J. Embryo/, exp. Morph., Vol. 14, Part 2, pp. 119-128, October 1965 Printed in Great Britain Differentiation des epitheliums du tube digestif in vitro par LUIS SORIANO 1 Institut d'Embryologie et Teratologie experimentales du College de France et du C.N.R.S. (Directeur: Professeur Etienne Wolff) AVEC TROIS PLANCHES Nous avons demontre que l'epithelium de l'oesophage de l'embryon de Souris, preleve a 12 jours de gestation et cultive in vitro, montre une differentiation acceleree par rapport a celle observee dans le developpement normal (Soriano et coll., 1964). Ces resultats ont ete obtenus en utilisant une modification de la methode de Trowell (1954). Nous nous sommes d'abord demandes si cette acceleration de la differenciation etait due a l'utilisation d'une methode particuliere de culture, ou si elle etait independante de la methode utilisee. Nous avons alors refait ces experiences avec une autre methode (Wolff et Haffen, 1952) pour voir si on obtiendrait les memes resultats. D'autre part, nous avons fait des experiences de dissociation et reassociation des ebauches embryonnaires a l'aide de la trypsine et de la hyaluronidase. Dans une premiere partie, nous avons utilise les ebauches cesophagiques d'embryon de Souris prelevees a 12 et 19 jours de gestation et celles de la trachee explantees a 19 jours de gestation. Dans la deuxieme partie du travail, nous avons preleve les ebauches du tube digestif d'embryon de Souris a differents stades du developpement embryonnaire: a 16,15,14 et 13 jours de gestation. Nous avons choisi les ebauches d'oesophage, celles de l'estomac anterieur et posterieur et de l'intestin parce que les epitheliums de ces organes sont de types differents. Ainsi l'epithelium d'oesophage montre les premiers signes de keratinisation apres 4 a 5 jours de culture, comme le fait d'ailleurs l'epithelium de l'estomac anterieur (Wolfsberg, 1964). Par contre, l'epithelium de l'estomac posterieur et celui de l'intestin montrent une structure cylindrique avec fonction secretoire, quand ils sont cultives dans les memes conditions et pendant la meme periode. Done avec ces deux groupes differents d'organes on peut realiser des associations heterologues, qui pourront nous permettre de savoir si la destinee originale d'un epithelium a ete modifiee par le contact avec un mesenchyme etranger. 1 Adresse de Vauteur: Institut d'Embryologie et Teratologie experimentales du College de France et du C.N.R.S., 49 bis Avenue de la Belle Gabrielle, Nogent-sur-Marne (Seine), France. 120 L. SORIANO MATERIEL ET METHODES La dissociation des ebauches embryonnaires a ete faite a l'aide de la trypsine (Trypsine Difco) a 2 % dans le Tyrode sans Ca ni Mg (Moscona, 1952) en ajoutant encore 0,4 g de hyaluronidase (Zwilling, 1955). Les ebauches sont immergees pendant 10 a 15 min. dans cette solution a 37° C. La dissociation est ensuite poursuivie mecaniquement avec des pinces fines. Pour inactiver la trypsine, les explants sont ensuite deposes dans un melange 1/1 de Tyrode et de serum de Cheval. Les ebauches sont cultivees pendant 5 a 12 jours selon la methode de culture d'organes mise au point par Wolff et Haffen (1952). Le milieu est compose de: Gelose a 1,5 % dans le liquide de Gey Extrait embryonnaire Serum de Cheval 7 parties 3 parties 2 parties Les explants sont enveloppes dans la membrane vitelline de l'ceuf de Poule non incube, selon une technique mise au point par Wolff (1960). RESULTATS DE LA PREMIERE PARTIE Developpement in vitro de Ve'bauche cesophagique Apres 5 jours de culture les ebauches cesophagiques d'embryon de Souris de 12 jours de gestation, presentent un epithelium epaissi, c'est-a-dire forme de 3 ou 4 couches de cellules (Planche 1, Fig. A). Cet epaississement correspond au debut de la keratinisation. Experiences de dissociation et reassociation La dissociation de l'cesophage preleve a 19 jours de gestation, et la reassociation des fragments qui ensuite sont cultives pendant 5 jours, determine la keratinisation de l'epithelium oesophagique (Planches 1, Fig. B et C). L'association du mesenchyme de trachee de 19 jours de gestation avec l'epithelium d'cesophage du meme age, determine apres 7 a 12 jours de culture la keratinisation de l'epithelium oesophagique (Planches 1 et 2, Fig. D, E, F et G). L'association complexe du mesenchyme de trachee, mesenchyme d'oesophage et epithelium oesophagique de 19 jours de gestation, determine aussi apres 7 jours de culture, la keratinisation de l'epithelium oesophagique (Planche 2, Fig. H). Le meme resultat est obtenu lorsque l'epithelium d'cesophage est cultive entre deux fragments de trachee comme le montre la Figure I (Planche 2). DISCUSSION DE LA PREMIERE PARTIE L'acceleration de la differentiation de l'epithelium oesophagique observee quand il est cultive avec la methode de Wolff et Haffen (1952), permet de supposer qu'une telle acceleration ne depend pas de la methode de culture utilisee; en / . Embryol. cxp. Morph. Vol. 14, Part 2 PLANCHE 1 FIG. A. CEsophage embryonnaire de Souris de 12 jours de gestation cultive pendant 5 jours. Debut de la keratinisation. M: mesenchyme. E: epithelium pluristratifie. x 294. FIG. B. CEsophage d'embryon de Souris de 19 jours de gestation au moment de l'explantation. E: epithelium. M: mesenchyme. x371. FIG. C. Reassociation de l'epithelium et du mesenchyme d'oesophage preleve a 19 jours de gestation et cultives pendant 5 jours. Debut de la keratinisation. E: epithelium. M: mesenchyme. x 126. FIG. D. Trachee d'embryon de Souris de 19 jours de gestation au moment de l'explantation. E: epithelium cylindrique et secretoire. M: mesenchyme sous-epithelial. C: cartilage. Me: mesenchyme externe. x 294. FIG. E. Trachee d'embryon de Souris de 19 jours de gestation, apres action de la trypsine. On constate l'absence de l'epithelium. M: mesenchyme sous-epithelial. C: cartilage. x294. {Facing page 120) LUIS SORIANO Age des explants (en jours de gestation) 16eme 15eme 14eme 13eme Negat. 15 Epith. cylind. 3 10 4 Epith. pluris. Pluris. + cylind. Epith. cylind. — As. Heter. Mes.: Intestin. Epith.: Est. ant. As. Heter.: Association Heterologue Mes.: Mesenchyme Epith.: Epithelium Kerat.: Keratinisation Epith. cylind.: Epithelium cylindrique Kerat. 10 As. He'te'r. Mes.: Est.post. Epith.: Oesophage Negat. — TABLEAU 1 Negat. 2 Epith. cylind. 1 Epith. cylind. — Negat. — As. Heter. Mes.: Est. ant. Epith.: Intestin Total des explants etudies 36 20 27 20 103 Negat.: Negatifs (aucune differenciation de l'epithelium) Epith. pluris.: Epithelium pluristratifie Pluris. + cylind.: Epitheliums pluristratifie et cylindrique Est. ant.: Estomac anterieur Est. post.: Estomac posterieur Kerat. 5 As. Heter. Mes.: Intestin. Epith.: Oesophage s: OS. I 122 L. SORIANO effet, il pourrait y avoir des facteurs inhibiteurs de la differenciation de l'epithelium oesophagique pendant le developpement normal 'in vivo'. Nous avons deja envisage cette possibility (Soriano et coll., 1964) et nous pensons maintenant que cette interpretation est un peu plus valable. D'ailleurs Planel et coll. (1964) ont trouve une acceleration semblable dans le cas particulier du vagin de Rat qui acquiert in vitro en quelques jours seulement une structure de type adulte. Les resultats presents ont demontre que l'association de l'epithelium oesophagique d'embryon de Souris de 19 jours de gestation, soit avec le mesenchyme de trachee soit avec un fragment de la trachee, determine toujours la keratinisation d'un tel epithelium, apres une periode variable de culture de 7 a 11 jours. Done nous pouvons tirer comme premiere conclusion que l'epithelium d'oesophage est TABLEAU 2 Age des Explants {en jours de gestation) 16eme 15eme 14eme 13eme Temoin Estomac Anterieur Kerat. Epith. cylind. 10 2 6 2 Temoin Estomac Posterieur Epith. pluris. Epith. cylind. Negat. Temoin Intestin Epith. c. et sec. Negat. 10 2 Kerat.: keratinisation Epith. cylind.: epithelium cylindrique Epith. pluris.: epithelium pluristratifie Negat.: negatifs (aucune differenciation de l'epithelium) Epith. c. et sec.: epithelium cylindrique et secretaire Les chiffres correspondent au nombre d'explants etudies deja determine quand il est preleve a ce stade-la et qu'il est associe dans differentes conditions experimentales. Par consequent, la destinee de cet epithelium ne peut pas Stre modifiee par 1'influence d'un mesenchyme etranger. On doit se detnander si on peut preciser l'age de la determination embryonnaire de cet epithelium et d'autres epitheliums voisins par la methode de dissociation et reassociation des ebauches embryonnaires. En effet, differents auteurs ont demontre largement que le mesenchyme embryonnaire exerce une influence inductrice sur l'epithelium avec lequel il est en contact en culture organotypique; e'est-a-dire le type de differenciation d'un epithelium peut etre change s'il est associe a un mesenchyme heterologue, a condition que les ebauches soient indeterminees quand elles sont prelevees (Sengel, 1958; McLoughlin, 1960,1961a et b; Moscona, 1961; Sengel et Abbott, 1962; Sigot, 1962,1963). Cette influence inductrice pourrait-elle se produire dans le cas de nos experiences si nous utilisions des ebauches embryonnaires plus jeunes que celles employees jusqu'a present ? J. Embryol. c.xp. Aforph. Vol. 14, Part 2 MTr H PLANCHE 2 FIG. F. Association heterologue entre le mesenchyme de trachee et l'epithelium d'oesophage d'embryon de Souris de 19 jours de gestation, apres 7 jours de culture. E: epithelium oesophagique pluristratifie. C: cartilage tracheen. x 196. FIG. G. La meme association heterologue de la Figure F, apres 12 jours de culture. E: epithelium oesophagique keratinise. C: cartilage tracheen. xl36. FIG. H. Association heterologue entre le mesenchyme de trachee, le mesenchyme d'cesophage et l'epithelium oesophagique preleves a 19 jours de gestation, et apres 7 jours de culture. MTr: mesenchyme de trachee. MOe: mesenchyme d'oesophage. EOe: epithelium oesophagique pluristratifie. x 336. FIG. 1. Culture de l'epithelium oesophagique preleve a 19 jours de gestation entre deux fragments de trachee du meme age, cultive pendant 11 jours. LTr: lumiere de la trachee. EOe: epithelium oesophagique keratinise. x 180. LUIS SORIANO (Facing page 122) Vol. 14, Part 2 / . Embryol. exp. Morph. N PLANCHE 3 FIG. J. Association heterologue entre le mesenchyme d'intestin et l'epithelium d'estomac anterieur de 15 jours de gestation, apres 5 jours de culture. Differentiation d'un epithelium pluristratifie. Ep: epithelium pluristratiffe. M: mesenchyme. x 300. FIG. K. La meme association heterologue de la figure J, qui montre une cavite kystique. Lk: lumiere du kyste. Ek: epithelium du kyste. M: mesenchyme. x 700. FIG. L. Association heterologue entre le mesenchyme d'estomac anterieur et l'epithelium d'intestin preleves a 14 jours de gestation, et cultives pendant une periode de 5 jours. Differentiation d'un epithelium de type intestinal a cote d'un kyste. Lk: lumiere du kyste. Ek: epithelium du kyste. M: mesenchyme. Ei: epithelium de type intestinal, x 177. FIG. M. Association heterologue entre le foie et l'epithelium d'estomac anterieur d'embryon de Souris de 13 jours de gestation, apres 5 jours de culture. Th: tissu hepatique. Ep: epithelium pluristratifie. x 300. FIG. N. Association heterologue entre le mesonephros d'embryon de Poulet de 8^ jours d'incubation et l'epithelium d'estomac anterieur d'embryon de Souris de 13 jours de gestation. Tr: tissu renal. Ep: epithelium pluristratifie'. x 200. FIG. O. Association heterologue entre le poumon et l'epithelium d'estomac anterieur d'embryon de Souris de 13 jours de gestation. Tp: tissu pulmonnaire. Ep: epithelium pluristratifie. x 177. LUIS SORTANO {Facing page 123) Differentiation des epitheliums du tube digestif 123 Pour repondre a cette question nous avons programme la deuxieme partie de ce travail. RESULTATS DE LA DEUXIEME PARTIE Etant donne que le facteur * age des ebauches' etait fondamental d'apres notre hypothese de depart, nous avons experimente a differents stades, en considerant seulement dans ce chapitre les resultats qui concernent les associations heterologues (voir Tableau 1). Pour les resultats de la culture des explants temoins voir le Tableau 2. Experiences avec des ebauches prelevees a 16 jours de gestation Mesenchyme d'estomac posterieur + epithelium d'cesophage L'epithelium cesophagique se keratinise dans cette association heterologue de la meme facon qu'il le fait avec son propre mesenchyme. II faut rappeler que le mesenchyme de l'estomac posterieur est en contact normalement avec un epithelium qui est cylindrique et secretoire. Mesenchyme d'intestin + epithelium d'oesophage L'epithelium cesophagique continue a se keratiniser dans cette association comme il le fait normalement, meme quand il est associe avec le mesenchyme d'intestin, qui doit assurer normalement la differenciation d'un epithelium cylindrique et secretoire. Experiences avec des ebauches prelevees a 15 jours de gestation Mesenchyme d'intestin + epithelium d'estomac anterieur Dans cette association l'epithelium d'estomac anterieur a remplace celui de l'oesophage parce qu'il se keratinise in vitro exactement de la meme facon, tout en etant plus resistant au traitement a la trypsine. En effet, l'epithelium oesophagique se montre tres fragile au stade de 15 jours de gestation, et il est difficile d'obtenir sa differenciation in vitro avec un mesenchyme etranger. D'une facon generale on observe la differenciation d'un epithelium pluristratifie qui correspond aux premiers stades de la keratinisation (Planche 3, Fig. J). Dans certains cas on peut y voir l'apparition de cavites kystiques qui montrent un epithelium qui est tout-a-fait different de celui de l'intestin (Planche 3, Fig. K). Mesenchyme d'estomac anterieur + epithelium d'intestin L'epithelium d'intestin qui est cylindrique et secretoire dans des conditions normales de culture, montre aussi ces caracteristiques de differenciation quand il est associe avec le mesenchyme de l'estomac anterieur qui assure normalement la differenciation d'un epithelium keratinise. 124 L. SORIANO Experiences avec des ebauches prelevees a 14 jours de gestation Mesenchyme d'intestin + epithelium d'estomac anterieur Vepithelium d'estomac anterieur montre une structure pluristratifi.ee (comme normalement d'ailleurs) dans plusieurs cas. II y a aussi beaucoup de cas qui montrent la structure kystique que nous avons vue tout-a-1'heure chez les associations heterologues faites avec des ebauches plus avancees (15 jours de gestation). Mesenchyme d'estomac anterieur + epithelium d'intestin Les resultats sont tout-a-fait semblables a ceux de la meme association heterologue faite avec des ebauches de 16 jours de gestation. L'epithelium d'intestin conserve les propres caracteristiques de differenciation qu'il a normalement. Cependant on peut y voir en plus l'epithelium cylindrique correspondant aux memes cavites kystiques que nous avons vues dans les associations heterologues du mesenchyme d'intestin et de l'epithelium d'estomac anterieur de 14 et 15 jours de gestation (Planche 3, Fig. L). Experiences avec des ebauches prelevees a 13 jours de gestation Le travail experimental devient de plus en plus difficile au fur et a mesure que nous reculons dans revolution embryonnaire, et les possibilites de succes sont fort limitees a 13 jours de gestation (voir Tableau 1). Neanmoins, nous avons pu cultiver dans des conditions tres favorables l'epithelium d'estomac anterieur avec du foie et du poumon d'embryon de Souris du meme age, aussi bien qu'avec du mesonephros d'embryon de Poulet de 8^ jours d'incubation. Toutes ces associations ont permis d'ameliorer nettement la culture de l'epithelium d'estomac anterieur qui apres 5 jours de culture montre la differenciation d'un epithelium pluristratifie (Planche 3, Fig. M, N et O). Mesenchyme d'intestin + epithelium d'estomac anterieur Dans ces series, les resultats montrent un epithelium pluristratifie dans certains cas, tandis qu'il y a d'autres cas qui sont negatifs, c'est-a-dire sans aucun signe de differenciation de l'epithelium gastrique. Mesenchyme d'estomac anterieur + epithelium d'intestin Cette association heterologue a reussi d'une facon plus nette que 1'association inverse du paragraphe precedent. En effet, dans tous les cas etudies, l'epithelium a garde ses propres caracteristiques de differenciation comme il Pa fait d'ailleurs chez les memes associations avec des ebauches plus agees (14 et 15 jours de gestation). DISCUSSION DE LA DEUXIEME PARTIE Les resultats presentes permettent d'aborder le probleme de la determination des tissus embryonnaires, en ce qui concerne le moment ou un epithelium devient Differentiation des epitheliums du tube digestif 125 definitivement 'determine'. Nous avons essaye depreciser quel etaitcemoment au moins pour certains epitheliums du tube digestif chez l'embryon de Souris. D'ailleurs la differenciation de l'cesophage embryonnaire preleve chez la Souris a 12 jours de gestation ne change pas meme quand il est cultive sur un milieu synthetique ou seulement les acides amines essentiels, le glucose et les sels sont presents (Soriano et Saxen, 1965). Nous avons choisi la methode de dissociation et reassociation parce qu'elle se montre tres efficace pour etudier la differenciation des tissus chez l'embryon de Poulet: l'epiderme associe a des dermes de regions differentes, se differencie selon l'induction fournie par le derme sous-jacent (Sengel, 1958; Sengel et Abbott, 1962); l'epiderme associe a des mesenchymes de gesier, proventricule, membre et cceur donne des structures qui dependent du type de mesenchyme (McLoughlin, I960, 1961a et b). Cette methode a permis aussi a Sigot (1962, 1963) d'etudier la transformation de l'epithelium de gesier en epithelium de proventricule et vice-versa. L'ensemble de ces travaux montre d'une maniere incontestable comment un epithelium embryonnaire peut changer son type de differenciation lorsqu'il est cultive experimentalement avec des mesenchymes heterogenes. Mais les epitheliums utilises par ces auteurs ne devaient pas etre 'determines' au moment de 1'explantation, et cette 'indetermination' pourrait expliquer le changement radical opere par ces tissus. Au contraire dans le cas de nos experiences, les epitheliums ainsi que les mesenchymes utilises appartiennent a l'embryon de Souris, chez la quelle la determination des tissus embryonnaires pourrait se faire beaucoup plus tot (avant le 13eme jour de gestation). En effet, Golosow et Grobstein (1962) ont fait des associations heterologues entre l'epithelium pancreatique d'embryon de Souris de 12 jours de gestation, et differents mesenchymes, et ont trouve que la cytodifferenciation pancreatique n'est pas affectee qualitativement par les differents mesenchymes employes (glande salivaire, mesonephros, estomac et poumon). Ce qui prouverait que la determination de l'epithelium pancreatique est deja realisee a ce stade de gestation, qui est meme plus precoce que celui que nous avons utilise. L'apparition de kystes sur les explants experimentaux ne peut s'expliquer que comme resultat d'un artefact de culture. En effet, la distension due a la pression du liquide interne determine l'aplatissement des epitheliums, et probablement leur incapacite a donner des Epitheliums pluristratifies. D'ailleurs, on observe souvent ce phenomene dans la culture d'organes. Nous avons deja soupconne l'existence d'une determination precoce de l'epithelium oesophagique (Soriano et coll., 1964) et nous pensons qu'avant la differenciation morphologique des cellules, il existe peut-6tre, une differenciation chimique. Ce probleme a ete analyse par Grobstein (1964) qui a etudie le facteur temps dans les relations entre les epitheliums en voie de differenciation et les mesenchymes sous-jacents. II a demontre que, si dans l'association heterologue entre l'epithelium pancreatique et le mesenchyme salivaire, on 126 L. SORIANO preleve le mesenchyme avant la 30eme heure de culture, la differentiation de l'epithelium pancreatique ne se poursuit pas, tandis que si la meme operation s'efFectue a 48 heures de culture ou plus tard, la synthese des granules de zymogene se produit normalement. De la 30eme a la 48eme heure de culture, l'epithelium pancreatique ne montre aucun signe definitif de differentiation. Cependant un changement critique a ete produit par l'influence du mesenchyme et qui se manifeste, apres un certain temps, sous la forme de la cytodifferenciation. Tous ces changements de proprietes qui precedent l'etat final de differentiation sont appelles 'differentiation chimique ou cachee'. Quel que soit le mecanisme, une conclusion assez certaine peut etre tiree de l'ensemble des resultats presenter: d'une part il semble que chez les embryons de rongeur la determination des tissus soit plus precoce que chez les embryons d'oiseau; d'autre part, que cette periode de determination soit anterieure a 12 jours de gestation, ce qui expliquerait la Constance des structures epitheliales sous l'influence de mesenchymes varies. RESUME On a etudie la differentiation des epitheliums d'cesophage, d'intestin et d'estomac anterieur d'embryon de Souris, preleves a differents stades de la gestation, par la methode de dissociation et reassociation des tissus, en culture in vitro. 1. L'epithelium d'cesophage montre les premiers signes de keratinisation apres 5 jours de culture, quand il est preleve a 12 jours de gestation. 2. L'association de l'epithelium d'oesophage explante a 19 jours de gestation avec du mesenchyme de trachee du meme age, determine toujours la keratinisation d'un tel epithelium. 3. Les associations heterologues entre l'epithelium d'estomac anterieur de 15, 14 et 13 jours de gestation avec des mesenchymes d'intestin des memes ages, produisent toujours soit de la keratinisation soit de la formation d'un epithelium pluristratifie. Des resultats tout-a-fait semblables ont ete trouves lorsque l'epithelium d'estomac anterieur est associe avec du foie et du poumon d'embryon de Souris, ou bien du mesonephros d'embryon de Poulet. 4. Les associations heterologues entre l'epithelium d'intestin de 15, 14 et 13 jours de gestation avec des mesenchymes d'estomac anterieur des memes ages, determinent toujours la differentiation d'un epithelium cylindrique et secretaire, tout-a-fait comparable a celui de l'intestin cultive dans des conditions normales. II a ete conclu que la determination de certains epitheliums du tube digestif chez l'embryon de Souris, se realise avant le 13eme jour de gestation. Cette interpretation pourrait expliquer la persistance du type de differentiation d'un epithelium, quand il est cultive dans des conditions experimentales tres differentes. Differentiation des epitheliums du tube digestif 127 SUMMARY The differentiation in vitro ofepithelia of the digestive tract Oesophageal, intestinal, and anterior stomach epithelia from mouse embryos of different ages were obtained by dissociation and re-association, and cultured in vitro. 1. Oesophageal epithelium from 12-day embryos showed the first signs of keratinization after 5 days in culture. 2. Oesophageal epithelium from 19-day embryos always keratinized when cultured in association with trachael mesenchyme from embryos of the same age. 3. Heterologous associations of 15-, 14-, or 13-day anterior stomach epithelium with intestinal mesenchyme of the same age always produced either keratinization or a pluristratified epithelium. The same results were obtained when this epithelium was associated with a mouse embryo liver, or lung, or even with chick embryo mesonephros. 4. Heterologous association of intestinal epithelium from 15-, 14-, or 13-day embryos with anterior stomach mesenchyme of the same age always leads to the differentiation of a cylindrical and secreting epithelium quite comparable to intestine cultured under normal conditions. It is concluded that the determination of certain epithelia of the digestive tract in the mouse embryo occurs before the 13th day of gestation. This would explain the true-to-type differentiation of an epithelium when subjected to a strange environment in culture. REMERCIEMENTS Ce travail a ete fait grace a l'aide d'une bourse du Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas de la Republica Argentina. L'auteur tient a exprimer sa reconnaissance au Professeur Etienne Wolff pour l'hospitalite qu'il lui accorde dans son laboratoire et pour son encouragement durant ces recherches; et a Mme J. Desveaux-Chabrol pour la preparation du manuscrit. BIBLIOGRAPHIE N. & GROBSTEIN, C. (1962). Epitheliomesenchymal interaction in pancreatic morphogenesis. DeviBiol. 4,242-55. GROBSTEIN, C. (1964). Cytodifferentiation and its control. Science, N. Y. 143 (3607), 643-50. MCLOUGHLIN, C. B. (1960). 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