關(guān)于生物科學(xué)論文
關(guān)于生物科學(xué)論文
21世紀(jì)被稱為“生物技術(shù)世紀(jì)”。下面是小編為大家精心推薦的關(guān)于生物科學(xué)論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>
關(guān)于生物科學(xué)論文篇一
生物芯片研究進(jìn)展
摘要 生物芯片是便攜式生物化學(xué) 分析 器的核心技術(shù)。通過(guò)對(duì)微加工獲得的微米結(jié)構(gòu)作生物化學(xué)處理能使成千上萬(wàn)個(gè)與生命相關(guān)的信息集成在一塊厘米見(jiàn)方的芯片上。采用生物芯片可進(jìn)行生命 科學(xué) 和醫(yī)學(xué)中所涉及的各種生物化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測(cè)試分析的目的。生物芯片 發(fā)展 的最終目標(biāo)是將從樣品制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測(cè)的整個(gè)生化分析過(guò)程集成化以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)(micro total analytical system)或稱縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(laboratory on a chip)。生物芯片技術(shù)的出現(xiàn)將會(huì)給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開(kāi)發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)、司法鑒定、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。本文闡述了生物芯片技術(shù)在加工制備、功能和 應(yīng)用 方面的近期 研究 進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：生物芯片，縮微芯片實(shí)驗(yàn)室，疾病診斷，基因表達(dá)
人類基因組計(jì)劃的目標(biāo)是在2005年完成對(duì)30億個(gè)人體基因組DNA堿基的序列測(cè)定，現(xiàn)在通過(guò)使用更高級(jí)的毛細(xì)管陣列測(cè)序儀和商業(yè)操作，使該計(jì)劃有望提前完成。因此，人們現(xiàn)已開(kāi)始利用人類基因組計(jì)劃中所發(fā)現(xiàn)的已知基因?qū)ζ涔δ苓M(jìn)行研究，亦即把已知基因的序列與功能聯(lián)系在一起的功能基因組學(xué)研究。另外，與疾病相關(guān)的研究已從研究疾病的起因向探索發(fā)病機(jī)理方面轉(zhuǎn)移，并從疾病診斷向疾病易感性研究轉(zhuǎn)移。由于所有上述這些研究都與DNA結(jié)構(gòu)、病理和生理等因素密切相關(guān)，因此許多國(guó)家現(xiàn)已開(kāi)始考慮在后基因組時(shí)期，研究人員是否能用有效的硬體技術(shù)來(lái)對(duì)如此龐大的DNA信息以及蛋白質(zhì)信息加以利用。為此，先后已有多種解決方案問(wèn)世，如DNA的質(zhì)譜分析法[1]、熒光單分子分析法[2]、陣列式毛細(xì)管電泳[3]、雜交分析[4]等。但到 目前 為止，在對(duì)DNA和蛋白質(zhì)進(jìn)行分析的各種技術(shù)中，發(fā)展最快和應(yīng)用前景最好看的技術(shù)當(dāng)數(shù)以生物芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的親和結(jié)合分析、毛細(xì)管電泳分析法[5]和質(zhì)譜分析法。此外，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與采用生物芯片技術(shù)和樣品制備 方法 (芯片細(xì)胞分離技術(shù)[6]和生化反應(yīng)方法(如芯片免疫分析[7]和芯片核酸擴(kuò)增[8])相結(jié)合，許多研究機(jī)構(gòu)和 工業(yè) 界都已開(kāi)始構(gòu)建所謂的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。建立縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的最終目的是將生命科學(xué)研究中的許多不連續(xù)的分析過(guò)程，如樣品制備，化學(xué)反應(yīng)和分離檢測(cè)等，通過(guò)采用象集成電路制作過(guò)程中的半導(dǎo)體光刻加工那樣的縮微技術(shù)，將其移植到芯片中并使其連續(xù)化和微型化。這些當(dāng)年將數(shù)間房屋大小的分離元件 計(jì)算 機(jī)縮微成現(xiàn)在只有書(shū)本大小的筆記本式計(jì)算機(jī)有異曲同工之效。用這些生物芯片所制作的具有不同用途的生化分析儀具有下述一些主要優(yōu)點(diǎn)，即分析全過(guò)程自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低、防污染(芯片系一次性使用)、分析速度可獲得成千上萬(wàn)倍的提高、同時(shí)，所需樣品及化學(xué)藥品的量可獲得成百上千倍的減少、極高的多樣品處理能力、儀器體積小、重量輕、便于攜帶。這類儀器的出現(xiàn)將會(huì)給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開(kāi)發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)、司法鑒定、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。因此，它已廣為各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目[9]。
1 生物芯片的微加工制備
生物芯片的加工借用的是微 電子 工業(yè)和其他加工工業(yè)中比較成熟的一些微細(xì)加工(microfabrication)工藝(如：光學(xué)掩模光刻技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕、微注入模塑和聚合膜澆注法)，在玻璃、塑料、硅片等基底材料上加工出用于生物樣品分離、反應(yīng)的微米尺寸的微結(jié)構(gòu)，如過(guò)濾器、反應(yīng)室、微泵、微閥門(mén)等微結(jié)構(gòu)。然后在微結(jié)構(gòu)上施加必要的表面化學(xué)處理，再在微結(jié)構(gòu)上進(jìn)行所需的生物化學(xué)反應(yīng)和分析。
生物芯片中目前發(fā)展最快的要算親和結(jié)合芯片(包括DNA和蛋白質(zhì)微陣列芯片)。它的加工除了用到一些微加工工藝以外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)?，F(xiàn)在有四種比較典型的親和結(jié)合芯片加工方法。一種是Affymetrix公司開(kāi)發(fā)出的光學(xué)光刻法與光化學(xué)合成法相結(jié)合的光引導(dǎo)原位合成法[10]。第二種方法是Incyte pharmaceutical公司所采用的化學(xué)噴射法，它的原理是將事先合成好的寡核苷酸探針噴射到芯片上指定的位置來(lái)制作DNA芯片的。第三種是斯坦福大學(xué)所使用的接觸式點(diǎn)涂法。該方法的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)使用高速精密機(jī)械手所帶的移液頭與玻璃芯片表面接觸而將探針定位點(diǎn)滴到芯片上的[11]。第四種方法是通過(guò)使用四支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在芯片上作原位DNA探針合成的[12]。
2 生物芯片舉例
生物芯片是縮小了的生物化學(xué)分析器，通過(guò)芯片上微加工獲得的微米結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)處理結(jié)合，便可將成千上萬(wàn)個(gè)與生命相關(guān)的信息集成在一塊厘米見(jiàn)方的芯片上。采用芯片可進(jìn)行生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中所涉及的各種生物化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到對(duì)基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測(cè)試分析的目的。通過(guò)分析可得到大量具有生物學(xué)、醫(yī)學(xué)意義的信息。生物化學(xué)反應(yīng)和分析過(guò)程通常包括三個(gè)步驟：1，樣品制備;2，生物化學(xué)反應(yīng);3，檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析處理。將其中一個(gè)步驟或幾個(gè)步驟微型化集成到一塊芯片上就能獲得具有特殊功能的生物芯片，例如用于樣品制備的細(xì)胞過(guò)濾器芯片和介電電泳芯片、用于基因突變檢測(cè)和基因表達(dá)的DNA微陣列芯片和用于藥物篩選的高通量微米反應(yīng)池芯片等?，F(xiàn)在，世界各國(guó)的科學(xué)家們正致力于將生化分析的全過(guò)程通過(guò)不同芯片的使用最后達(dá)到全部功能的集成，以實(shí)現(xiàn)所謂的微型全分析系統(tǒng)或縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。使用縮微芯片實(shí)驗(yàn)室，人們可以在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時(shí)間完成從原始樣品到獲取所需分析結(jié)果的全套操作。
2.1 樣品制備芯片
針對(duì)DNA分析，其制備過(guò)程通常要經(jīng)過(guò)細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白等多方面的工作，最后得到純度足夠高的待檢DNA。目前在細(xì)胞分離方法上較突出的有過(guò)濾分離(根據(jù)生物顆粒的尺寸差異進(jìn)行分離)和介電電泳分離(利用在芯片上所施加的高頻非均勻電場(chǎng)使不同的細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)出偶電極，導(dǎo)致細(xì)胞受不同的介電力作用，而從樣品中分離出來(lái))等;芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、變壓脈沖破胞，以及化學(xué)破胞等。在捕獲DNA方面，CephEid公司應(yīng)用濕法蝕刻和反應(yīng)離子蝕刻/等離子蝕刻等工藝在硅片上加工出含有5000個(gè)高200微米直徑20微米的具有細(xì)柱式結(jié)構(gòu)的DNA萃取芯片，專門(mén)用于DNA的萃取[13]。
2.2 生物化學(xué)反應(yīng)芯片
由于目前所用檢測(cè)儀器的靈敏度還不夠高，因此從樣品中提取的DNA在標(biāo)記和應(yīng)用前仍需用PCR這樣的擴(kuò)增復(fù)制技術(shù)復(fù)制幾十萬(wàn)乃至上百萬(wàn)個(gè)相同的DNA片段。
目前，在芯片中進(jìn)行核酸擴(kuò)增反應(yīng)獲得成功的有賓夕法尼亞大學(xué)研究小組[8，14]，美國(guó)勞倫斯-利物摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[15]和Perkin-Elmer公司[16]。賓夕法尼亞大學(xué)研究小組所做的擴(kuò)增反應(yīng)都是在硅-玻璃芯片中進(jìn)行的，芯片的外部加熱和冷卻采用的是計(jì)算機(jī)控制的帕爾帖電-熱器。在對(duì)芯片表面進(jìn)行惰性處理后，亦即在硅片表面生長(zhǎng)一層2000埃的氧化硅之后，他們成功地在硅-玻璃芯片中完成了一系列不同的核酸擴(kuò)增反應(yīng)，例如RT-PCR、LCR、多重PCR和DOP-PCR。由勞倫斯-利物摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加工的硅芯片所采用的加熱方式是芯片內(nèi)置的薄膜多晶硅加熱套，其升降溫的速度很快。Perkin-Elmer公司的PCR反應(yīng)則是在塑料芯片上完成的。倫敦帝國(guó)理工大學(xué)的研究者研制了一種樣品可在不同溫度的恒溫區(qū)間內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的PCR芯片[17]。上述所有工作都是用事先提純了的DNA或RNA作為擴(kuò)增反應(yīng)的底物來(lái)完成的。為了將樣品制備和擴(kuò)增反應(yīng)集成為一體，賓夕法尼亞大學(xué)研究小組最近成功地在壩式微過(guò)濾芯片中直接對(duì)分離所得的人白細(xì)胞通過(guò)升溫方式胞解后所釋放的DNA進(jìn)行了擴(kuò)增，這是世界上首例將樣品制備和擴(kuò)增反應(yīng)集成為一體的研究成果[14]。
2.3 檢測(cè)芯片
2.3.1 毛細(xì)管電泳芯片
芯片毛細(xì)管電泳是1983年由杜邦公司的Pace開(kāi)發(fā)出來(lái)的[18]。隨后，瑞士的Ciba-GEIgy公司和加拿大的Alberta大學(xué)合作利用玻璃芯片毛細(xì)管電泳完成了對(duì)寡核苷酸的分離[19]。首次用芯片毛陣列電泳檢測(cè)DNA突變和對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序的是由加利福尼亞大學(xué)伯格利分校Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成的[20,21]。通過(guò)在芯片上加上高壓直流電，他們?cè)诮鼉煞昼姷臅r(shí)間內(nèi)便完成了從118bp到1353bp的許多DNA片段的快速分離。此外，Mathies的小組與勞倫斯-利物摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Nothrup的研究小組合作，報(bào)道了首例將核酸擴(kuò)增反應(yīng)與芯片毛細(xì)管電泳集成為一體所作的多重PCR檢測(cè)工作[22]。賓夕法尼亞大學(xué)Wilding的小組與Ramsey的小組一道用芯片毛細(xì)管電泳對(duì)芯片中擴(kuò)增得到的用于杜鑫-貝克肌萎縮診斷的多條DNA片段進(jìn)行分離也獲得了成功[14]。其他用 芯片毛細(xì)管電泳檢測(cè)突變的外國(guó)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有Perkin-Elmer公司、Caliper technologies公司、Aclara biosciences公司和麻省理工等。
2.3.2 DNA突變檢測(cè)芯片
dNA之所以能進(jìn)行雜交是因?yàn)楹塑誂和T、G和C可同時(shí)以氫鍵結(jié)合互補(bǔ)成對(duì)。許多經(jīng)典的分子生物學(xué)方法如桑格DNA測(cè)序法和PCR等都是以此為基礎(chǔ)的。最近出現(xiàn)的幾項(xiàng)技術(shù)，如用光刻掩膜技術(shù)作光引導(dǎo)原位DNA合成[23]、電子雜交技術(shù)[24]、高靈敏度激光掃描熒光檢測(cè)技術(shù)[25]等，使以雜交為基礎(chǔ)的應(yīng)用有了長(zhǎng)足的改善。最近的一些 英文 權(quán)威刊物對(duì)應(yīng)用芯片雜交技術(shù)檢測(cè)突變作了報(bào)道。Hacia等人采用由96000個(gè)寡核苷酸探針?biāo)M成的雜交芯片，完成了對(duì)遺傳性乳腺癌和卵巢腫瘤基因BRCA1中外顯子上的24個(gè)異合突變(單核苷突變多態(tài)性)的檢測(cè)。他們通過(guò)引入?yún)⒄招盘?hào)和被檢測(cè)信號(hào)之間的色差分析使得雜交的特異性和檢測(cè)靈敏度獲得了提高[26]。另外，Kozal等人用高密度HIV寡核苷酸探針芯片對(duì)HIV病株的多態(tài)性作了分析[27]。Cronin等人用固化有428個(gè)探針的芯片對(duì)導(dǎo)致肺部囊性纖維化的突變基因進(jìn)行了檢測(cè)[28]。用生物芯片作雜交突變檢測(cè)的美國(guó)公司有貝克曼儀器公司、Abbot laboratory、Affymetrix、Nanogen、Sarnoff、Genometrix、Vysis、Hyseq、Molecular dynamics等;英美學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有賓夕法尼亞大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院、牛津大學(xué)、Whitehead institute for Biomedical Research，海軍研究室，Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等。
通過(guò)雜交分析DNA的另一應(yīng)用技術(shù)是重復(fù)測(cè)序。那么，重復(fù)測(cè)序是怎么工作的呢?首先，人們將長(zhǎng)度為8-20個(gè)核苷的探針合成并固定到指甲蓋大小的硅芯片或玻璃芯片上。當(dāng)含有與探針序列互補(bǔ)的DNA被置于聯(lián)有探針的芯片之后，固化探針就會(huì)通過(guò)與其序列互補(bǔ)的DNA片段雜交而結(jié)合[10]。通過(guò)使用帶有計(jì)算機(jī)的熒光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)“棋盤(pán)”每個(gè)格子上的熒光強(qiáng)弱及根據(jù)每個(gè)格子上已知探針的序列進(jìn)行分析與組合就可得知樣品DNA所含有的堿基序列。最近美國(guó)的Science雜志對(duì)應(yīng)用芯片雜交技術(shù)測(cè)序作了報(bào)道。Chee等人在一塊固化有135000個(gè)寡核苷酸探針(每個(gè)探針長(zhǎng)度為25個(gè)核苷)的硅芯片上對(duì)長(zhǎng)度為16.6kbp的整個(gè)人線粒體DNA作了序列重復(fù)測(cè)定。每個(gè)探針之間的空間間隔為35微米。測(cè)序精度為99%。另外Hacia還報(bào)道了一種微測(cè)序分析法(minisequencing-based assays)為檢測(cè)所有可能的堿基序列變化提供了強(qiáng)有力的手段。此方法中需要將不同顏色熒光染料標(biāo)記的四種ddNTP，加入到引物的酶促反應(yīng)中，微陣列上固化的寡核苷酸用作酶促反應(yīng)的引物，靶序列作為模板，可檢測(cè)到靶序列上的堿基變化。用生物芯片從事雜交測(cè)序的美國(guó)公司有Affymetrix和Hyseq[29]。
2.3.3 用作基因表達(dá)分析的DNA芯片
隨著人類基因組計(jì)劃的順序進(jìn)行，越來(lái)越多的能夠表達(dá)的人基因序列以及引發(fā)疾病和能預(yù)測(cè)疾病的各種突變正在為人們逐漸認(rèn)識(shí)。為了能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)可能的遺傳突變進(jìn)行搜尋、加快功能基因組學(xué)研究的進(jìn)程，人們現(xiàn)已把越來(lái)越多的注意力放到了能同時(shí)提供有關(guān)多個(gè)基因及其序列信息的所謂并行分子遺傳學(xué)分析(parallel molecular genetic analysis)方法上。功能基因組學(xué)所研究的是在特定組織中、發(fā)育的不同階段或者是疾病的不同時(shí)期基因的表達(dá)情況。因此它的要求是要能在同一時(shí)刻獲得多個(gè)分子遺傳學(xué)分析的結(jié)果。譬如，許多疾病引發(fā)基因可能會(huì)有數(shù)以百計(jì)的與表征有關(guān)的特定突變，因而，要求能有同時(shí)篩檢這些突變的有效方法。另外，任何一個(gè)細(xì)胞中都會(huì)有上千個(gè)基因在表達(dá)。而細(xì)胞間基因表達(dá)的差異往往能反應(yīng)出這些細(xì)胞是發(fā)育正常還是在朝惡性腫瘤細(xì)胞方向發(fā)展。采用芯片技術(shù)利用雜交對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行分析的好處是它能用很少的細(xì)胞物質(zhì)便能提供有關(guān)多基因差異表達(dá)的信息，從而給疾病診斷和藥物篩選提供前所未有的信息量[30]。Lockhart等人采用固化有65000個(gè)不同序列的長(zhǎng)度為20個(gè)核苷的探針芯片，定量地分析了一個(gè)小鼠T細(xì)胞線中整個(gè)RNA群體內(nèi)21個(gè)各不相同的信使RNA。這些專門(mén)設(shè)計(jì)的探針能與114個(gè)已知的小鼠基因雜交。分析發(fā)現(xiàn) 在誘發(fā)生成細(xì)胞分裂后，另外有20個(gè)信使RNA的表達(dá)也發(fā)生了改變。檢測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)RNA的檢出率為1:300000，對(duì)信使RNA的定量基準(zhǔn)為1:300[32]。Wang等人在研究表鬼臼毒素吡喃葡糖苷(etoposide)誘導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡時(shí)，利用DNA芯片技術(shù)，制備了一次可檢測(cè)6591種人細(xì)胞信使RNA的寡聚核苷酸微陣列，檢測(cè)到誘導(dǎo)后的細(xì)胞內(nèi)有62種信使RNA的量發(fā)生了變化。通過(guò)挑選12個(gè)與誘導(dǎo)作用有關(guān)的基因作進(jìn)一步研究，它們發(fā)現(xiàn)了2個(gè)新的p53靶基因[33]。DeRisi等人將一個(gè)惡性腫瘤細(xì)胞線中得到的870個(gè)不同的cDNA探針通過(guò)機(jī)械手“刷印”至載玻片上以觀察癌基因的表達(dá)情況。在比較兩個(gè)標(biāo)有不同熒光標(biāo)記的細(xì)胞信使RNA群的雜交結(jié)果之后，他們對(duì)引入正常人染色體后腫瘤基因受到抑制的細(xì)胞中的基因表達(dá)結(jié)果進(jìn)行了分析[34]。另外，Shoemaker等人報(bào)道了一種利用生物芯片來(lái)確定許多新近發(fā)現(xiàn)的酶母基因的生物功能的所謂分子條形編碼技術(shù)。這種技術(shù)的好處是它能讓我們以并行的方式定量地分析很復(fù)雜的核酸混合物[35]。Lueking等人最近采用蛋白質(zhì)微陣列技術(shù)，把作為探針的蛋白質(zhì)高密度地固定在聚雙氟乙烯膜(polyvinylidene difluoride)上，并檢測(cè)到了10pg的微量蛋白質(zhì)測(cè)試樣。對(duì)92個(gè)人cDNA克隆片段表達(dá)的產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，用單克隆技術(shù)作平行分析，證實(shí)了假陽(yáng)性的的檢出率低。由于蛋白質(zhì)微陣列技術(shù)不受限于抗原-抗體系統(tǒng)，故能為高效篩選基因表達(dá)產(chǎn)物及研究受體-配體的相互作用提供一條新的有效途徑[36]。
2.4 縮微芯片實(shí)驗(yàn)室
生物芯片 發(fā)展 的最終目標(biāo)是將從樣品制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測(cè)的整個(gè) 分析 過(guò)程集成化以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)或稱縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。1998年6月，Nanogen公司的程京博士和他的同事們首次報(bào)道了用芯片實(shí)驗(yàn)室所實(shí)現(xiàn)的從樣品制備到反應(yīng)結(jié)果顯示的全部分析過(guò)程。他們用這個(gè)裝置從混有大腸桿菌的血液中成功地分離出了細(xì)菌，在高壓脈沖破胞之后用蛋白酶K孵化脫蛋白，制得純化的DNA，最后用另一塊 電子 增強(qiáng)的DNA雜交芯片分析證實(shí)提取物是大腸桿菌的DNA。這是向縮微實(shí)驗(yàn)室邁進(jìn)的一個(gè)成功的突破[37]。 目前 ，含有加熱器、微泵微閥、微流量控制器、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測(cè)器的芯片已經(jīng)研制出來(lái)了，而且，也出現(xiàn)了將樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和分析檢測(cè)部分結(jié)合的芯片(例如，樣品制備和PCR[38];競(jìng)爭(zhēng)免疫測(cè)定和毛細(xì)管電泳分離[39])。相信不久的將來(lái)，包含所有步驟的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室將不斷涌現(xiàn)。
3 結(jié)尾
經(jīng)過(guò)近十年的不懈努力，生物芯片技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)開(kāi)始對(duì)生命 科學(xué) 研究 的許多領(lǐng)域帶來(lái)沖擊甚至革命。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了令人眩目的成就。到現(xiàn)在，從樣品制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測(cè)的三個(gè)步驟已獲得了部分集成，三個(gè)部分的全部集成已初現(xiàn)端倪。 中國(guó) 在這方面尚未起步，如果各方面重視，投入一定的人力和物力，相信不久的將來(lái)在該領(lǐng)域中我們也會(huì)占有一席之地的。
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關(guān)于生物科學(xué)論文篇二
肝癌的生物治療
【摘要】 生物 治療 作為腫瘤治療的新概念備受關(guān)注，已成為繼手術(shù)、放療、化療后腫瘤治療的第4種模式。隨著 現(xiàn)代 分子生物學(xué)技術(shù)和基因工程技術(shù)的迅速 發(fā)展 ，為原發(fā)性開(kāi)辟了全新的領(lǐng)域，并已取得了越來(lái)越多可喜的成果，分子靶向治療、免疫治療、基因治療、內(nèi)分泌治療、干細(xì)胞治療等顯示出了良好的應(yīng)用前景。就生物治療在肝癌治療中的研究和應(yīng)用作一概述。
【關(guān)鍵詞】 肝腫瘤·生物治療
原發(fā)性肝癌(primary hepatocellular carcinoma，PLC)中90%為肝細(xì)胞性肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展，為PLC的生物治療開(kāi)辟了全新的領(lǐng)域，生物治療已成為繼手術(shù)、放療、化療后腫瘤治療的第4種模式，并顯示出了良好的應(yīng)用前景。主要包括：分子靶向治療、免疫治療、基因治療、內(nèi)分泌治療、干細(xì)胞治療等。
1 分子靶向治療
HCC的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，其發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移與多種基因的突變、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路和新生血管增生異常等密切相關(guān)，其中多個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，是進(jìn)行分子靶向治療的理論基礎(chǔ)和重要的潛在靶點(diǎn)。分子靶向藥物治療PLC已成為新的研究熱點(diǎn)。靶向治療是將免疫分子、分子受體或脂質(zhì)體等載體，與藥物、放射性核素或生物毒素等偶聯(lián)，靶向性殺傷腫瘤細(xì)胞。
1.1 針對(duì)表皮生長(zhǎng)因子及其受體的靶向治療
表皮生長(zhǎng)因子(epidernal growth factor，EGF)是生長(zhǎng)因子家族的主要成員之一，是含53個(gè)氨基酸殘基的多肽激素。EGF可以強(qiáng)烈刺激細(xì)胞分裂，與胚胎的發(fā)生與生長(zhǎng)、組織的修復(fù)與再生以及腫瘤的發(fā)生有密切的關(guān)系。EGF及其受體(EGFR)在PLC中存在過(guò)表達(dá)[1]，與PLC的形成、發(fā)生、發(fā)展有密切關(guān)系[2-4]?？笶GFR藥物如埃羅替尼(erlotinib)和西妥昔單抗(cetuximab)，能夠靶向性作用于腫瘤細(xì)胞表面的EGFR，有效阻斷由EGFR介導(dǎo)的下游信號(hào)傳導(dǎo)通路和細(xì)胞學(xué)效應(yīng)，并誘導(dǎo)EGFR內(nèi)化和降解。但近年多項(xiàng)臨床研究顯示，抗EGFR治療對(duì)PLC患者的療效并不顯著[5]，因而抗EGFR治療在HCC的治療上尚存在一定爭(zhēng)議。
1.2 抗血管生成治療
腫瘤生長(zhǎng)、代謝、浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)均與腫瘤的血液供應(yīng)密切相關(guān)。PLC是一種富血管的惡性腫瘤，惡性程度高、生長(zhǎng)速度快、轉(zhuǎn)移范圍廣、復(fù)發(fā)率高。目前已證實(shí)腫瘤患者體內(nèi)存在多種血管生成因子，其中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是體內(nèi)作用最強(qiáng)的一種血管生成因子[6]。PLC患者VEGF血清水平顯著的高于肝臟良性病變患者和正常人群[7]。缺氧是VEGF最強(qiáng)烈的誘導(dǎo)劑[8]，由于腫瘤細(xì)胞在不斷生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氧的需要不斷增加，而腫瘤周圍組織供氧量有限，因此導(dǎo)致腫瘤分泌大量VEGF，不斷促使新生血管生成，以滿足腫瘤生長(zhǎng)的需求。此外，VEGF誘導(dǎo)新生的腫瘤相關(guān)血管結(jié)構(gòu)不完善且通透性強(qiáng)，部分腫瘤細(xì)胞可以穿過(guò)血管壁進(jìn)入血管向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，故加速了腫瘤浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移[9]。在PLC患者中，己發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者VEGF血清水平也較未發(fā)生轉(zhuǎn)移的患者顯著增高[9]。因此，VEGF在PLC的生長(zhǎng)、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移、治療和提示預(yù)后方面都有重要的作用。近年來(lái)，抗血管生成治療在 HCC的治療中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位。目前臨床上應(yīng)用最廣泛的抗血管生成藥物包括VEGF抑制劑貝伐單抗(bevacizumab，Avastin)和Brivanib等。貝伐單抗是一種新型的抗VEGF的人源化單克隆抗體，可結(jié)合VEGF并防止其與內(nèi)皮細(xì)胞表面的受體(Flt-1和 KDR)結(jié)合而發(fā)揮作用、減少腫瘤內(nèi)的血管形成，從而使腫瘤組織無(wú)法獲得生長(zhǎng)、增殖所需的血液、氧及其他養(yǎng)分，最終導(dǎo)致腫瘤壞死。近年來(lái)，有學(xué)者將貝伐單抗用于不能手術(shù)和介入治療的晚期HCC患者，取得了較好的效果[10]。
1.3 信號(hào)傳導(dǎo)通路抑制劑治療
哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian targetof rapamycin，mTOR)是哺乳動(dòng)物磷脂酰肌醇/蛋白激酶(PI3k/Akt)通路的下游效應(yīng)物，是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR通過(guò)調(diào)節(jié)其他激酶，如40S核糖體6激酶(S6k)，細(xì)胞周期依賴蛋白激酶(cyclin-dependent kinases，CDK) 和真核細(xì)胞翻譯起始因子(4E結(jié)合蛋白，4EB) 的磷酸化，在蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中起重要調(diào)節(jié)作用。雖然與 mTOR有關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑尚未完全闡明，一個(gè)很明顯的事實(shí)是mTOR參與了蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)，并與生長(zhǎng)因子及其受體、細(xì)胞周期進(jìn)程及膜運(yùn)輸相互作用[11]。生長(zhǎng)因子激活 PI3k和Akt，然后通過(guò)mTOR介導(dǎo)大量蛋白激酶S6k、CDK、4EBP磷酸化，影響腫瘤細(xì)胞的存活和增殖[12]。VEGF通過(guò)介導(dǎo)激酶鏈 PI3k-Akt-mTOR調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞的增生、存活和轉(zhuǎn)移[13]。抑制 mTOR的功能可以消除由 PI3K/Akt通路介導(dǎo)的增殖信號(hào)，使細(xì)胞周期阻滯，抑制腫瘤生長(zhǎng)，因此mTOR抑制劑作為一種抗腫瘤藥物的作用最近再次引起關(guān)注。目前已有西羅莫司(Sirolimus)和依維莫司(Everolimus)2種商品化抗mTOR的藥物。
1.4 多靶點(diǎn)抑制劑治療
研究表明，Raf/MAPK-ERK激酶(MEK)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)通路在HCC發(fā)病過(guò)程中有一定作用[14]。此外，HCC細(xì)胞系內(nèi)過(guò)度表達(dá)的活化MEK1可通過(guò)阻止細(xì)胞凋亡而促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)和存活。HCC是一種富血管性腫瘤，VEGF 可促進(jìn) HCC的發(fā)展和轉(zhuǎn)移。因此，阻斷通過(guò)Raf/MAPK-ERK的信號(hào)傳導(dǎo)及VEGF的作用可能會(huì)對(duì)HCC起到治療效果[15]。
分子靶向治療在控制HCC的腫瘤增殖、預(yù)防和延緩復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移以及提高患者的生活質(zhì)量等方面可能具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì);循證醫(yī)學(xué)高級(jí)別證據(jù)已充分證明基因治療藥物可以延長(zhǎng)晚期HCC患者的生存期，而聯(lián)合其他治療藥物或方法有可能取得更好的效果。
2 免疫治療
目前免疫治療對(duì)臨床已生長(zhǎng)的實(shí)體瘤的消除能力尚十分有限，對(duì)大量的腫瘤細(xì)胞也難以奏效，在臨床上多用于手術(shù)、介入等方法的輔助治療，或不能耐受化療以及不能手術(shù)切除的HCC患者。包括主動(dòng)免疫、非特異性免疫、過(guò)繼免疫和聯(lián)合免疫等。
2.1 主動(dòng)免疫治療
主動(dòng)免疫治療是指利用腫瘤細(xì)胞的特異性物質(zhì)誘導(dǎo)患者產(chǎn)生特異性免疫，進(jìn)而主動(dòng)殺傷腫瘤細(xì)胞的過(guò)程，目前用于臨床的PLC主動(dòng)免疫包括HCC腫瘤疫苗、樹(shù)突狀細(xì)胞疫苗。
2.1.1 HCC腫瘤疫苗
是將自身或異體同種HCC細(xì)胞經(jīng)過(guò)物理因素(如照射、高溫)、化學(xué)因素(如酶解)及生物因素(如病毒感染、 基因轉(zhuǎn)移)等的處理，改變或消除其致瘤性，保留其免疫原性，輸入體內(nèi)，刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性抗腫瘤免疫，達(dá)到治療PLC、預(yù)防HCC轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的目的[16]。人類腫瘤免疫排斥抗原——黑色素瘤抗原家族(melanoma antigens，MAGEs)的發(fā)現(xiàn)，為腫瘤的免疫治療提供了特異性抗原。由于MAGE抗原能被腫瘤組織特異性表達(dá)且可與人類白細(xì)胞抗原(human leucocyte antigen，HLA)1和HLA2形成抗原肽/HLA復(fù)合物，能被殺傷T細(xì)胞(cytotoxio T lymphocyte，CTL)識(shí)別和殺傷，提示MAGE抗原用于PLC的免疫治療，開(kāi)發(fā)腫瘤疫苗有著廣闊的前景。
2.1.2 樹(shù)突狀細(xì)胞疫苗
樹(shù)突狀細(xì)胞(dendritic cell，DC)是體內(nèi)功能最強(qiáng)的專職抗原遞呈細(xì)胞 (antigen presentinz cell，APC)，可以刺激初始T細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)初始免疫應(yīng)答，在抗腫瘤細(xì)胞免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用。腫瘤可使DC功能失常，使之處于非成熟狀態(tài)。只有成熟的DC才能有效呈遞抗原，以誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生有效的抗癌免疫應(yīng)答[17]。目前用DC疫苗治療HCC臨床應(yīng)用報(bào)道不多，有待進(jìn)一步研究和探討。
2.2 非特異性免疫治療
非特異性免疫治療的目的：腫瘤相關(guān)抗原在惡性腫瘤細(xì)胞上的表達(dá)比正常細(xì)胞高得多，并足以使這些抗原成為有效的攻擊目標(biāo)。另外，可通過(guò)激發(fā)免疫系統(tǒng)的免疫效應(yīng)、修飾免疫應(yīng)答等方法，非特異性地增強(qiáng)機(jī)體對(duì)腫瘤的免疫排斥能力。
常用非特異性免疫制劑包括：1)生物制劑，主要是重組的細(xì)胞因子，如IL、IFN、TNF等，既可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合應(yīng)用;2)微生物及其產(chǎn)物，如卡介苗、短小棒狀桿菌、混合菌苗、溶鏈菌和高聚金葡素等;3) 胸腺肽;4)中醫(yī)藥。
2.3 過(guò)繼免疫治療
過(guò)繼免疫治療以輸注自身或同種特異性或非特異性腫瘤殺傷細(xì)胞為主，不僅可糾正細(xì)胞免疫功能低下，而且可直接發(fā)揮抗腫瘤作用。包括：淋巴因子激活的殺傷細(xì)胞、腫瘤浸潤(rùn)的淋巴細(xì)胞、細(xì)胞毒性T細(xì)胞、細(xì)胞因子誘導(dǎo)的殺傷細(xì)胞等。
2.3.1 淋巴因子激活的殺傷細(xì)胞
淋巴因子激活的殺傷細(xì)胞 (lymphokine activated killer cell，LAK cell)是用高濃度 IL-2激活的腫瘤患者自體或正常供者的外周血單個(gè)核細(xì)胞，LAK細(xì)胞在體外有廣譜的抗自體及異基因腫瘤的活性，可直接溶解、殺傷瘤細(xì)胞[18]。LAK細(xì)胞半衰期短，與 IL-2聯(lián)合應(yīng)用，可保持LAK細(xì)胞的活性，以保證療效。IL-2/LAK細(xì)胞治療對(duì)PLC根治性切除術(shù)后預(yù)防復(fù)發(fā)有較高的價(jià)值。
2.3.2 腫瘤浸潤(rùn)的淋巴細(xì)胞
腫瘤浸潤(rùn)的淋巴細(xì)胞 (tumor infiltrating lymphocyte，TIL)為腫瘤組織分離出的淋巴細(xì)胞經(jīng)IL-2培養(yǎng)而產(chǎn)生，為自體腫瘤特異性殺傷細(xì)胞。目前認(rèn)為，TIL 對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷活性較LAK細(xì)胞高。
2.3.3 細(xì)胞毒T淋巴細(xì)胞
細(xì)胞毒T淋巴細(xì)胞(cytotoxic T lymphocyte，CTL)為特異性抗原體外誘導(dǎo)單核細(xì)胞克隆。CTL需第1信號(hào)系統(tǒng)(MHC，TCR)和第2信號(hào)系統(tǒng)(共刺激分子如 B7)激活，具有腫瘤殺傷特異性。 Haruta 等[19]報(bào)道，對(duì)晚期PLC患者而言，CTL的治療效果要優(yōu)于LAK細(xì)胞。
2.3.4 細(xì)胞因子誘導(dǎo)的殺傷細(xì)胞
細(xì)胞因子誘導(dǎo)的殺傷細(xì)胞 (eytokine-induced killer cell，CIK cell)為 MabCD3(抗 CD3單抗)、IL-1、IFN-γ和 IL-2培養(yǎng)的正常人外周血淋巴細(xì)胞。來(lái)源于CD3+CD56- T淋巴細(xì)胞具有廣譜的抗腫瘤活性，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中有較好的治療效果[20]。
2.4 聯(lián)合免疫治療
由于腫瘤生物學(xué)特性所具有的特殊免疫逃逸機(jī)制，導(dǎo)致單一性免疫治療難以奏效，因此聯(lián)合治療成為目前臨床免疫治療的首選。在化療過(guò)程中提高患者免疫力，對(duì)抗化療藥物免疫抑制的副作用，起到協(xié)同作用。
3 基因治療
研究表明，PLC發(fā)生有單中心及多中心，且與個(gè)體的基因缺陷有關(guān)。多基因、多階段的癌基因或抑癌基因變構(gòu)為PLC發(fā)生、發(fā)展的分子基礎(chǔ)[21]。PLC的基因治療是在基因調(diào)節(jié)水平上進(jìn)行操作以殺傷或抑制腫瘤細(xì)胞的治療方法。隨著DNA 重組技術(shù)和轉(zhuǎn)基因方法的不斷完善，基因治療的研究獲得了迅猛發(fā)展。
3.1 抑癌基因 治療
抑癌基因治療是將具有正常功能的野生型抑癌基因(如 p53、p66等)通過(guò)各種途徑轉(zhuǎn)染至腫瘤細(xì)胞中，重建失活的抑癌基因功能，恢復(fù)細(xì)胞的正常生長(zhǎng)表型，或者誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到控制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的目的。p53基因是目前研究和應(yīng)用得最多的一個(gè)，不僅可抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)，還可誘導(dǎo)其凋亡;p16基因能阻抑細(xì)胞生長(zhǎng)，但不誘發(fā)凋亡。p53反義核酸或向細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入 wt-p53的基因治療，可以抑制腫瘤的增殖，誘導(dǎo)凋亡，提高對(duì)藥物的敏感性[22]。Okimoto等[23]將帶有野生型p53基因的腺病毒載體Adomv p53通過(guò)肝動(dòng)脈注入小鼠RCN-9結(jié)腸癌細(xì)胞肝轉(zhuǎn)移模型，48 h后，經(jīng)腹腔注射順鉑(CDDP)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的PLC細(xì)胞廣泛凋亡而肝臟功能并未受損。
3.2 自殺基因治療
自殺基因療法又被稱為“病毒介導(dǎo)的酶/前體藥物治療(virus-directed enzyme/prodrug therapy，VDEPT)。原理是把某些病毒、細(xì)菌中特有的轉(zhuǎn)換酶基因——自殺基因?qū)塍w內(nèi)后，利用其產(chǎn)生的酶將無(wú)毒或低毒的藥物前體轉(zhuǎn)成細(xì)胞毒性代謝產(chǎn)物，從而殺死腫瘤細(xì)胞的基因治療方法。目前，用于PLC基因治療的自殺基因系統(tǒng)有單純皰疹病毒胸腺嘧啶激酶(HSV2TK)基因/無(wú)環(huán)鳥(niǎo)苷(GVC)系統(tǒng)、胞嘧啶脫氨酶(CD)基因/5-氟胞嘧啶(5-FC)系統(tǒng)和嘌呤核苷酸磷酸酶(PNP)基因/氟達(dá)拉濱系統(tǒng)等。Harada等[24]以EB病毒基因組成的質(zhì)粒載體與非病毒載體PAAD結(jié)合成雜交載體介導(dǎo)HSV-TK/GCV系統(tǒng)，能有效治療實(shí)驗(yàn)小鼠PLC。
3.3 免疫基因治療
免疫基因治療通過(guò)基因重組技術(shù)增強(qiáng)機(jī)體的抗腫瘤免疫功能而達(dá)到治療腫瘤的目的。免疫基因治療可分為2類: 一種是將細(xì)胞因子基因?qū)隤LC細(xì)胞，通過(guò)增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞表面腫瘤抗原性、MHC 分子或黏附分子的表達(dá)而提高免疫原性;另一種是將細(xì)胞因子基因?qū)朊庖呋钚约?xì)胞，如LAK細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞等，通過(guò)直接刺激免疫效應(yīng)細(xì)胞而達(dá)到增強(qiáng)免疫反應(yīng)、抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。目前，常用的細(xì)胞因子有IL-2、IL-12、IL-18、TNFα、IFN和集落刺激因子等。IL-12是作用較顯著的細(xì)胞因子之一。Harada等[25]研究發(fā)現(xiàn)以IL-12基因治療免疫抑制狀態(tài)下的鼠PLC模型，可明顯增加腫瘤細(xì)胞周圍淋巴細(xì)胞的浸潤(rùn)并增強(qiáng)腫瘤特異性殺傷細(xì)胞的反應(yīng);IL-12可顯著抑制腫瘤的復(fù)發(fā)。其他免疫基因治療還包括IL-12和IL-2聯(lián)合轉(zhuǎn)染、IL-12和TNF、GM2CSF和IL-2 聯(lián)合應(yīng)用等。
3.4 反義基因治療
PLC的發(fā)生、 發(fā)展 過(guò)程中許多癌基因及生長(zhǎng)因子的基因產(chǎn)物大量表達(dá)，運(yùn)用反義技術(shù)可以抑制這些產(chǎn)物的過(guò)度表達(dá)，從而抑制腫瘤的生長(zhǎng)。根據(jù)PLC發(fā)病原因，導(dǎo)入反義寡核苷酸封閉PLC基因的表達(dá)或用正常抑癌基因取代突變抑癌基因。已報(bào)道設(shè)計(jì)針對(duì)VEGF、端粒末端轉(zhuǎn)移酶、c-myc等癌基因的表達(dá)途徑，誘導(dǎo)PLC細(xì)胞凋亡抑制其生長(zhǎng)[26]。反義技術(shù)的主要缺點(diǎn)是目的基因的靶向性欠佳和半衰期較短，目前一般作為手術(shù)和化療的輔助治療方法。
3.5 聯(lián)合基因療法
PLC的發(fā)生涉及到多基因參與，因此單用一種基因治療效果有限。不同的基因治療策略聯(lián)合應(yīng)用可相互協(xié)同，增強(qiáng)抗腫瘤效果常采用免疫基因和自殺基因的聯(lián)合治療。Drozdz等[27]聯(lián)合HSV-TK和IL-12治療效果都明顯優(yōu)于單個(gè)基因治療。
盡管目前有多種細(xì)胞因子、抑癌基因等可用于腫瘤的基因治療，但總體來(lái)講，效果尚不理想，因而尋找更多更具殺傷力的基因?qū)⒋蟠笸苿?dòng)基因治療的研究和應(yīng)用范圍。基因治療尚存在諸多理論上和技術(shù)上的問(wèn)題，如靶向性、基因載體的轉(zhuǎn)移效率、導(dǎo)入基因的持續(xù)表達(dá)、基因治療的安全性等問(wèn)題，還有待進(jìn)一步完善[28]。
4 內(nèi)分泌治療
在PLC患者中有33%的病例可查出雌激素受體，使用抗雌激素的三苯氧胺治療PLC已有報(bào)道。有學(xué)者認(rèn)為，大劑量口服三苯氧胺可作為逆轉(zhuǎn)多藥耐藥基因的藥物。然而，最近幾次大樣本的RCT和Meta分析卻未發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[29]。
5 干細(xì)胞治療
干細(xì)胞移植現(xiàn)已成為惡性血液病、實(shí)體瘤等疾病的根治性方法之一。近年來(lái)，已有多個(gè)學(xué)者研究報(bào)道了造血干細(xì)胞參與了肝組織的再生和修復(fù)過(guò)程。它是利用血液成分分離裝置處理血液，采取存在于末梢血中的造血干細(xì)胞進(jìn)行移植的手段。由于PLC化療敏感性較低，以現(xiàn)有水平，行造血干細(xì)胞、骨髓移植有一定困難。
6 結(jié)語(yǔ)
總之，經(jīng)過(guò)多年的研究，生物治療技術(shù)已取得了越來(lái)越多可喜的成果，并顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。生物治療技術(shù)在PLC的綜合治療中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。我們有理由相信不久的將來(lái)，HCC的生物治療會(huì)逐漸過(guò)渡成為一種常規(guī)的治療方法,為PLC患者帶來(lái)福音。
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