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鄧氏溫膽湯抗動脈粥樣硬化作用靶點及機制的網絡藥理學研究

2025-02-17 00:00:00方俊鋒劉詩怡吳偉
中西醫結合心腦血管病雜志 2025年3期

摘要" 目的:基于網絡藥理學、分子對接探討鄧氏溫膽湯治療動脈粥樣硬化(AS)的潛在分子機制及靶點,并進行實驗驗證。方法:從中藥系統藥理學數據庫和分析平臺(TCMSP)中獲取鄧氏溫膽湯的活性成分及相應靶點。下載GSE28829和GSE4329,鑒定早期和晚期AS斑塊之間的差異表達基因,并對差異表達基因進行富集分析。通過多種生物信息學算法確定AS的最佳候選基因,并與鄧氏溫膽湯相關靶點相交,從而確定關鍵治療靶點。最后,通過分子對接和體內實驗對關鍵基因進行驗證。結果:共收集鄧氏溫膽湯中190個化合物和261個對應的治療靶點,數據集中鑒定出81個差異表達基因,基質金屬蛋白酶9(MMP9)被篩選為鄧氏溫膽湯治療AS的關鍵靶點。此外,MMP9在動脈粥樣硬化模型中表達水平顯著升高,具有良好的診斷價值,且5種關鍵活性化合物與MMP9穩定結合。在體內,鄧氏溫膽湯可通過抑制斑塊形成,減少載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠泡沫細胞沉積和膠原纖維含量,減輕高脂飲食誘導的組織病理學損傷。免疫組化顯示鄧氏溫膽湯能顯著抑制MMP9的表達。結論:鄧氏溫膽湯能通過多種有效成分、治療靶點及信號通路協同互作從而治療AS,MMP9可能是一個關鍵的生物標志物和治療靶點。

關鍵詞" 動脈粥樣硬化;鄧氏溫膽湯;網絡藥理學;分子對接;基質金屬蛋白酶9

doi:10.12102/j.issn.1672-1349.2025.03.003

Revealing the Mechanism and Therapeutic Target of Dengshi Wendan Decoction on Atherosclerosis Based on Network Pharmacology

FANG Junfeng, LIU Shiyi, WU Wei

The First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong, China

Corresponding Author" WU Wei, E-mail: zywuwei@163.com

Abstract Objective:To examine the potential molecular mechanism and therapeutic target of Dengshi Wendan Decoction(DSWD) for the treatment of atherosclerosis(AS) based on network pharmacology,molecular docking,and experimental verification.Methods:Active ingredients and corresponding targets in DSWD were obtained from Traditional Chinese Medicine System Pharmacology Database and Analysis Platform(TCMSP).GSE28829 and GSE43292 were downloaded to identify the differential expressed genes(DEGs) of early and advanced atherosclerotic plaques,then enrichment analyses were performed on DEGs. The optimal candidate genes of AS were identified by several bioinformatics algorithms,which intersected with DSWD-related targets to determine the essential treatment targets.Ultimately,the hub targets were validated by molecular docking and vivo experiments.Results:A total of 190 compounds and 261 corresponding targets were screened out,and 81 DEGs were identified,then the matrix metalloproteinase 9(MMP9) was intersected as the hub target for DSWD against AS.Additionally,MMP9 showed a significantly higher expression level in the AS group with promising diagnostic value,and five key active compounds reliably and firmly binded with MMP9.In vivo,DSWD could alleviate high fat diet-induced histopathological lesions by inhibiting plaque formation,reducing foam cell deposition and collagen fiber content in apolipoprotein E knockout(ApoE-/-) mice.Immunohistochemistry indicated that Dengshi Wendan decoction significantly suppressed the expression of MMP9.Conclusion:DSWD could treat AS through the synergistic interplay of various active components,therapeutic targets,and signaling pathways,and MMP9 may serve as a valuable biomarker and therapeutic target.

Keywords" atherosclerosis; Dengshi Wendan Decoction; network pharmacology; molecular docking; matrix metalloproteinase-9

動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是一種慢性、進行性炎癥性動脈壁疾病,其特征是脂質和纖維成分在大動脈中蓄積,是心血管疾病最常見的病理基礎1。AS早期斑塊在脂質沉積和炎癥之間的協同驅動下不斷進展,最終晚期易損斑塊破裂引起的急性血管栓塞事件是心血管疾病最常見的死亡原因2。盡管過去以降脂和抗血栓治療為主要治療手段取得了一定成就,但引發的不良反應仍令人擔憂3。更重要的是,他汀類藥物減輕炎癥的作用有限,而且接受常規他汀類藥物治療的病人發生主要心血管事件的殘余風險仍然較高4。抗血栓藥物使用則與出血風險相關,應根據病人具體情況謹慎使用5。隨著中醫藥現代化水平不斷提高,國內外越來越多的證據已表明,中醫藥以其全面的理論框架、多途徑、多靶點、良好的安全性在AS防治中發揮著重要作用6-7

根據中醫理論,氣虛、痰濁、血瘀是AS的核心致病因素8。氣可化血行血,氣亦可化津布津,氣虛則痰濁血瘀內生,此為歷代醫家不斷傳承發展的痰瘀相關學說,也是國醫大師鄧鐵濤教授提出氣血痰瘀理論的重要依據9。針對氣虛痰濁血瘀的關鍵病機,鄧鐵濤教授在著名傳統方溫膽湯的基礎上加減化裁而制定具有益氣、化痰、活血等功效的鄧氏溫膽湯,由半夏、化橘紅、枳殼、竹茹、茯苓、黨參、丹參、豨薟草、甘草九味中藥組成,已被廣泛應用于AS及其并發癥的預防和治療10-13。然而,鄧氏溫膽湯治療AS的分子機制有待進一步研究。

網絡藥理學在中藥復方的機制研究中具有重要作用,其研究方法的整體性和系統性符合中醫整體觀和辨證論治原則,可用于活性化合物的發現、治療靶點的鑒定以及調控信號通路的篩選。此外,通過高通量技術獲得的大量基因表達數據可通過生物信息學手段重復利用,對微陣列數據的分析可輔助識別疾病的分子生物學基礎14。本研究整合網絡藥理學和生物信息學初步揭示了鄧氏溫膽湯治療AS的潛在機制和關鍵靶點,并通過分子對接和體內實驗進一步驗證其準確性,為將來全面闡明鄧氏溫膽湯藥理機制提供一定的理論基礎。

1 資料與方法

1.1 AS差異表達基因鑒定

在GEO數據庫(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)中下載芯片數據集GSE28829和GSE43292的基因表達譜。GSE28829包括16個晚期AS斑塊樣本和13個早期AS斑塊樣本,GSE43292包括32個AS樣本和32個正常對照樣本。對這兩個數據集進行歸一化和合并后,使用R中的Limma包根據adjusted-P<0.05和|log2FC|>1為篩選標準識別差異表達基因。

1.2 基因本體論(GO)和京都基因與基因組百科全書(KEGG)通路富集分析

利用R中的cluster profiler包對差異表達基因進行GO和KEGG通路富集分析,P<0.05被認為顯著富集。GO分析包括生物過程(biological processes,BP)、細胞組分(cellular components,CC)和分子功能(molecular functions,MF)。KEGG通路富集結果和GO富集條目排名分別以P值排序的柱狀圖表示。

1.3 構建蛋白-蛋白相互作用(PPI)網絡

將差異表達基因導入STRING數據庫(https://string-db.org/),以生物限定為“Homo sapiens”構建PPI網絡,并將交互評分設置為0.4。將PPI網絡發送到Cytoscape 3.9.0軟件進行進一步分析。應用CytoNCA插件計算拓撲參數并檢測PPI網絡的核心靶點,參數包含介數中心性(BC)、接近中心性(CC)、度中心性(DC)、特征向量中心性(EC)、網絡中心性(NC)、局部平均連通性(LAC)。

1.4 加權基因共表達網絡分析(WGCNA)和支持向量機-遞歸特征消除(SVM-RFE)分析

利用WGCNA R包,分析鄰接矩陣描述關聯強度,構建層次聚類識別模塊,每個模塊必須至少包含30個基因。隨后對模塊進行層次聚類,并對相似模塊進行合并。通過計算基因顯著性和模塊成員數分別評估每個基因的表達譜,獲得候選基因。SVM-RFE是一種基于小樣本的改進學習方法,在基因預測樣本中得到了廣泛的應用。使用SVM-RFE算法評估交叉驗證誤差最小的點,并選擇這些點作為最優基因。

1.5 鄧氏溫膽湯活性成分及調控靶點

在中藥系統藥理學數據庫和分析平臺(TCMSP,https://old.tcmsp-e.com/tcmsp.php)中獲得口服生物利用度(OB)≥30%且藥物相似度(DL)≥0.18的化合物,并收集每種化合物相應的潛在靶點。隨后,利用Cytoscape 3.9.0軟件構建藥物-化合物-靶點網絡并進行可視化。

1.6 篩選鄧氏溫膽湯抗AS的關鍵靶點

應用R軟件與Microsoft Excel取交集,在PPI網絡的核心基因、AS相關候選基因和鄧氏溫膽湯潛在調控基因中重疊的靶點被認為是治療AS的關鍵靶點。通過GSE43292中的箱線圖對關鍵基因在正常和AS組織中的表達水平進行驗證。采用受試者工作特征(ROC)曲線分析評估核心基因的可靠性,通過計算GSE43292中的曲線下面積(AUC)及95%置信區間(CI)來可視化該基因的診斷價值。

1.7 分子對接

從蛋白質數據庫(PDB,http://www.rcsb.org)下載對接靶點的二維結構,將蛋白質脫水、原配體刪除、氫化,并以PDBQT格式保存為對接受體。從PubChem數據庫(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/)下載小分子化合物mol2格式文件,加載AutoDockTools添加原子電荷并保存為對接配體PDBQT格式文件。采用AutoDock Vina進行半柔性分子對接。當結合能小于-20.93 kJ/mol時15,認為對接結果穩定可靠,并用PyMOL顯示出最優對接構象。

1.8 AS動物模型構建及處理

無特定病原體(SPF)級雄性載脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠20只,8周齡,體質量(20±2)g,購自廣東集萃藥康生物科技有限公司[編號:SCXK(YUE)2020-0054]。所有小鼠均在廣州中醫藥大學第一附屬醫院實驗中心SPF級環境下進行光暗循環、自由取食飼養。適應性喂養1周后,將20只ApoE-/-小鼠隨機分為模型組、鄧氏溫膽湯組,每組10只,模型組給予高脂飲食喂養;鄧氏溫膽湯組給予高脂飲食喂養,30 g/(kg·d)鄧氏溫膽湯凍干粉懸液灌胃。各組均連續喂養16周,鄧氏溫膽湯組從第9周開始灌胃,持續至第16周末。干預8周后,所有小鼠均以1%戊巴比妥鈉(50 mg/kg)麻醉后安樂死,收集主動脈組織于4%多聚甲醛中進一步分析。動物實驗經廣州中醫藥大學第一附屬醫院倫理委員會批準(編號:GZTCMF1-20230011)。鄧氏溫膽湯凍干粉制備:半夏10 g,化橘紅6 g,枳殼6 g,竹茹10 g,茯苓12 g,黨參15 g,丹參12 g,豨薟草10 g,甘草5 g,將所有藥材放入800 mL純凈水中浸泡30 min,再煮沸1 h,過濾。重復上述步驟2次后,將所得濾液混合,4 ℃,5 000 r/min離心15 min,收集上清液并濃縮后,放入真空冷凍干燥機中作為凍干粉。最后將凍干粉溶解于超純水中,制成100 mg/mL溶液,用0.22 μm微孔膜過濾。

1.9 組織病理學檢測及關鍵靶點驗證

主動脈標本被固定在4%多聚甲醛中,并包埋在石蠟中。使用顯微切片機(德國徠卡)制備4 μm的橫向冰凍切片,并按順序安裝在載玻片上。切片采用蘇木精-伊紅(HE)染色,在光學顯微鏡下觀察組織病理學改變。Masson染色觀察主動脈標本膠原變化,將主動脈組織固定并包埋,然后用于制備4 μm的切片。所有切片均按照Masson染色試劑盒說明書依次用蘇木精、酸性胭脂紅溶液、苯胺藍溶液染色。最后用中性樹脂封閉染色切片。以抗基質金屬蛋白酶(MMP)9 (1∶100,Abcam)為一抗,采用免疫組化法(IHC)檢測關鍵靶點的表達水平。將切片脫蠟并復水,然后在檸檬酸緩沖液中煮沸15 min,維持在92~98 ℃以修復抗原。一抗與樣品在4 ℃孵育過夜,二抗加入室溫孵育30 min,然后加入二氨基聯苯胺(DAB)溶液,顯微鏡下觀察染色情況。

2 結果

2.1 早期與晚期AS中差異表達基因

GSE28829和GSE43292中對照組和AS組之間共鑒定出81個差異表達基因,其中57個上調基因,24個下調基因。分別采用熱圖和火山圖對差異表達基因進行可視化,詳見圖1、圖2。

2.2 GO和KEGG富集分析結果

BP富集分析主要涉及細胞外結構組織、細胞外基質組織和多細胞生物穩態。CC富集分析主要涉及含膠原的細胞外基質、內質網腔和細胞頂端部分。MF富集分析主要包括細胞外基質結構成分、糖胺聚糖結合、肽酶調節活性、氧化還原酶活性等。詳見圖3。KEGG通路富集分析中,根據P值排序,發現糖尿病并發癥中磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶B(AKT)信號通路和晚期糖基化終末產物(AGE)-晚期糖基化終產物受體(RAGE)信號通路顯著富集。詳見圖4。

2.3 PPI網絡及核心基因

隱藏游離節點后,得到PPI網絡中的57個節點和278條邊,代表基因之間的交互作用模式。通過CytoNCA插件對PPI網絡進行拓撲參數計算:BC(中位數=9.285 989 999)、CC(中位數=0.164 222 874)、DC(中位數=7)、EC(中位數=0.063 921 571)、NC(中位數=4.571 428 571)和LAC(中位數=5.333 333 3)。將上述6個拓撲參數值均大于中位數的基因作為核心基因。因此,共有20個節點被確定為核心基因。詳見圖5。

(A為差異基因靶點間相互作用;B為網絡中核心基因。藍色節點代表基因,連線代表互作聯系)

2.4 WGCNA和SVM-RFE分析

如圖6所示,最優軟閾值為17。將關聯模塊合并后,聚類樹顯示出3個共表達模塊(見圖7),并計算出模塊與臨床性狀的相關性(見圖8、圖9)。藍綠色模塊與AS的正相關最強(r=0.62)。因此,收集了包含220個與AS相關的候選基因的藍綠模塊進行進一步分析(cor=0.7, P=1.9e-36),詳見圖10。SVM-RFE算法在特征基因個數為40時誤差最小(見圖11)。

2.5 鄧氏溫膽湯成分及靶點

通過TCMSP共篩選出活性化合物190個,包括半夏11個、丹參58個、茯苓6個、黨參17個、甘草88個、化橘紅8個、豨薟草9個、枳殼5個,其中β-谷甾醇、豆甾醇、7-甲氧基-2-甲基異黃酮、木犀草素、常春藤皂甙元、柚皮素、3-β-羥甲基丹參酮、川陳皮素來自兩種或兩種以上的中草藥,藥物-成分-靶點調控網絡見圖12,該網絡由460個節點(包含9種藥物的190個化合物和261個靶點)和3 229條邊組成。

2.6 關鍵靶點的篩選及診斷價值驗證

通過交集發現MMP9可能作為鄧氏溫膽湯抗AS的關鍵調控靶點(見圖13)。隨后,選擇MMP9進一步評價。如圖14所示,晚期AS中MMP9表達水平明顯高于早期AS,ROC曲線下面積(AUC)為0.815,95% CI(0.727,0.897),表明MMP9具有很好的診斷價值。

2.7 分子對接

藥物-成分-靶點網絡顯示,槲皮素、黃芩素、木犀草素、丹參酮ⅡA和川陳皮素是候選靶向藥物分子,分子對接結果顯示5種化合物可與MMP9成功對接,且結合能均低于-20.93 kJ/mol,表明MMP9極可能是鄧氏溫膽湯發揮抗AS的關鍵靶點。此外,結合能最低的三維對接構象如圖15所示,小分子周圍的氫鍵與目標蛋白形成穩定的復合物。槲皮素與氨基酸殘基ALA 189、LEU 188、GLU 402和MET 422穩定結合。木犀草素在PRO 415形成氫鍵增強了結合穩定性。詳見圖15、表1。

2.8 鄧氏溫膽湯改善AS組織病理損傷

如圖16A所示,模型組AS斑塊面積明顯增加,主動脈內膜嚴重增厚,纖維帽結構變薄,內皮細胞下可見泡沫細胞沉積。增厚的斑塊周圍細胞結構紊亂,并伴有相對較多的炎癥浸潤。與模型組比較,鄧氏溫膽湯組主動脈標本病理情況明顯改善。Masson染色也顯示類似結果,鄧氏溫膽湯組主動脈組織中斑塊形成和膠原沉積明顯減少(見圖16B)。這些結果表明,鄧氏溫膽湯可通過減輕高脂飲食誘導的ApoE-/-小鼠組織病理學損傷,抑制斑塊形成,從而發揮抗AS作用。

2.9 免疫組化驗證關鍵靶點

基于以上生物信息學和網絡藥理學分析,MMP9可能作為潛在生物標志物和關鍵治療靶點。通過免疫組化檢測MMP9的表達水平,結果顯示,與模型組相比,經鄧氏溫膽湯治療的小鼠AS斑塊中MMP9水平明顯下降(見圖17)。

3 討論

心血管疾病死亡是全球總死亡的主要原因,尤其是心肌梗死,具有高發病率、高死亡率和高致殘率的特點,給國家和個人造成沉重負擔16。在心血管疾病的眾多病因中,AS是最重要的病因。雖然許多中藥制劑已用于AS的臨床治療,但由于其多成分、多靶點的特點,難以在分子水平進行研究。然而,網絡藥理學的出現使系統研究中藥配方成為可能,結合多種分析方法可以提高預測性能,從而提供高精度的治療模型。AS是現代醫學的病名,可以根據其病變累及部位及相應臨床癥候特點,將其歸屬于“胸痹心痛”“心悸”“眩暈”“脈痹”等范疇辨證施治,其主要病機為氣虛痰濁血瘀。鄧氏溫膽湯方中用黨參益氣健脾扶正,丹參活血通脈,枳殼、化橘紅理氣化痰,竹茹清熱滌痰,半夏燥濕除痰,茯苓利水滲濕、健脾寧心,豨薟草除濕解毒,甘草調和諸藥并和胃。鄧氏溫膽湯全方可達益氣除痰、活血化瘀之功效。

基于轉錄組學分析,在模型組和正常組之間發現81個差異表達基因,然后對其進行富集分析以探索其生物學功能和潛在的分子機制。GO富集結果提示AS的病因可能與調節肽酶活性、氧化還原反應、血小板結合有關,涉及細胞外基質、內質網管腔等結構成分。根據既往研究,細胞外基質分解可促進血管平滑肌細胞表型轉換,加速早期AS的發展17。肽酶活性具有重要的生理意義,如泛素特異性肽酶9X(USP9X)參與了許多細胞過程的控制,包括免疫反應和物質運輸,而USP9X缺乏可加劇炎癥和促進泡沫細胞形成18。氧化還原反應失衡引起劇烈的氧化應激,可影響心臟能量代謝19,過度氧化會直接增加低密度脂蛋白膽固醇氧化和全身炎癥水平20。研究表明,血小板活化和黏附于血管內皮引起中性粒細胞募集和遷移21,主動脈病變的嚴重程度被證實與血小板活化增加的程度呈正相關22

KEGG通路富集分析發現,糖尿病并發癥中的PI3K-AKT信號通路和AGE-RAGE信號通路可能是AS的關鍵通路,這與既往研究結果一致。研究表明,PI3K及其下游分子AKT組成的PI3K-AKT信號通路對多種細胞因子、細胞外基質等信號分子的產生至關重要23。阻斷PI3K-AKT信號通路可以減輕氧化低密度脂蛋白膽固醇引起的炎癥反應,減少AS內皮損傷24。而當PI3K-AKT信號通路被激活時,可阻礙自噬對膽固醇代謝的控制,促進泡沫細胞形成25。體內實驗表明,PI3K/AKT信號通路在AS小鼠模型中被激活,引起血管內皮炎癥反應和內皮細胞凋亡,這對AS斑塊的穩定性產生顯著不利影響26。AGE-RAGE信號通路的過度激活可破壞內皮細胞的能量代謝,促進氧化應激,在AS的發病機制中也起重要作用27。此外,AGE-RAGE信號通路激活下游核因子κB(NF-κB)信號通路引起細胞凋亡,促進糖尿病相關血管并發癥,并與炎癥和胰島素抵抗顯著相關28-29

通過網絡藥理學方法篩選出槲皮素、黃芩素、木犀草素、丹參酮ⅡA和川陳皮素具有同時調節包括MMP9在內的多個靶點并與MMP9建立穩定對接的能力,因此,這些成分可能是鄧氏溫膽湯發揮抗AS的有效活性物質。具有強大抗炎能力的槲皮素可以通過調控自噬來延緩AS的發生30。此外,槲皮素還能增加細胞抗氧化能力,減少活性氧生成,逆轉脂多糖引起的巨噬細胞M1型極化31。黃芩素是一種具有多種藥理特性的黃酮類化合物,具有抗AS的應用前景,因為黃芩素可以顯著減輕炎癥反應,促進膽固醇外流32。木犀草素是常見的類黃酮物質,具有抗心血管疾病的作用,包括防止AS、抗心肌缺血再灌注損傷、保護心臟功能33。基礎研究表明,木犀草素可以阻斷信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)的激活,從而減輕炎癥反應,延緩AS的病程34。丹參酮ⅡA也常被用于治療AS,可減輕血管內皮細胞炎癥和焦亡,同時增強線粒體功能35。川陳皮素的抗AS活性也得到了前期研究的有力支持,特別是在控制糖脂代謝異常方面的益處36。因此,鄧氏溫膽湯可能通過多種有效成分協同作用從而發揮治療AS作用。

MMP9可能是鄧氏溫膽湯治療AS的關鍵靶點。MMP9是基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)家族的一員,能夠分解不同的細胞外基質蛋白成分,維持細胞的動態穩態。幾乎所有的炎癥性疾病都有MMPs表達增加,MMPs可觸發促炎細胞因子的釋放,這一病理生理過程加劇了炎癥反應,促進了AS的發生和進展37。研究發現,MMP9水平升高與斑塊不穩定和AS血栓形成相關38-39。此外,MMP9在內皮細胞和血管平滑肌細胞中表達,在斑塊破裂或糜爛的晚期階段發揮關鍵作用,這可能與細胞外基質中的膠原降解有關40。巨噬細胞產生的細胞因子和趨化因子可以被MMP9裂解,裂解產物同樣對心血管疾病的發生發展有促進作用41。相反,MMP9缺乏可顯著抑制膠原沉積、巨噬細胞浸潤和主動脈AS負荷42。這與前期在數據集驗證和體內實驗中的發現一致,通過免疫組化觀察到鄧氏溫膽湯組AS斑塊面積明顯減少,膠原沉積較小,并顯著下調MMP9表達水平。

綜上所述,本研究采用網絡藥理學及生物信息學方法對鄧氏溫膽湯治療AS的潛在作用機制進行較為全面的分析,確認關鍵治療靶點,并在分子對接及體外實驗中得以進一步驗證。此外,本研究網絡藥理學分析結果在一定程度上得到現有文獻研究的支持,這為進一步研究鄧氏溫膽湯的藥理機制提供了重要理論基礎。

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(本文編輯 郭懷印)

基金項目 廣東省普通高校青年創新人才項目(No.2021KQNCX013);廣州中醫藥大學第一附屬醫院國家中醫藥傳承創新中心科研專項青年項目(No.2023QN01)

通訊作者 吳偉,E-mail:zywuwei@163.com

引用信息 方俊鋒,劉詩怡,吳偉.鄧氏溫膽湯抗動脈粥樣硬化作用靶點及機制的網絡藥理學研究[J].中西醫結合心腦血管病雜志,2025,23(3):337-348.

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