마이코박테리움 레프래

Mycobacterium leprae
마이코박테리움 레프래
피부 병변에서 채취한 마이코박테리움 레프래의 마이크로 사진.
작은 벽돌 모양의 붉은 막대 모양의 세포들이 무리를 지어 나타납니다.
출처 : CDC
과학적 분류 Edit this classification
도메인: 박테리아
문: 방선균
클래스: 방선균
순서: 마이코박테리아
가족: 마이코박테리아과
속: 마이코박테리움
종:
르쁘라에
이항명
마이코박테리움 레프래
한센, 1874년

마이코박테리움 레프래(Mycobacterium leprae)는 한센병(Hansen's disease)의 원인균 2종 중 하나로[a],[1] 말초신경을 손상시키고 피부, 눈, 코, 근육을 대상으로 하는 만성적이지만 완치가 가능한 감염질환입니다.[2]

이 빠르고, 그람 양성이며 막대모양의 박테리아이며 의무적인 세포내 기생충입니다. 즉, 상대적인 결핵균과는 달리 세포가 없는 실험실에서 배양할 수 없습니다.[3]이것은 유전자 결실과 환원적 진화를 통해 종의 게놈이 경험한 부패 때문일 가능성이 있는데, 이것은 박테리아가 영양분과 대사 중간생성물을 위해 숙주에 크게 의존하게 만들었습니다.[4]좁은 숙주 범위를 가지고 있고 인간을 제외한 다른 자연 숙주는 아홉 개의 띠를 가진 아르마딜로와 붉은 다람쥐뿐입니다.[5]이 박테리아는 주로 대식세포슈완 세포를 감염시키며, 일반적으로 회충된 것으로 발견됩니다.[6][7]

마이코박테리움 레프래는 단독 치료로 답손에 민감했지만 1960년대부터 이 항생제에 대한 내성이 생겼습니다.현재 세계보건기구답손, 리팜피신, 클로파지민 등을 포함한 다제제 치료(MDT)를 권고하고 있습니다.이 종은 1873년 노르웨이 의사 게르하르트 아르마우어 한센에 의해 발견되었으며, 인간에게 질병을 일으키는 원인으로 밝혀진 최초의 박테리아였습니다.[8]

미생물학

다양한 막대형 산패스트 바실리를 보이는 나병 환자의 변형된 AFB 염색

Mycobacterium leprae는 세포내, 다형성, 비포자성, 비운동성, 산성, 병원성 박테리아입니다.[3]측면이 평행하고 끝이 둥근 에어로빅 바실러스( 모양의 박테리아)로, 마이코박테리아 특유의 마이콜산 왁스 코팅이 특징입니다.그람 염색에 의한 그람 양성이지만, 미코박테리움 레프레는 전통적으로 지엘-닐슨 염색에서 카르볼푸신으로 염색되었습니다.현재 산 농도가 낮은 파이트-파라코 염색법은 바실리가 결핵균(Mycobacterium tuberculosis, MTB)보다 산 속도가 빠르기 때문에 사용되고 있습니다.[9][10]크기와 모양이 MTB와 매우 흡사합니다.이 박테리아는 육아종성 병변에서 발견되며 특히 결절에 많이 존재합니다.이 박테리아는 종종 나병의 병변 내에서 많은 수가 발생하며, 보통은 팔리세이드로 함께 그룹지어집니다.[6]숙주 세포의 광학 현미경으로 마이코박테리움 레프래는 단독으로 또는 "글로비"라고 불리는 덩어리로 발견될 수 있으며, 바실리는 직선이거나 약간 곡선을 그리며 길이는 1-8 μm이고 직경은 0.3 μm입니다.[11]박테리아는 27~30°C에서 가장 잘 자라며, 피부, 코 점막 그리고 말초 신경을 Mycobacterium leprae에 의한 감염의 주요 표적으로 만듭니다.[12]

호스트 범위

마이코박테리움 레프래는 좁은 숙주 범위를 가지고 있고 인간을 제외한 다른 숙주는 9밴드 아르마딜로붉은 다람쥐뿐이며 [5]아르마딜로는 인간의 동물원 나병의 근원으로 간주되어 왔습니다.[13]실험실에서 쥐는 감염될 수 있고 이것은 유용한 동물 모델입니다.[14]

재배

Mycobacterium leprae는 비정상적으로 긴 배가 시간(대장균의 경우 20분에 비해 12일에서 14일까지)을 가지며, 실험실에서 배양할 수 없습니다.[15][16][17]이 유기체는 의무적인 세포기생충이기 때문에 독립적인 생존을 위해 필요한 많은 유전자가 부족하여 이 유기체를 배양하는 데 어려움을 초래합니다.마이코박테리움 속의 구성원들을 파괴하기 어렵게 만드는 복잡하고 독특한 세포벽 또한 복제 속도가 극도로 느린 이유입니다.마이코박테리움 레프래는 서늘한 온도, 약간 산성의 미세 공기 친화적인 조건을 선호하며 당보다 지질을 에너지원으로 사용하는 것을 선호합니다.Mycobacterium leprae에 필요한 성장 조건은 알려져 있지만, Mycobacterium leprae의 성장을 지원하는 정확한 축농 배지는 아직 발견되지 않았습니다.[18]체외 배양이 일반적으로 불가능하기 때문에, 대신 쥐의 발 패드에서,[14] 그리고 핵심 체온이 낮기 때문에 아르마딜로에서 배양되었습니다.[19][18]

신진대사

Mycobacterium leprae 게놈에 의해 경험된 환원적 진화는 다른 Mycobacterium에 비해, 특히 그것의 이화 경로에서, 그것의 대사 능력을 손상시켰습니다.[20]

이화작용

마이코박테리움 레프래는 무균 배지에서 성장할 수 없다는 것은 영양분과 숙주로부터의 중간체에 대한 의존을 나타냅니다.[21]다른 마이코박테리움 종에 존재하는 많은 이화작용 경로는 영양소의 저하에 핵심적인 역할을 하는 효소의 부재로 인해 손상됩니다.[21]마이코박테리움 레프래는 중심 에너지 대사 경로에서 아세테이트와 갈락토스와 같은 일반적인 탄소 공급원을 사용하는 능력을 잃었습니다.[4]또한, 지질 분해는 주요 리파아제 효소 및 지방 분해에 관여하는 다른 단백질의 결손과 함께 손상됩니다.[22]기능적인 탄소 이화 경로는 해당과정, 오탄당 인산 경로 및 TCA 사이클과 같은 종에서 계속 존재합니다.[21]이러한 결핍은 미생물의 성장을 숙주 유래 중간체와 같은 제한된 수의 탄소 공급원으로 광범위하게 제한합니다.[4]

아나볼리즘

Mycobacterium leprae의 아나볼릭 경로는 환원성 진화에 의해 대부분 영향을 받지 않았습니다.[20]그 종은 메티오닌과 라이신을 제외한 모든 아미노산의 합성뿐만 아니라 퓨린, 피리미딘, 뉴클레오사이드와 같은 유전 물질의 합성 능력을 보유하고 있습니다.[21]

게놈

마이코박테리움 레프래 균주의 첫 번째 게놈 서열은 2001년에 완성되었고, 1604개의 단백질 코딩 유전자와 또 다른 1,116개의 유사 유전자를 밝혀냈습니다.[23]2013년 인도 타밀나두주에서 분리되어 TN으로 지정된 균주의 유전체 염기서열이 완성되었습니다.이 게놈 서열은 3,268,203개의 염기쌍(bp)과 평균 G+C 함량이 57.8%로 4,441,529bp, 65.6%의 G+C를 가진 M. 결핵보다 상당히 적습니다.[24]

Mycobacterium leprae게놈 서열과 MTB의 게놈 서열을 비교하면 환원 진화의 극단적인 경우를 알 수 있습니다.게놈의 절반 이하가 기능성 유전자를 포함하고 있습니다.Mycobacterium leprae genome에서 약 2000개의 유전자가 사라진 것으로 추정됩니다.[23]유전자의 결실과 부패는 산화적이고 대부분의 미세 공기 친화적이고 혐기적인 호흡 사슬의 일부인 사이드로포어 생성과 수많은 이화작용 시스템과 그 조절 회로를 포함한 많은 중요한 대사 활동을 제거한 것으로 보입니다.[25]이러한 환원적 진화는 주로 유기체가 의무적인 세포 내 박테리아로 발전하는 것과 관련이 있습니다.[26]

유사유전자

마이코박테리움 레프래와 M. 결핵의 공통 조상의 게놈에 존재했던 많은 유전자들이 마이코박테리움 레프래 게놈에서 소실되었습니다.[23][27]숙주 생물에 의존하는 마이코박테리움 레프라에의해, 많은 종의 DNA 복구 기능이 상실되어, 결실 돌연변이의 발생이 증가하고 있습니다.[26]이러한 삭제된 유전자에 의해 공급된 산물은 전형적으로 Mycobacterium leprae에 의해 감염된 숙주 세포에 존재하기 때문에, 돌연변이가 미생물에 미치는 영향은 미미하고, 그의 유전체 감소에도 불구하고 숙주 내에서 생존할 수 있습니다.[28]결과적으로, 마이코박테리움 레프래는 많은 유전자의 손실과 함께 유전체 크기의 급격한 감소를 겪었습니다.[4]환원성 진화라고 알려진 것을 겪고 있는 병원체 때문에 병원체의 게놈의 절반 이상은 현재 가짜 유전자로 이루어져 있습니다.[4]발표된 유전체 중에서 마이코박테리움 레프래(Mycobacterium leprae)는 가장 많은 수의 유사물질(>1000)을 함유하고 있습니다.[29]Mycobacterium leprae의 많은 유사 유전자는 시그마 인자 기능 장애(세균에서 전사 시작에 필요한 단백질) 또는 트랜스포손 유도 반복 서열의 삽입으로 인해 발생했을 수 있는 정지 코돈의 삽입에서 비롯되었습니다.[30]대식세포 감염 시 일부 마이코박테리움 leprae 가성겐의 발현 수준이 변할 것인데, 이는 일부 마이코박테리움 leprae 가성겐이 모두 "망한" 유전자가 아니라 감염, 세포 내 복제, 복제에서도 기능할 수 있음을 시사합니다.[29]게놈 축소가 완전하지 않습니다.[27]M. Tuberculosis와 같은 4.42 Mbp의 게놈에서 3.27 Mbp의 게놈으로 축소하면 약 1200개의 단백질 코딩 시퀀스가 손실되는 것을 설명할 수 있습니다.

필수효소

Mycobacterium leprae에 필수적인 효소는 8가지가 있는데, 그 중 하나가 알라닌 레이스마제(alr.이 효소는 D-알라닌-D-알라닌 연결효소알라닌/아스파르트산 대사에서 발견되기 때문에 중요합니다.다른 필수 효소는 뉴클레오타이드 당 대사와 폴리케타이드 당 단위 생합성에 모두 중요한 역할을 하는 추정적인 dDP4dydrorhamnose 3, 5epimerase (rm1C)를 포함합니다.쁘띠도글리칸 생합성에는 murG, murF, murE, murY, murC, murD가 필요한데, 이는 마이코박테리움 레프라에 필요한 나머지 6가지 필수 효소들입니다.

분배

이 박테리아는 전세계적으로 사람에게 분포되어 있지만 사하라 사막 이남의 아프리카, 아시아 그리고 남아메리카에 가장 많이 분포되어 있습니다.[32]마이코박테리움 레프라에의 지리적 발생은 다음과 같습니다.앙골라, 브라질, 중앙아프리카 공화국, 콩고 민주 공화국, 미크로네시아 연방, 인도, 키리바시, 마다가스카르, 네팔, 마셜 제도 공화국, 탄자니아 연합 공화국.[33]

1980년대 다제 요법(MDT)이 도입된 이후 나병 환자의 유병률은 95%[34] 감소했습니다.이러한 감소는 세계보건기구(WHO)가 인구 10,000명당 한 명 미만의 한센병 환자가 발생하는 것으로 정의되는 한센병이 공중보건 문제로 사라졌다고 선언하게 만들었습니다.[35]감염된 인간으로부터의 마이코박테리움 레프래 전염 외에도, 환경적인 원천은 또한 중요한 저장고가 될 수 있습니다.방글라데시의 한센병 환자의 집, 수리남의 아르마딜로의 구멍, 영국 제도의 한센병 환자의 서식지에서 채취한 토양에서 마이코박테리움 레프라에 DNA가 검출되었습니다.[36]한 연구는 미국의 아르마딜로와 접촉한 이력이 있는 나병 환자에 대한 수많은 보고를 발견했습니다.[34]아르마딜로에 대한 노출로 인한 동물원 전파 경로가 제안되었으며, 미국 남동부에서 이전 연구의 인간 환자들은 동일한 아르마딜로 관련 마이코박테리움 레프래 유전자형에 감염된 것으로 나타났습니다.[37]브라질 파라 주의 아르마딜로에서 마이코박테리움 레프라에 감염의 높은 비율이 관찰되었으며, 아르마딜로 고기를 자주 섭취한 사람들은 그렇지 않거나 덜 자주 섭취한 사람들에 비해 M. 레프라에 특이적 항원인 페놀글리콜리피드 I (PGL-I)의 상당히 높은 역가를 보였습니다.[38][34]

진화

Mycobacterium leprae와 가장 가까운 친척은 Mycobacterium lepromatosis입니다.이 종들은 1,390만 에 분기되었습니다 (95% 가장 높은 후밀도 820만 년 전 – 2,140만 ) 현존하는 Mycobacterium leprae 균주의 가장 최근의 공통 조상은 3,607년 전에 살았던 것으로 계산되었습니다 (95% 가장 높은 후밀도 2204–5525년 전).추정된 대체율은 다른 박테리아와 유사한 연간 사이트당 7.67 x 10개의−9 대체물이었습니다.[39]

중세 사례에서 분리된 게놈에 대한 연구는 돌연변이 비율을 6.13 × 10으로−9 추정했습니다.저자들은 또한 아메리카 대륙의 나병균이 유럽에서 가져온 것이라는 것을 보여주었습니다.[40]또 다른 연구는 Mycobacterium leprae가 동아프리카에서 기원하여 처음에는 유럽과 중동으로 퍼져 나갔다가 지난 500년에 서아프리카와 아메리카로 퍼져 나갔다고 말합니다.[41]

다른 유럽 지리적 기원의 나병을 암시하는 골학적 병변을 가진 중세 골격으로부터 Mycobacterium leprae의 거의 완전한 시퀀스는 DNA 캡처 기술과 높은 처리량의 시퀀싱을 사용하여 얻어졌습니다.고대의 서열은 다양한 유전자형과 지리적 기원을 나타내는 나병 환자의 생체검사에서 나온 현대 변종과 비교되었고, 역사를 통한 나병균의 진화와 진로에 대한 이해, 나병균의 계통지리학, 그리고 유럽에서 나병이 사라진 것에 대한 새로운 통찰력을 주었습니다.[40]

Verena J. Schuenemann et al. 은 지난 1000년 동안 놀라운 게놈 보존과 현대 변종과 고대 변종 사이의 밀접한 유사성을 보여주었고, 유럽에서 나병의 급격한 감소는 독성의 상실이 아니라 다른 전염병, 숙주 면역의 변화와 같은 외부 요인에 의한 것임을 시사했습니다.혹은 사회적 조건의 개선.[40]

병원성

Mycobacterium leprae의 잠복기는 9개월에서 20년까지입니다.[42]이 박테리아는 조직 세포와 신경 세포 안에서 세포 내로 복제되며 두 가지 형태를 가지고 있습니다.하나의 형태는 "투베르쿨로이드"인데, 이것은 성장을 제한하는 세포 매개 반응을 유도하고 감지할 수 있는 바실리(포카실리)가 거의 없습니다.[43]이 형태를 통해, 마이코박테리움 레프래는 주로 피부인 진입 부위에서 증식하여 슈완 세포를 침범하고 식민지화합니다.그리고 나서 이 박테리아는 T-헬퍼 림프구, 상피세포, 그리고 피부의 거대한 세포 침투를 유도하여, 감염된 사람들이 그들의 피부에 붉은 가장자리가 융기되거나 융기된 커다란 납작한 조각들을 보이게 합니다.이 패치는 건조하고 창백하며 털이 없는 중심부를 가지고 있으며 피부 감각의 감소를 동반합니다.감각 상실은 말초 감각 신경의 침범으로 인해 발생할 수 있습니다.피부 진입 부위의 황반과 통증 감각의 소실은 한 개인이 한센병의 결핵 형태를 가지고 있다는 주요한 임상적 징후입니다.[44]

나병[45] 보균자로 알려진 나인밴드 아르마딜로

한센병의 두번째 형태는 미생물이 들어온 부위에 있는 대식세포 안에서 증식하는 "나병" 형태이며, 많은 검출 가능한 바실리(다중세균)를 가지고 있습니다.[43]그들은 또한 얼굴과 귓불의 상피 조직 안에서 자랍니다.유도되는 억제 T세포는 많지만 상피세포와 거대세포는 드물거나 없습니다.세포 매개 면역력이 손상되면서 대식세포에 다량의 마이코박테리움 레프래가 나타나고 감염된 환자는 피부가 접히는 특징이 있는 입구에 구진이 생깁니다.피부 신경의 점진적인 파괴는 "클래식 사자 얼굴"이라고 불리는 것으로 이어집니다.이 박테리아에 의한 광범위한 침투는 심각한 신체 손상으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 뼈, 손가락, 발가락의 손실이 있을 수 있습니다.[44]

마이코박테리움 레프라에 감염된 증상

나병이라고도 불리는 마이코박테리움 레프래 감염증의 증상은 피부색이 창백한 피부염, 몇 주 또는 몇 달이 지나도 사라지지 않는 혹이나 돌기 등으로, 근육 약화뿐만 아니라 팔과 다리의 감각을 감지하는 능력에 합병증을 일으킬 수 있습니다.증상이 노출된 후부터 몸 안에서 증상이 나타나기까지 보통 3-5년이 걸립니다.하지만, 어떤 사람들은 이 병에 노출된 지 20년이 지나서야 증상을 보이기 시작합니다.이렇게 긴 잠복기는 사람이 질병과 접촉했을 때 제대로 진단할 수 있는 능력을 매우 어렵게 만듭니다.[46]

아르마딜로에서, Mycobacterium leprae는 조직과 신경에 유사한 구조적이고 병리적인 변화를 가지고 전파된 감염을 야기합니다.[47]

에딘버러 대학의 수의병리학 연구소에 따르면, 다람쥐의 경우 "이 병은 명백합니다. 주둥이, 입술, 눈꺼풀, 귀, 생식기, 그리고 때로는 발과 하지 주변에 심한 붓기와 털의 손실이 있습니다.이 맨살은 "빛나는" 외관을 가지고 있습니다.다람쥐는 보통 몸 상태가 전반적으로 좋지 않고 벼룩, 진드기, 진드기와 같은 기생충의 무거운 짐을 가지고 있을지도 모릅니다."[48]

1940년대 처음 발견된 한센병 치료에 효과적인 항생제 답손의 화학구조

치료

박테리아의 세포벽에 있는 미콜산은 많은 항생제에 저항력을 가지고 있고 주요한 독성 요인입니다.[49]다제 요법(MDT)은 1984년 WHO 전문가 위원회의 권고를 받아 표준 나병 치료법으로 자리 잡았습니다.MDT는 WHO가 1995년부터 풍토병 국가에 무료로 공급하고 있습니다.한 가지 약물(단일요법)로 한센병을 치료하면 약물 내성이 생길 수 있기 때문에 MDT는 한센병 치료에 사용됩니다.MDT에 사용되는 약물 조합은 질병의 분류에 따라 달라집니다.WHO는 다악관 나병 환자에게 리팜피신, 클로파지민, 답손을 혼합하여 12개월간 사용할 것을 권장합니다.WHO는 소아마비 나병 환자에게 리팜피신과 댑손의 병용을 6개월간 권장합니다.[50]항생제는 치료가 끝날 때까지 정기적으로 복용해야 하는데, 이는 마이코박테리움 레프레이가 약물에 내성을 가질 수 있기 때문입니다.[51]치료의 효과는 피부 도말에서 나온 Mycobacterium leprae의 산성-고속 얼룩을 사용하여 환자에게 여전히 존재하는 바실리의 수를 추정함으로써 결정될 수 있습니다.[52]

연간 보고된 나병 환자 수는 약 250,000건으로, MDT를 사용함으로써 나병 유병률이 90% 감소했음에도 불구하고 아직 전파의 사슬이 끊어지지 않았음을 보여줍니다.이것은 치료와 통제를 위한 지속적인 연구의 필요성을 요구하는 질병의 통제가 아직 필요한 곳에 있지 않다는 것을 매우 명확하게 합니다.[4]

마이코박테리움 레프래의 예방책은 치료받지 않은 감염자와의 밀접 접촉을 피하는 것입니다.[53]실명, 손발 마비, 마비는 모두 치료받지 않은 M. leprae와 관련된 신경 손상의 영향입니다.치료가 신경 손상을 되돌리는 것은 아니므로 조기 치료가 필요합니다.[51]바실러스 칼메트-게린 백신은 결핵의 주요 표적 외에도 나병에 대한 다양한 보호를 제공합니다.[54]

항생제의 대상

댑손은 경쟁적으로 디하이드로페트로에이트 합성효소(DHPS)를 억제하여 M. 레프라에 핵산 생합성의 필수적인 요소인 테트라하이드로폴산의 생성을 감소시킵니다.리팜핀은 DNA 의존 RNA 중합효소의 β-소단위 결합을 방해하여 mRNA 생성을 분리하고 세포 사멸을 초래할 것입니다.클로파지민의 메커니즘은 마이코박테리움 레프라에 대해 완전히 이해되지 않지만, 약물의 결합은 구아닌과의 염기서열에서 일어나는 것으로 보이는데, 이것은 클로파지민이 인간 DNA보다 마이코박테리움의 G+C 풍부한 게놈을 선호하는 이유를 설명할 수 있습니다.클로파지민이 마이코박테리움 레프래에 대해 약한 살균작용을 하는 것으로 입증된 것은 마우스에서 마이코박테리움 레프래에 대해 한센병에 대한 단일 약물치료에 적합하지 않은 이유입니다.세가지 주요 약물 중 리팜핀은 답손이나 클로파지민보다 더 살균력이 뛰어납니다.[55]

잠재적 항생제 표적

항생제에 대한 내성이 커져 새로운 항생제 대상을 찾는 것이 중요합니다.M. leprae에서 펩티도글리칸 생합성에 필수적인 6가지 필수효소 murC, murD, murE, murF, murG 및 murY를 가지고 있습니다.이 효소들과 펩티도글리칸 생합성은 항생제의 잠재적인 표적입니다.짧은 폴리펩티드 사슬의 추가를 촉매하는 이러한 효소들을 표적화함으로써, 박테리아 세포벽의 합성을 방지할 수 있습니다.[56][better source needed]

항생제 내성

항생제에 대한 내성은 신규 나병 환자의 약 10%에서, 재발 환자의 약 15%에서 관찰됩니다.[57]Mycobacterium leprae의 약물 내성은 항생제 표적의 유전적 변화와 세포벽 투과성의 감소로 인한 것으로 생각됩니다.[58]M. tuberculosis에 있는 배출 펌프의 양과 비교하면, Mycobacterium leprae는 약 절반을 포함하고 있습니다.M. tuberculosis에서 약물 내성과 독성에 기여하는 배출 펌프는 Mycobacterium leprae가 겪은 유전체 환원 진화 내내 유지되었습니다.[58]

디스커버리

1873년 마이코박테리움 레프라에를 처음 발견한 게르하르트 아르마우어 한센(Gerhard Armauer Hansen, 1841-1912)

1873년 노르웨이 의사 게르하르트 아르마우어 한센(Gerhard Armauer Hansen, 1841-1912)에 의해 발견된 마이코박테리움 레프래는 인간에게 질병을 일으키는 원인으로 밝혀진 최초의 박테리아였습니다.[8] 박테리아는 한센인과 발견의 우선순위를 놓고 논쟁을 벌였던 알베르트 루트비히 시게스문트 나이저에 의해 확인되었습니다.[59]Hansen은 동물들에게 박테리아를 감염시키려는 시도는 성공적이지 못했고, Bergen의 Leprosy Hospital에 있는 그의 자리에서 해고되었고, 1879년에 동의 없이 주사를 놓았을 때, 의학을 하는 것이 금지되었습니다.나병을 앓고 있는 사람에게서 가벼운 결핵 형태의 감염을 가진 33세의 카리 [60]닐스다터의 눈으로 들어가는 조직이 사건은 한센인의 전문적인 명성에 별 영향을 미치지 못했고, 그는 연구를 계속했습니다.[61]

메모들

  1. ^ 다른 하나는 마이코박테리움 르프로마티스입니다.

참고문헌

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외부 링크