脂肪組織分泌的瘦素通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控哺乳動(dòng)物骨骼代謝的研究進(jìn)展

劉靜波 陳代文* 余 冰

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所,雅安 625014;2.動(dòng)物抗病營(yíng)養(yǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,雅安 625014）

骨骼代謝主要包括破骨細(xì)胞對(duì)已經(jīng)存在的骨骼進(jìn)行的骨吸收和成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成,破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞這2種細(xì)胞系功能的穩(wěn)定對(duì)維護(hù)骨骼的健康至關(guān)重要。人從青春期至中老年期,由上述2種細(xì)胞系維持的骨骼代謝總是維持在一個(gè)平衡狀態(tài),但是中年婦女絕經(jīng)后這種平衡狀態(tài)被打破,從而出現(xiàn)骨骼代謝紊亂。這主要是因?yàn)樾韵俟δ芩ネ耸沟闷乒羌?xì)胞上的雌激素α受體介導(dǎo)的信號(hào)途徑減弱而導(dǎo)致破骨細(xì)胞骨吸收增加[1],進(jìn)而使骨量減少,甚至出現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥[2]。骨骼代謝疾病已經(jīng)成為威脅當(dāng)今世界各國(guó)中老年人健康的主要代謝疾病之一,因此,通過(guò)一定的手段維持骨形成與骨吸收之間的平衡對(duì)于減少骨骼代謝疾病的發(fā)生具有重要的意義。

臨床研究已經(jīng)揭示了一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí),即中老年婦女性腺功能衰退之后,通常伴隨著脂肪沉積增加和骨質(zhì)疏松,這暗示哺乳動(dòng)物的繁殖系統(tǒng)、脂肪沉積和骨骼代謝可能通過(guò)相同的激素調(diào)控[3]。自被發(fā)現(xiàn)以來(lái),瘦素（leptin）基因及其受體一直被認(rèn)為是調(diào)控能量代謝和繁殖的重要信號(hào)分子[4-5],而且流行病學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)人進(jìn)入中老年后適度的肥胖能夠降低骨折的發(fā)生率,提示leptin可能參與調(diào)節(jié)骨骼代謝[6]。近年以基因敲除小鼠為動(dòng)物模型的研究發(fā)現(xiàn),leptin與其受體結(jié)合之后啟動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)骨骼代謝的調(diào)控非常重要[3,7]。因此,本文主要就leptin調(diào)控骨吸收和骨形成的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑做一簡(jiǎn)要綜述,為增進(jìn)人類骨骼健康提供重要參考。

1 leptin基因（ob/ob）及其受體基因（db/db）敲除對(duì)骨骼代謝的影響

為了研究leptin對(duì)骨骼代謝的影響,Ducy等[7]通過(guò)基因手段敲除lep tin基因（ob/ob）和lep tin受體基因（db/db）,發(fā)現(xiàn)ob/ob小鼠和db/db小鼠的骨量和骨密度均顯著增加,且除了肥胖之外,ob/ob小鼠和db/db小鼠還出現(xiàn)了性腺功能衰退以及皮質(zhì)酮增多癥。前人的研究表明,性腺功能衰退導(dǎo)致的雌激素減少[1,8]和皮質(zhì)醇增多癥[9]均能夠誘導(dǎo)骨吸收增加,導(dǎo)致骨量減少,但是Ducy等[7]的研究卻發(fā)現(xiàn)ob/ob小鼠和db/db小鼠骨量均顯著增加,說(shuō)明了leptin對(duì)骨量的影響甚至超出了雌激素和皮質(zhì)酮的作用。

骨骼代謝是由骨形成和骨吸收來(lái)維持的,因此leptin信號(hào)缺失小鼠的骨形成和骨吸收勢(shì)必受到影響,進(jìn)而導(dǎo)致骨量增加。鈣黃綠素（calcein）是反映骨形成的重要指標(biāo),研究發(fā)現(xiàn)3月齡和6月齡ob/ob小鼠的鈣黃綠素顯著增加,骨形成比野生型小鼠分別增加了70%和60%[7],而反映骨吸收功能的指標(biāo)脫氧吡啶諾林顯著高于野生型小鼠[10],盡管如此,ob/ob小鼠破骨細(xì)胞的數(shù)目卻出現(xiàn)增加[7]。這說(shuō)明leptin基因及其受體基因敲除后,成骨細(xì)胞的骨形成功能和破骨細(xì)胞的骨吸收功能并未受到損壞,只是二者功能的平衡發(fā)生了變化。因此,盡管ob/ob小鼠和db/db小鼠出現(xiàn)的性腺功能衰退和皮質(zhì)酮增多癥本應(yīng)該誘導(dǎo)骨吸收,但是這2種基因敲除的小鼠均出現(xiàn)了骨量增加的現(xiàn)象,從而揭示出leptin信號(hào)途徑在骨骼代謝中的重要作用。

2 lep tin通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控骨骼代謝

骨骼的代謝是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能的統(tǒng)一體。ob/ob小鼠和db/db小鼠的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能在leptin信號(hào)缺失之后均受到了影響[7],因此leptin可能通過(guò)直接作用于成骨細(xì)胞或者破骨細(xì)胞來(lái)影響這2種細(xì)胞系的功能。有報(bào)道指出,在體外條件下leptin可以促進(jìn)骨髓巨噬細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞[11],Cornish等[12]通過(guò)實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）研究表明leptin功能性受體在成骨細(xì)胞表達(dá),且在體外條件下能夠調(diào)控骨細(xì)胞的功能。但是lep tin受體同時(shí)存在于外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng),因此圍繞leptin到底是通過(guò)外周還是中樞途徑調(diào)控骨骼代謝一直存在爭(zhēng)議。Takeda等[13]的研究不認(rèn)為leptin是通過(guò)外周途徑調(diào)控骨骼代謝的,主要體現(xiàn)在:第一,體外原代培養(yǎng)成骨細(xì)胞時(shí),在培養(yǎng)基中添加生理水平的lep tin并未檢測(cè)到leptin的效應(yīng)分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3 （STAT3）的磷酸化,只有當(dāng)leptin的添加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生理水平時(shí)才能觀察到成骨細(xì)胞的分化;第二,體外培養(yǎng)db/db小鼠的成骨細(xì)胞發(fā)現(xiàn),缺失了leptin受體的成骨細(xì)胞系在體外產(chǎn)生的骨膠原低于野生型小鼠;第三,通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段在成骨細(xì)胞中過(guò)量表達(dá)leptin并沒(méi)有對(duì)小鼠骨骼代謝產(chǎn)生顯著影響。為了解決lep tin到底是通過(guò)外周還是中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響骨骼代謝的問(wèn)題,Shi等[14]通過(guò)基因工程手段分別特異性地敲除外周成骨細(xì)胞系和中樞下丘腦神經(jīng)元的leptin受體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)特異性敲除外周成骨細(xì)胞系leptin受體的小鼠骨量沒(méi)有發(fā)生變化,但是特異性敲除中樞下丘腦神經(jīng)元lep tin受體的小鼠骨量顯著增加,證實(shí)leptin是通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)骨量的調(diào)節(jié)的。

leptin發(fā)揮功能的途徑是通過(guò)與其受體結(jié)合啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)完成的,leptin的功能性受體在下丘腦的神經(jīng)元表達(dá)量極其豐富,這也進(jìn)一步提示leptin是通過(guò)下丘腦途徑來(lái)調(diào)控骨骼代謝的。Ducy等[7]、Takeda等[13]和Elefteriou等[15]對(duì)ob/ob小鼠進(jìn)行腦室灌注leptin,發(fā)現(xiàn)腦室灌注leptin可使ob/ob小鼠的骨量降低至野生型小鼠的水平。對(duì)羊連續(xù)3個(gè)月進(jìn)行腦室灌注leptin,發(fā)現(xiàn)其骨量顯著減少[16]。為了進(jìn)一步研究leptin作用于下丘腦的具體區(qū)域,Takeda等[13]用谷氨酸單鈉鹽（MSG）和硫金葡萄糖（GTG）分別特異性地破壞ob/ob小鼠的弓狀核（ARC）和下丘腦腹內(nèi)側(cè)核（VMH）,并且對(duì)以上2種小鼠模型的腦室內(nèi)灌注lep tin,發(fā)現(xiàn)ARC神經(jīng)元被破壞后,腦室灌注leptin仍然能夠繼續(xù)降低骨量,而VMH神經(jīng)元被破壞后,腦室灌注lep tin不影響骨量,說(shuō)明lep tin是作用于VMH來(lái)調(diào)控骨骼代謝的。

3 交感神經(jīng)系統(tǒng)（SNS）介導(dǎo)lep tin對(duì)骨骼代謝的調(diào)控

由于SNS在leptin基因缺失之后其活性受到了很大的影響[17],學(xué)者開(kāi)始研究SNS對(duì)ob/ob小鼠骨骼代謝的影響。SNS系統(tǒng)的信號(hào)途徑主要是通過(guò)腎上腺素能受體來(lái)完成的,Takeda等[13]通過(guò)基因工程手段突變腎上腺素能受體的配體產(chǎn)生關(guān)鍵酶多巴胺β-羥化酶（DBH）,抑制體內(nèi)的腎上腺素和去甲腎上腺素（ISO）分泌,結(jié)果發(fā)現(xiàn),12月齡的DBH基因缺失（Dbh-/-）小鼠的骨量明顯增加,腦室灌注lep tin降低了Dbh-/-小鼠的脂肪沉積,但是卻沒(méi)有影響骨骼代謝,體現(xiàn)了SNS在lep tin調(diào)節(jié)骨骼代謝的過(guò)程中發(fā)揮著重要的信號(hào)傳遞作用。

M oore等[18]通過(guò)RT-PCR和Northern雜交發(fā)現(xiàn),只有成骨細(xì)胞存在腎上腺素能受體2 （Adrb2）,而破骨細(xì)胞不表達(dá)Adrb2的編碼基因。通過(guò)對(duì)1月齡ob/ob小鼠連續(xù)6個(gè)月進(jìn)行ISO處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ISO處理的ob/ob小鼠骨量顯著減少,成骨細(xì)胞的數(shù)量和骨形成率下降,而用Adrb2的拮抗劑（β-blocker）處理卻得到相反的效果[13]。通過(guò)基因工程手段敲除Adrb2基因,發(fā)現(xiàn)Adrb2基因缺失（Adrb2-/-）小鼠的骨量顯著增加[15],而且該小鼠模型伴隨著leptin抵抗性的骨量增加[19]。人臨床上的研究表明,服用β-b locker的病人的骨密度增加[20],發(fā)生骨折的幾率下降[21-22],說(shuō)明leptin通過(guò)SNS作用于成骨細(xì)胞的Adrb2影響骨骼代謝過(guò)程。

3.1 lep tin-SNS信號(hào)途徑對(duì)成骨細(xì)胞的影響

無(wú)論leptin通過(guò)哪種信號(hào)途徑發(fā)揮作用,均是通過(guò)影響成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)檫@2種細(xì)胞系功能平衡的變化是導(dǎo)致骨量變化的直接原因。leptin基因及其受體基因被敲除后,成骨細(xì)胞的數(shù)目和功能都顯著提高[7,13],說(shuō)明ob/ob小鼠和db/db小鼠的成骨細(xì)胞功能變化是導(dǎo)致高骨量的重要原因。通過(guò)細(xì)胞轉(zhuǎn)染試驗(yàn),用野生型小鼠骨髓巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)染Adrb2-/-小鼠,Adrb2-/-小鼠的骨量恢復(fù)正常,且在體外細(xì)胞分化時(shí)可檢測(cè)到野生型小鼠的成骨細(xì)胞;相反,用Ad rb2-/-小鼠骨髓巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)染野生型小鼠,野生型小鼠的骨量增加,且在體外細(xì)胞分化時(shí)可檢測(cè)到Adrb2-/-小鼠的成骨細(xì)胞,證明成骨細(xì)胞在lep tin-SNS信號(hào)途徑中發(fā)揮著重要作用[15]。

3.2 leptin-SNS信號(hào)途徑對(duì)破骨細(xì)胞的影響

ob/ob小鼠和接受β-b locker處理的野生型小鼠不僅成骨細(xì)胞的骨形成增加,而且破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收也顯著增加[7,13],但是Adrb2-/-小鼠在性腺摘除之后破骨細(xì)胞的骨吸收功能顯著降低[15],這與Ducy等[7]所發(fā)現(xiàn)的ob/ob小鼠和db/db小鼠在性腺衰退后骨吸收增加的結(jié)果迥異。Elef teriou等[15]在RANKL（成骨細(xì)胞的分化因子）、M-CSF （破骨細(xì)胞的增殖因子）存在的情況下培養(yǎng)野生型和Adrb2-/-小鼠的骨髓巨噬細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)這2種小鼠的骨髓巨噬細(xì)胞均能夠分化到破骨細(xì)胞,而且敲除Adrb2基因和ISO處理均不影響破骨細(xì)胞的骨吸收功能和傳代,說(shuō)明破骨細(xì)胞的功能并未受到影響,從而排除了SNS直接作用于破骨細(xì)胞的可能性。

交感信號(hào)的響應(yīng)受體Adrb2僅在成骨細(xì)胞表達(dá),推測(cè)lep tin-SNS信號(hào)途徑通過(guò)成骨細(xì)胞來(lái)間接調(diào)控破骨細(xì)胞的功能。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)野生型小鼠的成骨細(xì)胞和ISO共同培養(yǎng)時(shí),增加了破骨細(xì)胞的傳代以及RANKL的表達(dá),但Adrb2-/-小鼠的成骨細(xì)胞和ISO共同培養(yǎng)卻沒(méi)有增加破骨細(xì)胞的傳代和RANKL的表達(dá),這說(shuō)明leptin可以通過(guò)Adrb2上調(diào)成骨細(xì)胞分泌的RANKL來(lái)完成對(duì)破骨細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)[15]。

盡管ISO誘導(dǎo)的RANKL表達(dá)能夠促進(jìn)破骨細(xì)胞分化和骨吸收,但是不能夠解釋Adrb2-/-小鼠在性腺摘除之后破骨細(xì)胞的骨吸收功能顯著降低這一現(xiàn)象,說(shuō)明leptin誘導(dǎo)的SNS信號(hào)途徑在Ad rb2-/-小鼠中受到了其他因素的影響。鑒于此,研究人員將研究重點(diǎn)放到那些受到lep tin調(diào)控且基因失活之后不影響食欲和生育能力的基因?？煽ㄒ?苯丙胺調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄肽（CART）是一種內(nèi)源性神經(jīng)肽,研究發(fā)現(xiàn),CART的表達(dá)在ob/ob小鼠中降低,但是在Adrb2-/-小鼠上卻正常,而且CART基因缺失（Cart-/-）小鼠沒(méi)有明顯的內(nèi)分泌及繁殖系統(tǒng)的表型紊亂（排除代謝激素和繁殖激素的影響）,6月齡Cart-/-小鼠出現(xiàn)骨量降低,破骨細(xì)胞的表面積和數(shù)量增加了2倍,當(dāng)對(duì)Cart-/-小鼠腦室內(nèi)灌注leptin時(shí),卻增加了骨量,說(shuō)明leptin能夠通過(guò)CART調(diào)控破骨細(xì)胞的功能,抑制骨吸收[15]。Cart-/-小鼠的RANK L的表達(dá)量上升,說(shuō)明CART是通過(guò)調(diào)控RANKL的表達(dá)來(lái)發(fā)揮功能的,從而體現(xiàn)lep tin還可以通過(guò)CART下調(diào)RANKL的表達(dá)減少破骨細(xì)胞的分化而增加骨量（圖1）。因此,leptin通過(guò)2種相反的方式來(lái)調(diào)控破骨細(xì)胞的功能:第一,通過(guò)SNS-Adrb2影響成骨細(xì)胞RANKL的分泌來(lái)促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化;第二,通過(guò)CART來(lái)抑制破骨細(xì)胞的分化。

圖1 leptin對(duì)破骨細(xì)胞分化的雙向調(diào)節(jié)Fig.1 Bidirectional regulation of lep tin on dif ferentiation of osteoclast

4 分子鐘（molecu lar clock）基因在leptin調(diào)控骨骼代謝中的作用

4.1 分子鐘對(duì)成骨細(xì)胞活性的影響

骨骼代謝包括破骨細(xì)胞的骨吸收和成骨細(xì)胞的骨形成,二者的功能穩(wěn)衡對(duì)于骨骼的功能正常至關(guān)重要,由于這是一個(gè)穩(wěn)衡的過(guò)程,提示分子鐘可能參與了leptin對(duì)骨骼代謝的調(diào)控。Per是分子鐘基因的一種,通過(guò)敲除Per基因發(fā)現(xiàn),Per基因缺失（Per-/-）小鼠出現(xiàn)了顯著的骨量增加。當(dāng)用ISO分別處理野生型和Per-/-小鼠時(shí),發(fā)現(xiàn)Per-/-小鼠成骨細(xì)胞的分子鐘基因的表達(dá)不受影響,而野生型小鼠卻顯著提高,說(shuō)明成骨細(xì)胞的分子鐘基因通過(guò)SNS的調(diào)節(jié)來(lái)影響骨骼代謝。分析Per-/-小鼠的2種骨細(xì)胞系發(fā)現(xiàn):破骨細(xì)胞沒(méi)有受到影響,但是成骨細(xì)胞卻出現(xiàn)了顯著的增殖。通過(guò)細(xì)胞增殖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)16 h后,到達(dá)G2期的Per-/-小鼠成骨細(xì)胞的數(shù)量是野生型小鼠的3倍,且Per-/-小鼠成骨細(xì)胞的G1期細(xì)胞周期蛋白（cyclins）的表達(dá)量顯著高于野生型小鼠,說(shuō)明Per基因可以調(diào)控成骨細(xì)胞的有絲分裂,延長(zhǎng)細(xì)胞周期,降低細(xì)胞增殖的速度[23]。

4.2 分子鐘通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白-1（AP-1）促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖來(lái)增加骨量

Per-/-小鼠和Adrb2-/-小鼠在許多細(xì)胞和分子水平上的特點(diǎn)都是相似的,但是卻有一個(gè)比較特殊的現(xiàn)象,即當(dāng)腦室灌注leptin時(shí),Per-/-小鼠的骨量增加,但是對(duì)Adrb2-/-小鼠卻沒(méi)有影響。這說(shuō)明leptin-SNS除了通過(guò)分子鐘途徑抑制成骨細(xì)胞增殖之外,還可以通過(guò)lep tin-SNS的其他下游信號(hào)途徑增強(qiáng)成骨細(xì)胞的功能。研究成骨細(xì)胞增殖和分化的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)情況發(fā)現(xiàn),c-fos（AP-1成員之一,能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化,對(duì)于調(diào)控骨骼發(fā)育非常重要[24]）在Per-/-小鼠中的表達(dá)差異最為明顯,ISO處理之后c-fos是上調(diào)最明顯的基因。通過(guò)基因敲除手段發(fā)現(xiàn),當(dāng)同等密度下培養(yǎng)成骨細(xì)胞時(shí),c-fos基因缺失（c-fos-/-）小鼠的成骨細(xì)胞生長(zhǎng)速度明顯低于野生型小鼠,說(shuō)明c-fos可控制成骨細(xì)胞分化。此外,受到分子節(jié)律基因調(diào)控的細(xì)胞周期基因c-myc和細(xì)胞周期蛋白D1 （cyclin D1）在c-fos-/-小鼠的成骨細(xì)胞中顯著下調(diào),說(shuō)明leptin-SNS信號(hào)系統(tǒng)能夠通過(guò)AP-1來(lái)增加成骨細(xì)胞的增殖,這種途徑可能是通過(guò)增加一些細(xì)胞周期蛋白的調(diào)節(jié)因子來(lái)完成的。成骨細(xì)胞的SNS能夠觸發(fā)2種相反的信號(hào)途徑調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖,而且還存在信號(hào)之間的交聯(lián),Per基因能夠下調(diào)AP-1的表達(dá),c-fos在Adrb2-/-小鼠中表達(dá)過(guò)量是由于這些細(xì)胞的分子鐘基因的表達(dá)下調(diào)所引起的。因此,在當(dāng)分子鐘的表達(dá)受到影響時(shí),AP-1也可相應(yīng)地調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖來(lái)調(diào)節(jié)骨量[23]。lep tin通過(guò)SNS-Ad rb2對(duì)成骨細(xì)胞增殖的雙向調(diào)節(jié)如圖2所示。

圖2 leptin通過(guò)SNS-Adrb2對(duì)成骨細(xì)胞增殖的雙向調(diào)節(jié)Fig.2 Bidirectional regulation o f lep tin on p ro liferation of osteob last through SNS-Ad rb2

5 脂肪組織分泌的lep tin對(duì)骨骼代謝的調(diào)控

血液循環(huán)中的leptin主要來(lái)源于脂肪細(xì)胞, Elef teriou等[25]通過(guò)原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)小鼠下丘腦表達(dá)的lep tin極少,腦脊液中的lep tin主要來(lái)源于血液,通過(guò)轉(zhuǎn)基因手段提高血清leptin水平導(dǎo)致骨量降低,當(dāng)過(guò)量表達(dá)lep tin受體降低血清lep tin水平之后骨量升高,從而證明調(diào)控骨骼代謝的leptin來(lái)源于外周脂肪組織分泌的leptin,而并不是大腦分泌的lep tin。Prouteau等[26]對(duì)舉重運(yùn)動(dòng)員的研究表明,與正常狀態(tài)相比,賽前體重減少導(dǎo)致血清leptin水平降低64%,賽后體重恢復(fù)后血清leptin水平升高276%,期間血清leptin水平的變化伴隨著骨吸收參數(shù)的顯著變化。因此,由外周脂肪組織分泌的lep tin是下丘腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控骨骼代謝的重要來(lái)源。

6 小 結(jié)

綜上可知,脂肪組織分泌的lep tin是通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)骨骼代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)的,但是leptin對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能均具有正負(fù)2方面的調(diào)控,正確認(rèn)識(shí)其中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對(duì)于治療骨骼代謝疾病具有非常重要的作用。

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*Correspond ing au thor,p rofessor,E-m ail:chendwz@sicau.edu.cn

（編輯 菅景穎）