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個(gè)PD-1抗體:Opdivo的開(kāi)發(fā)故事

熱門(mén)推薦: 開(kāi)發(fā)歷程 Opdivo PD-1
作者:張繼  來(lái)源:美中藥源
  2018-09-05
作者由于工作原因,過(guò)去一年多里閱讀了一些Opdivo這個(gè)藥物的開(kāi)發(fā)歷程的文獻。發(fā)現之前中文報道中,多少有些和作者了解到的事實(shí)有所出入,特撰此文,供大家討論。

       隨著(zhù)PD-1抗體藥物歐狄沃(英文商品名: Opdivo, 英文通用名:Nivolumab)已于8月28號在中國進(jìn)入鋪貨銷(xiāo)售階段,國內肺癌患者終于可以使用到這一革命性的抗癌藥物。作者由于工作原因,過(guò)去一年多里閱讀了一些這個(gè)藥物的開(kāi)發(fā)歷程的文獻。發(fā)現之前中文報道中,多少有些和作者了解到的事實(shí)有所出入,特撰此文,供大家討論。

       第一部分:PD-1的發(fā)現和功能鑒定

       1992年,日本科學(xué)家TasukuHonjo (本庶佑) 從小鼠上分離、鑒定了PD-1基因,得到了小鼠PD-1蛋白,這一成果發(fā)表在1992年的EMBO雜志上(1)。在這篇文章中,本庶佑認為屬于免疫球蛋白超家族的PD-1的活化會(huì )導致T細胞的凋亡,這也是PD-1蛋白的命名由來(lái)(Programmed Death-1)。本庶佑在這篇文章中公布了PD-1蛋白的序列,隨后幾年接連發(fā)表了一系列研究PD-1的成果,如1994年他找到了人類(lèi)PD-1基因和蛋白(2),并在1999年首先提出PD-1是一個(gè)免疫系統的負調控因子(3)。這一成果在當時(shí)并未引起學(xué)界太多重視,就連本庶佑本人也是以B細胞的發(fā)育和功能作為自己的主要研究方向。

       2000年,在丹娜法伯癌癥研究院(Dana-Farber Cancer Institute, DFCI,隸屬于哈佛大學(xué)醫學(xué)院)工作的Gordon Freeman和本庶佑作為第一作者和通訊作者,共同闡述了PD-1/PD-L1對人體T細胞的調控作用,這一領(lǐng)域才逐漸引起重視(4)。在這篇文章中,Freeman等人不僅發(fā)現了屬于B7蛋白家族的PD-L1蛋白是PD-1的配體,還首先證明了 PD-L1通過(guò)結合PD-1,抑制了T細胞的增殖和分泌細胞因子功能。Freeman關(guān)注到PD-1并非偶然,他和妻子Arlene Sharpe一直從事B7蛋白家族的研究。他們先前就通過(guò)生物信息學(xué)的辦法找到了很多和B7蛋白基因相似的B7蛋白家族成員。根據CTLA-4蛋白會(huì )和B7家族的B7-1、B7-2蛋白結合, PD-1蛋白又和CTLA-4結構有類(lèi)似片段,同屬一個(gè)蛋白家族等已知信息,Freeman推測自己發(fā)現的B7蛋白家族中,可能有PD-1的配體。當時(shí)PD-1尚未成為熱門(mén)研究領(lǐng)域,沒(méi)有商業(yè)化的PD-1蛋白供實(shí)驗用,Freeman于是和本庶佑合作,就此發(fā)現了PD-L1和PD-1在免疫系統里的負調控功能。Gordon Freeman 79年哈佛博士畢業(yè)后就加入了DFCI,從博士后做起。本庶佑1984年開(kāi)始就在東京大學(xué)任職,先前中文報道里有不少說(shuō)Gordon Freeman是本庶佑的博士后,這個(gè)說(shuō)法應不是事實(shí)。

       華裔學(xué)者陳列平教授當時(shí)也從事B7家族蛋白的研究,通過(guò)和Freeman類(lèi)似的生物信息學(xué)方法,他于1999年12月首先發(fā)表了PD-L1的基因及蛋白序列(5),在這篇文章中,陳列平以B7H1稱(chēng)呼PD-L1蛋白。遺憾的是陳列平?jīng)]有找到B7H1的配體,而且標題中認為B7H1是共刺激T細胞的增殖,這和后來(lái)多數人的認知略有不同。陳列平的文章比Freeman早10個(gè)月公布。Freeman的相關(guān)專(zhuān)利于1999年8月提交,比陳列平早3個(gè)月,在這個(gè)專(zhuān)利中Freeman也公布了PD-L1的序列,可以認為陳列平和Freeman幾乎同時(shí)發(fā)現了PD-L1蛋白。后來(lái)陳列平于2002年發(fā)表文章,指出大多數腫瘤細胞通過(guò)表達PD-L1實(shí)現免疫逃逸(6),這為開(kāi)發(fā)PD-1/PD-L1藥物用于癌癥治療提供了重要理論依據。

       在發(fā)現PD-1/PD-L1通路對T細胞有負調控作用后,當時(shí)科學(xué)家們普遍認為這條通路可能用于自身免疫疾病藥物的開(kāi)發(fā),2001年6月左右,本庶佑與小野制藥(ono pharmaceutical)一起提交了一項國際專(zhuān)利:substance specific to human PD-1(7)。在這個(gè)專(zhuān)利保護下,任何物質(zhì),只要特異性與人PD-1蛋白結合,就侵犯了本庶佑和小野制藥的專(zhuān)利。這個(gè)專(zhuān)利在今天可能不會(huì )被批準:專(zhuān)利的內容主要是PD-1的基因和蛋白序列,沒(méi)有列出證據證明阻斷PD-1可以用作免疫療法。這個(gè)專(zhuān)利的影響,隨后還會(huì )提到。

       第二部分:Medarex的研發(fā)過(guò)程

       2001年初,王常玉從Chiron公司作為研發(fā)科學(xué)家加入Medarex公司,在Chiron期間,王常玉研發(fā)了CD-40抗體,這個(gè)產(chǎn)品今天還在諾華公司的開(kāi)發(fā)管線(xiàn)里。此時(shí)Medarex的CTLA-4抗體開(kāi)發(fā)已進(jìn)入后期,公司開(kāi)始考慮后續項目。基于下述幾點(diǎn)原因,Medarex的開(kāi)發(fā)團隊選中了PD-1/PD-L1作為新靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)腫瘤免疫藥物:

       PD-1和CTLA-4同屬一個(gè)蛋白家族,開(kāi)發(fā)同類(lèi)產(chǎn)品對Medarex這樣的小型公司來(lái)說(shuō)或許能降低系統性風(fēng)險。

       本庶佑于1999年的文章(3)指出PD-1 敲除后的小鼠會(huì )出現一些自身免疫性疾病癥狀,在有些鼠系里表現為紅斑狼瘡,有些則表現為心肌炎(心肌炎這一副作用日后在接受PD-1抗體治療的病人身上也出現過(guò))。但發(fā)病較晚,沒(méi)有像CTLA-4敲除小鼠出生后一月內很快死亡。證明PD-1/PD-L1通路與體內免疫調節有關(guān)系,但副作用可能較低。

       PD-1/PD-L1通路是一個(gè)負調控因子,當時(shí)多數的免疫療法類(lèi)新藥項目是激活免疫細胞上的靶點(diǎn)蛋白為目的,比如IL-2、CD40抗體、4-1BB抗體等。Medarex的研發(fā)團隊認為,刺激免疫細胞的藥物就像轟油門(mén),臨床開(kāi)發(fā)的風(fēng)險很高:難以控制**。而負調控因子就像踩剎車(chē),這類(lèi)因子往往只存在于已激活的T細胞里,比如正常的T細胞不表達PD-1,**相對較小。這一觀(guān)點(diǎn)在后續的臨床上也得到了驗證:4-1BB抗體和CD40抗體的**都太強,很難控制。

       十多年后回過(guò)頭看,當時(shí)Medarex在這個(gè)項目上承擔了巨大的風(fēng)險:PD-1不是研究的熱點(diǎn),除了本庶佑團隊的成果外沒(méi)有什么文獻和數據提供理論支持。Medarex在立項和開(kāi)發(fā)時(shí)也沒(méi)有得到任何外部人員的協(xié)助和指導,他們立項時(shí)甚至不知道本庶佑已經(jīng)申請了關(guān)于PD-1的專(zhuān)利。Medarex對PD-1的認識也有一定局限性,并沒(méi)有預測到PD-1抗體會(huì )成為新一代廣譜性、革命性的抗癌藥物。這也埋下了日后出售自己的種子。

       除此以外,當時(shí)該項目的研究條件不充分,所有的實(shí)驗材料都要靠Medarex團隊自己解決。王常玉帶領(lǐng)的團隊啟動(dòng)這個(gè)項目時(shí),PD-1,PD-L1, PD-L2這三個(gè)靶點(diǎn)蛋白都要自己動(dòng)手PCR克隆基因并表達蛋白,而無(wú)法外購。當時(shí)很多實(shí)驗條件也不成熟,需要在實(shí)踐中摸索,最先攻克的是PD-L1的基因克隆和蛋白表達,所以在Medarex的內部代號里,PD-L1項目的代號是MDX-1105,反而排在PD-1項目MDX-1106前面,MDX-1107則是PD-L2項目的代號。

       借助Medarex當時(shí)已有的人源化小鼠抗體平臺,Medarex的研究人員用PD-1、PD-L1和PD-L2蛋白注射小鼠,并從小鼠脾 臟里分離到了能生產(chǎn)上述抗體的B細胞,再通過(guò)融合B細胞和骨髓瘤細胞,就得到了能長(cháng)期穩定產(chǎn)生上述抗體的雜交瘤細胞株。這項工作由是雜交瘤組的吳儀和黃海春協(xié)助完成。

       通過(guò)測序知道篩選到的PD-1抗體的可變區后,Medarex團隊設計了新的序列,將PD-1抗體的可變區與IgG4恒定區結合,同時(shí)將IgG4恒定區的228位點(diǎn)絲氨酸替換成脯氨酸,解決了天然IgG4抗體在體內的不穩定性問(wèn)題。這樣就得到了Nivolumab。

       MDX-1106在抗體篩選階段是比較順利的,2001年初立項,同年底就拿到了先導抗體。隨后的臨床前開(kāi)發(fā)工作花費了大量的時(shí)間,比如建立體外活性檢測方法、小鼠動(dòng)物模型及食蟹猴毒理實(shí)驗方法等等。PD-1在當時(shí)仍屬全新領(lǐng)域,基礎科研缺乏積累,團隊必須在一片空白中進(jìn)行開(kāi)拓性的研究,在實(shí)踐中探索全新的實(shí)驗方法。其中主要難點(diǎn)在于找到一個(gè)可靠的魯棒性體外實(shí)驗方法以評估抗體的功能和活性,經(jīng)過(guò)一年多的努力,終于完成了方法的建立。隨后的動(dòng)物模型實(shí)驗也多有波折,當時(shí)主流的小鼠腫瘤模型對PD-1抗體基本沒(méi)有應答,直到2004年底才在MC38腫瘤模型上觀(guān)察到了一定療效。如今全球各地的PD-1/PD-L1抗體開(kāi)發(fā)項目多會(huì )使用MC38腫瘤模型。

       出于公司知識產(chǎn)權等方面的考慮,Medarex在完成Nivolumab的研發(fā)后,只通過(guò)專(zhuān)利的形式對Nivolumab進(jìn)行了保護,未立刻發(fā)表文章。直到2014年Nivolumab上市前夕才發(fā)表文章,詳細介紹了Nivolumab的篩選和鑒定過(guò)程及食蟹猴毒理實(shí)驗數據(8),此文第一作者是王常玉。按照文中提及的團隊分工,王常玉負責這個(gè)項目的概念設計、試驗方法的開(kāi)發(fā)等等工作以及項目的監督,是Nivolumab毫無(wú)爭議的第一發(fā)明人。

       2003年1月,本庶佑和小野制藥的專(zhuān)利(7)公布了,Medarex意識到自己的PD-1抗體可能繞不開(kāi)這個(gè)專(zhuān)利,作為早期研發(fā)型公司也需要合作伙伴分攤高昂的臨床開(kāi)發(fā)費用,雙方于2005年5月13日宣布達成合作協(xié)議(9),新聞稿中明確提到使用小野制藥的PD-1專(zhuān)利和Medarex的抗體開(kāi)發(fā)平臺以共同開(kāi)發(fā)PD-1抗體。根據雙方的協(xié)議,小野制藥獲得了PD-1抗體除北美以外的全球權益,而Medarex保留了PD-1抗體在北美的商業(yè)權益。有理由相信,本庶佑和小野制藥并未重視PD-1單抗的臨床價(jià)值。2011年,收購了Medarex的百時(shí)美施貴寶公司(BMS),沒(méi)花什么代價(jià)就從小野制藥換回了PD-1抗體在歐洲和中國的商業(yè)權益(10)。Nivolumab在中國開(kāi)始銷(xiāo)售的頭兩天的銷(xiāo)售額金額已超過(guò)1.5億元人民幣,這恐怕遠出乎簽署協(xié)議雙方的意料。

       2004年前后,Medarex一方面和小野制藥展開(kāi)談判,一方面也在構建自己的專(zhuān)利保護壁壘,趕在雙方達成協(xié)議前的2005年5月9日,提交了多份和PD-1相關(guān)的專(zhuān)利:Methods for treating cancer using anti-pd-1 antibodies(11)、Human Monoclonal Antibodies To Programmed Death 1(PD-1) And Methods For Treating Cancer Using Anti-PD-1 Antibodies Alone or in Combination with Other Immunotherapeutics(12)、Methods for treating cancer using anti-PD-1 antibodies in combination with anti-CTLA-4 antibodies(13)等等。先前有不少中文報道中認為小野制藥參與了PD-1抗體的開(kāi)發(fā),一個(gè)理由就是上述專(zhuān)利中有小野制藥的名字。事實(shí)上,上述幾份專(zhuān)利的申請機構和發(fā)明人均來(lái)自Medarex,與小野制藥完全無(wú)關(guān)。權利人中包含小野制藥的原因是2014年6月,BMS和小野制藥為了準備起訴默沙東,雙方交叉持有相互授權對方一系列專(zhuān)利,從而在這些專(zhuān)利上添加了小野制藥。如果這些中文報道能看看專(zhuān)利的變遷過(guò)程,可能會(huì )有不同的結論。

       2014年9月4日,在默沙東公司的PD-1單抗Keytruda獲得美國FDA批準的當夜,BMS向默沙東公司提起了訴訟,稱(chēng)默沙東的Keytruda侵犯了BMS/小野制藥關(guān)于PD-1抗體用于治療癌癥的系列專(zhuān)利。

       2017年1月20日,BMS/小野制藥公司宣布和默沙東就PD-1單抗的專(zhuān)利訴訟簽署了一項和解及全球專(zhuān)利許可協(xié)議(14):默沙東要向BMS/小野制藥支付6.25億美元的首付款,以及在2017~2023年間Keytruda銷(xiāo)售額的6.5%,2024~2026年間Keytruda銷(xiāo)售額的2.4%,BMS和小野將按75/25的比例分成。粗略估算默沙東總共將支付超過(guò)60億美元。

 

       第三部分:進(jìn)入臨床

       2006年8月,Medarex的PD-1抗體MDX1106獲得美國FDA批準進(jìn)入臨床I期試驗,首批計劃入組39名癌癥復發(fā)的病人(15)。需要指出的是,Medarex的PD-L1抗體MDX1105也是全球首個(gè)進(jìn)入臨床階段的PD-L1抗體,于2008年8月獲得美國FDA批準進(jìn)入臨床I期,首批計劃入組286名癌癥復發(fā)的病人(16)。MDX1105的臨床試驗結果后來(lái)發(fā)表在新英格蘭雜志上(23),遺憾的是BMS主動(dòng)放棄了MDX1105的后續開(kāi)發(fā)。

       作為一個(gè)全新的腫瘤免疫藥物,MDX1106早期的臨床試驗幾經(jīng)周折,由于對腫瘤免疫藥物的不了解,最初的臨床試驗終點(diǎn)選擇了傳統靶向藥物的臨床試驗終點(diǎn):無(wú)進(jìn)展生存期(PFS)和客觀(guān)應答率(ORR)。腫瘤免疫藥物在這兩點(diǎn)上并不比傳統靶向藥物具有太多的優(yōu)勢。免疫藥物的真正優(yōu)勢:藥效持續時(shí)間長(cháng),應答的癌癥病人存活期長(cháng),且有很大幾率實(shí)現臨床治愈等優(yōu)勢,要到臨床試驗進(jìn)行好幾年以后才能被觀(guān)察到。Medarex管理層也對公司的未來(lái)有了疑慮,2009年,BMS以28億美元收購了Medarex,Medarex最終沒(méi)能獨立運營(yíng)到PD-1藥物大放光彩,成為新一代廣譜性革命性抗癌藥物的那一天,這是讓人扼腕嘆息的。

       上述臨床試驗的結果于2010年第一次公布(17),參與臨床試驗的病人中,一位結直腸癌患者實(shí)現了完全緩解,一位黑色素瘤患者和一位腎癌患者實(shí)現了部分緩解。另有兩位黑色素瘤患者的腫瘤也得到了顯著(zhù)縮小。隨后2012年在新英格蘭雜志上的后續結果更是驚艷:18%的非小細胞肺癌患者、28%的黑色素瘤患者和27%的腎癌患者得到了緩解,起效的病人中有66%的療效持續超過(guò)一年(18)。結合之后Medarex在各種醫學(xué)年會(huì )的報告,這一臨床結果引起了行業(yè)的重視,引來(lái)了同業(yè)的覬覦。

       默沙東公司翻箱倒柜發(fā)現自己也有一個(gè)扔在后院垃圾堆里的PD-1抗體,來(lái)自于2009年5月并入默沙東的先靈葆雅公司。而先靈葆雅則從2007年收購荷蘭 Organon時(shí)獲得(19)。據福布斯日后的采訪(fǎng),Organon的PD-1抗體在2003年才開(kāi)始構思,遠落后于Medarex的MDX1106, 一開(kāi)始的定位也是自身免疫性疾病(如類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節炎)的輔助用藥,而非癌癥用藥。隨著(zhù)兩次收購帶來(lái)的組織結構重組和研發(fā)重心變遷、癌癥免疫藥物的進(jìn)展挫折不斷,Organon的團隊已被告知PD-1抗體的研發(fā)工作應予終止。但是2010年的BMS臨床試驗改變了一切,默沙東公司在意識到PD-1抗體在癌癥治療上的巨大空間后重啟了自己的PD-1抗體項目(代號MK-3475),并于2010年12月獲得批準進(jìn)入臨床試驗。

       BMS后來(lái)宣稱(chēng):為了追趕進(jìn)度,默沙東不惜從BMS的前雇員Stephanie Schulman那里獲得機密信息(20),BMS為此對上述雙方都提起訴訟。在得知BMS不會(huì )在黑色素瘤適應癥上快速推進(jìn)PD-1抗體,以避免和自家已有的CTLA-4抗體Yervoy在黑色素瘤適應癥上的競爭后。默沙東公司采用了一個(gè)激進(jìn)的臨床方案設計:代號Keynote001的臨床I期試驗不斷擴大入組人數,從最初不到10人變成1260人。并用臨床I期試驗的結果在美國申請了上市批準,MK-3475于2014年9月4日獲得批準,反而在黑色素瘤適應癥上進(jìn)度上超過(guò)了BMS,以Keytruda為商品名成為第一個(gè)在美國上市銷(xiāo)售的PD-1抗體。

       而B(niǎo)MS的PD-1抗體Nivolumab,以商品名Opdivo的名字于2014年6月在日本獲得批準用于治療黑色素瘤,成為全球第一個(gè)被批準的PD-1藥物,隨后于2014年12月在美國獲得批準,2015年3月以創(chuàng )紀錄的速度在申報后四天內得到美國FDA批準,用于治療鉑化療后依然進(jìn)展的轉移性鱗狀非小細胞肺癌。

       后記

       從本庶佑1992年發(fā)現PD-1蛋白,到2014年Nivolumab上市,中間經(jīng)歷了22年,即使從2000年明確PD-1/PD-L1的功能算起也經(jīng)歷了14年,藥物研發(fā)的艱巨,可見(jiàn)一斑。毫無(wú)疑問(wèn),PD-1/PD-L1的發(fā)現要歸功用于本庶佑等人,本庶佑很可能會(huì )因此獲得諾貝爾獎,但從Nivolumab的發(fā)現過(guò)程也可看出,作為基礎科學(xué)家,他們對這個(gè)藥物的開(kāi)發(fā)并無(wú)太多貢獻。本庶佑和Freeman等人可能在之后的很多年都一直沒(méi)意識到PD-1/PD-L1對癌癥治療的作用。

       另一個(gè)例子是CTLA-4蛋白,之前一直認為,活化后的T細胞表面高表達CTLA-4蛋白,當抗原遞呈細胞表面的B7家族蛋白(B7-1,B7-2)結合CTLA-4后,就起到抑制T細胞活化的作用。于是人們推測,CTLA-4單抗通過(guò)阻斷CTLA-4與B7家族蛋白結合而負調控對T細胞的抑制。從而發(fā)揮抗腫瘤作用。2018年5月馬里蘭大學(xué)的劉陽(yáng)和鄭盼指出,這個(gè)假說(shuō)可能是錯的(21、22)。在這兩篇文章中,他們指出,CTLA-4抗體是通過(guò)清除腫瘤局部的調節性T細胞,而不是阻斷CTLA-4/B7信號通路來(lái)實(shí)現治療癌癥的療效。這并不影響CTLA-4單抗成為一個(gè)年銷(xiāo)售過(guò)10億美元的重磅炸 彈藥物。有理由揣測,不遠的將來(lái)可能會(huì )有人發(fā)現,PD-1抗體的抗癌療效并不完全是因為阻斷PD-1/PD-L1通路,而是另有門(mén)徑。

       中國的制藥行業(yè)正在試圖轉型進(jìn)軍創(chuàng )新藥開(kāi)發(fā),在為陳列平、王常玉等華人在腫瘤免疫領(lǐng)域做出的成功自豪的同時(shí),這一領(lǐng)域曲折的幾十年里可能也有一些經(jīng)驗和教訓對中國的創(chuàng )新藥行業(yè)有用。創(chuàng )新藥離不開(kāi)基礎科研的積累,創(chuàng )新藥的開(kāi)發(fā)過(guò)程和基礎科研的關(guān)系更像是果樹(shù)與土地的關(guān)系。沒(méi)有深厚的基礎科研的積累,很難產(chǎn)生創(chuàng )新藥。美國至今仍是基礎科研實(shí)力最雄厚的國家,絕大多數的創(chuàng )新藥也誕生在美國,這就好像貧瘠土地上的果樹(shù),難以長(cháng)出豐碩的果實(shí)。但是沒(méi)有果樹(shù)的土地里也沒(méi)法憑空長(cháng)出水果來(lái),最多長(cháng)幾顆山藥蛋。沒(méi)有本庶佑等人發(fā)現PD-1的功能,Opdivo的誕生無(wú)從談起。沒(méi)有Medarex團隊獨具慧眼研發(fā)PD-1抗體用于癌癥治療,本庶佑這一成果是否會(huì )淹沒(méi)在故紙堆里我們今天已不得而知,從Organon自己的PD-1抗體項目來(lái)看,恐怕是兇多吉少。基礎科學(xué)家和新藥開(kāi)發(fā)公司的定位不同,評估新藥的臨床意義和商業(yè)意義,不是基礎科學(xué)家的職責,也不應該去期待基礎科學(xué)家能完成創(chuàng )新藥的研制和開(kāi)發(fā)。Medarex團隊篩選到抗體僅僅用了1年多,但是建立評價(jià)抗體功能的方法體系又花了2年,臨床試驗更是花了8年。默沙東公司在臨床試驗上的大膽設計,讓原本進(jìn)度落后4年的項目能和BMS最后同時(shí)沖線(xiàn)。一個(gè)藥物從實(shí)驗室走向市場(chǎng),后續開(kāi)發(fā)的重要性不比前期篩選低。從Medarex和小野制藥的談判結果不難看出,Medarex一開(kāi)始就意識到PD-1抗體的重要性,和小野制藥的合作手法多少有點(diǎn)合縱連橫的味道,而小野制藥則多少有點(diǎn)被蒙在鼓里。隨著(zhù)國內創(chuàng )新藥的發(fā)展,創(chuàng )新藥公司必然會(huì )開(kāi)展一系列的外部合作,如何開(kāi)展商務(wù)拓展,相信對國內大多數創(chuàng )新藥公司都是一個(gè)挑戰。

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