Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Physiologie des Herzens

  Vor- und Nachlast, Reflexe und hormonelle Wirkungen
© H. Hinghofer-Szalkay
Bainbridge-Reflex: Francis A. Bainbridge
Bezold-Jarisch-Reflex: Albert v. Bezold, Adolf Jarisch
Frank-Starling-Mechanismus: Otto Frank, Ernest Starling
Gauer-Henry-Reflex: Otto Gauer, James Henry
inotrop:
ἰνός = Muskel, τρόπος = Richtung, Wendung




Blut strömt aus der Kreislaufperipherie zum rechten Herzvorhof - angetrieben durch ein Druckgefälle: Je höher der periphere ("systemische") Druck und je geringer der Vorhofdruck, desto leichter bewegt sich das Blut herzwärts. Die Strömung nimmt mit dem Druckunterschied zu, die Kurve des venösen Rückstroms (venous return) quantifiziert diese Beziehung. Dazu kommt: Während der Systole "saugt" das Herz Blut aus dem Venensystem an.

Entsprechend dem Frank-Starling-Mechanismus fällt die Systole umso stärker aus, je mehr Blut in der Diastole in die Kammer eingelagert wurde. Die Darstellung als Druck-Strömungs-Diagramm heisst Starling-Kurve. Beide Kurven (venöser Rückstrom und Starling) überschneiden sich im aktuellen Zustandspunkt des kardiovaskulären Systems (Gefäßsystem und Herz sind hydromechanisch zusammengeschaltet) - sozusagen als Kompromiss zwischen der Mechanik des Kreislaufs und derjeniger des Herzens.

Der Druck im Vorhof ist kardiologisch aufschlussreich: Im rechten Vorhof wird er als zentraler Venendruck (CVP: central venous pressure), im linken Vorhof als pulmonalkapillärer Druck (PCWP: pulmonary capillary wedged pressure) bezeichnet. Diese Druckwerte können mittels Herzkathetern ermittelt werden.

Änderungen von Ventrikelkraft, Blutvolumen, Gefäßdehnbarkeit oder peripherem Strömungswiderstand äußern sich in charakteristischen Verlagerungen der entsprechenden Druck-Volumen-Beträge. So wird bei körperlicher Belastung das Herzminutenvolumen (Strömung) stark erhöht, der Vorhofdruck kann dabei unverändert bleiben, wenn sich die Zustandskurven - venöser Rückstrom und Starling - entsprechend verschieben (höhere Inotropie des Herzens, erleichterter venöser Rückstrom aus der Peripherie).

Unter physiologischen Bedingungen sind die Aktionen von Herz und Kreislauf gut aufeinander abgestimmt. Das ermöglichen Feedback-Mechanismen: Die Herzwände sind mit Rezeptoren ausgestattet, die Reflexe auslösen und als Volumen- oder Frequenzwächter auftreten können. Auch ist das Herz ein hormonbildendes Organ: Natriuretische Peptide werden bei starker Dehnung in den Kreislauf freigesetzt und erhöhen u.a. die renale Salz- und Wasserausscheidung. Auf diese Weise wird das Blutvolumen gesenkt und das Herz entlastet (was auch durch Diuretika bezweckt wird, wenn der Blutdruck zu hoch oder das Herz überfordert ist).


Venöser Rückstrom Rezeptoren und Reflexe Natriuretische Peptide    Vorlast und Nachlast

Core messages
 
Das Niederdrucksystem wirkt als Blutreserve für das Herz
 
Wie sind Gefäßsystem und Herz funktionell aufeinander abgestimmt? Einerseits fließt dem rechten Herzen Blut aus dem Körper zu (venöser Rückstrom), andererseits pumpt das linke Herz Blut in das arterielle System (wo eine bestimmte arterielle Impedanz herrscht). Das Herz fungiert als Förderpumpe, mit dem Lungenkreislauf zwischen rechter und linker Herzhälfte.
 

>Abbildung: Effekte (rote Pfeile) von Blutvolumen, Inotropie und peripherem Widerstand auf die Druck-Strömungs-Charakteristika im Kreislauf
Nach Vorlagen bei McGraw-Hill 2006


Oben: Erhöhung des Blutvolumens (venöse Rückstromkurve nach rechts verlagert) steigert Vorlast und Herzminutenvolumen.
 
Mitte: Stärkung des Herzschlags (positive Inotropie) erhöht das Herzzeitvolumen (cardiac output) und senkt die Vorlast.
 
Unten: Vasokonstriktion (erhöhter peripherer Widerstand) senkt das Herzzeitvolumen.
 
Schnittpunkte (grün): Druck- und Strömungswerte, die sowohl der Funktionskurve des Herzens als auch derjeniger des Gefäßsystems entsprechen. Andere Zustände sind nicht möglich, da Herz und Kreislauf gekoppelt sind.
 
Venous return -Kurve: Der Druckabfall von der Kreislaufperipherie (Schnittpunkte der blauen Kurven mit der Abszisse: "Systemdruck", mean systemic pressure) zum rechten Vorhof treibt Blut in das Herz (venöser Rückstrom)

Cardiac output -Kurve s. Starling-Mechanismus

Venöser Rückstrom und Pumpfunktion des Herzens haben jeweils ihre eigene Druck-Strömungs-Charakteristik. An der Schnittstelle zwischen Herz und Gefäßsystem ergibt die Überschneidung dieser beiden Funktionen den aktuellen “Arbeitspunkt” des Herzens - definiert als Schnittpunkt der Kurve für Herzzeitvolumen (cardiac output - Frank-Starling-Mechanismus ) und venösem Rückstrom (venous return).

Strömungsgesetz: Das Blut strömt aus der Kreislaufperipherie aufgrund eines treibenden Drucks zum Herzen, und der Betrag des Herzzeitvolumens (HZV) ist proportional dem Unterschied von peripherem (Venolen-) Druck (mittlerer systemischer Druck pms) und dem (diastolischen) Druck im rechten Herzen (Füllungsdruck, Zentralvenendruck, rechtsatrialer Druck pra):
 
HZV ~ pms - pra
 
Dieser Druck beträgt einige mm Hg (vgl. dort). Steigt der periphere Druck, nimmt der Transport von Blut zum Herzen (und das Herzminutenvolumen) zu; steigt der Zentralvenendruck, nehmen diese Werte ab.

Kommt es zu einer Einengung im venösen Rückstromgebiet (Erhöhung des Strömungswiderstandes, etwa durch Kompression der unteren Hohlvene), dann flacht sich die Kurve des venösen Rückstroms ab, d.h. bei gegebenem Druckunterschied fließt weniger Blut zum Herzen. Das kann zu Erniedrigung der kardialen Auswurfleistung und im Extremfall zu Kreislaufkollaps führen.
 
Rezeptoren und reflektorische Steuerung
 
Verschiedene Signale aus Vorhöfen, Ventrikeln und herznahen Gefäßen werden von kardiopulmonalen Rezeptoren als Aktionspotentialfrequenzmuster kodiert und über den Vagusnerv (X) an das Kreislaufzentrum (nucl. tractus solitarii) übermittelt. Diese Niederdruckrezeptoren projizieren auch auf andere Kerne des Kreislaufzentrums sowie auf den Hypothalamus. Ihre Gesamtwirkung ist eine inhibitorische auf Herzfrequenz und peripheren Widerstand, also ähnlich wie die der arteriellen Barorezeptoren in Karotissinus und Aortenbogen.

Über Wirkung im Hypothalamus kann auch die Sekretion von Vasopressin vom Herzen aus reflektorisch beeinflusst werden. Nach dem Gauer-Henry-Reflex bewirkt Erhöhung des Drucks im Bereich des rechten Vorhofs über Vasopressin Diurese - beim Menschen spielt dieser (bei Hunden beobachtete) Reflex eine untergeordnete Rolle, hier führt kardiale Drucksteigerung vor allem zu Volumenregulation über natriuretische Peptide.

Sinkender Druck (mangelnder venöser Rückstrom!) aktiviert neurale und humorale Mechanismen, welche die Vorlast des Herzens wieder steigern. Der Bezold-Jarisch-Reflex wird durch Rezeptoren im Ventrikel ausgelöst: Es ist ein vagaler Schutzreflex, der zu Verlangsamung des Herzschlags führt und den Blutdruck erniedrigt. Dieser Reflex kann durch Minderdurchblutung, Sauerstoffmangel, Serotonin ausgelöst werden.

Die kardiomulmonalen Rezeptoren fallen in folgende Kategorien:

      Ventrikuläre Chemorezeptoren: Sie bilden den Großteil der nichtmyelinisierten Afferenzen (C-, einige Aδ-Fasern) und melden über sympathische und parasympathische Bahnen Schmerzimpulse an das Gehirn. Aktivierbar sind sie durch Stoffe, die aus ischämischen Myozyten frei werden - Adenosin, Bradykinin, Prostaglandine, Histamin, Serotonin, Thromboxan aus Blutplättchen, Laktat, K+-Ionen, Sauerstoffradikale (Angina pectoris!). Solche Meldungen bewirken eine reflektorische Erhöhung des Sympathikustonus (Bradykardie, Blutdruckanstieg, evt. Arrhythmien).
  
      Myelinisierte veno-atriale Mechanorezeptoren: Sie verteilen sich auf die Einmündungsgebiete der Zustromgefäße beider Vorhöfe und signalisieren das zentrale Blutvolumen. Die sensiblem Fasern liegen endokardial und erinnern an mechanosensible Fasern in arteriellen Barosensoren. Hier unterscheidet man weiter

    Vorhofrezeptoren (A-Rezeptoren): Sie signalisieren mechanische Reizung während der Vorhofkontraktion - synchron mit der a-Welle im Venenpuls. Sie wurden als Herzfrequenzfühler beschrieben. Bei stärkerer Dehnung der Vorhofrezeptoren (rasche Infusion größerer Mengen Kochsalz) und niedriger Herzfrequenz wird der Bainbridge-Reflex über vagale Afferenzen und Wirkung auf das Kreislaufzentrum aktiviert: Das Herz schlägt schneller - dadurch werden die Vorhöfe entlastet.

    Hohlvenenrezeptoren (B-Rezeptoren): Sie melden das Ausmaß passiver Dehnung - und damit indirekt Information über die Höhe des zentralen Venendrucks; sie feuern während des frühdiastolischen Druckanstiegs, synchron mit der v-Welle des Venenpulses. Ihre Reizung reduziert den Sympathikustonus, senkt so den Blutdruck (ähnlich wie beim Barorezeptorreflex) und bremst den Renin- Angiotensin- Aldosteron- Mechanismus, was zu Volumenentlastung führt.
  
      Nichtmyelinisierte Mechanorezeptoren im Herzmuskel: Sie übertragen Mechanosensibilität aus dem gesamten Herzen und der Pulmonalarterie über sympathische und parasympathische Bahnen. Sie veranlassen bei enddiastolischen Drucksteigerungen - z.B. bei tiefer Einatmung - Bradykardie und Vasodilatation.
  
      Barorezeptoren in den Koronararterien: Sie funktionieren wie andere arterielle Barorezeptoren und wirken stärker als Mechanorezeptoren im Ventrikelbereich.
  

<Abbildung: Arterielle und kardiopulmonale Barorezeptoren: Afferenzen und Efferenzen
Nach einer Vorlage in
Stowe D, Ebert T. Sympathomimetic and sympatholytic drugs. In A. Evers, M. Maze, & E. Kharasch (Eds.), Anesthetic Pharmacology: Basic Principles and Clinical Practice (pp. 648-665). Cambridge University Press 2013

Afferenzen (von Herz und Gefäßen) zum, und Efferezen (zu Herz und Gefäßen) vom Kreislaufzentrum laufen über sympathische und parasympathische (IX, X) Nervenbahnen

Im Gegensatz zu arteriellen Rezeptoren, welche den Gefäßwiderstand generell im Körper beeinflussen, nimmt bei Reizung der B-Rezeptoren im Vorhof nur der Widerstand der Nierengefäße ab und die renale Perfusion zu. Das verstärkt die Diurese und reduziert das Blutvolumen (negatives feedback).
 
Vorlast und Nachlast
  
Steigender Füllungsdruck wird vom Herzen auch direkt beantwortet: Durch Freisetzung natriuretischer Peptide (atrial: ANP, brain: BNP, letzteres klinisch als Herzinsuffizienzmarker verwendet, da es von den Ventrikeln gebildet wird: Je schwerer die Insuffizienz, desto höher die BNP-Spiegel im Plasma).
 
 
>Abbildung: Wirkung atrialen natriuretischen Peptids (ANP)
Modifiziert nach Silver MA et al, BNP Consensus Panel 2004: A clinical approach for the diagnostic, prognostic, screening, treatment monitoring and therapeutic roles of natriuretic peptides in cardiovascular diseases. Congest Heart Fail. 2004; 10: 1–30

Natriuretische Peptide aus dem Herzen wirken vasodilatierend, natriuretisch, auf das Herz relaxierend (lusitrop), und hemmen Sympathikustonus und antagonistische Hormone


ANP wird in Herzmuskelzellen (myoendokrinen Zellen) - vor allem im Bereich des rechten Vorhofs, etwas auch im linken Vorhof sowie im Ventrikelmyokard - gebildet und in Vesikeln gespeichert. Bei Dehnung der Herzräume (Anstieg des Blutvolumens, Steigerung des Zentralvenendruckes) wird es freigesetzt. Eine Kochsalzinfusion oder Kippen von aufrechter zu liegender Körperposition genügt bereits zur Auslösung dieses Effekts.
 

Akuter Anstieg des Zentralvenendrucks führt zu Atriopeptinfreisetzung
 
Rezeptoren: Natriopeptide wirken über membranständige ANP-Rezeptoren: NPR-1, NPR-2 und NPR-3. NPR-1 oder Guanylatzyklase A (GC-A) fördert die Entstehung von cGMP, das als second messenger dient.
 
Der ANP-Rezeptor NPR-1 ist eine membranständige Guanylatzyklase
 
Natriuretische Peptide wirken vasodilatatorisch, diuretisch und natriuretisch, senken die kardiale Vorlast und entlasten somit das Herz. Dadurch nehmen extrazelluläres Flüssigkeitsvolumen und Blutdruck ab. Kochsalzmenge, Plasmavolumen, kardiale Vorlast und diastolische Dehnung des Herzmuskels nehmen ab.
 
Atriopeptin wirkt natriuretisch, indem es die glomeruläre Filtration steigert, die Na+-Rückresorption hemmt und die Aldosteronbildung reduziert
 
Atriopeptin hat darüber hinaus lipolytische Effekte: Es bewirkt Fettsäureoxidation, erhöhten Energieumsatz, verstärkte Insulinwirkung und hilft so, das Körpergewicht zu senken.
   
Indikatoren für Vor- und Nachlast

Sowohl vom Herzmuskel (80% unmyelinisiert, vor allem aus den Ventrikeln; 20% myelinisiert, aus den Vorhöfen) als auch von der Pulmonalarterie ziehen zahlreiche Afferenzen zum nucl. tractus solitarii im Hirnstamm.
 

Rechtes Herz

  
   Der zentrale Venendruck (ZVD) - der mittlere Blutdruck im Bereich des rechten Herzvorhofs - dient Maß für die Vorlast (preload).

Ein Anstieg des ZVD kann durch Rückstau vor dem Herzen (Insuffizienz) oder Lungenkreislauf (Sauerstoffmangel, Embolie) sowie Erhöhung des Blutvolumens (>Abbildung oben) bedingt sein. Der ZVD nimmt bei Aufrichten des Körpers (Blutumverteilung in untere Körperpartien) oder Blutverlust (mangelnde systemische Füllung) ab. Er kann mittels Zentralvenenkatheter gemessen werden - intraoperativ oder bei Intensivpatienten, um den Kreislaufzustand zu überwachen.

  
   Die Nachlast (afterload) des rechten Ventrikels ist durch den pulmonalarteriellen Druck gegeben.
 

<Abbildung: Linksdiastolische Druck-Volumen-Relation in Abhängigkeit von körperlichem Training
Nach Harridge SDR, Lazarus NR, Physical Activity, Aging, and Physiological Function. Physiology 2017; 32: 152-61

In Gruppen zu je 25 Personen - Untrainierte, unregelmäßig und regelmäßig Trainierte sowie Spitzensprotler - wurde mittels Herzkatheter (Druck) und Echokardiografie (Volumen) die Beziehung des pulmonalkapillären Drucks (Pulmonary capillary wedge pressure) als Funktion des normierten linksventrikulären enddiastolischen Volumens (Volumenindex: ml pro Quadratmeter Hautoberfläche) untersucht.
 

Bei niedrigem Trainingszustand ist die Kurve nach links verschoben und steil, was auf weniger dehnbare, steifere Ventrikelwände hinweist. Gut bis sehr gut Trainierte haben rechtsverschobene und flachere Druck-Volumen-Kurven (besser dehnbare Wände, höhere Volumencompliance)

Linkes Herz
 
     Der pulmonalkapilläre Druck (PCWP = pulmonary capillary wedge pressure) wird als Maß für diastolische Füllung und Vorlast des linken Ventrikels angesehen.

Messung: Eine Sonde wird vom rechten Ventrikel aus in eine Verzweigung der Pulmonalarterie vorgeschoben und mittels aufgeblasenem Ballon an der Sondenspitze "eingekeilt" - daher der Name, wedge = Keil; dadurch wird die Messstelle hydrostatisch vom pulmonalarteriellen Druck entkoppelt und mit dem Lungenkapillargebiet verbunden.

Die Beziehung des PCWP zum enddiastolischen Volumen hängt stark von der körperlichen Fitness ab; Training erhöht die ventrikuläre Compliance und verschiebt damit die Druckkurve zu höheren Füllungsvolumina (<Abbildung).

  
   Die Nachlast für den linken Ventrikel ist die arterielle Impedanz (dynamischer Widerstand an der Aortenwurzel während der Austreibungszeit), klinisch wird sie durch die Höhe des arteriellen Blutdrucks abgeschätzt.
 
rechter Ventrikel
linker Ventrikel
Maß für die Vorlast (preload)
Maß für die Nachlast (afterload)
Maß für die Vorlast (preload) Maß für die Nachlast (afterload)
Zentralvenendruck
Pulmonalarteriendruck
PCWP
Arterieller Blutdruck
  


>Abbildung: Vorhofrezeptor- (Bainbridge-) Reflex
Nach einer Vorlage in tmedweb.tulane.edu

Steigt der Druck in den Vorhöfen des Herzens, kommt es über vagale Afferenz zur Auslösung des Bainbridge-Reflexes: Der Sympathikustonus nimmt zu, der parasympathische sinkt.
 
Steigerung der Herzleistung senkt den Vorhofdruck


Rasche Volumensteigerung (z.B. durch Wechsel von aufrechter zu liegender Körperlage - orthostatische Reaktion -, oder Infusion volumenwirksamer Flüssigkeit) erhöht den Druck im rechten Vorhof.

Das löst Reflexmuster aus, die unterschiedliche Wirkung haben:

       Bei bereits hohem Druck in den Vorhöfen löst weitere Dehnung von Vorhofrezeptoren (rosa Block in der <Abbildung) über vagale Afferenzen den Bainbridge-Reflex aus (gelbe Blöcke): Das Herz versucht das hohe Blutangebot über die Schlagfrequenz 'abzuarbeiten'.

       Bei niedrigem Ausgangsdruck hingegen erhöht der Frank-Starling-Mechanismus das Schlagvolumen mit zunehmender diastolischer Füllung. Steigender Blutdruck aktiviert wiederum den Barorezeptorreflex, was den Sinusknoten hemmt und die Herzfrequenz senkt (grüne Blöcke in der <Abbildung).
 
       Vergleiche dort
 

<Abbildung: Einfluss einer Volumenerhöhung ("Infusion") auf Bainbridge- und Barorezeptorreflex

Der Barorezeptorreflex wirkt vor allem bei niedrigeren, der Bainbridge-Reflex bei höheren Füllungs- und Druckwerten

Die an sich gegenläufigen Reflexeffekte beeinflussen die Herzfrequenz in Abhängigkeit vom Volumenstatus und ergänzen einander mit dem Ziel einer optimalen Herz- und Kreislauffunktion
( s. dort).



 
Pathologische Abnahme des Fördervermögens des rechten Ventrikels (Rechtsherzinsuffizienz) hat zwei Auswirkungen:

     Einerseits steigt der Druck im Venensystem (rechtskardiale Vorlast) und es können kardiale Ödeme auftreten, insbesondere in den Beinen und in der Leber.

     Andererseits nimmt die Auswurfleistung in den Lungenkreislauf ab (rechtskardiale Nachlast) und die hier gelegenen Dehnungsrezeptoren signalisieren einen Volumenmangel, was zu einer Retention von Wasser und Kochsalz in der Niere führt (chronisch erhöhter Sympathikustonus!) und die Ödembildung weiter anheizt.

  Therapeutisch kommt eine Kombination aus Herzstärkung (z.B. Glykoside) und Natriurese (z.B. Schleifendiuretika) in Betracht (je nach Klassifikation des Krankheitsbildes).
 

 
      Gefäßsystem (venöser Rückstrom, arterielle Impedanz) und Herz sind funktionell aufeinander abgestimmt: Erhöhung des Blutvolumens (vermehrte Vorlast) steigert (Frank-Starling), Vasokonstriktion (erhöhter peripherer Widerstand) senkt das Herzzeitvolumen. An der Schnittstelle Herz / Gefäßsystem überschneiden sich die Arbeitskurven von Herz und Kreislauf im aktuellen “Arbeitspunkt”. Steigt der periphere (systemische) Druck, fließt mehr, steigt der Zentralvenendruck, fließt weniger Blut zum Herzen
 
      Kardiopulmonale Rezeptoren in Vorhöfen, Ventrikeln und herznahen Gefäßen übertragen Information über den Vagusnerv an Kreislaufzentrum und Hypothalamus. Ihre Reizung (z.B. durch Drucksteigerung) senkt Herzfrequenz und peripheren Widerstand (nucl. tractus solitarii) und inhibiert die Sekretion drucksteigernder Hormone (Hypothalamus: Vasopressin). Sinkender Druck aktiviert umgekehrt Mechanismen, welche die Vorlast des Herzens steigern
 
      Ventrikuläre Chemorezeptoren (Adenosin, Bradykinin, Prostaglandine, Histamin, Serotonin, Thromboxan, Laktat, K+, Sauerstoffradikale) bilden den Großteil nichtmyelinisierter C- und Aδ-Afferenzen, melden Schmerz an das Gehirn und erhöhen sympathische Efferenzen (Bradykardie, Blutdruckanstieg). Myelinisierte veno-atriale Mechanorezeptoren messen das zentrale Blutvolumen: Vorhof (A-) rezeptoren feuern während der Vorhofkontraktion (Herzfrequenzfühler) und lösen bei starker Dehnung den Bainbridge-Reflex (Tachykardie entlastet die Vorhöfe) aus; Hohlvenen (B-) rezeptoren melden den zentralen Venendruck (frühdiastolischer Druckanstieg), senken Sympathikustonus (ähnlich wie Barorezeptorreflex) und renalen Gefäßwiderstand, und bremsen den Renin- Angiotensin- Aldosteron- Mechanismus (Volumenentlastung). Nichtmyelinisierte Mechanorezeptoren im gesamten Herzen (plus Pulmonalarterie) bewirken bei enddiastolischen Drucksteigerungen (tiefe Einatmung) Bradykardie und Vasodilatation. Barorezeptoren in den Koronararterien wirken stärker reflexogen als ventrikuläre Mechanorezeptoren. Der Bezold-Jarisch-Reflex ist ein vagaler Schutzreflex, ausgelöst durch Minderdurchblutung, Sauerstoffmangel, Serotonin: er führt zu Bradykardie und Blutdrucksenkung
 
      Myoendokrine Zellen im Herz (vor allem rechter Vorhof) reagieren auf stark steigenden Füllungsdruck (z.B. Hinlegen, rasche Kochsalzinfusion) mit Freisetzung natriuretischer Peptide. Diese wirken vasodilatierend, natriuretisch, auf das Herz relaxierend (lusitrop), hemmen Sympathikustonus und antagonistische Hormone und entlasten das Herz: Extrazelluläres Flüssigkeitsvolumen, Plasmavolumen, kardiale Vorlast und diastolische Dehnung des Herzmuskels nehmen ab. Ein Maß für die Vorlast des rechten Herzens ist der zentrale Venendruck (mittlerer Blutdruck im Bereich des rechten Vorhofs), für die Nachlast der pulmonalarterielle Druck. Für das linke Herz wird die Vorlast durch den pulmonalkapillären (PCWP), die Nachlast durch den arteriellen Druck abschätzbar. Steigerung der Herzleistung senkt den Vorhofdruck
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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