La peau joue un rôle protecteur essentiel pour le corps humain grâce
à un revêtement continu, fin, souple et résistant, l’épiderme, qui
exerce une fonction barrière, en empêchant la fuite de fluides
plasmatiques et la pénétration de micro-organismes et d’éléments
agressifs de l’environnement.
L’épiderme montre une polarité
marquée tant au niveau structural que fonctionnel.
Son rôle
protecteur est assuré par sa partie la plus superficielle, la couche
cornée, dont l’organisation résulte de modifications biochimiques,
métaboliques et morphologiques qui concernent les principales
cellules épidermiques que sont les kératinocytes, dans leur évolution
depuis leur situation basale au contact du derme, jusqu’à leur
position externe superficielle.
De nombreuses modifications sont impliquées dans le programme
de différenciation du kératinocyte en tant qu’élément cellulaire avec
synthèse de protéines de structures spécifiques, changements dans
la forme des cellules et transformation en cornéocytes (mort cellulaire programmée), aboutissant à la desquamation.
D’autres
modifications correspondent à l’arrangement des espaces intercornéocytaires, assuré en partie par un ciment lipidique
spécifiquement adapté à l’établissement d’une barrière hydrophobe
efficace.
La kératinisation épidermique implique donc divers programmes de
synthèses complémentaires, protéiques et lipidiques, associés à
d’importants changements morphologiques, aboutissant d’une part
à la cornification et à la fonction barrière propre à l’épiderme, et
d’autre part à la desquamation.
Aspects histologiques généraux
:
L’épiderme, épithélium malpighien auquel sont appendus des
annexes, follicules pilosébacés et glandes sudorales, est constitué en
majorité de cellules épithéliales d’origine ectodermique, les
kératinocytes (90 %).
Les autres cellules épidermiques comprennent
les cellules de Langerhans, les mélanocytes et les cellules de Merkel.
L’épaisseur de l’épiderme varie en fonction de la topographie
(50 µm sur les paupières à 1 mm sur les régions palmoplantaires) et
de l’âge (atrophie sénile).
C’est un tissu en renouvellement
permanent, dans lequel le nombre de cellules reste relativement
constant.
Il se compose d’un compartiment germinatif (couche basale) où s’effectuent des mitoses, et d’un compartiment de
différenciation (couches épineuse, granuleuse et cornée) où les kératinocytes subissent des transformations progressives, pour
finalement constituer les cornéocytes qui desquament à la surface
de la peau.
Les kératinocytes de l’assise basale, cellules cylindriques ou cubiques,
établissent une liaison solide avec le derme sous-jacent par
l’intermédiaire d’une membrane basale dont ils élaborent les
principaux constituants (laminines, fibronectine, collagènes IV et VII,
chondroïtines sulfates...), et à laquelle ils sont rattachés par des
contacts focaux et des hémidesmosomes régulièrement espacés à
leur pôle basal.
Le cytoplasme des cellules basales contient de
nombreux mélanosomes, des mitochondries et des paquets peu
denses de filaments de kératine.
Les cellules basales assurent à
l’épiderme son renouvellement par la présence de cellules souches
(10 % environ), qui génèrent une population de cellules
amplificatrices de mitoses.
Les autres kératinocytes basaux,
dérivés des cellules souches, représentent les cellules d’amplification
transitoire, qui expriment le programme de différenciation terminale
et sont à l’origine des cellules suprabasales.
Les cellules souches ne
quittent pas le compartiment basal.
Elles expriment plus fortement
les intégrines b1 et ont été récemment rapportées pour exprimer
spécifiquement le facteur de transcription p63.
La couche épineuse est constituée de quatre à huit assises de cellules
polyédriques, de taille plus importante que les kératinocytes de
l’assise basale.
Elles sont reliées entre elles par de très nombreux desmosomes, qui confèrent à ces cellules un aspect épineux.
Ces
cellules présentent un cytoplasme plus volumineux, des paquets de tonofilaments mieux organisés, et des organites cytoplasmiques plus
nombreux.
Dans les assises supérieures apparaissent les corps
lamellaires (kératinosomes ou corps de Odland).
Ces constituants
ovoïdes de 100 à 200 nm sont issus des vésicules golgiennes.
Ils
contiennent des hydrolases et un empilement de feuillets lipidiques.
Les cellules épineuses s’aplatissent progressivement pour donner
naissance à une ou deux assises de cellules granuleuses caractérisées
par la présence dans leur cytoplasme de granules denses
polygonaux ou ovoïdes, basophiles (grains de kératohyaline).
Les
gros granules sont traversés par des filaments de kératine et sont
formés par l’agrégation de profilaggrine, précurseur de la filaggrine,
protéine matricielle des cornéocytes.
Au cours de la différenciation,
les kératinosomes grossissent, se rapprochent de la partie apicale de
la membrane plasmique avec laquelle ils fusionnent, et leur contenu
est déversé dans l’espace intercellulaire entre les couches granuleuse
et cornée.
La transition entre ces dernières couches est caractérisée
par une série de transformations importantes, avec autolyse des
noyaux et des organites cellulaires et formation de l’enveloppe
cornée sous la membrane plasmique.
La couche cornée, dont
l’épaisseur varie selon les régions corporelles, est constituée d’un
empilement de cellules anucléées très aplaties, les cornéocytes.
Le
cytoplasme de ces cellules est occupé par des filaments de kératine
inclus dans une matrice amorphe, limitée en périphérie par une
paroi épaisse, l’enveloppe cornée, doublée d’une paroi lipidique qui
remplace la membrane plasmique.
Au niveau de la couche la plus
superficielle, les jonctions entre cornéocytes sont dégradées, la
cohésion cellulaire disparaît et les cornéocytes desquament.
Kératines et protéines associées :
A - RAPPEL SUR LES KÉRATINES :
Les kératines représentent une vaste famille multigénique de
filaments intermédiaires exprimés par les cellules épithéliales, et
considérés comme leur marqueur principal de différenciation.
Ces
protéines insolubles sont représentées par 20 polypeptides de poids
moléculaires (PM) et points isoélectriques différents, appelés K1 à
K20.
Ces protéines, exprimées par paires, forment des hétérodimères
qui s’associent pour former des tonofilaments de 10 nm de diamètre.
Les kératines sont des protéines fibreuses de structure a-hélicoïdale.
Elles sont classées en deux groupes sur la base de leur
comportement en électrophorèse bidimensionnelle.
Les kératines de
type I (K9 à K20) correspondent aux protéines les plus légères
(40-64 kDa) et les plus acides, et sont codées par des gènes présents
sur le chromosome 17.
Les kératines de type II (K1 à K8) sont plus
lourdes (52,5-67 kDa), plus basiques et sont codées par des gènes
portés par le chromosome 12.
La structure secondaire des
polypeptides de kératine met en évidence un « core » central
a-hélicoïdal d’environ 310 résidus, flanqué de part et d’autre de
domaines N- et C-terminaux qui varient en longueur et séquence.
La classification des kératines en types repose essentiellement sur
les séquences internes des segments a-hélicoïdaux.
L’organisation
structurale des filaments de kératine est un processus dynamique et
complexe : la sous-unité de base est un dimère formé par
l’enroulement a-hélicoïdal selon un axe parallèle de deux
polypeptides, l’un acide, l’autre basique (on parle de paire) ; des
structures tétramériques (protofilaments) sont réalisées à partir de
deux sous-unités associées de façon antiparallèle, le filament
intermédiaire étant constitué de huit protofilaments enroulés en une
superhélice de 32 polypeptides.
B - KÉRATINES ÉPIDERMIQUES :
Au niveau cutané, les kératines représentent le composant majeur
des kératinocytes.
Elles sont présentes dans toutes les couches de
l’épiderme et au niveau des phanères, mais pour ces dernières, leur
composition est différente (kératines dites « dures »).
La différenciation épidermique s’accompagne de modifications
qualitatives et quantitatives de l’expression des kératines, avec une
densification progressive des faisceaux de filaments (30 % des
protéines dans les cellules basales à 85 % dans les cellules de la
couche cornée) et des modifications physicochimiques
(établissement de ponts disulfures au niveau de la couche cornée).
En outre, l’expression des kératines varie en fonction du degré de
maturation des cellules épidermiques.
Des combinaisons
spécifiques de gènes de kératines de type I et de type II sont
exprimées et régulées de manière très précise.
Dans l’assise
basale, les kératinocytes synthétisent la paire de kératines K5 et K14,
et plus irrégulièrement la kératine K15.
Avec l’initiation du
programme de différenciation, apparaissent les kératines de
différenciation terminale K1 et K10 et, dans la couche granuleuse, la
kératine additionnelle K2e. En cas d’hyperprolifération, les kératines
K6, K16 et K17 sont exprimées.
L’épiderme palmaire et plantaire
contient une sous-unité particulière K9 exprimée par certains
kératinocytes suprabasaux, qui expriment aussi K10.
L’étude de souris transgéniques exprimant des kératines mutées a
mis en évidence le rôle important des filaments de kératines de
l’épiderme, qui fournissent un support structural flexible et résistant,
en l’absence duquel les kératinocytes ne peuvent maintenir leur
intégrité lorsqu’ils sont soumis à une friction mécanique légère.
Les
gènes de kératine peuvent être porteurs de mutations dans la
population humaine, entraînant pour un certain nombre d’entre eux
des maladies bulleuses héréditaires de la peau.
C - PROTÉINES ASSOCIÉES :
Parmi les protéines associées aux kératines, la filaggrine assure des
fonctions importantes dans la maturation de la couche cornée.
Le
précurseur, la profilaggrine, est stocké au niveau de la couche
granuleuse dans une sous-population de grains de kératohyaline ;
c’est une protéine (PM > 450 kDa) riche en acides aminés basiques
(histidine) et en résidus phosphate dont les domaines N- et
C-terminaux lient le calcium.
La filaggrine est présente dans les
assises profondes de la couche cornée.
Elle s’associe aux tonofilaments de kératine et contribue à leur agrégation.
Sa
composition en acides aminés est similaire à celle de la profilaggrine,
mais les phosphates sont éliminés lors de la conversion
profilaggrine-filaggrine.
Elle donne par protéolyse un mélange
d’acides aminés libres et de dérivés (acide urocanique et acide
pyrrolidone carboxylique) présents dans la partie superficielle de la
couche cornée, et qui contribuent à son hydratation.
Jonctions :
Les jonctions jouent un rôle essentiel dans la cohésion épidermique
et dans les fonctions de communication intercellulaire.
Elles
comprennent essentiellement des jonctions gap, des desmosomes et
des jonctions d’adhésion.
Les protéines constitutives des jonctions
serrées (tight junction) sont détectées dans l’épiderme, mais ne
semblent pas constituer des jonctions fonctionnelles.
Au niveau de
l’assise basale, les kératinocytes sont ancrés à la jonction
dermoépidermique par des hémidesmosomes, attachés aux filaments
de kératine par de nombreuses molécules (antigènes de la
pemphigoïde bulleuse 230 et 180 kDa, intégrine a6b4...) et par des
contacts focaux discrets (assurant une connexion aux microfilaments
d’actine à travers la chaîne b1 des intégrines).
Sur leurs
membranes latérales, les kératinocytes basaux expriment les
intégrines a2b1 et a3b1, qui contribuent à leur attachement mutuel à
ce niveau.
Lorsque les kératinocytes quittent le compartiment
prolifératif, ils perdent ces molécules de surface.
Les jonctions « gap » sont des canaux à ouverture variable formés
par des protéines spécialisées, les connexines, permettant des
communications entre cellules jointives.
Leur rôle dans la
coordination du processus de la kératinisation reste peu connu.
Les « jonctions d’adhésion » ressemblent aux desmosomes, mais
diffèrent sur le plan biochimique et fonctionnel.
Elles sont
constituées de cadhérines classiques associées à des microfilaments
d’actine, ce qui leur confère des propriétés de cohésion et de
signalisation intercellulaire.
Leur contribution dans le processus de
différenciation reste à préciser.
Les jonctions les mieux connues sont
les desmosomes.
A - MORPHOLOGIE ET STRUCTURE DES DESMOSOMES :
La cohésion interkératinocytaire est mécaniquement assurée par des
jonctions solides appelées desmosomes qui correspondent aux ponts
intercellulaires particulièrement visibles dans les couches
suprabasales de l’épiderme.
Ces constituants des kératinocytes sont
des structures symétriques constituées de trois parties. Les deux
parties cytoplasmiques ou plaques desmosomales sont des
structures denses, formées sur les feuillets internes de membranes
plasmiques des cellules en contact.
Sur les plaques, viennent
s’insérer les filaments de kératine et les protéines jonctionnelles
transmembranaires.
Ces dernières forment une portion
extracellulaire du desmosome, la desmoglea ou « core » qui, en
présence d’ions calcium, assure la fonction d’adhésion
intercellulaire.
Les desmosomes réunissent les cytosquelettes des
kératinocytes en une suprastructure tissulaire, conférant à
l’épiderme ses propriétés biomécaniques exceptionnelles.
Certains
composants des desmosomes sont impliqués dans de nombreuses
dermatoses auto-immunes.
B - MOLÉCULES ASSOCIÉES AUX DESMOSOMES :
De nombreuses protéines calcium-dépendantes constituant les
desmosomes ont été identifiées.
Les protéines transmembranaires
sont les cadhérines desmosomales qui comprennent les
desmogléines (Dsg 1-3) et les desmocollines (Dsc 1-3).
Ces molécules glycosylées, largement exposées à la face externe de la membrane
plasmique, interviennent dans l’adhésion intercellulaire en
association avec des protéines cytoplasmiques de la famille des
caténines (plakoglobine, b-caténine) et d’autres molécules de type
« armadillo » (plakophilines 1-3).
Les protéines non glycosylées de
la plaque desmosomale comprennent les desmoplakines I et II, la
desmoyokine, la kératocalmine, des protéines de la famille des
plectines et autres molécules dont les rôles ne sont pas élucidés.
Le nombre et la taille des desmosomes augmentent au cours de la
différenciation épidermique, renforçant la cohésion générale à
l’échelle tissulaire.
Les associations entre cadhérines, protéines de
la plaque et éléments du cytosquelette sont contrôlées par des
kinases et des phosphatases membranaires.
C - CORNÉODESMOSOMES :
Au niveau de la couche cornée, la plaque desmosomale disparaît,
intégrée dans l’enveloppe cornée.
Les desmosomes changent
d’aspect et sont biochimiquement modifiés pour devenir des
cornéodesmosomes, qui expriment une protéine spécifique, la
cornéodesmosine.
Celle-ci est synthétisée par les kératinocytes
granuleux, et est sécrétée dans l’espace intercellulaire pour être
incorporée aux desmosomes avant transformation en
cornéodesmosomes.
Cette protéine basique, phosphorylée et
glycosylée, est liée par liaisons covalentes et ponts disulfures à la
face externe des enveloppes cornées.
Ses régions N- et C-terminales
présentent des structures en boucles qui contribuent à ses propriétés
adhésives.
Couche cornée
:
La cornification correspond aux dernières étapes de la différenciation
épidermique, et à un processus de mort cellulaire programmée
particulier qui aboutit à la desquamation, et à laquelle participent
de nombreuses hydrolases.
Pour un territoire cutané donné,
l’épaisseur de la couche cornée est constante en raison du nombre
de cornéocytes qui se détachent de la surface, et qui est strictement compensé par la formation de nouveaux cornéocytes dont le nombre
est lui-même déterminé par le taux de prolifération des
kératinocytes basaux.
La couche cornée comprend essentiellement
deux compartiments, l’un riche en protéines et hydrophile
représenté par les cornéocytes, l’autre formé en majorité de lipides
et hydrophobe, et représenté par l’espace intercornéocytaire.
A - CORNÉOCYTES ET ENVELOPPE CORNÉE
:
Les cornéocytes contiennent essentiellement une matrice dense
enserrant des filaments au sein d’une enveloppe protéique
caractéristique, l’enveloppe cornée.
Cette paroi, apposée à la face
interne de la membrane plasmique, présente une structure
hautement résistante, qui résulte de l’établissement de ponts disulfures et de liaisons covalentes ou ponts isopeptidiques
e-(c-glutamyl) lysine entre différents précurseurs protéiques, sous
l’action d’enzymes, les transglutaminases, présentes préférentiellement
au niveau de la couche granuleuse, et activées par une
augmentation du calcium cytosolique.
De nombreuses protéines, associées à la membrane des kératinocytes
ou stockées dans les grains de kératohyaline, participent à
l’élaboration de l’enveloppe cornée.
L’involucrine (68 kDa), riche
en glutamine et lysine, est exprimée dans la partie supérieure de la
couche épineuse et dans la couche granuleuse.
Elle se trouve liée
aux desmoplakines, et avec l’envoplakine et la périplakine, elle
constitue un support à l’enveloppe cornée.
La kératolinine
(36 kDa) ou cystatine A, riche en glutamine, résulte de la
polymérisation de monomères de 6 kDa.
Les cornifines ou small
proline-rich proteins (SPRP) sont exprimées dans les couches épineuse
et granuleuse avec la trichohyaline (248 kDa) et la cystein-rich protein
(CRP) (16 kDa).
Ces molécules, dans les stades ultimes de la
différenciation kératinocytaire, sont rendues insolubles par
l’établissement de liaisons covalentes sous l’action des
transglutaminases épidermiques, pour être intégrées à l’enveloppe
cornée.
Le précurseur majeur de l’enveloppe des cornéocytes, la
loricrine (26 kDa), est localisée à la face interne de la paroi des
cornéocytes.
Particulièrement riche en glycine (47 %), sérine et
cystéine, cette protéine est hautement insoluble.
D’autres
précurseurs comme les pancornulines et la scielline ont aussi été
décrits.
B - LIPIDES INTERCELLULAIRES :
Les lipides des espaces intercornéocytaires dérivent de glycolipides
et de phospholipides synthétisés par les kératinocytes épineux et
granuleux.
Ils consolident la cohésion des cornéocytes et confèrent
à la couche cornée ses propriétés imperméables.
Le contenu
lipidique de l’épiderme est le résultat final de la lipogenèse kératinocytaire et sébacée.
Il est relativement constant pour un site
donné, mais varie selon la localisation (face, bras, paume de main).
Dans l’épiderme normal, un mélange de lipides neutres et polaires
prédomine dans les couches profondes et est progressivement
remplacé par un contenu plus apolaire, incluant des céramides, des
stérols libres et des acides gras libres, ainsi que des quantités
variables de triglycérides, esters de stérol et autres composants non
polaires.
Il existe une relation particulière entre la composition du
ciment lipidique intercellulaire et la qualité de la fonction barrière
de la couche cornée.
Les céramides ont un rôle primordial dans
la fonction d’imperméabilité à l’eau.
Les lipides synthétisés par les kératinocytes sont acheminés à la surface par les kératinosomes.
Ils
sont sécrétés dans les espaces intercellulaires et s’auto-organisent
sous l’action d’enzymes, dont la phospholipase A2, en feuillets
continus alignés parallèlement aux membranes cellulaires des
cornéocytes.
Le nombre de lamelles lipidiques extracellulaires et le
degré de leur organisation augmentent progressivement des assises
profondes aux assises les plus superficielles de la couche cornée où
le ciment lipidique se fissure.
Les espaces intercornéocytaires les
plus superficiels contiennent des triglycérides et du squalène
sécrétés par les glandes sébacées.
C - DESQUAMATION :
La dégradation définitive des jonctions protéiques, cadhérines
desmosomales et cornéodesmosine, sous l’action d’enzymes
protéolytiques, aboutit au détachement complet et à la
desquamation des cornéocytes superficiels.
Cette étape ultime du
processus de différenciation épidermique est réalisée par des
protéases spécifiques, dont la mieux connue est l’enzyme chymotryptique du stratum corneum (SCCE : stratum corneum
chymotryptic enzyme).
Cette sérine protéase est synthétisée sous
forme d’un précurseur inactif sécrété dans l’espace intercellulaire à
l’interface entre couches granuleuse et cornée.
Des inhibiteurs de
protéases sont aussi présents au niveau de la couche cornée et
contribuent à la régulation de la desquamation.
Une autre enzyme,
la desquamine (40 kDa), issue d’un précurseur, la
« prédesquamine », se fixe sur des glycoprotéines de la surface des
cornéocytes.
Elle possède une activité nucléasique et de type
trypsine, et joue un rôle important dans la desquamation.
De
nombreuses glycosidases endogènes, issues des kératinosomes,
contribuent à diminuer le niveau de glycosylation des structures
jonctionnelles et à amplifier leur dissociation au niveau de la couche
cornée.
Il est probable que le degré d’hydratation et le niveau
d’expression de certains lipides des espaces intercornéocytaires,
comme le sulfate de cholestérol, jouent aussi un rôle dans cette
régulation.
Principaux facteurs de régulation
de la kératinisation épidermique :
L’équilibre entre prolifération et différenciation des kératinocytes est
fondamental, pour assurer une architecture correcte à l’épiderme et
lui conférer une fonction barrière normale.
Cet équilibre est
conditionné par un grand nombre de facteurs diffusibles (facteurs
de croissance et de différenciation, calcium extracellulaire, cytokines,
hormones, vitamines...) produits par les cellules épidermiques ellesmêmes,
mais aussi par les interactions entre kératinocytes et cellules
dermiques, pouvant agir en synergie ou de manière antagoniste.
Les études de transplantation, de cicatrisation, et les cultures de kératinocytes sur diverses matrices ont permis d’apprécier les effets
de ces facteurs qui peuvent agir de manière autocrine ou exercer
des effets paracrines pour moduler la différenciation en activant la
transcription de gènes spécifiques.
Les kératinocytes activés sous
l’effet de facteurs environnementaux ont un programme de
différenciation perturbé.
Les facteurs de croissance représentent d’importants médiateurs de
la communication intercellulaire et exercent un rôle régulateur par
le biais de récepteurs membranaires qui ont une activité tyrosine
kinase.
Epidermal growth factor (EGF), keratinocyte growth factor
(KGF), transforming growth factor (TGF) a et b sont actuellement les
mieux connus.
Parmi les dérivés vitaminiques, les rétinoïdes
(dérivés de la vitamine A) sont d’importants régulateurs de la
prolifération et de la différenciation kératinocytaire. In vitro, ils
inhibent la différenciation terminale des kératinocytes par inhibition
de l’expression des kératines K1 et K10 et réduction de l’expression
de la filaggrine et de la loricrine.
In vivo, ils régulent l’expression
des kératines associées à l’hyperprolifération kératinocytaire.
Ils
exercent des effets sur la glycosylation et ont une incidence sur la
cohésion kératinocytaire.
Les rétinoïdes agissent après transport vers
le noyau par une protéine vectrice cytoplasmique, puis liaison à des
récepteurs nucléaires spécifiques appartenant à la famille des
récepteurs des stéroïdes.
Ces composés ont montré leur efficacité
pour corriger de nombreux troubles de la kératinisation.
Plus
récemment, les dérivés de la vitamine D ont été aussi utilisés, car ils
agissent sur le cycle cellulaire en diminuant les cellules en phase S
et influent sur la différenciation en augmentant l’activité transglutaminase.
Les dérivés de la vitamine D peuvent être
synthétisés par les kératinocytes sous l’action des ultraviolets (UV)
et leurs mécanismes d’action sont similaires à ceux des hormones
stéroïdes.
Conclusion
:
La kératinisation épidermique implique des processus coordonnés de
division et de différenciation des kératinocytes.
L’épiderme se renouvelle
grâce à l’existence d’une population particulière de cellules souches.
Il
conserve une épaisseur constante par desquamation, au terme du
processus de différenciation, par dégradation des feuillets lipoprotéiques
cornéocytaires et digestion enzymatique des cornéodesmosomes.
L’ensemble de ces phénomènes est coordonné et intégré dans le
processus dynamique de la différenciation kératinocytaire auquel
participe un grand nombre de gènes et de molécules.
De nombreux
signaux contribuent à l’induction d’une différenciation, dont les plus
importants comprennent un blocage de l’activité mitotique, une
diminution puis une perte de l’expression des intégrines, l’acquisition
de composants desmosomaux et de protéines de jonction sous
l’influence de kinases et phosphatases membranaires, une modification
de la perméabilité de la membrane plasmique, afflux de calcium
intracellulaire et activation des transglutaminases.
Les schémas de
régulation sont complexes ; ils peuvent être modifiés sous l’influence de
nombreux signaux endogènes (interactions dermoépidermiques,
facteurs d’origine endothéliale, médiateurs de l’inflammation...), ou de
facteurs exogènes (UV, virus...).
De manière très générale, toute
rupture de l’homéostasie épidermique s’accompagne d’anomalies dans
l’expression du programme de différenciation épidermique.
L’étude de
ce programme, la connaissance des gènes impliqués et leur régulation
ont permis une meilleure compréhension de la kératinisation
épidermique normale et des désordres associés.
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