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Biomineralizacion tejidos dentales y de soporte

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Biomineralizacion tejidos dentales y de soporte

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Biomineralizacion tejidos dentales y de soporte

  1. 1. BIOMINERALIZACIO N JUAN CARLOS MUNEVAR
  2. 2. FASES MINERALES• Numerosos fenómenos biológicos de mineralización tisular. • Los tipos de minerales implicados son restringidos. Calcita Aragonita TEJIDOS DUROS Ácido sílicoMinerales en forma cristalina coelestina apatita witlockite
  3. 3. FASES MINERALES Calcita CaC03, Aragonita Moluscos, artrópodos, Ácido silico Diatomeas. coelestina Radiolares apatita Dientes, esqueleto witlockite Calcificaciones patológicas. Fosfato octacálcicoLos fosfatos de calcio poco solubles (apatita) son de gran interes por ser componentes del esqueleto y la dentina
  4. 4. TEORIAS•La formación de la fase mineral en un tejido calcificado no esun fenómeno biológico fortuito. Correlación entre precipitación mineral & desarrollo tisular general Ej: PRECIPTACION DENSA, cristales HA alrededor de la trama colágena del hueso compacto • Coincidencia entre el depósito mineral, la presencia de células y eventos metabólicos específicos Macromoléculas no colágenas (osteocalcina, fosfoproteínas, fosfatasa alcalina, amelogeninas)¿Las interacciones moleculares y los procesos físico-químicos...?
  5. 5. MECANISMOSPosición del problema a). Tipo de mineral: •Gran número de compuestos fosfocálcicos que pueden ser sintetizados, aislados y estudiados (métodos analíticos y estructurales) •Compuestos inestables a pH 7, recristalizan en medio acuoso a un estado sólido termodinámicamente estable = Hidroxiapatita. b). Los hechos: •Iones circulantes en mamíferos permanecen en rápido intercambio con el esqueleto. La concentración plásmatica: Ca2 = 1,3 mM HPO42- = 1 mM
  6. 6. • SISTEMA DE CONTROL SELECCIONADO POR EL PROCESO DE EVOLUCION flexible y controlable por la actividad celular •La solubilidad del hueso es constante y en equilibrio con el plasma sanguíneo.•[Ca2+], [HPO 2-], [OH-] interrelacionadas e influenciadas por la alimentación. 4 • Las concentraciones permanecen en límites Exigencias biológicas estrechos (metabolismo de órganos y células) • La fase mineral del esqueleto constituye un tampón para esos iones (homeostasis intestinal y renal) • Durante el crecimiento la mineralización se produce en zonas nuevas
  7. 7. DEFINICIONES • NUCLEACION: Paso de una fase líquida al estado sólido. Formación del primer núcleo sólido o germen. • NUCLEACION HOMOGENÉA: Cuando el medio mineralizable está LIBRE de cualquier elemento diferente al calcio o fosfato. • NUCLEACION HETEROGENÉA: Cuando el medio mineralizable CONTIENE partículas o elementos diferentes al calcio o fosfato que poseen un efecto catalizador•Nucleación Primaria: Es la nucleación homogénea y heterogénea.•Nucleación Secundaria: Es aquella que se produce en presencia de un cristal queya está en solución. • EPITAXIA: Crecimiento de un cristal en contacto de otro material cristalino que actúa como un esbozo.
  8. 8. INICIO DE LA MINERALIZACION ¿Como a partir de una solución iónica por debajo delproducto de solubilidad se puede constituir una fase sólida? MECANISMO BOOSTER (DRIENSSENS 1982) Por medio del cual se produce un aumento del producto iónico por encima del nivel de precipitación espontánea. •COMPARTIMENTOS (sitios donde aumenta la concentración de iones) 1. COMPARTIMENTOS VERDADEROS A. VESICULAS MATRICIALES B. MITOCONDRIAS 2. ZONAS ASIMILABLES A COMPARTIMENTOS
  9. 9. COMPARTIMENTOS (sitios donde aumenta la concentración de iones) 1. VERDADEROS•Organelos membranosos intracelulares de25 - 200 nm de diámetro, PAS +. • Los primeros depósitos minerales se• Contienen glucoproteínas, lípidos, localizan dentro y alrededor de lasproteoglucanos, y una fuerte actividad PAL vesículas.• Las membranas concentran Ca2+ • Los agregados crecen hasta formar NODULOS DE CALCIFICACION. • Presentes alrededor de condrocitos, en el hueso esponjoso medular, no se observan en ESMALTE dental . B. MITOCONDRIAS • Concentran Ca2+ para liberarlo súbitamente y que reaccione con el fósforo inorgánico abundante en el citosol. (FOSFATO DE CALCIO).
  10. 10. COMPARTIMENTOS2. ZONAS ASIMILABLES A COMPARTIMENTOS• ESPACIOS DE COLAGENO (grupos químicos reactivos) + Los iones se acumulan a lo largo de las fibras colágeno. + Existe una estrecha relación entre las fibrillas de colágeno y las sustancias inorgánicas desde las primeras etapas de la mineralización. LAS FIBRILLAS SE CONSIDERAN INDUCTORES Y GLIMCHER, 1976 REGULADORES DE LA MINERALIZACION. + El inicio de la nucleación se podría hacer a partir de pequeños nódulos cristalinos desprendidos de los cristales HA existentes. + Esos nódulos quedan atrapados en los espacios colágenos para permitir el crecimiento del cristal.
  11. 11. INICIO DE LA MINERALIZACION ¿Como a partir de una solución iónica por debajo delproducto de solubilidad se puede constituir una fase sólida? INTERVENCION DE INICIADORES MOLECULAS ORGÁNICAS A. FOSFOPROTEINAS •Fuerte afinidad por el Ca2, para formar un complejo terciario con el Ca2 y P04 (SITIOS DE NUCLEACION). Se fijan cerca de los espacios de colágeno. B. PROTEINAS ACIDAS • La Osteocalcina (proteína ácido γ carboxiglutámico se observan en donde los cristales HA se orientan a lo largo de la matriz colágeno) C. FOSFOLIPIDOS ACIDOS •Inducen in vitro la formación de HA en una solución saturada de fosfato de calcio. (fosfatidilserina / Inositol) D. COLAGENO • En tejidos duros contiene fosfato, potenciales sitios de inicio de la mineralización. Las proteínas ligadas al colageno tienen fuerte afinidad por las APATITAS.
  12. 12. INICIO DE LA MINERALIZACION¿Por qué los tejidos que contienen nucleadores potenciales NO se mineralizan o bien por qué la mineralización se produce en momentos específicos? INTERVENCION DE INIHIBIDORES • Al bloqueo de sitios de nucleación • A la competencia con iones indispensables, impidiendo la precipitación de fosfato de calcio, el crecimiento y agregación de cristales. A. PIROFOSFATOS • Los iones P2O7 ocupan los sitios del fosfato HPO2- inhibiendo a baja [ ]º la precipitación de fosfato de calcio. La PAL presenta actividad pirofosfatasica. B. MAGNESIO & CITRATO • Impiden la evolución de la fase amorfa mineral hacia la morfología cristalina. C. PROTEOGLICANOS • Son un obstáculo, al despolimerizarse se desactiva la inhibición.
  13. 13. CRECIMIENTO DEL CRISTALAumento de la masa mineral que determina la NATURALEZA, NUMERO, TALLA Y FORMA de los cristales. Los procesos de regulación involucran:♠ INTERACCIONES CON MOLECULAS ORGANICAS O MINERALES: -ATP, PPi, Mg2+, F , fosfoproteínas,proteínas séricas, proteínasácidas, fosfolípidos ácidos, colágeno.♠ AUMENTO DEL ESPACIO DISPONIBLE DEBIDO A LADEGRADACIÓN DE PROTEOGLICANOS O AMELOGENINAS. FASES: (Ca2+) + (Pi) Brushita Fosfato de calcio amorfo HIDROXIAPATITA Fosfato octocálcico. • FASE TERMINAL ESTABLE
  14. 14. CRECIMIENTO DEL CRISTAL TEORIAS1. Control de la velocidad y repartición del crecimiento en cuanto a latalla y número de cristales. Diferencia en el crecimiento en longitud y espesor de un cristal (ESMALTE DENTAL)2. Control del cese de crecimiento; cuando se define la talla y forma delos cristales se observa la detención del crecimiento. Los parámetros físico-químicos no son los únicos que controlan el crecimiento del cristal. In vitro # In vivo CONTROL PROTEICO
  15. 15. BIOMINERALIZACION DENTALTEJIDOS DENTALES ESTRUCTURA DENTAL MINERALIZADOS : MINERALIZADA : •Dentina •Esmalte •Cemento• Proceso comúnde algunos tejidos • Proceso de • Proceso exclusivo mineralización del organismo conectivos. especificoColágeno, Proteínas Proteínas específicas no colágenas •Proceso de PULPA DENTAL envejecimiento. • Patologías
  16. 16. BIOMINERALIZACIO DENTINA N • Intertubular. • Peritubular CEMENTO• Circumpulpar • Manto •El proceso de mineralización es especifico • Microestructuras derivadas de la célula • Vesículas matriciales. • Debris celulares. • M.E.C. secretada por la célula El PO4 y Ca2+ se acumulan, se combinan y estabilizan para formar HIDROXIAPATITA
  17. 17. Estructura derivada de Tejido dental Componentes implicados la célula o la matriz Fosfolípidos mb. Vesículas matriciales Manto dentina Proteoglicanos.Microestructuras Cemento acelular celulares Mineralizaciones Anexina I. intracelulares Fosfolípidos mb. Débris celulares Pulpolitos Proteoglicanos. M.E.C. Colágenos I,V,VIMineralización inducida Proteínas colagenas Dentina Intertubular P. Fosforiladas por la M.E.C. no colagenas DSP no fosforilada Cemento celular Proteoglicanos acelular Proteína GLA fosfolípidos Proteínas séricas Factores de crecimiento proteínas no colagenas Amelogeninas Dentina Peritubular M.E.C. Enamelinas Lípidos Esmalte Proteoglicanos Glicoproteínas
  18. 18. MICROESTRUCTURAS DERIVADAS DE LA CELULA ENZIMAS 1. Vesículas matriciales •PAL y Pirofosfatasa 2. Débris celulares •Adenosintrifosfatas• Protrusiones /fragmentaciones celulares, que se aobservan al inicio de mineralización. •Nucleótido-3fosfato(Dentina de Manto, inicio de cementogénesis) pirofosfohidrolasa.•Organelos asociados a la membrana celular,trilaminados, 30-200 nm de diámetro. •Metaloproteinasas (lugares iniciales de mineralización.) FOSFOLIPIDOS• Composición y propiedades químicas específicas • Fosfatidilserina.diferentes a la membrana celular. ANEXINA II. • Esfingomielina. (se originan de la membrana celular) (Calcio y fosfato inorgánico) • Glucoesfingolípidos • Colesterol libre
  19. 19. • Estas enzimas producen un ↑↑ de la concentración de fosfato orgánico dentro de la vesículas matriciales. – Anexina II (proteína dependiente de fosfolípidos y fijadoras de Ca++) – Los fosfolípidos son distintos de aquellos de la membrana celular ∀↑ ↑ fosfatidilserina • Esfingomielina • Glucoesfingolípidos • Colesterol libre • No poseen fosfatidilcolina
  20. 20. • Grandes cantidades de Ca++ y fosfato inorgánico están presentes en las V.M.• En los períodos iniciales de calcificación se observa en el cartílago en crecimiento dentro de las V. M. (Fosfato octacálcico)• En etapas tardías el mineral cristalino adopta una apariencia más similar a la H.A. (Bonucci, 1967. Anderson 1967)
  21. 21. • En los estadios iniciales de la formación de dentina de manto y durante la formación inicial de cemento se observa por difracción electrónica a las V.M. como las únicas estructuras que poseen cristales de H.A.• Esto sugiere que las V.M. están involucradas en la mineralización durante algunos estadios de formación (Yamamoto 1960, Hayashi 1983, Kogaya / Furuhaschi 1988)
  22. 22. • Se han observado depósitos minerales amorfos asociados con la membrana celular de odontoblastos jóvenes y de condrocitos (Almuddaris, Dougherty 1979)• Estos depósitos amórfos de PO4 y Ca++, asociados a la membrana celular, se han observado en vesículas que protruyen desde la superficie de preodontoblastos y de odontoblastos jóvenes• Podría estar involucrados en la formación de V.M.
  23. 23. • Se ha observado gránulos amorfos intracelulares que contienen Ca y fosfato en las mitocondrias (SAYEGH y Escaigi 1984) – Odontoblastos comprometidos en la mineralización dentinal, pero no se observan cuando la mineralización es avanzada• El acumulo de depósito internos de Ca++ regula los niveles de Ca++ en el citosol – Permite la formación de tales agregados independientemente de la etapa de mineralización extracelular Esto está regulado por las anexinas
  24. 24. • En la MEC la mineralización ocurre a través de débris celular que se localizan en la vecindad de los nódulos de calcificación durante la biomineralización (Cartílago Ghadilly y Lalonde 1981) (Osteoblastos inl-vitro, Zimmerman y col 1991) (Osificación de los huesos largos, Zimmerman 1994)
  25. 25. • También se ha observado en cultivos celulares de pulpa dental – Mineralización intracelular – Necrosis celular y – Formación de débris celular / o vesículas (debida a fragmentación celular) (Thoneman y col 1994)• Los procesos de mineralización asociados con microestructuras derivadas de la célula ocurren principalmente durante: – Formación del manto de dentina, cemento inicial – Cultivo de células pulpares
  26. 26. • La mineralización de los tejidos duros del diente (esmalte y dentina) – Transformación de la M.E.C. en un tejido calcificado• La dentina intertubular resulta a partir de la mineralización de una MEC compleja que contiene colágeno como la principal proteína y varias proteínas fosforiladas y no fosforiladas así como GAG’S libres y lípidos
  27. 27. • El esmalte en contraste no posee colágeno y es un buen ejemplo de mineralización no colágena – A pesar de los débris celulares están presentes dentro del esmalte en formación, estos no desempeña un papel de vesícula matricial
  28. 28. DENTINOGENESIS MINERALIZACION DE LADENTINA INTERTUBULAR CIRCUMPULPAR• Desde un punto de vista estructural, la dentina intertubular resulta de la Σ y secreción por los odb’s de una M.C.E. colágena que constituye la predentina mineralizándola para transformarla en dentina
  29. 29. • Los cuerpos de los odb’s están implicados en la Σ de moléculas colágenas y no colágenas – En la porción distal, las uniones de tipo gap y las uniones semejantes a desmosomas unen las mb. plasmáticas de células adyacentes. existen pocas tight junctions
  30. 30. • Estos complejos de unión sin embargo forman una barrera que filtra y permite el paso de iones, componentes séricos y algunos compuestos de la pulpa que difunden entre las células – Ese material exógeno se incorpora primero en la predentina que se transforma en dentina • Sin embargo la mayor parte de los componentes de la dentina son Σ por
  31. 31. • Los procesos odontoblásticos y sus ramificaciones laterales son responsables del transporte y secreción de componentes de la matriz – Esos componentes son secretados en la parte proximal de la predentina (Colágeno y PGS) o bien cerca del frente de mineralización en borde de la dentina (proteínas no colágenas) – La reinternalización de los residuos de la matriz (extensiones N-terminales no helicoidales de procolágena o los PGS degradados) se efectúa a lo largo de los procesos odontoblásticos, controlados por vesículas recubiertas.
  32. 32. COMPOSICION DE LA DENTINA • En peso: – 70% de la dentina es la fase mineral – 20% matriz orgánica – 10% agua • En volumen – La fase mineral 50% – La matriz orgánica 30% – La fase acuosa 20%
  33. 33. • Seria la composición general de la dentina asumiendo homogeneidad – Esta bien documentado que ocurre variaciones considerables entre la dentina circumpulpar y el manto de dentina, así como entre la dentina coronal y radicular
  34. 34. COLAGENOS• Principal componente de la dentina – 90% de la matriz dentinal (ausente en la dentina peritubular)• Col. I principal componente de la dentina [α1(J)2, α2(I)]• Col I trimero [α1(I)3 30%
  35. 35. • Col III ausente en predentina y dentina normal – Presente en dentina hereditaria opalescente• Col V en cultivo de odontoblastos y gérmenes dentales (3% del colágeno, presente en predentina)• Col IV al inicio de la dentinogenesis en la mb basal que separa la primer capa de predentina (dentina de manto de los ameloblastos presecretores)• Col VI es un menor componente de la predentina
  36. 36. PROTEINAS NO COLAGENAS• Fosfoproteínas dentinales en un 50% y es el mayor % de proteínas no colágenas – Fosfoproteínas altamente fosforiladas (fosforina) – Fosfoproteínas moderadamente fosforiladas (25% fosfoseina) – Fosfoproteínas ligeramente fosforiladas (5 - 7% fosfoserina) – Las fosforinas PM. 155.000 y una conformación en hojas plegadas β en toda la dentina mineralizada, excepto en la primera capa externa de la dentina de manto (Takagi y col 1986) – Ausente predentina y en células pulpares, tampoco en dentina secundaria y reparativa – Ausente en la dentinogenesis imperfecta tipo I y II
  37. 37. • Es interesante destacar que la dentina radicular contiene la mitad de la cantidad de fosfoproteínas de la dentina de la corona (Takaoi y col 1988)• Al estar presente en dentina y no en predentina las DPP se cree actúan como nucleadores de la mineralización• In vitro según la concentración de DPP pueden promover o inhibir la formación de HA• Las DPP retardan la tasa en la cual las moléculas de colágeno se autoensamblan en fibrillas, haciendo que las fibras formales sean mayores en diámetro (Clarkson y col 1993) Al introducirlas in vitro durante la fibrilación del col tipo I
  38. 38. • Las DPP actúan como P de unión al Ca++ extracelular con alta afinidad en 2 sitios o dominios específicos – Las DPP permiten la formación de nuevos núcleos de mineralización, pero inhiben el crecimiento de los cristales ya formados• Las DPP podrían regular el crecimiento del cristal detrás del frente de mineralización (Fujisawa y col 1987) – En un sistema in vitro de difusión en gel la fosforina a baja [ ]° promueve la formación de HA – A altas [fosforina] el crecimiento de la HA se inhibe esto sugiere la inhibición de la nucleación secundara (Boskey y col 1990)
  39. 39. • Vale la pena destacar que la DPP adherida a una superficie induce la mineralización in-vitro, sin embargo al estar libres en solución las DPP actúan como inhibidores minerales (Lussi y col 1988)
  40. 40. • LA OSTEONECTINA (SPARC) – Glicoproteína fosforilada, con una estructura que inhibe el crecimiento de HA – Promueve la fijación de Ca y P al colágeno desnaturalizado• En dientes humanos, la predentina, los odontoblastos y sus prolongaciones presentan una fuerte tinción inmunohistoquímica y la presencia de mRNA por hibridización in.situ en odontoblastos
  41. 41. • LA OSTEOPONTINA (OPN), (BSP I) – Fosfoproteina ósea de 44 kDa presente en dentina – Estructura α helicoidal, con un bucle de unión al Ca++ rico en acido aspartico – Esta glicoproteína fosforilada es rica en ácido aspártico, serina y ácido glutámico posee 12 fosfoserinas • La secuencia RGD (Arg-Gl - Asp) esta involucrada en la adhesión y migración de fibroblastos y odontoblastos por unión a las integrinas • El mRNA OPN esta presente en odontoblastos• Como proteína fosforilada en OPN puede promover la formación de fases minerales en dentina
  42. 42. SIALOPROTEINAS (BSP1)2• Glicoproteína, con PM 70.000 - 80.000 y hojas plegadas β• Posee 12 - 18% ácido sialico• 7% glucosamina• 6% galactosaminia• 30% de oligosacáridos
  43. 43. • Las BSP II posee una secuencia RGD y promueve la adhesión y migración de células, pero menos que la OPN• Las BSP promueven la fibrilogenesis de col tipo I – Se detectan pocas cantidades de BSP II en dentina • En estadios iniciales de desarrollo dental no esta presente • Al día 21 de desarrollo en incisivos mandibulares de rata hay un intenso marcaje• Esta proteína puede mediar el estado inicial de mineralización (Chen y col 1992)
  44. 44. Sialoproteínas no fosforiladas• Sialoproteína dentinal – Glicoproteína de 95 kDa – Glicoproteína rica en ácido siálico• La DSP posee abundantes: – Ácido aspártico – Ácido glutámico – Serina y glicina – No posee cisteína no fosfato – 30% de carbohidratos • 9% ácido siálico
  45. 45. ∀Σ por los odontoblastos, es secretada en predentina y dentina, se distribuye alrededor de los procesos odontoblastos• No posee propiedades de adhesión celular, como las otras sialoproteínas
  46. 46. OSTEOCALCINA (Proteína Gla Dentina)• Es análoga a la proteína ósea que contiene ácido γ corboxiglutámico (Proteína Gla) – Esta molécula no presenta efectos en la formación mineral pero retarda el crecimiento de HA – El marcaje es ligero en la predentina (Camarda y col 1987) – En dientes humanos no se observa marcaje en odontoblastos ni en dentinas • Solo la dentina de manto reacciona con el Anti- OC
  47. 47. PROTEOGLICANOS• En dentina se han identificado como las principales componentes el C4S y C6S (Pincus 1950)• Se han demostrado que existen 2 grupos de PG’S (Predentina) Pd- PGI y Pd-PGII – El PdPGI poseen un mayor peso molecular y largas cadenas de GAG conformadas por isoméro C4-S y C6S – El Pd-PgII y D-PGCCM 70.000 - 120.000) posee pequeñas cadenas de GAG’S xompuestas exclusivamente de cadenas C-4-S • Todos esos PG’S no interactúan con el ácido hialúronico
  48. 48. • Se ha identificado pequeños proteoglicanos como decorina y biglycan – C4-S y Decorina se localizan en dentina – C4-S, C6-S y KS, versican y biglycan en predentina (TAKADI y col 1990)• Por experimentos en MET e histoquímica (colorantes catiónicos, complejos oro / hialuronidasa) se observan PG’s entre los espacios de la trama colágena en predentina – En dentina parecen estructuras similares a agujas o fantasmas (Sombras de cristales HA), asociadas a la superficie de colágeno
  49. 49. • Los PG’s son Σ y secretados en la predentina próximal en la unión entre el cuerpo celular y la predentina – (Frente de mineralización)• Los PG’s son los principales componentes de la S.F. Amorfa – Proveen un medio adecuado para el transporte y difusión de iones (Goldberg y col 1987)
  50. 50. • En la dentina los PG’s estan estrachamente asociados con las fibras colágeno – Se observa como líneas punteadas o estructuras cristalinas ocupando el espacio con algunos fosfolípidos, como sucede en otros tejidos calcificados
  51. 51. • Al iniciarse la mineralización se observa una disminución de PG’s – Experimentos in vitro demuestran que durante la formación de HA se inhibe en geles colágeno por el condroitin sulfato (Chen y Boskey 1985) – In vivo los PG’s podrían promover la mineralización, actuando como un reservorio de intercambio iónico de Ca++ (Hunter 1991)
  52. 52. • Los proteoglicanos inmobilizados en un sustrato de soporte inducen la formación HA• En solución los proteoglicanos inhiben la formación de HA y el crecimiento (Linde y col 1989)
  53. 53. CONCLUSION• En la predentina, actúa como un gel hidratado amorfo participan en el transporte, difusión y actúan como inhibidores de HA• En la dentina los PG’s se absorben a la superficie del colágeno y promueven el inicio de HA
  54. 54. PROTEINAS SERICAS• Albúmina: esta presente en dentina – Por auto radiografía, con albúmina marcada se observó la incorporación del precursor en la predentina, y posteriormente la difusión entre los odontoblastos (Kinoshita 1979)• α 2HS Glucoproteína – PM 50 kDa, presente en dentina peritubular
  55. 55. LIPIDOS• La distribución de fosfolípidos varia entre la dentina y la predentina (Shapiro y col 1966)• Algunas clases de fosfolípidos se asocian a la fase mineral y están involucrados en la biomineralización de la dentina – Los fosfolípidos se localizan entre los espacios de colágeno en la predentina – En la dentina se observan a lo largo de fibras individuales o en la superficie de grupos de fibras colágenas• Los fosfolípidos podrían ser los responsables de los niveles elevados de Ca++ en la predentina distal, antes de cualquier precipitación visible en el frente de mineralización
  56. 56. FACTORES DE CRECIMIENTO – IGF - I – SGF / IGF II Presentes en dentina – TGF βPueden actuar como citoquinas opodrían fosilizarse durante laformación de dentina

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