교신저자:박종성, 501-190, 광주광역시 동구 학 1동 8번지
전남대학교 의과대학 생리학교실
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서
론
아미노글라이코사이드(aminoglycoside)는 그람 음성 간균으로 인한 감염의 치료에 광범위하게 사용되는 항생제이다. 그러나 이 약물을 장기간 복용하면 신독성과 신경-근 연접 차단, 그리고 비가역적인 청력손실 및 전정기능의 손실과 같은 이독성(ototoxic) 부작용을 일으키는 것으로 알려져 있다.1) 내이에서 아미노글라이코사이드 이독성에 가장 영향을 많이 받는 부위는 와우내의 코티기관이며, 이 약물로 인한 내이의 손상은 주로 고음역의 소리를 담당하는 와우의 기저부에서 시작하여 첨단부 쪽으로 진행한다. 이때 제 1 열의 외유모세포가 가장 먼저 영향을 받고, 제 2 열, 제 3 열의 외유모세포, 내유모세포, 그리고 지지세포 순으로 손상이 진행된다. 아미노글라이코사이드에 의하여 청신경섬유, 나선신경섬유, 혈관조의 변성이 일어나기도 하나 이는 아미노글라이코사이드에 의한 직접적인 손상이라기보다는 유모세포의 소실로 인한 이차적인 결과이다.2)
코티기관내의 내유모세포는 외부의 소리자극을 전기적인 신호로 바꾸어 구심성 섬유를 통해 대뇌피질의 청각영역으로 전달하고 있으며, 외유모세포는 내유모세포의 소리전달의 조절자로서 기능하고 있다. 뇌간의 상올리브핵(superior olivary nucleus)에서 기시하여 내측 올리브와우각속(medial olivocochlear bundle)을 통하여 외유모세포로 투사되는 원심성(efferent) 섬유는 아세틸콜린을 신경전달물질로 사용하고 있으며, 이 아세틸콜린이 외유모세포의 기저부에 있는 알파-9 니코틴 수용체에 작용하여 세포 내로 칼슘이온의 유입을 촉진되면 그 결과 세포의 막전압을 변화시켜 외유모세포의 수축성을 조절하는 것으로 알려져 있다.3)4)5)
최근에 Rothlin 등6)은 Xenopus laevis oocyte에 알파-9 니코틴 수용체를 발현시킨 후 이것이 여러 가지 아미노글라이코사이드에 비해 비가역적으로 차단됨을 전기생리학적인 방법으로 연구하여 보고하였다. 그리고 Smith 등,7) da Costa 등8)9)은 청성뇌간반응(auditory brainstem response)을 기록관찰한 실험에서 gentamicin이 와우각 원심성 경로를 신속하고 가역적으로 차단하여 급성 부작용을 일으킨다고 보고한 바 있다. 이와 같이 아미노글라이코사이드의 이독성에 관한 연구는 최근 원심성 섬유인 내측 올리브와우각속의 작용 및 여기에서 유리되는 아세틸콜린의 작용, 알파-9 니코틴 수용체에 대해 많은 연구가 진행되고 있으며, 동물에서 직접 외유모세포를 분리하여 이 세포를 대상으로 각각의 아미노글라이코사이드의 작용기전을 규명하고 각 약물의 효능의 차이를 규명하는 연구도 활발히 진행 중이다.10)
이에 본 연구는 전압고정법하(under voltage clamp mode)의 whole-cell configuration patch clamp 방법을 이용하여 기니픽에서 분리된 외유모세포의 전압의존성 칼륨 전류에 미치는 아세틸콜린의 효과를 관찰하고, neomycin을 포함한 4가지 종류의 아미노글라이코사이드가 이에 미치는 효과를 관찰함으로써 in vivo상에서 같은 농도의 아미노글라이코사이드를 투여시 이독성의 차이를 비교하고자 하였다.
실험재료 및 방법
외유모세포의 분리
백색 기니픽(200~250 g)의 복강에 50 mg/kg의 sodium pentobarbital을 주사하여 마취시킨 후 양측의 측두골을 얻었다. 차가운
Hank's balanced salt solution(HBSS:1.25 mM CaCl2, 5.55 mM glucose, 0.81 mM
MgSO4, 0.44 mM KH2PO4, 136.9 mM NaCl, 0.34 mM
Na2HPO4, 5.4 mM KCl, 5.0 mM HEPES, 300 mOsm, pH 7.4) 내에서 와우골포(bulla)를 제거하고 와우를 노출시킨 후 조심스럽게 골벽(bony cochlear wall)을 제거하였다. 코티기관(organ of Corti)을 꺼내어 collagenase(Sigma Chemical Co. St. Louis, MO, USA)로 10분간 처리한 후 다시 코티기관을 효소가 없는 Hank’s balanced salt solution에 넣고 피펫을 이용하여 부드럽게 분리(trituration)하였다. 물리적인 분리가 끝나면 역상도립현미경(inverted microscope) 위의 용기에 옮기고 세포가 바닥에 가라앉도록 기다렸다. 분리된 세포 중 실린더 모양이고, 핵이 세포의 기저부에 위치하여, 세포의 첨부표면에 유모가 있는 것을 관찰하여 외유모세포임을 확인하였다(Fig. 1).
용액의 조성 및 시약
칼륨 전류(IK)를 기록하기 위한 세포외 용액(단위;mM)은 3 KCl, 140 choline-Cl, 2
CaCl2, 10 HEPES(N-[2-hydroxyethyl]piperazine-N'-[2-ethanesulfonic acid], 30 glucose, pH 7.4로 하였고, 세포내 용액(단위;mM)은 140 KCl, 2
MgCl2, 0.1 CaCl2, 10 HEPES, 0.5 EGTA(ethylene glycol-bis(β-aminoethylether)-N, N,
N', N'-tetraacetic acid), 2 Mg-ATP이며 pH는 7.3으로 하였다.
세포에 대한 약물 투여는 중력을 이용한 관류장치를 이용하여 용기내 용액을 순환시켰다. 실험 순서로는 세포외액내의 외유모세포에서 칼륨전류를 세차례 기록한 후에 중력을 이용한 관류장치를 이용하여 아세틸콜린 100 μM을 관류시키면서 칼륨전류를 세차례 기록하였으며, 이후에 세포외액으로 관류를 시킨 후에 아미노글라이코사이드 항생제 200 μM과 아세틸콜린 100 μM을 혼합한 용액을 관류시키면서 칼륨전류를 세차례 기록하였다. 본 실험에서 사용한 아세틸콜린, 아미노글라이코사이드 항생제, EGTA, HEPES 등은 미국 Sigma사 제품을 사용하였다.
이온 전류의 기록
분리된 외유모세포에서 Hamill 등11)의 whole-cell patch clamp 방법을 이용하여 칼륨 전류를 기록하였다. 기록용 전극은 미세 유리 전극 제조기(Narishige, 일본)와 microforge (Narishige, 일본)를 이용하여 저항이
3~5 MΩ이 되도록 제작하였다. 막전압 고정과 전류의 측정은 Axopatch 200B patch clamp amplifier(Axon, 미국)를 이용하여 Digidata 1200B(Axon, 미국) interface를 통하여 컴퓨터와 연결하였다. 막전압 조절과 실험결과 얻어진 칼륨 전류의 기록 및 자료 분석은 pClamp 7.0 software(Axon, 미국)를 사용하였으며, oscilloscope를 사용하여 전류의 변화를 동시에 관찰하였다. 전류는 10 KHz로 여과하며, series resistance는 Axopatch 2200B patch clamp amplifier의 series resistance compensation circuit를 이용하여 보상하였으며 누출전류(leak current) 감산은 시행하지 않고 pClamp 7.0 software를 이용하여 교정하였다.
실험결과 분석
기록된 자료는 pClamp 7.0 및 Microcal Origin 4.1(Microcal software Inc. 미국) 프로그램으로 분석하였다. 실험측정치는 paired t-test와 Wilcoxon signed rank test로 통계학적 분석을 시행하고 p<0.05를 유의성의 기준으로 삼았으며 평균±표준오차(standard error)로 표시하였다.
결 과
외유모세포의 전압의존성 칼륨 전류 및 아세틸콜린의 영향
기니픽 내이에서 분리된 외유모세포 중에서 세포막이 매끄러우며 미세전극(microelectrode)으로 접근하여 기록하기가 용이한 세포들을 대상으로 실험을 시행하였다.
외유모세포의 membrane capacitance는 평균 -60.7±1.9 pF 정도로 비교적 큰 편이었다. 외유모세포에서 유지전압(holding potential)을 -70 mV로 하고 10 mV 간격으로 -90 mV에서 +50 mV까지 단계적으로 전압 고정 자극을 매 10초마다 400 msec 동안 가하였을 때, 전압의존성 전류가 관찰되었으며 +50 mV의 탈분극 전압에 대하여 2601±180 pA의 전류를 나타내었다. 전압-전류 곡선으로 그려보면 평형전압이 -79.1 mV에서 그려지는 전형적인 칼륨 전류임을 알 수 있었다(n=50)(Fig. 2).
외유모세포의 전압의존성 칼륨 전류에 미치는 아세틸콜린의 영향을 관찰하기 위하여 유지전압을 -70 mV로 하고 20 mV 간격으로 -90 mV에서 +50 mV까지 전압 고정 자극을 주면서 칼륨 전류를 기록하고, 100 μM 아세틸콜린을 투여 후 다시 자극하였을 때, +50 mV의 탈분극 전압에 대하여 전류는 4084±196 pA에서 4807±150 pA로 증가하였다(p<0.05, n=20)(Fig. 3).
아세틸콜린에 의하여 영향을 받은 칼륨 전류에 미치는 아미노글라이코사이드 항생제의 효과
Neomycin(NM)(n=6)
+50 mV의 탈분극 전압에 대하여 2413±91 pA의 평균전류가 아세틸콜린 100 μM 투여 후에는 2719±197 pA의 평균전류로 증가하였고(p<0.05) 아세틸콜린 100 μM와 neomycin 200 μM를 함께 투여한 후에는 2357±170 pA로 감소하였다(p<0.05)(Fig. 4).
Streptomycin(SM)(n=6)
+50 mV의 탈분극 전압에 대하여 2297±91 pA의 평균전류가 아세틸콜린 100 μM 투여 후에는 2544±34 pA의 평균전류로 증가하였고(p<0.05) 아세틸콜린 100 μM와 streptomycin 200 μM를 함께 투여한 후에는 2250±65 pA로 감소하였다(p<0.05)(Fig. 5).
Gentamicin(GM)(n=6)
+50 mV의 탈분극 전압에 대하여 2083±31 pA의 평균전류가 아세틸콜린 100 μM 투여 후에는 2678±95 pA의 평균전류로 증가하였고(p<0.05) 아세틸콜린 100 μM와 gentamicin 200 μM를 함께 투여한 후에는 2020±20 pA로 감소하였다(p<0.05)(Fig. 6).
Amikacin(AM)(n=4)
+50 mV의 탈분극 전압에 대하여 2275±52 pA의 평균전류가 아세틸콜린 100 μM 투여 후에는 2530±49 pA의 평균전류로 증가하였고(p<0.05) 아세틸콜린 100 μM와 amikacin 200 μM를 함께 투여한 후에는 2220±122 pA로 감소하였다(p<0.05)(Fig. 7).
각 아미노글라이코사이드 항생제의 효능 비교
각각의 아미노글라이코사이드 항생제가 아세틸콜린에 영향을 받은 포타슘 전류를 감소시킨 효능의 정도를 비교하였다. 그 결과 gentamicin이 가장 컸으며, amikacin, streptomycin, neomycin이 비슷하였다(Fig. 8).
고 찰
아미노글라이코사이드계 항생제는 이독성 약물 중에서 가장 많이 알려진 약물이다. 1940년대에 결핵치료제로 streptomycin이 발견된 이후에 kanamycin, gentamicin, neomycin, amikacin, tobramycin, netilmicin, dibekacin, sisomycin 등 여러 종류의 약제가 개발되어 현재까지도 임상에 자주 사용되고 있다. 그람음성 호기성(aerophilic) 세균 감염에 효과가 있으며, 경구투여보다는 근육주사, 정맥주사로서 많이 사용되고 있다.12)
아미노글라이코사이드계 항생제로 인한 이독성의 작용기전에 관하여는 여러 가지 학설이 보고되고 있다.10)13)14)15)16)17)18)19) Dolev 등13)은 아미노글라이코사이드가 세포와 미토콘드리아 막의 phosphatidylinositol과 결합하여 막 투과성을 증대시킨 후에 마그네슘 이온(Mg2+)의 손실을 야기하여 세포사(cell death)를 초래한다고 하였으며, Schacht 등14)은 아미노글라이코사이드 분자가 투과성이 증대된 막을 통하여 세포 안으로 들어가서 독성을 야기한다고 보고한 바 있으며, 그 후 아미노글라이코사이드 항생제와 철이 복합체를 이루어 유리 라디칼(free radical)을 형성하여 이독성을 야기한다고 보고하였다.16)
그리고 Hutchin 등15)은 아미노글라이코사이드 이독성에 예민한 가계에 대한 유전학적인 검사 결과를 보고한 바 있다. 그에 따르면 아미노글리코사이드 이독성 환자들의 미토콘드리아 rRNA의 일부분에서 돌연변이가 발견되었으며, 이 부분은 아미노글라이코사이드 항생제가 결합하는 세균의 rRNA와 구조적으로 유사하여 돌연변이 세포의 미토콘드리아에 영향을 미쳐 ATP 생산이 억제되고, 그 결과 이온펌프에 장애가 생겨 세포내 칼슘이 증가하여 결과적으로 세포사에 이르게 된다고 하였다. 그리고 이러한 미토콘드리아의 돌연변이에 의한 청력소실의 기전은 노인성 난청과 연관된 이독성 작용기전에도 연관이 있다고 하였다.
근래에 아미노글라이코사이드의 이독성을 규명한 연구는 전기생리학적 기법을 이용하여 내이에서 분리한 유모세포의 이온통로나 수용체를 대상으로 전류변화를 관찰하거나 전압변화를 관찰하는 연구가 주류를 이루고 있다. 이 결과 Ohmori17)와 Kroese 등18)은 유모세포의 mechanosensitive 이온 채널에, Lin 등19)은 purinergic ionotrophic 채널에, Masuko 등10)은 N-methyl-D-aspartate 수용체에 작용하여 이독성이 유발된다고 하였다. 최근, Blanchet 등20)은 막전압고정법을 이용한 실험을 통하여 gentamicin이 기니픽 외유모세포의 콜린성 수용체(cholinergic receptor)에서 칼슘 이온 유입(influx)을 방해함으로써 아세틸콜린에 의해 유발된 칼륨 전류를 차단한다고 보고하였으며, 높은 농도의 칼슘 이온을 투여했을 때 gentamicin의 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류 차단을 저해하였다고 보고한 바 있다. 이는 아세틸콜린이 작용하는 칼륨 채널이 세포내 칼슘이 일정 농도로 유지될 때 활성화 되는 칼슘의존성 칼륨 채널임을 확인한 것이다. 본 실험도 이에 기초를 두고 4종류의 아미노글라이코사이드를 아세틸콜린과 함께 투여하여 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류 차단효과를 관찰하였는데, 각각의 효능을 비교하기 위하여 Masuko 등10)이 사용한 농도인 200 μM을 사용하였다.
외유모세포는 소리 전달과정에서 수축과 이완함으로써 세포의 길이가 변하고 이를 통하여 와우의 미세역학(micromechanics)을 조정하는 것으로 알려져 있다.3)4) 이 외유모세포의 세포막 흥분성에 가장 크게 영향을 미치는 것이 뇌간(brain stem)의 상올리브핵(superior olivary nucleus)에서 기시하여 내측 올리브와우각속을 통하여 외유모세포와 연결된 원심성 경로(efferent pathway)이다. 원심성 섬유에서 유리된 아세틸콜린은 외유모세포의 기저부에 있는 알파-9 니코틴 수용체에 작용하여 칼슘이온의 유입을 촉진한다. 그 결과 칼슘의존성 칼륨 채널이 열리고 세포는 과분극(hyperpolarization)된다.
본 연구에서는 막전압고정법(whole cell patch clamp)을 이용하여 기니픽 외유모세포에서 칼륨 전류를 기록하고 이 칼륨 전류에 대한 아세틸콜린의 영향이 각 아미노글라이코사이드에 따라 어떻게 변하는가를 비교 관찰하였다. 본 연구에서는 기니픽 와우(cochlea)의 기저회전부(basal turn)에서의 외유모세포 분리가 어려워 첨단부(apical turn)의 외유모세포만을 대상으로 실험하였다. 기저 회전부분에서의 외유모세포의 분리가 힘든것은 본 실험에서 유모세포를 분리하는 방식인 collagenase의 사용과 기계적 분리 방법에 기저 회전부분의 외유모세포가 첨단부 보다 더 쉽게 손상을 받았을 것으로 사료된다. 따라서 아미노글라이코사이드의 각 회전(turn)간의 이독성 차이를 비교해 보지는 못했으나 이는 추후 해결되어야 할 과제라 사료된다.
본 연구의 결과를 종합하여 보면 분리된 외유모세포에 아세틸콜린을 관류시키면 전압의존성 칼륨 전류가 증가함을 볼 수가 있고, 이후 아세틸콜린과 아미노글라이코사이드 항생제를 병합투여하였을때 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류가 감소함을 확인할 수 있어서, 아미노글라이코사이드 항생제가 아세틸콜린 유발성 칼륨채널에 영향을 주고 있음을 시사한다 하겠다.
실험결과 아세틸콜린 유발성 칼륨채널에 영향을 주는 아미노글라이코사이드 항생제의 효능은 gentamicin이 가장 컸으며 amikacin, streptomycin, neomycin이 비슷하게 나왔다. 이는 최근 Rothlin 등6)이 Xenopus laevis oocyte에 알파-9 니코틴 수용체를 발현시킨 후 관찰한 실험결과(neomycin, gentamicin, streptomycin, amikacin, kanamycin 순)와 약간의 차이를 보이고 있다. 이는 Rothlin 등6)은 Xenopus laevis oocyte에 알파-9 니코틴 수용체를 발현시킨 후 아미노글라이코사이드 항생제의 효능을 비교하였기 때문에 직접 기니픽의 외유모세포를 분리하여 이를 대상으로 한 본 실험과 차이를 보이는 이유라 해석된다.
향후 연구과제로는 각각의 아미노글라이코사이드 항생제 단독 투여가 외유모세포의 칼륨전류에 미치는 영향을 규명하고, 또한 세포내 칼슘을 제거한 후에 아세틸콜린과 아미노글라이코사이드 항생제를 병합투여하여 외유모세포의 칼륨전류의 변화 유무를 확인하여 아미노글라이코사이드 항생제가 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류만을 특이적으로 차단하는지 또는 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류외에 다른 칼륨 채널을 아미노글라이코사이드가 특이적으로 차단하는지를 확인하는 것이 필요하리라 사료된다.
본 연구는 아미노글라이코사이드가 보이는 이독성 기전 중 하나로서, 외유모세포에서 원심성 섬유인 내측 올리브와우각속에 의한 아세틸콜린 유발성 칼륨 전류의 차단으로 인하여 이독성이 초래될 수 있다는 증거를 보인 것으로 사료된다.
결 론
아미노글라이코사이드 항생제가 기니픽 외유모세포에서 내측 올리브와우각속에서 유리되는 아세틸콜린의 작용에 미치는 영향을 알아보기 위하여 전압고정법하의 whole-cell configuration patch clamp 방법을 이용하여 다음의 결과를 얻었다.
1) 아세틸콜린은 외유모세포의 전압의존성 칼륨전류를 증가시켰다.
2) 아미노글라이코사이드 항생제는 아세틸콜린과 병합 투여시, 아세틸콜린 단독 투여에 의해 증가되는 칼륨 전류를 감소시켰으며, 그 효능은 gentamicin이 가장 컸다.
이상의 실험 결과 외유모세포의 운동성을 조절하는 원심성 섬유인 내측 올리브와우각에서 유리된 아세틸콜린은 외유모세포의 전압의존성 칼륨 전류를 증가시키며, 아미노글라이코사이드 항생제는 아세틸콜린에 의하여 증가되는 외유모세포의 막전압에 영향을 주었고, 이것은 아미노글라이코사이드에 의한 이독성의 기전중 하나로 생각된다.
REFERENCES
-
Chambers HF, Sande MA. Antimicrobial agents: The aminoglycosides. In: Hardman JG, Limbird LE, editors. Goodman & Gilman's the pharmacological basis of therapeutics. New York: McGraw-Hill Co;1996. p.1103-21.
-
Huizing EH, de Groot JC. Human cochlear pathology in aminoglycoside ototoxicity: A review. Acta Otolaryngol Suppl 1987;436:117-25.
-
Brownell WE, Bader CR, Bertrand D, de Ribaupierre Y. Evoked mechanical responses of isolated cochlear outer hair cells. Science 1985;227:194-6.
-
Dallos P, He DZ, Lin X, Sziklai I, Mehta S, Evans BN. Acetylcholine, outer hair cell electromotility, and the cochlear amplifier. J Neurosci 1997;17:2212-26.
-
Sziklai I, Dallos P. Acetylcholine controls the gain of the voltage-to-movement converter in isolated outer hair cells. Acta Otolaryngol 1993;113:326-9.
-
Rothlin CV, Katz E, Verbitsky M, Vetter DE, Heinemann SF, Elgoyhen AB. Block of the alpha 9 nicotinic receptor by ototoxic aminoglycosides. Neuropharmacology 2000;39:2525-32.
-
Smith DW, Erre JP, Aran JM. Rapid, reversible elimination of medial olivocochlear efferent function following single injection of gentamicin in the guinea pig. Brain Res 1994;652:243-8.
-
da Costa DL, Chibois A, Erre JP, Blanchet C, de Sauvage RC, Aran JM. Fast, slow, and steady-state effects of contralateral acoustic activation of the medial olivococlear efferent system in awake guinea pigs: Action of gentamicin. J Neurophysiol 1997;78:1826-36.
-
Lima da Costa D, Erre JP, Pehourq F, Aran JM. Aminoglycoside ototoxicity and the medial efferent system: II. Comparison of acute effects of different antibiotics. Audiology 1998;37:162-73.
-
Masuko T, Kuno T, Kashiwagi K, Kusama T, Williams K, Igarashi K. Stimulatory and inhibitory properties of aminoglycoside antibiotics at N-methyl-D-aspartate receptors. J Pharmacol Exp Ther 1999;290:1026-33.
-
Hamill OP, Marty A, Neher E, Sakmann B, Sigworth FJ. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches. Pflugers Arch 1981;391:85-100.
-
Brockenbrough JM, Rybak LP, Matz GJ. Ototoxicity. In: Bailey BJ, Calhoun KH, Healy GB, Pillsbury HC III, Johnson JT, Tardy ME Jr, Jackler RK, editors. Head and Neck Surgery-Otolaryngology. 3rd ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins Co;2001. p.1893-8.
-
Dolev E, Tamir A, Leventon G. Is magnesium depletion the reason for ototoxicity caused by aminoglycosides? Med Hypotheses 1983;10:353-8.
-
Schacht J, Weiner N. Aminoglycoside induced hearing loss: A molecular hypothesis. ORL J Otolaryngol Relat Spec 1986;48:116-23.
-
Hutchin T, Cortopassi G. Proposed molecular and cellular mechanism for aminoglycoside ototoxicity. Antimicrob Agents Chemother 1994;38:2517-20.
-
Schacht J. Aminoglycoside ototoxicity: Prevention in sight? Otolaryngol Head Neck Surg 1998;118:674-7.
-
Ohmori H. Mechano-electrical transduction currents in isolated vestibular hair cells of the chick. J Physiol 1985;359:189-217.
-
Kroese AB, Das A, Hudspeth AJ. Blockage of the transduction channels of hair cells in the bullfrog's sacculus by aminoglycoside antibiotics. Hear Res 1989;37:203-17.
-
Lin X, Hume RI, Nuttall AL. Voltage-dependent block by neomycin of the ATP-induced whole cell current of guinea-pig outer hair cells. J Neurophysiol 1993;70:1593-605.
-
Blanchet C, Erostegui C, Sugasawa M, Dulon D. Gentamicin blocks ACh-evoked K+ current in guinea-pig outer hair cells by impairing Ca2+ entry at the cholinergic receptor. J Physiol 2000;525:641-54.
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