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临床疾病与电压门控钠通道的特异调控

已有 10471 次阅读 2014-2-28 16:45 |个人分类:综述|系统分类:科研笔记

电压门控钠通道在细胞电兴奋活动中起着至关重要的调控作用19世纪40年代Hodgkin[1]首次定性地鉴定了兴奋性细胞膜钠通道的电生理活动特征相当一段时期内对钠通道分型的认识似乎主要依据其对河豚毒素(TTX)的药理敏感性TTX-敏感型(TTX-S)TTX-非敏感型(TTX-R)钠通道。直至19世纪80年代初Noda[2]克隆并解析了第一个来自海鳗电器官组织中的电压门控钠通道全长序列开创了针对钠通道从细胞水平推向分子水平研究的新里程之后一系列钠通道被相继克隆构成了一支由多基因编码结构高度同源的膜蛋白家族

作为一种古老的通道类型电压门控钠通道在脊椎动物和无脊椎动物中分布极其广泛尽管电压门控钠通道亚型间的分子结构大同小异但其个体的组织分布密度和药理功能特性却不尽相同[3-6]。在迄今已知的钠通道基因中哺乳动物钠通道家族的个体间似乎呈现出最大的分异度根据序列比较和进化关系并参照电压门控钾离子通道和钙离子通道的系统分型模式哺乳动物钠通道家族已被划分为九大成员Nav1.1Nav1.9虽然第10种亚型Navx与其他已知钠通道亚型有近50%的序列同源性但由于无法在体外表达得到其功能性产物暂被归纳在编外成员行列[5]。相对哺乳动物钠通道基因家族而言其他已知编码脊椎动物和非脊椎动物钠通道的基因则相对单一且缺乏被普遍认可的系统命名和归类

特定编码哺乳动物电压门控钠通道基因的细微突变或异常表达会导致其相应的功能衰变进而引发一些诸如神经肌肉周期性麻痹症心脏长QT间隔综合征(LQTs)和癫痫等临床疾患[7]。另外近年来有关神经病理性疼痛的基础研究强烈地提示一些相关钠通道亚型特异表达分布和调控的参与因素有关哺乳动物钠通道的命名组织分布以及可能的生理功能和病理表征等概况见表1

1  电压门控钠通道与遗传性疾病

1.1 骨骼肌钠通道疾病

编码成年人骨骼肌钠通道α功能性亚基的基因发生突变后可造成一组临床症状相似的显性遗传性疾病高血钾性周期性麻痹(HyperPP)先天性肌强直病(PC)钾离子恶化肌强直病(PAM)这些疾病表现为胞内钾离子浓度升高或暴露于低温之后引起的肌肉超兴奋或肌无力。HyperPP通常是在运动后休息时发作或由于血钾浓度升高所致临床上病人在麻痹发作前往往会先出现肌强直征兆。PC病人则表现出寒冷诱导的肌无力和麻痹症状且这些症状会被高强度的肌活动加剧。PAM临床上与PAM十分相似但病人的肌强直症状不表现温度依赖性却可被摄入的K+所恶化[8-10]

研究资料证实编码hNav1.4(人类钠通道)的基因突变与这些疾病密切相关这一基因被定位在染色体17q23位上目前已鉴定20多种hNav1.4致病突变种6种可导致HyperPP9种引发PC6种与PAM有关[10]其中某些特定突变比其他几种更为常见例如90%HyperPP家族遗传中发现存在T704MM1592V突变PC则归因于T1313MR1448H突变PAM多为1306位上Gly残基的突变同一位点的突变也可能导致不同的疾病例如A1156T突变可产生兼有HyperPPPC的临床症状S804F点突变则可导致具有PCPAM共同特点的临床症状[11-13]。这一重叠对应现象提示其在机制上的可能联系

由于hNav1.4的突变往往发生在含盖了通道失活化部件接受位点recepter site电压感受器S4片段和失活化环(Ⅲ-胞内连接环等不同功能区域可引发通道电压依赖性活化和失活化相缺损的严重后果见表2

导致HyperPP的主要突变M1592VT704M位于通道失活化部件接受位点研究其在哺乳动物细胞系中表达的突变体发现其短时程内通道开放次数和重复发放频率增加且开放时间延长该点突变可削弱通道的慢失活相呈失活不完全的较大钠电流T704MM1592V突变体为通道内口构象变化参与调节慢失活过程提供了第一手证据此外PAM相关的突变S804FI1160V也发生在同一通道失活化部件接受位点

电压感受器S4片段上的突变被认为会导致通道活化和失活化过程之间的部分解偶联从而减慢失活化速率哺乳动物中表达的R1448H/C突变体显示钠通道的活化过程有细小改变其失活化速率减慢恢复速率加快通道重复开放以及开放时间增加PC病人的肌纤维冷却到27可诱发肌纤维膜的去极化并产生自发动作电位和持续收缩这一现象可部分归因于R1448H/C突变体产生的通道失活化异常导致持续内向钠电流这些特征也说明了作为电压感受器并非所有S4片段上发生的突变都会影响通道活化Domain S4片段可能更多地参与了通道活化和失活化的偶联过程

另一与PC相关的突变T1313M位于胞内-结构域连接环上该环上的IFM(1488-1490)三联残基如同铰链盖调控通道的失活化过程由于T1313M突变位点与失活化球IFM相邻可能会减弱IFM盖与通道内口间的疏水作用造成通道失活化不完全进而诱发持续钠电流与此类似导致PAMG1306E/V/A突变位点也位于此环上由于突变会降低铰链环的弯曲柔性使得通道失活化受阻最终导致病理效应比较在HEK293细胞中表达的PAM病变钠通道与野生型钠通道的电生理特性发现突变体失活化时间常数有不同程度的增加且电生理活动异常程度E>V>APAM临床症状的严重程度相对应一致提示在通道1306位点上的残基越大通道受损性质越突出PAM症状也越明显。  

虽不同位点的突变对通道活动造成的影响不尽相同,但以上提到的所有突变都使通道快失活过程异常,其中两个突变也同时会改变慢失活过程,形成持续钠电流,异化去极化膜电位,根据持续钠电流大小的不同,使细胞处于超兴奋状态或失去兴奋性,最终导致肌强直或麻痹症状。例如,PCHyperPP病人肌肉活检标本的电生理记录显示,两者都具有钠电流失活化过程异常的共性。区别是,当持续钠电流引起较小的去极化膜电位和重复发放的动作电位时,可导致PC,当持续钠电流引起较大的去极化膜电位,使细胞失去兴奋性则可诱发HyperPP

对大鼠骨骼肌T704M突变体的研究发现,通道活化的电压依赖性负移约10mV。另外两个突变V1293IG1306E也使激活的电压依赖性发生较小偏移。说明T704M的突变除了影响通道的失活化,也可改变通道的活化过程,产生周期性麻痹症状。


 

新近在HyperPP两个不同家族的病例中筛选到了新的突变位[14]:F1490LM1493I。令人意外的是在哺乳动物细胞中表达的该双突变体显示出与其他24个位点突变截然不同的通道活动特征:F1490LM1493I仅仅促进慢失活过程,对通道的其他性质则无任何影响。这一结果表明HyperPP症状并不一定通过衰弱通道慢失活过程而产生,为周期性麻痹症发病机制提出了新的分子佐证。




另外长期以来一直认为,L型钙离子通道功能失常是引发HyperPP(低血钾性周期性麻痹)的根本原因近来研究提示Nav1.4基因突变可能同样参与了HypoPP的产生[15,16]。与HyperPP不同,HypoPP是由低血钾浓度促发的另一种骨骼肌通道疾病,且病人在麻痹之前没有肌强直症状。目前已验明有3Nav1.4突变位点R669HA672HA672GHypoPP相关它们均位于结构域Ⅱ的S4片段上。HyperPP突变往往会破坏通道慢失活化过程,与之不同,引发HypoPPR669H突变促进慢失活过程,并可2-5倍地延迟恢复相。同一位点A672上的两个不同突变对S4片段的运动则有相反的影响:A672H起阻碍作用而和A672G起促进作用;但A672H/G均能引起突变通道稳态失活曲线左移约10mV且伴随钠电流密度的降低。在低血钾浓度情况下,内向整流钾通道的活动使膜持续去极化,引起突变钠通道的进一步失活,这种效应的扩布使得更多正常钠通道处于失活状态,继而导致膜失去兴奋性,引发肌无力症状。钠电流密度的降低可部分归因于突变基因表达下调突变mRNA和蛋白的不稳定性以及向膜上运输和插入过程受阻。然而,深究HypoPP的病因,Nav1.4的功能丧失是否与L型钙离子通道异常的效应等同还有待诸如剔除突变等试验进一步证实。

1.2 心脏疾病

分子病理学研究表明:位于染色体3P21-24上编码心肌钠通道Nav1.5的基因突变后可诱发一些心脏疾病:3类长Q-T间隔症(LQT3)、原发性心室纤颤(IVF)Brugada综合征(BrS) [7,10,17]

LQTs临床特征为心率失常、心电图Q-T间隔延长和心肌细胞复极化异常。LQT3为其第3类型。可引起病人意识突然丧失,癫痫发作甚至猝死。一般认为诱发LQT3的为一系列钠通道功能获得性突变,即增强突变体Nav1.5的活性,包括:构成通道失活化门控部件Ⅲ和Ⅳ结构域连接环3个保守残基的缺失(KPQ1505-15070),ⅢS4-S5胞内环上N1325S/或ⅣS4-S5胞内环上R1644H以及ⅣS4片段中R1623Q点突变。电生理记录表达突变体的爪蟾卵母细胞,观察到持续内向钠电流,该电流可能归因于两种异常的失活化方式:一种是由于通道失活化的稳态降低,加速了失活化后的恢复过程,使通道在整个去极化电压刺激过程中重复开放,且间隔时间缩短。另一种则为通道失活化异常,由正常门控方式转变为爆发性门控方式,并延长其爆发性开放时间。后者在△KPQ1505-1507突变体中尤其明显。

正常生理条件下,内向电流和外向电流之间存在动态平衡。外向电流使膜复极化,内向电流使膜去极化。Nav1.5通道可快速促发动作电位的形成,在心肌动作电位平台形成期介导一小电流。病理情况下,增大的持续内向钠电流会使动作电位延长,导致Q-T间隔的延长,引发LQT3。目前鉴别到的四种LQTs相关基因座位中有3个已被克隆,除去Nav1.52个均为编码钾通道的基因。

IVF也是一种致命的心脏病。许多患者在第1次发病时猝死,临床症状表现为心跳陡然过速且无规律,导致心脏、大脑和整个机体的供血紊乱,IVF病人的心电图具有右束支传阻滞和ST段升高。无Q-T间隔的延长的特征。这是IVFLQTs一个显著的心电差异。导致IVF的基因突变分为3类:①转录水平上:由于Nav1.5基因内含子7的剪接供体部位多出两个A核苷酸,使基因的剪接遭到破坏;②翻译水平上:Nav1.5基因1397位密码子缺失一个A核苷酸导致开放阅读框的翻译提前终止。通道蛋白自结构域ⅢS6片段至羧基端全部缺损;③蛋白改变:使通道性质改变的主要突变分别为ⅢS1-S2和ⅣS3-S4连接环上的R1232WT1620M。此外也有报道推测结构域Ⅰ-之间胞外连接环上的L567Q参与IVF的发病机制。电生理记录发现[18]R1232W+T1620M双突变型导致通道快/慢失活态的不稳定,其稳态失活化电压依赖性正向漂移约10mV当电位恢复至约-80 mV通道恢复过程明显加快;而L567Q突变则加速通道失活[19]。两种突变体在爪蟾卵母细胞中表达后,都观察不到持续内向钠电流。

与肌肉型Nav1.4相比,心肌型Nav1.5通道具有慢失活更不完全且更缺乏电压敏感性的特点。在正常生理条件下,这一特性在心脏重复收缩时,起到保持心肌兴奋性的重要作用,使心脏活动不至于衰竭。但在病理状态下,更加难以消停的通道慢失活使得心肌异常兴奋,导致心脏疾病如心室纤颤。

BrS也证明为一种心室纤颤类疾病被认为同降低钠通道活性的功能丧失性突变相关。一些有趣的研究发现[20],同一病人的心电图上有时可看到LQT3BrS两种病征同时出现,即既有Q-T间隔延长又有从V1-V3ST段的升高。Nav1.5通道C末端插入突变1795insD临床表现为LQT3BrS兼有的病状。这些研究提示LQT3BrS两种心脏功能混乱的疾病有着非常紧密的联系。事实上从被诊断为LQT3BrS病人身上已分别发现存在于Nav1.5基因1795同一位点的不同突变:Y1795C(LQT3)Y1795H(BrS)。分析在HEK293细胞表达两种突变体的功能特征发现两种突变体有截然相反的通道表征:Y1795C延迟失活,增加通道活性;Y1795H则加速失活,降低活性。

另外心跳速度可能是引起LQT3BrS症状之间相互转换的一个因素。如:对1795insD突变的研究发现,在心跳速度较低的条件下,突变通道显示出持续增强的钠电流,而在快速心跳情况下。突变通道的整体活性降低。前者可能导致LQTs病症而后者则是BrS的潜在病因。与此相似Y1795CY1795H突变对通道的影响也表现出一定的心速依赖性。

Nav1.5通道C末端的另一突变D1790G是最近发现的与LQT3相关的又一位点突变。比较D1790GY1795H突变对钠通道性质的影响,发现两者都可加速起始失活化,并使通道可开放的稳态电压左移。在相同的记录条件下Y1795H可提高持续的通道活性,而D1790G则无此功效。另外D1790G可能会通过对钙敏感的通路间接地延长动作电位时程(APD)而这一过程也呈现心速依赖性的陡转模式。

突变引发的通道性质的交叉以及LQT3BrS。病症看似偶然的联系,显示Nav1.5通道C末端的突变对通道性质的改变有着极其复杂的分子背景。通过对这些突变诱发疾病的机制研究,可以更好地阐明钠通道C末端与通道失活化之间的关系。以上研究也提示在分析临床数据的时候,应该使用尽可能广泛的试验条件,更加细致地控制关键性参数,如对表达细胞系的选择和对心跳速度的控制等。

1.3  神经系统疾病

1.3.1  热惊厥相关疾病:热惊厥(febrileseizuresFS)表现为一种伴随发烧症状的肌肉痉挛,大约有6%6岁以下的儿童属易发群。成年后,这些儿童中的一小部分可能因此患上与热无关的全身癫痫疾病(afebrile generalized epilepsy这种病症即热惊厥引发的全身癫痫(generalized epilepsy with febrile seizures plus GEFS+)[10,21]

GEFS+是一类显性遗传性疾病,其遗传病因多种多样,至少有4种离子通道亚基的突变与之有关:编码电压门控钠通道β1亚基的基因SCN1B上发生显性突变;Nav1.2通道基因上一个点突变导致通道失活动力学改变;GABAAγ2亚基GBRG23个独立位点的突变直接或间接地降低甚至破坏抑制型GABA电流;GEFS+2型(GEFS+2)紧密相关的10个突变已鉴定位于Nav1.1通道基因上。

编码Na+通道的β1亚基由单个跨膜片段、胞内C末端和胞外N末端组成。胞内部分很短,胞外部分包含一个类似免疫球蛋白的折叠基序,由一对保守的半胱氨酸(Cys)残基二硫键联结。在澳大利亚一个GEFS遗传病家族中发现的突变C121W即发生在其中一个半胱氨酸残基上被认为会有损于二硫键的形成并改变β1亚基胞外域的结构。β1亚基可促进电压门控钠通道α亚基的失活化和从失活化恢复的速率。C121W突变对其结构的破坏会导致其调制功能的丧失,引发持续内向钠电流,使膜超兴奋,GEFS+1GEFS+1型)的惊厥病症便归因于此显性突变[22]

至今为止GEFS+2(GEFS+2)病人身上筛到的突变均位于Nav1.1通道基因上,包括:D188VT875MW1204RV1353LR1648HI1656M10个突变位点[21,23-27]。不同位点突变对通道性质的改变不尽相同。例如,位于结构域ⅡS4片段的T875M突变可促进通道慢失活过程;结构域ⅣS4片段上的R1648H突变可加速通道从失活态恢复的过程tsA-201细胞中表达的R1648H突变通道中可观察到显著增大的持续钠电流,而发生在结构域Ⅱ~Ⅲ胞质连接环保守位点上的W1204R氨基酸替换会使通道激活和失活的电压依赖性都发生负向偏移使得通道窗电流负移即在相对较负的神经元电位下使得更多钠通道处于可利用状态导致细胞超兴奋。由此可知不同突变造成的通道功能改变可能会引发相似的惊厥表型。另外,降低通道活性的突变(T875M促进失活[28])也会促发癫痫症状。前面提到过,发生在肌肉Nav1.4上的突变F1490L M1493I(促进慢失活)可诱发HyperPP,这两个反常的意外表明,通道活性平衡的改变会导致通道遗传性疾病的发生。

人类编码Nav1.1Nav1.2通道的基因共同定位于染色体2q24位上。同Nav1.1一样,Nav1.2也是一种大量密集于神经系统的电压门控钠通道。这些提示Nav1.2通道功能异常在GEFS+发病机制中可能也占有一席之地。

在转基因小鼠海马神经元中显性表达Nav1.2突变通道,发现小鼠表现出类似人类GEFS+的四肢抽搐和行为异常症状。Sugawara[24]1次在GEFS+病人Nav1.2通道上筛到突变R187W。这是一个在进化上非常保守的位点其突变使通道开放态延长增加内向钠电流进而导致神经元超兴奋。同GEFS+病人的发病机制十分吻合。但这个突变还缺乏同GEFS+相联系的普遍性也不具备GEFS+2特征性的高外显率即患者父代只显示热惊厥症状(FS)而无非热伴随的惊厥病症(afebrile seizures)。显然,编码人类Nav1.2通道的基因SCN2A作为研究惊厥类疾病的候选基因,已受到越来越多的关注。

GEFS+较为温和的表型相比,编码人类Nav1.1通道的一条等位基因SCN1A的丢失可导致热惊厥最严重的一种临床病症,婴儿肌阵挛癫痫症(severe myoclonic epilepsy of infancySEMI[29,30]。这是一种罕见的神经系统紊乱,仅发现于个别病患中。患者呈现肌肉僵硬、阵挛或二者兼有的惊厥症状。一般在患者1岁左右由发烧引起,稍后,会发展出单一或复合性的局部惊厥,并在病人2岁左右出现智力和语言能力停滞发育的现象。目前,针对SEMI几乎没有有效的药理治疗方法。从SEMI病人Nav1.1通道基因上已筛到7个孤立的突变,包括,1个移码突变,1个无义突变,1个剪接供体突变和1个保守位点的错义突变(ⅡS6L986F)。前3种突变导致通道蛋白的翻译提前终止,形成C端缺失的转录体或缺损蛋白, L986F点突变则产生功能不全的突变通道。这些突变与SCN1A等位基因丢失一样,表现出单倍体不足的效果,诱发SEMI

目前临床上使用的抗癫药,笨妥英(phenytoin),卡马西平(carbamazepine),拉莫三嗪(lamottrigine)大多作用于钠通道的失活状态。那么,已被验明选择性结合在钠通道活化/失活化受体位点上肽类蝎毒素的抗癫痫作用及其机制同样值得深究。

1.3.2运动终板疾病(motor end plate diseaseMED): 目前已鉴定,小鼠Nav1.6通道的几种基因突变可引发此类疾病。与肌肉功能紊乱不同,小鼠Nav1.6基因突变隐性遗传,导致肌肉震颤、后肢麻痹、浦肯野细胞退化以及幼年动物死亡。致病突变包括:MEDMEDtg,这两种突变都会完全破坏Nav1.6基因的表达,效果类似缺失突变: MEDtg,即发生在结构域Ⅲ中S4-S5连接环上的点突变A1071T,这一突变使通道激活阈值升高,失活的电压依赖性向去极化电位漂移,减低浦肯野细胞的活动能力,导致共济失调表型。令人意外的是,这一发生在通道失活化球接受位点的突变对通道失活化过程几乎毫无影响[10]

小鼠Nav1.1O通道仅分布在脑和脊髓,在骨骼肌和心肌中不表达。人类同源基因Nav1.6定位于染色体12q13上,目前还没有发现与之相关的人类遗传疾病。

2  电压门控钠通道与神经痛

感觉初级传入神经元是一群在形态上和功能上都高度分化的细胞,包括:快速传导的大直径有髓纤维Aβ、中速传导的有髓细纤维Aδ和慢速传导的小直径无髓纤维C。其中Aδ纤维和C纤维介导伤害性感受的传入。Nav1.6Nav1.7Nav1.8Nav1.9电压门控钠通道亚型通常分布于外周神经系统,但它们在Aδ纤维和C纤维中的组成密度有所差别且其在神经损伤发生时的表达可能会发生改变。

Nav1.8是一种TTX-R型通道被认为与伤害性传入关联最密切具有慢失活机制介导动作电位较大、持续时间较长的电信号、激活电压较高(约-40mV)等特征[31],这与伤害性感觉的高阈刺激相符。

剔除Nav1.8之后转基因小鼠的小直径DRG细胞动作电位传导明显受损小鼠表现出对热刺激和机械刺激的中度痛觉失敏[32]。在L5/L6脊髓神经结扎损伤试验中[33]受损的DRG细胞中Nav1.8通道表达大大降低,7-10d电流分析和免疫检测均显示Nav1.8通道在未受损的有髓或无髓神经纤维中有重新分布迹象。在未受损的轴突上反复实施鞘内注射Nav1.8反义寡核甘酸抑制Nav1.8蛋白表达发现Nav1.8通道免疫活性和TTX-R电流大大消除对热刺激和触觉刺激的反应阈值回到对照水平显示出有效的抗痛觉过敏效应。由此强烈提示Nav1.8通道在神经痛的发生和传入中必不可少且其在未受损初级传入神经上的异常活动对这种痛觉传导起更为关键的作用。

在神经痛慢性压迫性损伤模型中[34,35],也能看到Nav1.8通道沿受损坐骨神经重新分布的迹象。经反义寡核甘酸介导的治疗,可特异性地抑制Nav1.1D通道的表达,能有效遏制神经痛的传导。进一步研究表明,反义寡核甘酸针对Nav1.8基因特异序列标靶,既不影响其他亚型的通道表达,也不影响非损伤区域的Nav1.8通道表达,作为治疗手段,这项技术具有副作用极小的临床医用潜力。

Nav1.9也是一种在伤害性感受神经元中选择性表达的TTX-R型钠通道,但其动力学性质和表达分布同Nav1.8有显著差异,故而在初级传入中对损伤的反应也迥然不同。Nav1.9的激活电压接近于静息膜电位(-70mV),介导一持续钠电流,被推测起调控伤害性感受神经元静息膜电位的作用,并对阈下刺激起反应 [36]

在大鼠神经痛模型中[37],反义寡核甘酸介导的Nav1.剔除研究表明,这种通道亚型在热痛过敏和触觉超敏中均无作用。同Nav1.8一样,Nav1.9在截断的神经纤维中表达下调[34]。前面提到的Nav1.8剔除试验中,注射Nav1.8反义寡核甘酸后,可在坐骨神经C波中记录到一残余的TTX-R慢速传导电流,这一残余电流被归因为Nav1.9的作为。但这一电流密度与神经痛大鼠模型中记录到的一样,暗示神经损伤后,Nav1.9通道沿轴突分布未起明显变化。关于Nav1.9在神经痛中的作用,仍需更多工作的验证。

BDNF(brain-derivedneurotrophic fatorBDNF)被发现可激活Nav1.9在海马中的表达[39],表明这种通道亚型的分布并不止局限于DRG神经元,这一发现提示,在治疗神经痛的过程中,Nav1.9或许是不太理想的药物标靶。

外周神经的轴突横断会引起Nav1.3DRG中的表达上调[39],正常情况下,这种通道亚型在成人的传入神经中表达水平极低。由于Nav1.3是一种TTX-S型通道,具有快速激活M失活和快速恢复的特性,有人认为受损神经纤维上观察到的自发放电是损伤诱导Nav1.3通道异位表达所致。但Nav1.3通道的表达与这种自发放电之间的关系还有待建立,轴突横断后的自发放电在神经痛中的作用也缺乏有说服力的证据[40]

3    

 电压门控钠通道包含一系列表达方式和功能特性各异的亚型。这些通道在分子结构上的细微差别使其各自在不同类型细胞中行使其独一无二的传导功能,对生物体复杂的生理效应起着重要作用。通道基因上的突变可导致通道性质的改变,并最终导致临床上肌肉、心脏和神经系统等疾病。通过从分子水平研究这些生理和病理现象,不仅可以加深对电压门控钠通道结构和功能关系的理解,为疾病的分类、诊断提供理论依据,更为开发新的治疗方法和寻找特异性治疗药物打开眼界。


本文见刊于中国药物与临床2004年3月第4卷第3期




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