李可 吳麗麗 秦靈靈 胡玉立 吳悠 張程斐 張秀媛 劉銅華
摘要 目的:觀察藤茶總黃酮對棕櫚酸誘導的C2C12肌管細胞胰島素抵抗模型葡萄糖利用的影響,并從IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4信號轉(zhuǎn)導通路探討其作用機制。方法:用含2%馬血清的高糖培養(yǎng)基(DMEM)培養(yǎng)小鼠C2C12成肌細胞,誘導為成熟的肌管細胞后,用0.5 mmol/L棕櫚酸誘導培養(yǎng)16 h建立細胞胰島素抵抗模型。用CCK-8法測定不同濃度的藤茶總黃酮(5 μg/mL、10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、50 μg/mL、80 μg/mL)對C2C12細胞活性的影響,并確定后續(xù)實驗的藤茶總黃酮高、中、低劑量。將C2C12細胞誘導成熟的肌管細胞分為正常組(NC)、高糖模型組(DM)和藤茶總黃酮高、中、低劑量組(AGH、AGM、AGL),檢測各組細胞的葡萄糖消耗量,用Western Blotting法檢測藤茶總黃酮對IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4信號轉(zhuǎn)導通的蛋白表達的影響。結(jié)果:藤茶總黃酮濃度在50 μg/mL時,細胞成活率最高。據(jù)C2C12細胞活性檢測,得到用于后續(xù)細胞實驗的藤茶總黃酮高、中、低濃度分別為80 μg/mL、50 μg/mL、30 μg/mL。藤茶總黃酮高、中、低劑量組葡萄糖消耗量與高糖模型組比較顯著增加(P<0.01)。藤茶總黃酮高、中劑量組顯著提升IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4信號通路的蛋白表達(P<0.01)。結(jié)論:藤茶總黃酮可改善C2C12細胞葡萄糖消耗量從而改善胰島素抵抗,其作用機制可能通過調(diào)節(jié)IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4信號通路實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 藤茶總黃酮;C2C12細胞;骨骼肌;胰島素抵抗;IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4信號通路
Abstract Objective:To observe the effects of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata on glucose utilization in insulin resistance models of C2C12 myotube cells induced by palmitic acid,and to explore its mechanism from IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4 signaling transduction pathways.Methods:Mouse C2C12 myoblasts were cultured in high glucose medium(DMEM) containing 2% horse serum,and then induced into mature myotube cells,which were cultured for 16 hours with 0.5mmol/L palmitic acid to establish the cellular insulin resistance models.The CCK-8 method was used to determine the effects of the total flavonoids from Ampelopsis grossedentata at different concentrations(5 μg/mL,10 μg/mL,20 μg/mL,30 μg/mL,50 μg/mL,80 μg/mL) on the activity of C2C12 cells,and determine the high,medium and low doses of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata in subsequent experiments.The myotube cells induced by C2C12 cells were divided into normal group(NC),high glucose model group(DM) and total flavonoids from Ampelopsis grossedentata in high,medium,and low dose groups(AGH,AGM,AGL).The glucose consumption of each group cells was measured.Western Blotting was used to detect the effect of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata on protein expressions of IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4 signaling transduction.Results:When the total flavonoids from Ampelopsis grossedentata was 50 μg/mL,the cell survival rate was the highest.According to the detection of C2C12 cell viability,the high,medium,and low concentrations of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata used in subsequent cell experiments were 80 μg/mL,50 μg/mL,and 30 μg/mL,respectively.Compared with the high glucose model group,the glucose consumption of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata in the high,medium and low dose groups increased significantly(P<0.01).The high and medium dose groups of total flavonoids from Ampelopsis grossedentata significantly increased the protein expression of IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4 signaling pathway(P<0.01).Conclusion:Total flavonoids of Ampelopsis grossedentata can improve the glucose consumption of C2C12 cells and thereby improve insulin resistance.Its mechanism of action may be achieved by regulating the IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4 signaling pathway.
Keywords Total flavonoids from Ampelopsis grossedentata; C2C12 cells; Skeletal muscle; Insulin resistance; IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4 signaling pathway
中圖分類號:R587.1文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1673-7202.2021.19.014
糖尿病是一種慢性代謝性疾病,國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation,IDF)發(fā)布的最新版《全球糖尿病地圖(IDF Diabetes Atlas)》[1]顯示全球糖尿?。?0~79歲)粗患病率為9.3%,約4.63億成人患有糖尿病。全球糖尿病患病人數(shù)正在逐年上升,其中50.1%成人不知自己患病。中國是糖尿病的重災區(qū),糖尿病患病人數(shù)居世界首位,據(jù)流行病學統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,我國糖尿病患病率已高達11.2%[2],全球約1/4糖尿病患者來自中國。受肥胖、衰老、遺傳等因素影響,中國糖尿病患者中約95%為2型糖尿?。═ype 2 Diabetes Mellitus,T2DM)[3]。T2DM主要的病理生理特征是胰島素抵抗(Insulin Resistance,IR)和部分胰島B細胞功能缺陷。據(jù)IDF的流行病學研究表明,80%的T2DM患者存在IR[4]。骨骼肌IR是T2DM發(fā)病機制的早期缺陷[5]。骨骼肌細胞是參與機體葡萄糖代謝的重要外周組織,維持葡萄穩(wěn)態(tài)和外周組織的胰島素敏感性中發(fā)揮重要作用。
藤茶是指葡萄科蛇葡萄屬的顯齒蛇葡萄Ampelopsis grossedentata(Hand.-Mazz.)W.T.Wang[6],我國南方應用歷史悠久的藥食兩用藤本植物。民間常用其治療風熱感冒、咽喉腫痛、肝炎黃疸、癰癤腫癢等皮膚疾患。清代《草本便方》有云:“藤茶葉甘溫消渴?!笔状斡涊d藤茶用于治療消渴癥。臨床研究顯示藤茶具有明確的降糖作用[7]。藤茶中含有的黃酮類、多糖類、酚類、氨基酸、無機元素、萜類等多種營養(yǎng)成分,主要活性成分為黃酮類化合物[8]?,F(xiàn)代藥理研究表明藤茶及其有效成分具有降糖、降脂、抗動脈硬化、抗氧化、保肝、抗炎、抑菌、免疫調(diào)節(jié)和抗癌等作用[9-14]。藤茶具體降糖機制研究尚不深入,PI3K/AKT信號通路是胰島素信號轉(zhuǎn)導中的主要途徑之一,本研究應用C2C12成肌細胞,研究藤茶總黃酮對C2C12成肌細胞IR的作用及其對PI3K/AKT信號通路的調(diào)節(jié),為藤茶的臨床降糖應用提供實驗依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 細胞株 C2C12小鼠成肌細胞株(武漢普諾賽生命科技有限公司,生產(chǎn)批號:CL-0044)。
1.1.2 藥物 藤茶總黃酮(西安品誠生物科技公司,生產(chǎn)批號:PC-201911015-2)。
1.1.3 試劑與儀器 葡萄糖含量測試盒(北京索萊寶科技有限公司,生產(chǎn)批號:BC2505);特級胎牛血清(GIBCO Invitrogen Corporation,美國,批號:10099-141);馬血清(GIBCO Invitrogen Corporation,美國,批號:16050-122);DMEM高糖培養(yǎng)基(Hyclone,美國,批號:SH30022.01);CCK-8細胞計數(shù)試劑盒(Fluorescence,美國,批號:DCM7122);胰蛋白酶-EDTA消化液(Hyclone,美國,批號:SH30042.01);青-鏈霉素混合液(北京索萊寶科技有限公司,生產(chǎn)批號:P1400);棕櫚酸(北京索萊寶科技公司,生產(chǎn)批號:H8780);BCA蛋白定量試劑盒(北京普利萊基因公司,貨號:P1511);胰島素受體底物-1(Insulin Receptor Substrate-1 antibody,美國,貨號:IRS-1)抗體(Cell Signaling Technology,美國,貨號:2382S);磷脂酰肌醇3激酶(Phosphoinositide-3-Kinase p85 alpa,美國,貨號:PI3-K p85)抗體(Cell Signaling Technology,美國,貨號:4257S);蛋白激酶B(Protein kinase B,AKT pan)抗體(Cell Signaling Technology,美國,貨號:4685S);葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(glucose transporter 4,美國,GLUT4)抗體(Cell Signaling Technology,美國,貨號:2213S);二抗稀釋液(Abcam公司,英國,批號:AB6721);PVDF膜(0.22 μm)(密理博Millipore公司,美國,型號:ISEQ00010);3MM濾紙(Whatman公司,英國,型號:3030861);ECL超敏發(fā)光液(北京索萊寶科技有限公司,貨號:PE0010);細胞孵育箱(Thermo Fisher SCIENTIFIC,美國,型號:HERA CELL 150i CO2 incubator);電泳儀(北京百晶生物技術(shù)公司,型號:BG-subMIDI);DS-PAGE電泳系統(tǒng)(Bio-Rad Laboratories公司,美國,Mini PROTEAN Tetra Cell with Mini Trans-Blot Module And PowerPacTM Universal Power Supply);ChemiDoc MP化學發(fā)光成像系統(tǒng)(Bio-Rad Laboratories公司,美國,型號:170-8280);臺式高速冷凍離心機(Thermo Fisher SCIENTIFIC,美國,型號:LEGEND MICRO 21R)。
1.2 方法
1.2.1 分組與模型制備
1.2.1.1 分組 對照組(含DMSO 100 μg/mL)、不同濃度藤茶總黃酮(5 μg/mL、10 μg/mL、20 μg/mL、30 μg/mL、50 μg/mL、80 μg/mL),空白組(完全培養(yǎng)基)。
1.2.1.2 模型制備 1)復蘇和培養(yǎng):完全培養(yǎng)基按10% FBS+DMEM+1%青-鏈霉素按照100∶10∶1比例混勻,細胞經(jīng)復蘇,置于37 ℃、5% CO2細胞培養(yǎng)箱,隔日更換培養(yǎng)液,待細胞生長到鋪滿80%以上底壁時,棄舊培養(yǎng)基,用0.25%胰蛋白酶-EDTA消化液1 mL消化12 min,完成后加入3 mL完全培養(yǎng)液終止,反復吹打細胞脫落,待細胞1∶3傳代23次后處于對數(shù)生長期,用于后續(xù)實驗。2)誘導成熟肌細胞:待細胞融合度大于85%,換用2%馬血清DMEM培養(yǎng)基,隔天更換1次,5~7 d,至90%誘導分化為肌管細胞即成熟骨骼肌細胞進行分組實驗。3)棕櫚酸溶液配制:1 g FBS加入10 mL高糖培養(yǎng)基,將其配置為10%的BSA-DMEM溶液;取棕櫚酸溶于0.1 mmol/L的NAOH溶液,70 ℃水浴制成75 mmol/L的棕櫚酸溶液;再加入BSA-DMEM溶液混勻,配制成5 mmol/L棕櫚酸母液,過濾后備用。4)檢測細胞活性:生長到80%以上的細胞,接種到96孔板,接種密度2×104/mL,每孔100 μL,6個復孔,置于細胞培養(yǎng)箱,培養(yǎng)24 h,每孔加入10 μL的CCK-8溶液,培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng)60 min,置于酶標儀,測定波長450 nm的吸光度,測定OD值。細胞成活率:成活率=(給藥組OD-空白組OD)/(對照組OD-空白組OD)×100%。5)誘導造模:參照賈章志和付學東的方法用含0.5 mmol/L棕櫚酸誘導16 h建立C2C12細胞IR模型[15-16]。6)同化處理:棄去96孔板中舊培養(yǎng)基,用磷酸鹽緩沖液(PBS)清洗細胞23次,加入無血清高糖培養(yǎng)基,置于細胞培養(yǎng)箱中12 h同化處理。
1.2.2 干預方法 細胞鋪滿90%以上底壁時,設正常組(NC組:細胞+完全培養(yǎng)基)、模型組(DM組:細胞+0.5 mmol/L棕櫚酸溶液)、藤茶總黃酮高、中、低劑量組(AGH組:細胞+80 μg/mL藤茶總黃酮、AGM組:細胞+50 μg/mL藤茶總黃酮、AGL組:細胞+30 μg/mL藤茶總黃酮),每組6個復孔,每孔加入100 μL的含藥完全培養(yǎng)基,置于細胞培養(yǎng)箱中24 h。藥物干預24 h后,加入更換不含DMEM的高糖培養(yǎng)基,置于細胞培養(yǎng)箱8 h,吸取培養(yǎng)基上清液2 μL,采用葡萄糖氧化酶-過氧化酶法測定每孔培養(yǎng)基中的葡萄糖含量。
1.2.3 檢測指標與方法
1.2.3.1 細胞處理 收集細胞到離心管內(nèi),離心后棄上清;按照500×104個細胞加入1 mL蒸餾水,冰浴中,200 W功率超聲波破碎細胞3 s,間隔10 s,重復30次,置沸水浴中煮沸10 min,冷卻后,25 ℃轉(zhuǎn)速8 500 r/min,離心力21 100×g,離心10 min,取上清液備用。
1.2.3.2 樣本測定 酶標儀預熱30 min,測定波長505 nm的OD值,蒸餾水調(diào)零。在1.5 mL EP管中依次加入樣本、試劑一、蒸餾水和試劑二、三的混合溶液;混勻后置于37 ℃保溫15 min,于505 nm波長處讀取吸光度。分別標記空白管、標準管、測定管的吸光值,計算得到細胞的葡萄糖含量和總葡萄糖含量,從而計算C2C12細胞的葡萄糖的消耗量。
1.2.3.3 Western Blotting法檢測C2C12細胞IRS-1、PI3K p85、AKT、GLUT4蛋白表達 1)C2C12細胞蛋白提取及測定:細胞PBS洗2次后2 mL/孔,4 ℃、21 100×g,離心15 min,收集上清液。提取總蛋白BCA蛋白定量法測定蛋白濃度,加PBS緩沖液和2×蛋白上樣緩沖液調(diào)至統(tǒng)一濃度,沸水煮5 min,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?)制膠、電泳、轉(zhuǎn)膜:制膠時避免產(chǎn)生氣泡。蛋白樣本20 μL/孔,Marker 5 μL/孔。先用80 V電壓預電泳10 min,再用100 V電壓電泳90 min。PVD膜浸泡于甲醇中2 min,用濕轉(zhuǎn)法在100 V恒壓下,冰盆中按照蛋白分子量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)膜時長,轉(zhuǎn)膜后TBST搖床漂洗2~3次,10 min/次。3)加抗體孵育、顯影:搖床封閉1 h,分別加入IRS-1、PI3K p85、AKT、GLUT4(稀釋后),4 ℃孵育過夜。次日洗膜后加入稀釋到合適倍數(shù)的二抗,室溫孵育1 h。洗膜,加入ECL超敏發(fā)光液,使用BIO-RAD凝膠成像系統(tǒng)顯影,應用Image J軟件進行蛋白條帶灰度值分析。
1.3 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析,其中計數(shù)資料以百分率表示,采用χ2檢驗,計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示,采用t檢驗,多組資料之間比較采用單因素方差分析,非正態(tài)分布的定量資料和計數(shù)資料采用非參數(shù)檢驗,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
2 結(jié)果
2.1 藤茶總黃酮對C2C12細胞增殖能力的影響 當藤茶總黃酮濃度在5 μg/mL和80 μg/mL時,兩濃度的藤茶總黃酮對C2C12成肌細胞增殖能力影響大體一致。當濃度在10 μg/mL時,細胞成活率最低,此后隨著藥物濃度增加,細胞成活率逐漸升高。當藥物濃度在80 μg/mL時,細胞成活率有所下降。當藥物濃度在50 μg/mL時,細胞成活率最高。當藥物濃度在20 μg/mL時,細胞成活率仍低于5 μg/mL和80 μg/mL。故選用30 μg/mL、50 μg/mL、80 μg/mL濃度用于后續(xù)實驗。見表1,圖1。
2.2 藤茶總黃酮對C2C12細胞葡萄糖消耗量的影響 與NC組比較,DM組的葡萄糖消耗量顯著受到抑制(P<0.01),說明DM組C2C12細胞對葡萄糖的攝取能力下降,推之C2C12細胞IR模型成立。與DM組比較,藤茶總黃酮高、中、低各劑量組葡萄糖消耗量顯著增加(P<0.01),且與劑量正相關(guān),各劑量組葡萄糖消耗量分別增加了70%、58.5%、45%。說明藤茶總黃酮能夠增加C2C12細胞對葡萄糖的攝取能力,改善C2C12細胞IR。見表2,圖2。
2.3 藤茶總黃酮對C2C12細胞IRS-1、PI3K p85、AKT、GLUT4蛋白表達的影響 與NC組比較,DM組C2C12細胞IRS-1、PI3K p85、AKT、GLUT4蛋白表達均顯著降低(P<0.01)。與DM組比較,藤茶總黃酮高、中劑量組顯著提高IRS-1、PI3K p85、AKT、GLUT4蛋白表達(P<0.01);藤茶總黃酮低劑量組只對PI3K p85蛋白表達具有顯著提高作用(P<0.01),對IRS-1、AKT、GLUT4蛋白表達有影響,但不顯著。見表3,圖3。
3 討論
糖尿病是患病率居首的慢性非傳染性疾病,我國每年用于該病的醫(yī)療支出僅次于美國居世界第二位,給我國造成了巨大的社會經(jīng)濟負擔。目前,天然生物活性劑已成為防治糖尿病發(fā)生發(fā)展的重要來源[17],其中具有百年應用歷史的民間習用茶飲——藤茶安全性好、臨床療效確切。2013年12月國家衛(wèi)生和計劃生育委員會正式批準藤茶為“新食品原料”(2013年第16號)。藤茶在我國以往主要作為保健品開發(fā),現(xiàn)代多項研究結(jié)果表明,藤茶具有抗糖尿病作用,其有效成分主要是含有二氫楊梅素的黃酮類化合物,藤茶提取物中總黃酮化合物含量約達86%[18]。其抗糖尿病的主要作用機制包括改善IR、調(diào)整糖代謝、抗氧化、抑制α-葡萄糖苷酶活性[19]。也有文獻報道其可提高IR的脂肪細胞、骨骼肌細胞的葡萄糖攝取能力[20-21]。
肌肉組織是外周吸收葡萄糖的主力軍,處置循環(huán)中60%~70%的葡萄糖[22]。骨骼肌是機體餐后葡萄糖利用的主要效應器,其代謝直接影響機體的胰島素敏感性和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)藤茶總黃酮可以增加C2C12成肌細胞IR模型的葡萄糖消耗量(P<0.01),且與藤茶總黃酮的劑量正相關(guān)。說明藤茶總黃酮能夠改善C2C12細胞的IR,其機制可能與藤茶總黃酮上調(diào)IRS-1、PI3K p85、AKT的蛋白表達量,從而增加GLUT4蛋白表達有關(guān)(P<0.01)。
胰島素刺激下的肌糖原合成受損是肌肉組織IR的主要原因,而導致肌糖原合成下降的直接原因是胰島素信號通路受阻,從而導致葡萄糖轉(zhuǎn)運效率下降[23]。胰島素介導骨骼肌對葡萄糖的攝取是個復雜的生化反應,大致過程為:胰島素-胰島素受體-IRS-PI3K-AKT和(或)非典型PKC-葡萄糖轉(zhuǎn)運體-葡萄糖進入組織細胞。最具特色的底物是IRS蛋白質(zhì)的家族,簡稱為IRS-1~IRS-6。雖然這些IRS具有相似的酪氨酸磷酸化基序,但在機體內(nèi)顯然功能各異。IRS-1似乎在調(diào)節(jié)肌肉葡萄糖代謝中起主要作用,而IRS-2似乎對肝臟,肌肉和脂肪組織有影響[24]。在骨骼肌細胞中,IRS-1是肌細胞分化、葡萄糖代謝所必備的,而IRS-2對于脂質(zhì)代謝和ERK激活非常重要[25-26]。IRS-3和IRS-4組織分布模式更受限制。IRS-5(DOK4)和IRS-6(DOK5)只在有限的組織表達[27]。
PI3K是胰島素信號轉(zhuǎn)導途徑中的關(guān)鍵酶,調(diào)節(jié)多種生物過程,包括葡萄糖轉(zhuǎn)運,細胞增殖,凋亡抑制,細胞分化,細胞骨架重組和囊泡運動[28]。PI3K是包括催化亞基p110和調(diào)節(jié)亞基p85的異二聚體。胰島素受體的激活,酪氨酸激酶使多個酪氨酸殘基上的胰島素受體底物(如IRS1/IRS2)磷酸化。這些募集蛋白包含SH2域,包括磷脂酰肌醇3,4,5激酶(PI3K)和Grb2。這繼而激活了在大多數(shù)真核細胞中由Ser/Thr激酶AKT和MAPK/ERK介導的蛋白激酶信號轉(zhuǎn)導途徑[29]。AKT的激活對于胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運既是必需的又是足夠的[30]。AKT通過其PH結(jié)構(gòu)域與PI3K產(chǎn)生的磷脂酰肌醇-3,4,5-磷酸(PIP3)結(jié)合而募集到質(zhì)膜,它分別通過PDK1和mTORC2在Thr308和Ser473上的磷酸化激活。因此,這些位點通常被用作AKT激活的標志物,并隨后用作細胞對胰島素反應的量度[31]。AKT是調(diào)節(jié)GLUT4重要信號途徑。GLUT4是葡萄糖轉(zhuǎn)運的重要載體,與IR密切相關(guān),主要存在于脂肪細胞和肌細胞中,在脂肪組織、骨骼肌和心臟中高表達。葡萄糖釋放通過肝臟中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT2,而對胰島素敏感的GLUT4介導了肌肉和脂肪中的葡萄糖吸收[32]。當受到胰島素刺激時,GLUT4發(fā)生膜轉(zhuǎn)位,從胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細胞膜上。胰島素誘導GLUT4從細胞內(nèi)向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運而刺激骨骼肌中的葡萄糖攝取[33-34]。胰島素通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT4的調(diào)節(jié)運輸,從細胞內(nèi)儲存到肌肉和脂肪細胞的細胞表面,迅速增加了葡萄糖的轉(zhuǎn)運[35]。這是由調(diào)節(jié)GLUT4轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)(例如TBC1D4/AS160)磷酸化介導的[36]。GLUT4易位被認為是這些組織中依賴胰島素的葡萄糖利用的限速步驟[37]。葡萄糖一旦進入肌肉和脂肪細胞將迅速磷酸化,生成6-磷酸葡萄糖(G6P)。G6P的后續(xù)代謝通過一系列變構(gòu)和共價調(diào)控步驟進行協(xié)調(diào),例如,糖原合酶和ATP檸檬酸裂合酶的激活分別促進了葡萄糖在糖原和脂質(zhì)中的儲存[38]。
綜上所述,藤茶總黃酮促進骨骼肌細胞葡萄糖消耗,改善骨骼肌細胞的IR,可能與通過上調(diào)IRS-1/PI3K p85/AKT/GLUT4胰島素信號通路的蛋白表達有關(guān),其具體調(diào)節(jié)機制有待進一步研究。
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(2021-06-21收稿 責任編輯:吳珊)