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Novotny J, Oberdieck P, Titova A, Pelisek J, Chandraratne S, Nicol P, Hapfelmeier A, Joner M, Maegdefessel L, Poppert H, Pircher J, Massberg S, Friedrich B, Zimmer C, Schulz C, Boeckh-Behrens T. Thrombus NET content is associated with clinical outcome in stroke and myocardial infarction. Neurology 2020; 94:e2346-e2360. [PMID: 32434865 DOI: 10.1212/wnl.0000000000009532] [Citation(s) in RCA: 80] [Impact Index Per Article: 20.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/08/2019] [Accepted: 01/07/2020] [Indexed: 01/21/2023] Open
Abstract
OBJECTIVE To investigate whether immune cell composition and content of neutrophil extracellular traps (NETs) in relation to clinical outcome are different between acute ischemic stroke (AIS) and acute myocardial infarction (AMI), we performed histologic analysis and correlated results with clinical and procedural parameters. METHODS We retrieved thrombi from patients with AIS (n = 71) and AMI (n = 72) during endovascular arterial recanalization and analyzed their immune cell composition and NET content by immunohistology. We then associated thrombus composition with procedural parameters and outcome in AIS and with cardiac function in patients with AMI. Furthermore, we compared AIS thrombi with AMI thrombi and differentiated Trial of Org 10172 in Acute Stroke Treatment classifications to address potential differences in thrombus pathogenesis. RESULTS Amounts of leukocytes (p = 0.133) and neutrophils (p = 0.56) were similar between AIS and AMI thrombi. Monocytes (p = 0.0052), eosinophils (p < 0.0001), B cells (p < 0.0001), and T cells (p < 0.0001) were more abundant in stroke compared with AMI thrombi. NETs were present in 100% of patients with AIS and 20.8% of patients with AMI. Their abundance in thrombi was associated with poor outcome scores in patients with AIS and with reduced ejection fraction in patients with AMI. CONCLUSION In our detailed histologic analysis of arterial thrombi, thrombus composition and especially abundance of leukocyte subsets differed between patients with AIS and AMI. The presence and amount of NETs were associated with patients' outcome after AIS and AMI, supporting a critical impact of NETs on thrombus stability in both conditions.
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Affiliation(s)
- Julia Novotny
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Paul Oberdieck
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Anna Titova
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Jaroslav Pelisek
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Sue Chandraratne
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Philipp Nicol
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Alexander Hapfelmeier
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Michael Joner
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Lars Maegdefessel
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Holger Poppert
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Joachim Pircher
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Steffen Massberg
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Benjamin Friedrich
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Claus Zimmer
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany
| | - Christian Schulz
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany.
| | - Tobias Boeckh-Behrens
- From the Medizinische Klinik und Poliklinik I (J.N., P.O., A.T., S.C., J. Pircher, S.M., C.S.), Klinikum der Universität München, Ludwig-Maximilians-Universität; DZHK (German Center for Cardiovascular Research) (J.N., P.N., M.J., L.M., J. Pircher, S.M., C.S.), Partner Site Munich Heart Alliance; Klinik und Poliklinik für Vaskuläre und Endovaskuläre Chirurgie (J. Pelisek, L.M.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; Deutsches Herzzentrum München (P.N., M.J.), Technische Universität München; Institute of Medical Informatics (A.H.), Statistics and Epidemiology, School of Medicine, Technische Universität München; Neurologische Klinik und Poliklinik (H.P.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München; and Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Neuroradiologie (B.F., C.Z., T.B.-B.), Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, Germany.
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Bryzek D, Ciaston I, Dobosz E, Gasiorek A, Makarska A, Sarna M, Eick S, Puklo M, Lech M, Potempa B, Potempa J, Koziel J. Triggering NETosis via protease-activated receptor (PAR)-2 signaling as a mechanism of hijacking neutrophils function for pathogen benefits. PLoS Pathog 2019; 15:e1007773. [PMID: 31107907 PMCID: PMC6544335 DOI: 10.1371/journal.ppat.1007773] [Citation(s) in RCA: 32] [Impact Index Per Article: 6.4] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/12/2018] [Revised: 05/31/2019] [Accepted: 04/21/2019] [Indexed: 12/31/2022] Open
Abstract
Neutrophil-derived networks of DNA-composed extracellular fibers covered with antimicrobial molecules, referred to as neutrophil extracellular traps (NETs), are recognized as a physiological microbicidal mechanism of innate immunity. The formation of NETs is also classified as a model of a cell death called NETosis. Despite intensive research on the NETs formation in response to pathogens, the role of specific bacteria-derived virulence factors in this process, although postulated, is still poorly understood. The aim of our study was to determine the role of gingipains, cysteine proteases responsible for the virulence of P. gingivalis, on the NETosis process induced by this major periodontopathogen. We showed that NETosis triggered by P. gingivalis is gingipain dependent since in the stark contrast to the wild-type strain (W83) the gingipain-null mutant strain only slightly induced the NETs formation. Furthermore, the direct effect of proteases on NETosis was documented using purified gingipains. Notably, the induction of NETosis was dependent on the catalytic activity of gingipains, since proteolytically inactive forms of enzymes showed reduced ability to trigger the NETs formation. Mechanistically, gingipain-induced NETosis was dependent on proteolytic activation of protease-activated receptor-2 (PAR-2). Intriguingly, both P. gingivalis and purified Arg-specific gingipains (Rgp) induced NETs that not only lacked bactericidal activity but instead stimulated the growth of bacteria species otherwise susceptible to killing in NETs. This protection was executed by proteolysis of bactericidal components of NETs. Taken together, gingipains play a dual role in NETosis: they are the potent direct inducers of NETs formation but in the same time, their activity prevents P. gingivalis entrapment and subsequent killing. This may explain a paradox that despite the massive accumulation of neutrophils and NETs formation in periodontal pockets periodontal pathogens and associated pathobionts thrive in this environment. Periodontitis, or gum disease, is characterized by chronic inflammation and erosion of the tooth-supporting tissues. The condition is fuelled by bacterial accumulation on the tooth surface below the gum line that resists the host innate immune response, including massive accumulation of neutrophils. Despite possessing a formidable array of bactericidal machineries, including neutrophil extracellular traps (NETs) formation whereby neutrophils release DNA-composed fibers decorated with bactericidal proteins and peptides to efficiently trap and kill bacteria. Nevertheless, neutrophils in periodontitis are unable to clear the infection due to the presence of key periodontal pathogens, including Porphyromonas gingivalis. This bacterium secretes a variety of virulence factors, including proteases (gingipains) that allow the organism to manipulate the host immune response to benefit the entire dysbiotic microbial community. Here, we describe a unique strategy whereby P. gingivalis trigger NET formation through gingipain-dependent cleavage of Protease Activated Receptor (PAR)-2 on the neutrophil surface. Importantly, NETs formed in this way are deficient in antibacterial activity but instead, supports bacterial growth due to degradation of bactericidal components by gingipains. This finding may explain a paradox that dysbiotic bacteria flourished in periodontal pockets in spite of massive accumulation of neutrophils and abundant NETs formation.
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Affiliation(s)
- Danuta Bryzek
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Izabela Ciaston
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Ewelina Dobosz
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Anna Gasiorek
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Anna Makarska
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Michal Sarna
- Department of Biophysics, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Sigrun Eick
- Department of Periodontology, School of Dental Medicine, University of Bern, Bern, Switzerland
| | - Magdalena Puklo
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
| | - Maciej Lech
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
- Klinikum der Ludwig-Maximilians-Universität München, Medizinische Klinik und Poliklinik IV, Department of Nephrology, Munich, Germany
| | - Barbara Potempa
- Department of Oral Immunity and Infectious Diseases, University of Louisville School of Dentistry, University of Louisville, Louisville, Kentucky, United States of America
| | - Jan Potempa
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
- Department of Oral Immunity and Infectious Diseases, University of Louisville School of Dentistry, University of Louisville, Louisville, Kentucky, United States of America
- * E-mail: (JP); (JK)
| | - Joanna Koziel
- Department of Microbiology, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University, Krakow, Poland
- * E-mail: (JP); (JK)
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