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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 45(7); 2002 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 2002;45(7): 633-640.
Current Status of Immunotherapy in Head and Neck Cancer.
Young Ik Son
Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Sungkyunkwan University School of Medicine, Seoul, Korea.
두경부암의 면역치료 현황
손영익
성균관대학교 의과대학 이비인후과학교실

서     론


   두경부암은 수술과 방사선요법이 그 치료의 근간을 이루며 항암화학요법이 보조적으로 사용된다. 두경부암의 근치를 위한 노력으로 재건술을 포함한 많은 수술 술기의 발전, 신개념의 방사선치료 기법의 개발 및 새로운 항암 치료약물의 꾸준한 개발이 이어지고 있다. 하지만 지난 30년간 두경부암 환자의 생존률은 의미있는 향상을 보이지 못하고 있는 실정이다.1) 치료의 실패는 일차치료 이후의 국소재발이나 전신전이 또는 2차 중복암에 기인하는 경우가 대부분이며, 대부분의 국소재발이나 전신전이는 일차치료나 검사시에 발견하기 어려운 미세잔존암(minimal residual disease) 때문이다. 증세의 늦은 발현으로 두경부암 환자의 대부분은 stage III-IV의 진행된 병기에 의료기관을 찾게 되며, 이 경우 일차치료 후 국소재발은 50~60%, 전신전이는 25% 정도까지 보고되고 있다.2) 국소재발은 수술이 어려운 경우가 많아 대부분 방사선을 재투여하는 방법을 사용하지만 정상조직의 괴사라는 심각한 후유증 때문에 재투여할 수 있는 방사선량의 한계가 있어 재발한 암을 완치하기에는 불충분한 경우가 많고, 전신전이의 경우 항암화학요법에 의존하고 있으나 근치 목적보다는 palliation의 개념으로 이용되고 있다. 재발암의 경우 약 35% 환자에서 어느 정도의 치료반응을 보이지만 6~9개월 이상의 생존기간을 기대할 수 있는 경우는 드문 현실이다.3)
   과거 반세기에 걸친 면역학, 분자생물학 및 종양학의 발전은 분자 또는 유전자 수준에서 cancer immunobiology의 많은 이해를 가능하게 하였으며, 이는 고식적인 치료법의 한계를 극복할 수 있는 새로운 치료법 개발을 가능하게 할 것으로 기대되고 있다. 실제로 악성흑색종, 전립선암, 신장암 등의 말기 암환자에서도 고무적인 면역치료의 결과가 보고되고 있으며, 앞으로 더욱 많은 임상연구가 전세계적으로 진행될 추세에 있다.4)5) 두경부 편평상피암의 경우 아직은 면역치료와 관련된 연구가 부족한 실정이지만, 두경부암 환자에서 면역기능이 저하되어 있으며 면역기능의 저하는 환자의 예후와 밀접한 관계가 있으나, 다양한 생물학적 접근을 통하여 저하된 두경부암 환자의 면역기능을 자극할 수 있고 항진된 면역기능을 통하여 항암효과를 거둘 수 있음 또한 꾸준히 보고되고 있어 면역치료법이 두경부암 환자의 새로운 치료법으로서 그 기대를 모으고 있다.

면역감시기능(Immune Surveillance Mechanism)과 종양발생

   정상세포가 암세포로 변하면 종양세포의 세포막 표면에 정상세포에는 없었던 물질이(종양특이항원, tumor specific antigens) 출현하며, 이는 이물로서 인식되어 체액성 및 세포성 면역반응이 활성화되어 암세포의 증식억제 및 파괴가 일어나고 생체로부터 암세포가 제거되게 된다. 하지만 어떤 원인들에 의해 면역기능의 저하나 부전이 발생하는 경우 종양화를 저지할 수 없어 임상적인 암으로 진행하게 된다.6)
   종양성립에 있어서 면역반응의 중요성을 시사하는 임상적인 증거로서는 (1) 전신전이나 국소적으로 진행된 병기의 암이 저절로 소멸되는 경우가 있으며 (2) 면역억제 치료를 받거나 면역기능이 저하된 환자에서 암발생의 확률이 높고 (3) 면역자극을 통하여 항암효과를 유도할 수 있으며 (4) 종양내부로 면역세포들의 침윤이 관찰되고 (5) 면역기능의 정도와 암의 진행정도 또는 예후와 상관관계가 높다는 점 등을 들 수 있다.7) 두경부암의 경우 Levine 등8)은 불완전하게 절제되었된 후두암 환자에서 수술 후 12년 뒤 부검한 결과 암세포를 더 이상 관찰할 수 없었던 경우를 보고한 바 있으며, Bradford 등9)은 신장이식 후 면역억제 요법을 시행받은 3명의 환자에서 두경부 편평상피암이 발생하였음을 보고하였다.
   면역반응은 체액성 및 세포성으로 대별하거나, 선천성(innate) 및 후천성(adaptive) 면역으로 구분하여 생각할 수 있다. 생체 내 정상적으로 존재하는 면역 감시기구 중 B 림프구로부터 생산되는 항체는 보체(complement pathway) 존재 하에 종양세포를 직접 파괴시키거나, 종양세포에 결합하여 대식세포(macrophage)의 탐식기능을 항진시킬 수 있고 또한 항체 매개성 세포독성(antibody-dependent cellular cytotoxicity, ADCC) 등의 기전을 통하여 항암 면역기능을 나타낼 수 있으나 두경부 편평상피암을 비롯한 고형암의 경우 체액성 면역의 역할은 상대적으로 그 중요성이 떨어지는 것으로 이해되고 있다. 종양세포를 인지하고 소멸시키는 면역감시기능은 주로 T 세포나 자연살해세포(natural killer cell, NK cell) 등 세포성 면역반응이 주요 역할을 담당하게 된다.
  
종양에는 많은 종양특이항원들이 존재하고 있지만, 세포성 면역기능의 활성화를 위하여는 우선 종양항원이 수지상세포(dendritic cells, DC)를 비롯한 항원제공세포에 의해 적절한 크기의 peptide 형태로 가공되어야 한다. 이후 항원제공세포의 제 1 형 주조직적합체(MHC class I)에 결합되어 세포표면에 제시되면, 비로서 항원에 특이적으로 감작(priming)된 CD8 T 세포의 T 세포 수용체(TCR)가 결합되어 세포독성 T 세포로서 활성화가 시작된다. 이 과정에서 항원제공세포의 B7.1 또는 B7.2 등의 보조자극물질(costimulatory molecule)과 이에 상응하는 CD8 T세포의 물질(CD28) 사이에 추가적인 결합이 있어야만 비로서 종양세포를 용해할 수 있는 세포독성 T 림프구(cytotoxic T lymphocytes, CTL)의 본 기능을 발휘할 수 있게 된다. 한편 MHC class II 분자에 결합된 peptide를 인식하여 활성화된 CD4 T 세포는 B 세포의 증식과 분화는 물론 대식세포와 CTL 등 세포성 면역반응의 활성을 유도할 수 있다. CD4 T 세포는 분비할 수 있는 cytokine의 종류에 따라, 세포성 면역반응을 유도하는 Th1 세포와 체액성 면역반응을 유도하는 Th2 세포로 나눌 수 있다. 종양세포의 소멸에 필요한 이와 같은 CTL 및 Th1 세포의 활성화 과정은 항원제공세포의 선행된 역할이 매우 중요하며 수지상세포는 가장 강력한 기능을 갖는 전문적인 항원제공세포의 하나이다. NK 세포는 종양항원의 사전 감작이 없어도 종양세포를 파괴할 수 있는 innate immunity의 대표적인 effector 세포이다(Fig. 1).

두경부암 환자의 면역기능 저하

   두경부 편평상피암 환자는 전신적인 또는 국소적인 면역기능이 저하되어 있으며,10)11) 암의 진행과 면역기능의 저하는 직접적인 상관관계가 있음이 밝혀져 있다.12) 이는 두경부 편평상피암의 대부분이 고령에서 발생하며, 음주나 흡연과 관계가 깊어 진행된 병기의 편평상피암 환자에서 관찰되는 면역기능의 저하는 기타 암의 경우보다도 암의 진행 및 예후와 더욱 밀접한 관계가 있다고 사료된다.
   또한 수술 시에 증가되는 prostaglandin과 histamine은 일시적이지만 면역억제의 효과가 있으며, 방사선치료 이후 발생되는 림프구의 감소는 지속적인 세포성 면역저하를 가중시킨다. 부종의 감소를 목적으로 사용하는 corticosteroid 역시 면역반응 억제를 초래하며, 항암약물치료는 약물 자체가 항염증 효과가 있거나 치료 후 흔히 수반되는 영양결핍 등의 이차적인 기전으로 추가적인 면역기능 감소에 이르게 한다.13) 
   변형된 암세포가 면역감시기능에서 벗어나 종양을 형성할 수 있는 기전을 요약하면 (1) 종양특이항원이 없거나 T 세포의 자극을 유도하기에는 그 항원성이 부족한 경우 (2) 항원처리과정의 결손, 처리된 항원의 MHC 분자로의 이동 또는 항원과 MHC 복합체 형성에 장애가 있는 경우 (3) cytokine의 분비나 조력물질간의 반응이 부적절한 경우 (4) 종양에서 TGF-beta, IL-10 등 면역억제 물질이 생산되는 경우 (5) T 세포 수용체의 구조 또는 기능 결손으로 인한 T 세포 활성화 장애 등을 들 수 있다(Table 1).14)
   특히 세포성 면역기능의 결손이나 감소 등이 현저한데, 두경부 편평상피암 환자에서 NK 세포의 기능이 저하되어 있거나,15)16) TCR의 zeta chain의 결손,17) 림파구에서의 IL-12, IFN-gamma, TNF-alpha 등의 생성이 감소되며,18) 환자의 혈청으로 처리하였을 때 말초혈액 림프구의 lymphokine-activated killer(LAK) activity가 감소되는19)20) 등의 보고는 이를 뒷받침하는 연구 결과라 사료된다. 종양세포에서 분비되는 acute-phase protein, TGF-beta, IL-10, GM-CSF 등은 면역세포의 기능을 저하시켜 종양세포가 면역감시기능을 피하는 기전 중 하나로 설명되고 있다.21) 항원제공세포 중 가장 전문적인 기능을 갖는 세포로 알려진 DC의 항원처리 및 항원제시기능이 저하되며,22) 이는 두경부암에서 흔히 증가되어 발현되는 vascular endothelial growth factor(VEGF)와 무관하지 않음이 보고되기도 하였다.23)24) 한편 종양 내부나 주변으로 DC의 침윤이 많을 수록 환자의 생존율이 높거나 전신전이가 적은 등 DC와 두경부암의 예후와는 중요한 상관관계가 있음이 여러 문헌을 통하여 알려져 있다.25)

두경부암 환자에서의 면역치료

비특이적인 면역자극제의 사용
  
비특이적인 물질을 이용, 전신적인 면역체계의 자극을 유도하면 이차적으로 항암면역반응도 항진되리라는 기대 하에 1970년대 초 결핵백신(BCG)을 암환자에게 투여하는 시도가 진행되었다. 두경부 편평상피암 환자에서 BCG와 항결핵제제인 isoniazid를 병합 투여한 결과 항암제제인 methotrexate에 대한 반응을 높일 수 있었거나,26) 항암제제 단독사용에 비하여 환자의 생존기간이 의미있게 증가되었다는27) 보고가 있는 반면, 재발되어 수술이 불가능하였던 두경부암에서 항암화학요법에 보조적으로 사용하거나 수술, 방사선치료에 보조적으로 BCG를 사용한 randomized trial에서는 의미있는 효과가 없는 등28)29)의 상충된 결과가 보고되기도 하였다.
  
항기생충약제 imidazole계열의 levamizole의 사용으로 두경부암의 재발율이 낮아졌다는30) 보고가 있었지만, 반면 두경부암의 일차치료 이후 사용한 levamizole의 추가적인 효과는 없었다고31) 보고되기도 하였다.
   OK-432(picibanil)은 penicillin G로 처리한 group A Streptococcus pyogenes Su strain을 가열 후 동결건조시킨 분말로서 NK 세포 및 대식세포의 세포독성과 T세포의 기능항진을 자극한다.32) 재발했거나 전신전이된 두경부암에서 국소주하하여 종양크기의 감소되는 등 항암효과가 있음이33) 일본을 중심으로 보고되고 있어서 추후 연구가 주목된다.
   반면 암환자에서 증가되어 면역저하를 유도하는 혈청 내 여러 물질을 plasmapheresis를 통하여 제거하거나,34) indomethacin 등의 사용으로 prostaglandin을 비롯한 면역억제 작용을 일으키는 물질의 생성을 억제하려는 노력이 두경부암 환자에서 시도된 바 있다.35)36)

Cytokine immunotherapy
   기존의 종양 면역치료의 시도로는 cytokine을 이용한 치료가 가장 많이 이루어졌으며, IL-2의 경우 최근까지도 활발하게 임상적용이 시도되고 있다. 저농도의 IL-2는 T 세포의 증식 및 활성화를 유도할 수 있고 고농도의 IL-2의 사용은 LAK세포 및 NK 세포의 활성과 증식을 유도할 수 있다. 하지만 IL-2의 전신적 사용은 vascular leak syndrome을 초래하여 저혈압 및 조직손상을 일으키는 등의 심각한 합병증을 일으킬 수 있어 주의를 요한다. IL-2는 renal cell carcinoma의 치료제로 미국 FDA의 공인을 받았을 뿐 아니라 악성흑색종, 전립선암 환자에서 뛰어나 효과가 보고되고 있으나 vascular leak syndrome에 의한 전신독성으로 지속적인 투여나 일반화 또는 상용화하기에는 아직 곤란한 실정이다.37)
   미국 Pittsburgh 대학팀은 일차치료 후 재발하여 수술이 불가능하였던 36예의 두경부 편평상피암 주위에 재조합 IL-2를 국소적으로 주사한 결과 면역세포의 침윤이 증가하고 항암과 관련된 면역기능이 항진됨을 보고하여, 두경부암 환자에서 IL-2의 국소적 투여를 이용한 면역치료의 가능성을 제시하였다.38) Cortesina 등39)40)은 20명의 재발된 두경부 편평상피암 환자에게 국소적으로 IL-2를 투여하여 6명에서 일시적인 완전 또는 부분 관해를 관찰할 수 있었으나 결국 암이 재발되었고, 또 다른 phase II 임상시험 결과 의미있는 임상적 효과는 없었다고 보고하였다. Cisplatin, 5-fluorouracil 등 항암화학약물과 IL-2를 병합 투여하는 등 면역화학 병합치료가 시도되었으나 역시 통계적으로 유의한 효과 를 관찰할 수 없었다(Table 2).41) 
  
IL-2 이외에도 재조합 IFN-alpha또는 IFN-gamma의 전신투여로 완전관해가 이루어진 임상시험 결과들이 두경부암 환자에서 보고되었고,42)43) natural cytokine mixture를 이용하여 좋은 결과가 관찰되기도 하였다.44) IL-12는 항원제공세포에서 분비되며 Th1 계열의 면역반응을 자극하는 대표적인 cytokine으로서 국소 또는 전신 투여할 경우 항암효과를 기대할 수 있다.45) 국내에서도 말기암 환자를 대상으로 섬유아세포에 IL-12 유전자를 이입한 뒤 환자에게 재투여한 phase I 임상시험이 진행되어 IL-12 이용의 가능성이 확인된 바 있다.46)

Cellular adoptive immunotherapy
  
IL-2의 발견으로 실험실 내에서 T 세포 및 NK 세포의 증식과 활성화가 가능하게 되어 이후 이들 세포의 주입을 이용한 면역치료(adoptive cellular immunotherapy)에 급속한 발전이 가능하게 되었다.47)48) 미국 국립암연구소의 Rosenberg 등은 혈액 내 림프구를 분리하여 재조합 IL-2의 존재하에 수일간 배양할 경우, IL-2에 의하여 활성화된 림프구는 NK 세포가 파괴시키지 못하는 다양한 종류의 암세포를 살해할 수 있음을 관찰하고 이를 림포카인 활성 살해세포(lymphokine-activated killer cell) 또는 약칭하여 LAK 세포라고 명명하였다.49) 이후 여러 연구자들의 조사에 의하여 LAK 세포는 새로운 세포군이라기 보다는 여러 종류의 세포 집합체임이 알려졌고, 그 중 항암효과를 일으키는 주된 세포는 활성화된 자연살해세포(activated-NK cell)와 활성화된 non-MHC-restriced cytotoxic T lymphocyte임이 밝혀졌다.50) 이후 Saraceno 등51)은 환자 자신의 LAK 세포를 분리하고 실험실에서 증식시킨 후 IL-2와 함께 20 cm가 넘는 크기의 두경부 편평상피암에 국소적으로 투여한 phase I 임상시험에서 종양의 크기가 의미있게 감소되는 효과가 있었음을 보고하였다.
   종양내부에서 발견되는 림프구(tumor-infiltrating lymphocytes, TILs)는 대부분 종양항원에 감작되어 특이성을 갖추고 있는 세포들이라 생각되며, 종양 세포로 부터 분리한 뒤 IL-2를 이용하여 실험실에서 증식시키는 경우 종양세포만을 특이적으로 파괴시킬 수 있는 세포독성 T 림프구(CTL)를 다량 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있다.52) 두경부암은 TILs를 얻기 위하여 쉽게 원발부위나 경부림프절 등 병소부위에 접근할 수 있으며,53) 가공된 TILs를 종양주위나 림프절 주위, 또는 동맥 내로 직접 재주입하기 용이한 장점이 있다.54) 하지만 두경부암에서 얻어진 TILs는 말초혈액 내 림프구에 비하여 IL-2의 자극에 대한 증식능이 감소되거나 표적세포를 파괴하는 살해능이 감소되어 있어, 종양에 특이적인 CTL 라인(CTL cell lines)을 얻기가 쉽지 않아 실제 임상시험에의 응용은 제한적으로 진행되었다.55)56)
  
수지상세포(DC)는 면역반응의 전반적인 조절에 핵심적인 역할을 수행하며, 특히 항암면역과 관련된 세포성 면역기능을 활성화시키는 중요한 기능을 갖고 있다.57) 두경부암 환자의 말초혈액과 종양 내에는 면역저하를 초래하는 CD34 세포가 증가되어 나타나는데, 이를 분리한 뒤 적절한 cytokine을 이용하여 배양하면 T 세포를 비롯한 세포성 면역을 자극할 수 있는 기능을 갖는 DC로 분화시킬 수 있어 이의 임상응용을 생각해 볼 수 있다.58)59) 종양항원에 대한 특이 T 세포의 면역반응을 유도하기 위한 노력의 일환으로 DC에 종양특이 peptide 또는 tumor lysates를 비롯한 여러 형태로 종양관련 항원을 처리하거나, 종양과 DC의 heteroconjugates를 만들어 이를 환자에게 주입(adoptive transfer)하여 그 항암효과나 독성을 연구하는 임상시험이 악성흑색종, 신장암, 악성혈액암 환자 등에서 진행되어 긍정적인 결과가 보고되고 있다.60) 편평상피암의 경우 DC를 이용한 동물실험 및 실험실 내 연구가 최근 진행되고 있지만,61)62) 두경부암 환자를 대상으로 한 DC adoptive immunotherapy의 임상시험의 보고는 아직은 찾기가 어려운 실정이다. 한편 생체 내로 flt3-ligand나 GM-CSF/IL-4 등의 cytokine을 주사하면 DC mobilization이 증가되어 종양항원의 처리 및 T 세포 자극의 기회가 증가할 것으로 기대할 수 있으며, DC에 관련 유전자를 이입한 뒤 생체 내 주입함으로써 최적의 항원제공 기능을 발휘할 수 있도록 하는 노력 등 다양한 차원의 접근이 진행되고 있다(Table 3).1)

Monoclonal antibodies and tumor specific antigens
   종양항원을 밝히는 것은 항체를 이용한 치료뿐 아니라 세포성 반응을 이용한 면역치료에도 매우 중요한 의미를 갖는다. 두경부 편평상피암의 경우 Epstein-Barr virus를 비롯한 herpes virus, papilloma virus 항원 등 oncogenic virus의 항원이 종양관련항원으로 이용될 가능성이 있으며,63) carcinoembryonic antigen(CEA), tumor polypeptide antigen(TPA), tissue polypeptide specific anti-gen(TPS), mucin antigens(CA-50, CA19-9), squamous cell carcinoma antigens(SCC-Ag) 등 기존에 알려진 편평상피암 marker들이 종양항원으로 활용될 수 있을 것으로 추정되나 항체반응이나 세포독성 림프구를 자극할 수 있는 종양특이항원으로서의 항원성은 아직은 검증된 바가 없는 실정이다.13) p53 유전자를 비롯하여 Her-2/Neu, c-erb B-2, MAGE 유전자의 과발현에 의한 정상조직에서 발견하기 어려운 특정 peptide의 출현 역시 종양특이항원으로서 이용될 가능성이 있다.64)65)66) 
   Van Waes 등67)에 의하여 발견된 A9 항원에 대한 단세포군 항체(monoclonal antibody)나 Quak 등68)에 의해 얻어진 E48, U36 등의 단세포군 항체에 부착시킨 방사선동위원소로 두경부암 환자의 경부전이 부위를 정확히 지적해 낼 수 있었으며, 이를 이용한 동물실험은 radioimmunotherapy의 가능성을 제시하여 진단적인 가치뿐 아니라 치료적인 활용도도 높을 것으로 기대되고 있다.69)70) 단세포군 항체와 활성화된 NK 세포의 복합적 사용으로 항체 매개성 세포독성(ADCC) 기전을 통한 항암효과 또한 기대할 수 있다.

Gene therapeutic approach

   유전자기법을 이용한 면역치료적인 접근은 암세포 자체의 항원성을 증가시키거나, 항원제공세포의 항원제시 및 T 세포 자극기능의 항진, 부족한 paracrine factors의 보충 등의 전략으로 요약할 수 있다.71) 즉 동종 또는 이종의(syngeneic or allogeneic) MHC class I/II 유전자, B7 costimulatorymolecule이나 IL-2, IL-12, GM-CSF 등의 cytokine 유전자의 이입을 통하여 궁극적으로 항암면역반응을 항진시키고자 하는 노력이 진행되고 있다.72)73)74)
   Nabel 등75)은 MHC class I 유전자의 이입으로 melanoma 환자에서 종양의 크기가 감소하였음을 보고하였고, Gleich 등76)은 costimulatory B7 gene의 종양 내 주입을 이용한 phase I 임상시험을 통하여 독성없이 부분관해가 일부 환자에서 관찰되었음을 보고하였다. 종양 내 림프구(TILs)를 분리하여 IL-2 또는 IL-4 유전자를 이입한 뒤 다시 환자에게 재투여하는 시도를 비롯하여 종양세포나 자가 섬유아세포에 IL-12, TNF, GM-CSF 등의 유전자를 이입 후 환자에게 재주입하거나, 환자의 종양이나 림프조직 주위에 직접 상기 유전자의 vector를 주사하는 등의 다양한 시도가 진행되고 있다.53)76)77) 

결     론

   종양의 성립 및 발전은 종양세포가 우리 몸의 면역감시체제를 벗어나 증식을 계속함으로써 비롯되는 것으로 설명할 수 있다. 두경부 편평상피암 환자의 경우 흔히 전신적 혹은 국소적인 세포성 면역기능이 저하되어 있고 그 정도는 전신전이, 생존률을 비롯한 환자의 예후와 밀접한 관계가 있다. 하지만 두경부암 환자의 저하된 면역기능을 여러가지 방법으로 다시 자극함으로써 항종양효과를 거둘 수 있음이 밝혀져, 두경부암의 새로운 치료법으로서 면역치료가 그 기대를 모으고 있다. 면역치료의 구체적인 전략으로 면역기능 전반의 자극이 가능한 물질의 사용, cytokine의 이용, T세포/자연살해세포/수지상세포 등의 주입치료, 단세포군 항체의 사용이나 편평상피암에 특이적인 종양항원을 이용한 백신의 개발, 유전자기법을 응용한 면역기능의 항진 등을 들 수 있다. 두경부암 환자에서 수술 또는 방사선치료 전후로 적절한 면역치료를 병합하여 사용한다면 치료실패의 주된 원인으로 지적되고 있는 미세잔존암을 효과적으로 제거하여 완치율을 높일 수 있을 것으로 기대하며, 발전을 거듭하고 있는 종양면역학을 바탕으로 멀지 않아 더욱 효과적인 면역치료법이 개발되리라고 확신한다.


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