荧光纤维支气管镜在肺癌早期诊断中的应用
作者：王孟昭 张力 李龙芸
单位：中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院内科 100005
关键词：
中国肺癌杂志000625 【中图分类号】R734.204；R768.1
肺癌是当前世界各地最常见的恶性肿瘤之一，且发病率有明显增高的趋势[1]。美国从1940年到1980年，肺癌发生率男性由27/10万人升至89/10万人，女性由7/10万人升至35/10万人。日本从1950年到1980年，肺癌死亡率男性提高了10倍，女性提高了7.5倍。1989年我国上海、北京、天津、江苏等许多大城市的肿瘤登记资料中肺癌已成为恶性肿瘤的首位，其中上海从1960年到1989年，肺癌发生率由5.25/10万人升至56.2/10万人。虽然经过肿瘤学家数十年的努力，肺癌5年生存率提高仍很小，美国在30年中5年生存率仅由5%升至13%。肺癌在癌前病变、原位癌或微小浸润癌时有多种有效的治疗方法[2]，90%的患者可以彻底治愈。故肺癌5年生存率低的原因并不是肺癌细胞有特殊致病性，而是肺癌早期诊断很困难。Woolner等[3]研究发现有丰富经验的内窥镜专家用传统的白光纤维支气管镜(以下简称纤支镜)也只能发现29%的原位癌。为提高癌前病变、原位癌及微小浸润癌的检出率，加拿大Lam等首先使用了荧光纤维支气管镜(lung imaging fluorescence endoscopy,LIFE)。本文就此技术在肺癌早期诊断中的应用加以总结。
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1 历史回顾
癌前病变及原位癌病理上仅是数层细胞的改变，无肉眼可见的征象，而传统的白光纤支镜只能观察到支气管腔内表层，因此在肺癌的早期诊断中很难有大的突破，人们开始寻找其他方法。早在20世纪初Wood首先发现在100 W水银灯照射下组织可以发出自身荧光。1933年Sutro等[4]观察到在水银灯照射下乳腺癌组织发出粉红色荧光，而正常乳腺组织发出绿色荧光。此后自身荧光的性质与肿瘤的关系得到广泛关注，但自身荧光的强度很弱，很难用肉眼观察，限制了其进一步发展。
60年代，人们开始在内窥镜检查中试用光敏物质来增强荧光，包括photofrin、Amino-pevulinic acid ALA、血卟啉衍生物等，用于膀胱癌、咽喉部肿瘤、肺癌的早期诊断及治疗。用于该检查的光敏物质要求无毒性，有较高的荧光效应，且能高度选择地分布在肿瘤组织。但找到的光敏物质均未达到上述要求，尤其应用光敏物质后6周内要避免阳光甚至亮光，否则会出现严重的超敏反应。80年代Lam研究发现用标准量的2.0 mc/kg photofrin诊断肺癌假阳性率达60%，标准量的ALA诊断膀胱癌假阳性率达54-64%。为减少假阳性率，Lam逐渐减少光敏物质的剂量，最终发现不用光敏物质也能得到有效的信号。在这种情况下，1989年加拿大英哥伦比亚郡肿瘤研究所与Xillix科技公司联合研制了LIFE纤支镜，并由Lam等在1991年首先开始试用。
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2 工作原理
不同组织在特定波长的光激发下可产生特异的自身荧光光谱。工业生产中的氦镉激光可产生波长442 nm的深蓝色光，是常用的激发光源。虽然紫外光激发效果较深蓝色光好，但会造成组织损伤。图1反映了在氦镉激光激发下正常组织、不典型增生、原位癌的自身荧光光谱[5]。可以看出不同组织释放的绿色光强度相差很大，而红色光强度相差较小。分别用绿色及红色滤光片得到这两个波段的光，再叠加起来，正常组织将会表现为绿色，而癌组织则表现为棕色或红棕色。研究表明，产生自身荧光的部位是粘膜下层的外层组织及软骨。癌组织绿色光强度减弱的原因不明确，可能与多种因素有关[6]，包括上皮层增厚、光敏团浓度及效应的减低、基质中大分子物质增多及血流量减少等。有人提出是否观察到绿色光强度减弱就可以判断为异常组织，答案是否定的，因为光的强度与组织到内窥镜头部的距离成反比，所以单纯绿色光减弱不能区别是自身荧光弱还是距离远，故必须与红色光相比较，即观察绿色光与红色光叠加后的颜色。
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图 1 组织自身荧光
肺组织在442 nm波长光照射下可产生自身荧光，绿光波长为500～550 nm，红光波长为620～670 nm。正常组织绿光与红光的比值是异常组织的7倍。
Fig 1 Tissue autofluorescence spectra
Lung tissue,illuminated at 442 nm wavelength,autofluoresces a dim spectum of lights.Wavelength of green light is 500-550 nm,and wavelength of red light is 620-670 nm.The ratio of green light to red light in normal tissue is 7 times higher than that in abnormal tissue.
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用纤支镜的照明孔道传递氦镉激光，可在纤支镜头部产生15～30 mW的波长为442 nm的激发光。大约20 mW的蓝色光在1 cm远的组织上可产生64 mW/mm2的照射量，组织能释放约1 pW/mm2的自身荧光。活检孔道中的光纤接收此荧光并传递图象。通过两向色镜分为红色和绿色光，进一步分别通过红色、绿色滤光片、图象增强装置及512×512像素的数码相机，以及计算机处理将两幅单色图象整合并同步显示在监视器上(图2)。
图 2 LIFE系统
蓝色激光激发肺组织产生自身荧光，光纤维传递图像。二向色镜分为绿光及红光，通过滤光片、增强、计算机处理，最后显示到监视器。
Fig 2 LIFE system
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A blue laser stimulates lung tissue into autofluorescing.The captured light is transmitted along optic fiber,split into green and red components,and processed by camera,intensifiers and an imaging system.
3 临床应用
Lam等[7]于1993年用荧光纤支镜及白光纤支镜检查94人，其中包括诊断或拟诊肺癌53人，长期吸烟者17人，吸烟但已戒5年以上者16人，不吸烟者8人。328处活检中77处为中至重度不典型增生或原位癌，其中白光纤支镜敏感性只有48.4%，荧光纤支镜与白光纤支镜合用敏感性可达到72.5%，假阳性率均很低。Lam等[8]1994年用荧光纤支镜及白光纤支镜检查223人，均为肺癌或有肺癌危险因素的患者。共取活检717处，病理显示338处为正常组织或炎症，203处为化生或轻度不典型增生，78处为中至重度不典型增生，35处为原位癌，63处为浸润癌。诊断中至重度不典型增生、原位癌、浸润癌的敏感性及正常组织的特异性，白光纤支镜分别为38.5%、40%、98.4%和91.1%，荧光纤支镜分别为73.1%、91.4%、100%和86.7%。可见荧光纤支镜对癌前病变及原位癌的敏感性有明显提高，而特异性仅略有下降。
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在美国和加拿大开展的多中心研究初步数据与以上结论相似[9]。173人的样本研究中，荧光纤支镜诊断中～重度不典型增生或原位癌的灵敏度较白光纤支镜高6倍，但特异性仅有73%，较以上报道低，可能与操作者经验有关。在亚洲，Lee等[10]用荧光纤支镜及白光纤支镜检查48人，其中包括诊断或拟诊肺癌21人，有肺癌危险因素者27人，共取活检160处。白光纤支镜诊断癌前病变或原位癌的敏感性只有41.6%，而荧光纤支镜与白光纤支镜合用敏感性可达到68.8%。造成荧光纤支镜中的假阳性的原因大部分为进镜过程中的损伤及过度抽吸造成的损伤，故结合白光纤支镜可以明显降低假阳性。而假阴性则多因为没有仔细检查支气管树。Saito等[11]报道影像学阴性的鳞癌1/3发生于支气管亚段或其下一级分支，这就要求尽可能检查到支气管远端。在白光纤支镜的基础上加用荧光纤支镜检查仅多费时5～10分钟，且未发现并发症发生率有所增加。荧光纤支镜不仅在诊断癌前病变及原位癌上敏感性高，且在诊断第二原发肿瘤、肺癌切除后边缘肿瘤残余、肺癌术后的复发及其他原因肺部手术后肺癌等疾病上也有优势。建议符合下列条件之一的，接受荧光纤支镜检查[12，13]：①已诊断肺癌的患者；②Ⅰ期非小细胞肺癌手术切除后复查；③可疑肺癌患者，包括痰查到可疑癌细胞而白光纤支镜及影像学正常的患者，或影像学异常但无病理证实的患者等；④头颈部其他肿瘤；⑤无症状的长期吸烟者(1包/日，25年以上)。
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4 远期展望
荧光技术利用正常组织、癌前病变、肿瘤三者自身荧光的差异，提供了一个发现早期肺癌的新方法。它可以提高肺脏癌前病变及原位癌的早期诊断，使患者有机会接受局部治疗等而清除病灶；可以用于术前判断肺癌在支气管内的范围及发现第二肿瘤，以确定手术切除范围；还可用于术后判断手术效果及早期发现复发等，这样可以改善肺癌患者的预后，提高5年生存率。LIFE是白光纤支镜的有益补充，给呼吸科医师提供了新的武器。荧光内窥镜技术会逐渐应用于咽喉部肿瘤、膀胱肿瘤及胃肠道肿瘤的早期诊断，将有广大的发展前景。
参考文献
1，方圻，朱元珏，史轶繁，等.现代内科学.北京：人民军医出版社，1995.1435-1464.
2，Hayata Y,Kalo H,Konaka C,et al.Photodynamic therapy in early stage lung cancer.Lung Cancer,1993,9(3)∶287-294.
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3，Woolner LB,Fontana RS,Cortese DA,et al.Roentgenograpfically occult lung cancer: pathologic findings and frequency of multicentricity during a 10-year period.Mayo Clin Proc，1984,59(7)∶453-466.
4，Sutro CJ,Burman MS.Examination of pathologic tissue by filtered ultroviolet radiation.Arch Pathol,1933,16(4)∶346-349.
5，Hung J,Lam S,LeRiche JC,et al.Autofluorescence of normal and malignant bronchial tissue.Laser Surg Med，1991,11(2)∶99-105.
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6，Qu J,MacAulay C,Lam S,et al.Optical properties of normal and carcinomatous bronchial tissue.Applied Optics,1994,33(12)∶7397-7405.
7，Lam S,MacAulay C,Hung J,et al.Detection of dysplasia and carcinoma in situ with a lung imaging fluorescence endoscope device.J Thorac Cardiovasc Surg，1993，105(6)∶1035-1040.
8，Lam S,MacAulay C,Leriche JC,et al.Early localization of bronchogenic carcinoma.Diagn Ther Endosc,1994,1(1)∶75-78.
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9，Lam S,Becker HD.Future diagnostic procedures.Chest Surg Clin N Am,1996,6(2)∶363-380.
10，Lee FYW,Abisheganaden J,Tang MM,et al.Early detection of lung cancer with the LIFE laser.(unpublished).
11，Saito Y,Nagamoto N,Ota S,et al.Results of surgical treatment for roentgeno-graphically occult brochogenic squamous cell carcinoma.J Thorac Cardiovasc Surg,1992，104(2)∶401-407.
12，Auerbach O,Stout AP,Hammond EC,et al.Changes in bronchial epithelium in relation to cigarette smoking and in relation to lung cancer.N Engl J Med,1961,265(4)∶253-267.
13，Thomas P,Rubinstein L,and the Lung Cancer Study Group.Cancer recurrence after resection (T1N0 non small cell lung cancer).Am Thorac Surg，1990,49(2)∶242-247.
收稿日期：1999-11-08
修回日期：2000-02-23, 百拇医药
单位：中国医学科学院中国协和医科大学北京协和医院内科 100005
关键词：
中国肺癌杂志000625 【中图分类号】R734.204；R768.1
肺癌是当前世界各地最常见的恶性肿瘤之一，且发病率有明显增高的趋势[1]。美国从1940年到1980年，肺癌发生率男性由27/10万人升至89/10万人，女性由7/10万人升至35/10万人。日本从1950年到1980年，肺癌死亡率男性提高了10倍，女性提高了7.5倍。1989年我国上海、北京、天津、江苏等许多大城市的肿瘤登记资料中肺癌已成为恶性肿瘤的首位，其中上海从1960年到1989年，肺癌发生率由5.25/10万人升至56.2/10万人。虽然经过肿瘤学家数十年的努力，肺癌5年生存率提高仍很小，美国在30年中5年生存率仅由5%升至13%。肺癌在癌前病变、原位癌或微小浸润癌时有多种有效的治疗方法[2]，90%的患者可以彻底治愈。故肺癌5年生存率低的原因并不是肺癌细胞有特殊致病性，而是肺癌早期诊断很困难。Woolner等[3]研究发现有丰富经验的内窥镜专家用传统的白光纤维支气管镜(以下简称纤支镜)也只能发现29%的原位癌。为提高癌前病变、原位癌及微小浸润癌的检出率，加拿大Lam等首先使用了荧光纤维支气管镜(lung imaging fluorescence endoscopy,LIFE)。本文就此技术在肺癌早期诊断中的应用加以总结。
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1 历史回顾
癌前病变及原位癌病理上仅是数层细胞的改变，无肉眼可见的征象，而传统的白光纤支镜只能观察到支气管腔内表层，因此在肺癌的早期诊断中很难有大的突破，人们开始寻找其他方法。早在20世纪初Wood首先发现在100 W水银灯照射下组织可以发出自身荧光。1933年Sutro等[4]观察到在水银灯照射下乳腺癌组织发出粉红色荧光，而正常乳腺组织发出绿色荧光。此后自身荧光的性质与肿瘤的关系得到广泛关注，但自身荧光的强度很弱，很难用肉眼观察，限制了其进一步发展。
60年代，人们开始在内窥镜检查中试用光敏物质来增强荧光，包括photofrin、Amino-pevulinic acid ALA、血卟啉衍生物等，用于膀胱癌、咽喉部肿瘤、肺癌的早期诊断及治疗。用于该检查的光敏物质要求无毒性，有较高的荧光效应，且能高度选择地分布在肿瘤组织。但找到的光敏物质均未达到上述要求，尤其应用光敏物质后6周内要避免阳光甚至亮光，否则会出现严重的超敏反应。80年代Lam研究发现用标准量的2.0 mc/kg photofrin诊断肺癌假阳性率达60%，标准量的ALA诊断膀胱癌假阳性率达54-64%。为减少假阳性率，Lam逐渐减少光敏物质的剂量，最终发现不用光敏物质也能得到有效的信号。在这种情况下，1989年加拿大英哥伦比亚郡肿瘤研究所与Xillix科技公司联合研制了LIFE纤支镜，并由Lam等在1991年首先开始试用。
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2 工作原理
不同组织在特定波长的光激发下可产生特异的自身荧光光谱。工业生产中的氦镉激光可产生波长442 nm的深蓝色光，是常用的激发光源。虽然紫外光激发效果较深蓝色光好，但会造成组织损伤。图1反映了在氦镉激光激发下正常组织、不典型增生、原位癌的自身荧光光谱[5]。可以看出不同组织释放的绿色光强度相差很大，而红色光强度相差较小。分别用绿色及红色滤光片得到这两个波段的光，再叠加起来，正常组织将会表现为绿色，而癌组织则表现为棕色或红棕色。研究表明，产生自身荧光的部位是粘膜下层的外层组织及软骨。癌组织绿色光强度减弱的原因不明确，可能与多种因素有关[6]，包括上皮层增厚、光敏团浓度及效应的减低、基质中大分子物质增多及血流量减少等。有人提出是否观察到绿色光强度减弱就可以判断为异常组织，答案是否定的，因为光的强度与组织到内窥镜头部的距离成反比，所以单纯绿色光减弱不能区别是自身荧光弱还是距离远，故必须与红色光相比较，即观察绿色光与红色光叠加后的颜色。
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图 1 组织自身荧光
肺组织在442 nm波长光照射下可产生自身荧光，绿光波长为500～550 nm，红光波长为620～670 nm。正常组织绿光与红光的比值是异常组织的7倍。
Fig 1 Tissue autofluorescence spectra
Lung tissue,illuminated at 442 nm wavelength,autofluoresces a dim spectum of lights.Wavelength of green light is 500-550 nm,and wavelength of red light is 620-670 nm.The ratio of green light to red light in normal tissue is 7 times higher than that in abnormal tissue.
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用纤支镜的照明孔道传递氦镉激光，可在纤支镜头部产生15～30 mW的波长为442 nm的激发光。大约20 mW的蓝色光在1 cm远的组织上可产生64 mW/mm2的照射量，组织能释放约1 pW/mm2的自身荧光。活检孔道中的光纤接收此荧光并传递图象。通过两向色镜分为红色和绿色光，进一步分别通过红色、绿色滤光片、图象增强装置及512×512像素的数码相机，以及计算机处理将两幅单色图象整合并同步显示在监视器上(图2)。
图 2 LIFE系统
蓝色激光激发肺组织产生自身荧光，光纤维传递图像。二向色镜分为绿光及红光，通过滤光片、增强、计算机处理，最后显示到监视器。
Fig 2 LIFE system
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A blue laser stimulates lung tissue into autofluorescing.The captured light is transmitted along optic fiber,split into green and red components,and processed by camera,intensifiers and an imaging system.
3 临床应用
Lam等[7]于1993年用荧光纤支镜及白光纤支镜检查94人，其中包括诊断或拟诊肺癌53人，长期吸烟者17人，吸烟但已戒5年以上者16人，不吸烟者8人。328处活检中77处为中至重度不典型增生或原位癌，其中白光纤支镜敏感性只有48.4%，荧光纤支镜与白光纤支镜合用敏感性可达到72.5%，假阳性率均很低。Lam等[8]1994年用荧光纤支镜及白光纤支镜检查223人，均为肺癌或有肺癌危险因素的患者。共取活检717处，病理显示338处为正常组织或炎症，203处为化生或轻度不典型增生，78处为中至重度不典型增生，35处为原位癌，63处为浸润癌。诊断中至重度不典型增生、原位癌、浸润癌的敏感性及正常组织的特异性，白光纤支镜分别为38.5%、40%、98.4%和91.1%，荧光纤支镜分别为73.1%、91.4%、100%和86.7%。可见荧光纤支镜对癌前病变及原位癌的敏感性有明显提高，而特异性仅略有下降。
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在美国和加拿大开展的多中心研究初步数据与以上结论相似[9]。173人的样本研究中，荧光纤支镜诊断中～重度不典型增生或原位癌的灵敏度较白光纤支镜高6倍，但特异性仅有73%，较以上报道低，可能与操作者经验有关。在亚洲，Lee等[10]用荧光纤支镜及白光纤支镜检查48人，其中包括诊断或拟诊肺癌21人，有肺癌危险因素者27人，共取活检160处。白光纤支镜诊断癌前病变或原位癌的敏感性只有41.6%，而荧光纤支镜与白光纤支镜合用敏感性可达到68.8%。造成荧光纤支镜中的假阳性的原因大部分为进镜过程中的损伤及过度抽吸造成的损伤，故结合白光纤支镜可以明显降低假阳性。而假阴性则多因为没有仔细检查支气管树。Saito等[11]报道影像学阴性的鳞癌1/3发生于支气管亚段或其下一级分支，这就要求尽可能检查到支气管远端。在白光纤支镜的基础上加用荧光纤支镜检查仅多费时5～10分钟，且未发现并发症发生率有所增加。荧光纤支镜不仅在诊断癌前病变及原位癌上敏感性高，且在诊断第二原发肿瘤、肺癌切除后边缘肿瘤残余、肺癌术后的复发及其他原因肺部手术后肺癌等疾病上也有优势。建议符合下列条件之一的，接受荧光纤支镜检查[12，13]：①已诊断肺癌的患者；②Ⅰ期非小细胞肺癌手术切除后复查；③可疑肺癌患者，包括痰查到可疑癌细胞而白光纤支镜及影像学正常的患者，或影像学异常但无病理证实的患者等；④头颈部其他肿瘤；⑤无症状的长期吸烟者(1包/日，25年以上)。
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荧光技术利用正常组织、癌前病变、肿瘤三者自身荧光的差异，提供了一个发现早期肺癌的新方法。它可以提高肺脏癌前病变及原位癌的早期诊断，使患者有机会接受局部治疗等而清除病灶；可以用于术前判断肺癌在支气管内的范围及发现第二肿瘤，以确定手术切除范围；还可用于术后判断手术效果及早期发现复发等，这样可以改善肺癌患者的预后，提高5年生存率。LIFE是白光纤支镜的有益补充，给呼吸科医师提供了新的武器。荧光内窥镜技术会逐渐应用于咽喉部肿瘤、膀胱肿瘤及胃肠道肿瘤的早期诊断，将有广大的发展前景。
参考文献
1，方圻，朱元珏，史轶繁，等.现代内科学.北京：人民军医出版社，1995.1435-1464.
2，Hayata Y,Kalo H,Konaka C,et al.Photodynamic therapy in early stage lung cancer.Lung Cancer,1993,9(3)∶287-294.
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3，Woolner LB,Fontana RS,Cortese DA,et al.Roentgenograpfically occult lung cancer: pathologic findings and frequency of multicentricity during a 10-year period.Mayo Clin Proc，1984,59(7)∶453-466.
4，Sutro CJ,Burman MS.Examination of pathologic tissue by filtered ultroviolet radiation.Arch Pathol,1933,16(4)∶346-349.
5，Hung J,Lam S,LeRiche JC,et al.Autofluorescence of normal and malignant bronchial tissue.Laser Surg Med，1991,11(2)∶99-105.
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6，Qu J,MacAulay C,Lam S,et al.Optical properties of normal and carcinomatous bronchial tissue.Applied Optics,1994,33(12)∶7397-7405.
7，Lam S,MacAulay C,Hung J,et al.Detection of dysplasia and carcinoma in situ with a lung imaging fluorescence endoscope device.J Thorac Cardiovasc Surg，1993，105(6)∶1035-1040.
8，Lam S,MacAulay C,Leriche JC,et al.Early localization of bronchogenic carcinoma.Diagn Ther Endosc,1994,1(1)∶75-78.
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9，Lam S,Becker HD.Future diagnostic procedures.Chest Surg Clin N Am,1996,6(2)∶363-380.
10，Lee FYW,Abisheganaden J,Tang MM,et al.Early detection of lung cancer with the LIFE laser.(unpublished).
11，Saito Y,Nagamoto N,Ota S,et al.Results of surgical treatment for roentgeno-graphically occult brochogenic squamous cell carcinoma.J Thorac Cardiovasc Surg,1992，104(2)∶401-407.
12，Auerbach O,Stout AP,Hammond EC,et al.Changes in bronchial epithelium in relation to cigarette smoking and in relation to lung cancer.N Engl J Med,1961,265(4)∶253-267.
13，Thomas P,Rubinstein L,and the Lung Cancer Study Group.Cancer recurrence after resection (T1N0 non small cell lung cancer).Am Thorac Surg，1990,49(2)∶242-247.
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