(xì)胞也可以產(chǎn)生完全不同的其他組織細(xì)胞[3]。成體干細(xì)胞與ESCs不同可以用于臨床疾病的治療,如心肌缺血、組織缺損修復(fù)、糖尿病和帕金森病等[7]。目前研究表明,在腦、脊髓、外周血、血管、骨骼肌、上皮、視網(wǎng)膜、肝臟、胰腺等3個胚層來源的組織中都發(fā)現(xiàn)了成體干細(xì)胞,包括牙齒組織。近年來,牙源性干細(xì)胞作為組織工程學(xué)的候選細(xì)胞,越來越引起廣泛的重視和關(guān)注[8],其不僅可用于口腔組織的再生,也適用于非口腔組織如骨和神經(jīng)等組織的再生[8-9]。本文就常見的牙源性干細(xì)胞的研究進(jìn)展及其在組織工程學(xué)中的應(yīng)用等作一綜述。
目前研究發(fā)現(xiàn)在口腔的不同組織中均分離出干細(xì)胞[10]。Gronthos等[11](2000)報道了從人的牙髓組織中分離并培養(yǎng)干細(xì)胞的方法,這些干細(xì)胞可集落狀生長、體外可誘導(dǎo)分化為成牙本質(zhì)樣細(xì)胞并形成具有牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)的組織,從而首次提出了牙髓干細(xì)胞(dental pulp stem cells,DPSCs)的概念。隨后,其他組織的牙源性干細(xì)胞也陸續(xù)被成功分離,包括牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)、乳牙牙髓干細(xì)胞(stem cells from human exfoliated deciduous teeth,SHED)、根尖乳頭干細(xì)胞(stem cells from the apical papilla,SCAP)和牙囊干細(xì)胞(dental follicle stem cells,DFSCs)等。目前認(rèn)為:牙源性干細(xì)胞均為存在于口腔組織中的未分化間充質(zhì)干細(xì)胞,具有自我增殖和多向分化的能力,與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cell,BMMSCs)相比,具有更強的多向分化潛能和更強的誘導(dǎo)成脂、成骨、成神經(jīng)組織等能力[7]。以下就牙源性干細(xì)胞的生物學(xué)特性、細(xì)胞表型、分化能力、臨床轉(zhuǎn)化等方面的研究概況進(jìn)行分述。
Gronthos[10]等(2000)利用酶消化法,將人健康的第三磨牙牙髓制成單細(xì)胞懸液進(jìn)行培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)牙髓細(xì)胞在體外培養(yǎng)時可自我更新并高度增殖和多向分化;將其移植到免疫缺陷的小鼠體內(nèi)能產(chǎn)生牙本質(zhì)-牙髓復(fù)合體,而且在一定因素誘導(dǎo)條件下,還能分化為多種細(xì)胞,與干細(xì)胞的定義相符。于是作者推測,牙髓中可能含有干細(xì)胞,并首次提出了牙髓干細(xì)胞(DPSCs)的概念[11]。
Gronthos等[11](2000)最初推測DPSCs可能來源于血管周圍的微環(huán)境;此后shi等[12](2001)也發(fā)現(xiàn)DPSCs表達(dá)STRO-1和CD146兩種早期間充質(zhì)干細(xì)胞的表面標(biāo)志,認(rèn)為DPSCs與血管組織密切相關(guān)。我國學(xué)者通過對根髓和冠髓進(jìn)行比較時發(fā)現(xiàn):DPSCs存在于全部牙髓之中,在根髓中的密度更高[13]。但關(guān)于DPSCs的確切來源目前還不甚清楚,因而對其進(jìn)行確切定位、分離鑒定的研究仍在進(jìn)行。
關(guān)于DPSCs的細(xì)胞表型,組織化學(xué)染色顯示DPSCs除表達(dá)波形絲蛋白、成纖維細(xì)胞生長因子等成纖維細(xì)胞的標(biāo)志外,還表達(dá)內(nèi)皮細(xì)胞的相關(guān)標(biāo)志如內(nèi)皮細(xì)胞粘附因子VCAM-1、第Ⅷ因子以及平滑肌的標(biāo)志如平滑肌肌動蛋白和骨標(biāo)志如Ⅰ型膠原、Ⅲ型膠原、骨橋素等;不表達(dá)軟骨標(biāo)志Ⅱ型膠原和上皮細(xì)胞的標(biāo)志EMA[14]。DPSCs細(xì)胞表型的多樣性和表達(dá)強弱的差異表明:DPSCs克隆株的不均一性,可能是由處于分化和發(fā)育不同階段的細(xì)胞組成。DPSCs表達(dá)平滑肌和內(nèi)皮細(xì)胞的標(biāo)志,提示其有可能來源于發(fā)育的血管[15]。而DPSCs不表達(dá)成牙本質(zhì)細(xì)胞特征性蛋白DSP、DMP,則表明DPSCs尚處于未分化狀態(tài)[10]。
1.2.1 DPSCs有高度增殖和自我更新能力
Gronthos等[11](2000)在體外培養(yǎng)的的第一代DPSCs和BMSSCs中加入Brdu后檢測細(xì)胞的增生率發(fā)現(xiàn):DPSCs的增生率高于BMSSCs,DPSCs約有72%陽性細(xì)胞,而BMSSCs約有46%陽性細(xì)胞;同時還發(fā)現(xiàn)DPSCs的克隆形成率為0.22%~0.70%,遠(yuǎn)高于BMSSCs的0.024%~0.031%。
1.2.2 DPSCs的多向分化能力
DPSCs具有成體干細(xì)胞的可塑性(plasticity),能夠分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等多種不同細(xì)胞[16]。成骨誘導(dǎo)分化實驗顯示:體外礦化誘導(dǎo)DPSCs 40 d后,骨涎蛋白(bone sialoprotein,BSP)和骨鈣素(osteocalcin,OCN)免疫熒光染色陽性,可見骨小梁結(jié)構(gòu);隨后將此骨樣組織回植入免疫缺陷小鼠背部皮下,4周后形成發(fā)育良好的板狀骨,表明DPSCs在特定礦化條件下有成骨能力[17]。成脂誘導(dǎo)分化實驗顯示:用含0.5mmol/L異丁基甲基黃嘌呤、0.5(nlU)mmol/L氫化可的松、60(nlU)mmol/L消炎痛的成骨成脂誘導(dǎo)液對DPSCs進(jìn)行成脂誘導(dǎo)5周后,可見油紅O染色陽性的脂滴;進(jìn)一步RT-PCR檢測發(fā)現(xiàn),脂肪細(xì)胞所具有的兩種特異性轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)上調(diào),表明體外培養(yǎng)的DPSCs具有向脂肪細(xì)胞分化的潛能[18]。成神經(jīng)誘導(dǎo)分化實驗顯示:DPSCs在mRNA和蛋白質(zhì)水平分別表達(dá)神經(jīng)巢蛋白(nestin)和膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acid protein,GFAP)[18];DPSCs能為多巴胺能的神經(jīng)元提供營養(yǎng)支持,而且在體外可分化為神經(jīng)元,表明DPSCs具有向神經(jīng)細(xì)胞分化的潛能[19]。此外,有研究證實:DPSCs經(jīng)條件培養(yǎng)基的誘導(dǎo)還可分化為肌細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等,進(jìn)一步豐富了DPSCs可分化的細(xì)胞譜系[20]。
生長因子具有促進(jìn)或抑制細(xì)胞分裂增殖、遷移和基因表達(dá)的作用。在成年牙髓組織再生、損傷修復(fù)過程中,存在于髓周牙本質(zhì)中的生長因子、特殊的牙髓胞外基質(zhì)分子以及由修復(fù)中的牙髓細(xì)胞合成的生長因子和胞外基質(zhì)分子等細(xì)胞因子都對DPSCs的增殖分化起著重要作用,共同形成DPSCs生存、增殖和分化的微環(huán)境。如:轉(zhuǎn)移生長因子家族(TGF-β superfamily)的主要成員TGF-β1可以促進(jìn)DPSCs堿性磷酸酶的表達(dá),參與修復(fù)性牙本質(zhì)的形成;骨形成蛋白(bonemorphogenetic protein 2,BMP 2)能夠刺激DPSCs分化表達(dá)DSPP的成牙本質(zhì)細(xì)胞[21]。牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白-1(dentin matrixprotein 1,DMP-1)也可促進(jìn)DPSCs的增殖,對DPSCs堿性磷酸酶活性的促進(jìn)作用呈濃度依賴性。另有許多研究結(jié)果表明:胰島素樣生長因子Ⅰ、腫瘤壞死因子α、表皮生長因子(EGF)等細(xì)胞生長因子亦參與DPSCs向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化過程的調(diào)節(jié)[22]。
隨著DPSCs研究的進(jìn)一步深入和組織工程學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,DPSCs為促進(jìn)牙髓組織再生、牙體修復(fù)、自體牙的再造、甚至骨組織的修復(fù)重建等開辟廣闊的前景。但牙髓干細(xì)胞的研究目前仍面臨很多問題,如DPSCs特異性標(biāo)志尚不明確,在牙髓組織中的確切定位還不明了,要實現(xiàn)精確的定位分離純化還有一定困難;以及DPSCs數(shù)量少、易老化、體外培養(yǎng)擴(kuò)增難度大、周期長;而且對于干細(xì)胞的分裂、分化的具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚,相關(guān)的信號分子的作用也還需進(jìn)一步研究探索等。這些問題均說明:DPSCs還有很大的研究空間,要把DPSCs應(yīng)用于臨床還需要細(xì)胞研究的進(jìn)一步完善以及組織工程學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
PDLSCs是近來發(fā)現(xiàn)的來源于牙周韌帶組織的成體干細(xì)胞。Byoung-Moo等[23](2004)用酶消化法將健康成年人的牙周膜組織制成單細(xì)胞懸液進(jìn)行體外培養(yǎng),通過克隆篩選和磁珠分離得到了具有形成細(xì)胞克隆能力和高度增殖能力的細(xì)胞,從而提出了牙周膜干細(xì)胞(PDLSCs)的概念。正常情況下,牙周膜細(xì)胞可通過增殖和分化使其本身以及與之相連的牙骨質(zhì)和牙槽骨處于不斷更新和改建的狀態(tài)。而當(dāng)受到疾病或外界刺激時,則可通過牙周膜中干細(xì)胞的不斷增殖和分化使組織再生[24]。
研究發(fā)現(xiàn):牙周組織發(fā)育完成后存在于牙周膜中的未分化的間充質(zhì)細(xì)胞具有自我更新和多向分化等特點,不少學(xué)者認(rèn)為牙周膜是一個能自我更新的系統(tǒng),存在原始的能產(chǎn)生不同表型的干細(xì)胞或稱為牙周膜前體細(xì)胞,這些能導(dǎo)致牙周組織再生的前體細(xì)胞主要來源于牙周膜和牙槽骨[25]。
關(guān)于PDLSCs的細(xì)胞表型,免疫組化結(jié)果顯示PDLSC表達(dá)間充質(zhì)干細(xì)胞的標(biāo)志物,而這些標(biāo)記物是鑒定PDLSC的基礎(chǔ)[26]。包括:間充質(zhì)干細(xì)胞標(biāo)志物:SRTO-1、CD146/MUC18;腱細(xì)胞標(biāo)志物:堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子(Scleraxis);骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞表面標(biāo)志物:CD90、CD29、CD44、CD166、CD105、CD13等[27]。
PDLSCs具有成體干細(xì)胞的基本特性,即具有自我更新和多向分化的潛能,可產(chǎn)生不同種類的具有特定表型和功能的成熟細(xì)胞,以維持牙周膜功能的穩(wěn)定,發(fā)揮生理性細(xì)胞更新和修復(fù)組織損傷的作用。具有自我更新能力,可以通過分裂維持自身群體的穩(wěn)定,并能在體外克隆性生長[28];具有不定向分化潛能,在不同的生長因子微環(huán)境條件下,可以誘導(dǎo)向脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成牙骨質(zhì)細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和神經(jīng)元樣細(xì)胞分化,還可形成牙骨質(zhì)、牙周膜和牙槽骨等,是牙周組織再生最直接、最可靠的種子細(xì)胞,也是牙周缺損細(xì)胞治療和基因治療重要的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)[29]。
利用干細(xì)胞使病變破壞的牙周組織再生已研究多年[30],PDLSC在體內(nèi)能使破壞的牙周組織形成新的附著,是牙周組織工程學(xué)和牙周組織再生術(shù)的重大進(jìn)步,為以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織工程提供了基礎(chǔ),在牙周生理功能維持、病理損傷修復(fù)中的重要作用和牙周再生方面存在的巨大潛能,必將為口腔基礎(chǔ)和臨床研究打開新的突破口,具有重要的臨床意義和廣闊的應(yīng)用前景。但因其存在來源有限,培養(yǎng)分離純化擴(kuò)增過程復(fù)雜、周期較長等實際問題,要應(yīng)用于臨床治療中仍需進(jìn)一步研究。
Miura等[31](2003)研究發(fā)現(xiàn),正常脫落的乳牙牙髓中的細(xì)胞經(jīng)培養(yǎng)會表現(xiàn)出成纖維細(xì)胞樣生長,其增殖率和群體倍增數(shù)均比骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(BMMSC)、DPSCs高,于是首次提出了SHED的概念。這種細(xì)胞在一定的體外誘導(dǎo)條件下具有成骨、成牙本質(zhì),以及分化為其他非牙源性間質(zhì)細(xì)胞的能力。
對SHED進(jìn)行表型研究和蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),其可表達(dá)多種間充質(zhì)干細(xì)胞的特異性分子標(biāo)志,包括CD73、CD90、CD105、CD146、STRO-1,但是不表達(dá)造血干細(xì)胞的標(biāo)志,如CD14、CD34、CD45等,提示SHED很可能來源于間充質(zhì)[31-32]。Miura等[31]將體外擴(kuò)增的SHED移植到免疫缺陷小鼠體內(nèi),觀察到類牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu)形成,進(jìn)一步免疫組化檢測顯示其牙本質(zhì)特異性蛋白—牙本質(zhì)涎磷蛋白(DSPP)陽性,表明其可以分化為成牙本質(zhì)細(xì)胞。盡管Miura等證明SHED在體內(nèi)無法向成骨細(xì)胞分化,但Shen YY等[33](2010)發(fā)現(xiàn)SHED在體外培養(yǎng)過程中可以表達(dá)成骨細(xì)胞的標(biāo)志,如RUNX-2、OCN、BSP,表明SHED在體外可以分化為成骨細(xì)胞;同時Miura等[31]還發(fā)現(xiàn)SHED經(jīng)神經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)后表達(dá)多種神經(jīng)細(xì)胞的標(biāo)志,如巢蛋白、GAD、βⅢ-tubulin、NeuN、GFAP、NFM、CNPase等;經(jīng)成脂誘導(dǎo)培養(yǎng),SHED呈現(xiàn)出油紅-O染色陽性的特征,并且半定量RT-PCR檢測顯示過氧化物酶體增殖子活化受體-γ2和脂蛋白脂酶這兩種脂肪細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)上調(diào),提示SHED可以分化為脂肪細(xì)胞[33]。
相關(guān)研究表明,SHED具有多向分化功能,Miura等[31]通過將體外擴(kuò)增的SHED移植到免疫缺陷的動物體內(nèi),可觀察到類牙本質(zhì)樣結(jié)構(gòu);將SHED接種于支架材料并植入免疫缺陷小鼠皮下,可觀察到牙髓樣結(jié)構(gòu)形成[34];將SHED與人類牙齒切片復(fù)合后,在體外培養(yǎng)或是植入免疫缺陷小鼠皮下,均表達(dá)成牙本質(zhì)細(xì)胞分化的標(biāo)志(DSPP,DMP-1,MEPE)[35]。
有研究發(fā)現(xiàn):SHED移植到裸鼠體內(nèi)后,雖不能直接分化形成成骨細(xì)胞,但可以誘導(dǎo)宿主細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,提示SHED具有骨誘導(dǎo)功能,而這種功能是DPSCs(甚至其他牙源性干細(xì)胞)所不具備的[34]。雖然一系列實驗表明SHED在體內(nèi)只能誘導(dǎo)宿主細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞[36],而其自身無法分化為成骨細(xì)胞,但在體外培養(yǎng)過程中卻可以分化為成骨細(xì)胞,究竟是何種原因?qū)е碌倪@一有趣現(xiàn)象,至今尚未得到解答。此外,在一定的誘導(dǎo)條件下SHED還可以分化為多巴胺能神經(jīng)元樣細(xì)胞;可以向血管內(nèi)皮細(xì)胞分化,同時形成可與宿主脈管系統(tǒng)相吻合的微血管;可以在一定條件下被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化為人工誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPS)[7];SHED可能還具有參與機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)等功能[37]。
SHED自被成功分離以來已被證實具有較強的增殖能力和多向分化的潛能,尤其具有顯著的誘導(dǎo)成骨能力,并且可能參與機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)過程,具有廣闊的研究空間。但還有許多具體分子作用機(jī)制仍不明確,尚需大量試驗研究去探索。
SCAP存在于未完全發(fā)育成形的恒牙根尖周組織中,是一種具有高度增生、自我更新能力和多向分化潛能的成體干細(xì)胞。Sonoyama等[38](2006)研究發(fā)現(xiàn):雖然根尖周牙乳頭組織中的血管和細(xì)胞成分均較牙髓組織少,但在根髓組織與根尖周牙乳頭組織交界處有一個非常明顯的細(xì)胞富集區(qū),而且根尖周乳頭狀組織陽性表達(dá)間充質(zhì)干細(xì)胞表面分子STRO-1,從而推測該區(qū)域可能存在干細(xì)胞或前體細(xì)胞。為了證實這種假定的細(xì)胞,Abe等[39](2007)從人年輕第三磨牙根末端分離根尖周牙乳頭,并采用酶消化法從中分離出細(xì)胞進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞在低密度下培養(yǎng)時,能夠像其他間充質(zhì)干細(xì)胞一樣形成貼壁生長的克隆原細(xì)胞聚集,并具有成骨、成牙本質(zhì)和成脂等多向分化潛能,因而作者將這種細(xì)胞命名為SCAP。SCAP是牙根發(fā)育時成牙本質(zhì)細(xì)胞的重要來源,在牙根的形成和發(fā)育中起著重要的作用,具有強于DPSCs的群體倍增能力以及增殖率、端粒酶活性和細(xì)胞遷移率,是一種極具潛力的成體干細(xì)胞[40]。SCAP獨特的功能和特點決定了其不僅僅是一種研究牙根發(fā)育時成牙本質(zhì)細(xì)胞分化機(jī)制的體外細(xì)胞,而且是一種很好的牙組織工程種子細(xì)胞,可用于牙髓、牙本質(zhì)的再生和生物學(xué)牙根的再生,具有極其良好且廣闊的臨床應(yīng)用前景。
牙囊(dental follicle,DF)是包繞發(fā)育牙齒的疏松結(jié)締組織[41],其組織來源于外胚間充質(zhì),是牙骨質(zhì)、牙槽骨和牙周膜的起源組織,含有干細(xì)胞和形成牙周組織的前體細(xì)胞亞群,在一定誘導(dǎo)條件下進(jìn)行體外培養(yǎng)時可分化為成骨樣或成牙骨質(zhì)樣細(xì)胞[42]。DFPC可從特定的組織中分離、培養(yǎng)得到,這類干細(xì)胞的特點使其在組織工程學(xué)研究中具有很大的潛能,可應(yīng)用于牙周和骨的再生研究。Honda等[41](2010)從小牛牙根形成階段的恒切牙牙胚中分離出牛DF細(xì)胞,進(jìn)行了一系列試驗,證明DF細(xì)胞中含有牙周膜細(xì)胞及牙骨質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞;Luan等[43](2006)在形態(tài)、增殖能力、礦化特征等方面進(jìn)行了試驗,證實DF前體細(xì)胞具有異質(zhì)性。上述研究結(jié)果表明:牙囊中存在具有多向分化潛能的干細(xì)胞,在一定誘導(dǎo)條件下可誘導(dǎo)分化為成牙骨質(zhì)細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和神經(jīng)元樣細(xì)胞。因此,在牙周組織再生的研究中,DF細(xì)胞被視為可能的種子細(xì)胞,研究前景值得關(guān)注。
盡管牙源性干細(xì)胞的研究和臨床應(yīng)用雖已取得了許多突破,但其仍處于起步階段,若要成功應(yīng)用于臨床,實現(xiàn)真正意義上的組織再生,仍有許多理論機(jī)制尚待研究,許多技術(shù)操作問題尚待克服。然而,因牙源性干細(xì)胞本身具備其他組織工程種子細(xì)胞所無法比擬的優(yōu)點,如:自我更新能力強,多向分化潛能大,易于獲得,自體移植免疫排異反應(yīng)小,不存在倫理上的爭議等,使其在牙齒組織工程學(xué)的應(yīng)用上具有廣闊的前景。有理由相信,隨著牙源性干細(xì)胞研究的不斷深入和組織工程技術(shù)的不斷發(fā)展,將給醫(yī)學(xué)的理論研究和臨床應(yīng)用帶來革命性的進(jìn)展。
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