CN111184875A - 一种蛋白质/碳点纳米杂化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述材料中包含碳点以及与碳点通过共价键偶联的蛋白质。该杂化材料具有稳定的结构,用于制备抗血管栓塞药物时,具有好的溶栓效果及荧光成像效果,进而可通过成像来指示药物的作用部位和代谢部位。本发明还公开了该杂化材料的制备方法和应用。

Description

一种蛋白质/碳点纳米杂化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物成像材料技术领域。更具体地,涉及一种蛋白质/碳点纳米杂化材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着急性缺血性脑卒中是世界范围内发病和死亡的主要原因。由于缺血性脑卒中是由血栓或栓子阻塞大脑动脉引起的,因此最合理的治疗方法是尽快通过溶栓治疗和血管内介入治疗(The molecular basis of thrombolysis and its clinical applicationin stroke.Journal of Internal Medicine 2010,267,191-208)解除阻塞动脉。除重组组织纤溶酶原激活剂(rt-PA) 外,尿激酶型纤溶酶原激活剂(uPA)是临床应用的第二种溶栓剂,尤其是在我国卒中一级中心(Randomized trial of intraarterial infusion ofurokinase within 6hours of middle cerebral artery stroke:the middle cerebralartery embolism local fibrinolytic intervention trial(MELT) Japan.Stroke2007,38,2633-2639)。静脉rt-PA或uPA必须在发病后4.5小时内完成,错过最佳的治疗时间窗可能会增加脑出血的并发症,增加患病甚至死亡的风险(Thrombolysis with Alteplase3to 4.5Hours after Acute Ischemic Stroke.New England Journal of Medicine2008,359,1317-1329)。大量动物及临床影像学研究表明,早期血脑屏障损伤与溶栓再灌注后脑出血的发生密切相关。具体来说,脑缺血可导致大脑局部功能迅速丧失,星形胶质细胞和内皮细胞释放的细胞因子可引发一系列的级联反应,使白细胞被激活。它们释放的自由基和蛋白水解酶会进一步破坏血脑屏障,导致血液流入脑组织。此外,uPA被认为与有症状的颅内出血有关,这与出血率与溶栓剂剂量呈正相关。(Symptomatic intracranialhaemorrhage after intra-arterial thrombolysis in acute ischaemic stroke:assessment of 294 patients treated with urokinase.Journal of Neurology,Neurosurgery&Psychiatry 2007,78, 280-285)因此,通过观察溶栓剂在脑内的分布,早期判断血脑屏障损伤,可以大大提高检测到溶栓后出血转化的概率。因此,迫切需要开发一种基于溶栓剂的直观的、灵敏的成像技术。
磁共振成像(Differential Vascular Pathophysiologic Types ofIntracranial Atherosclerotic Stroke.Stroke 2015,46,2815-2821)、计算机断层扫描(CT brain perfusion:A static phantom study of contrast-to-noise ratio andradiation dose.Journal of Medical Imaging and Radiation Oncology 2017,61,361-366)等许多成像技术已被应用于生物成像,但是上述成像技术通常治疗和成像是分开的,这样的方式限制了溶栓过程和成像的同时进行。此外,放射性辐射和高昂的成本给患者带来了一定的生理负担和经济负担。
发明内容
基于以上事实,本发明的第一个目的在于提供一种蛋白质/碳点纳米杂化材料,该材料具有稳定的结构,用于制备抗血管栓塞药物时,具有更好的溶栓效果及荧光成像效果,进而可通过成像来指示药物的作用部位和代谢部位。
本发明的第二个目的在于提供一种蛋白质/碳点纳米杂化材料的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种蛋白质/碳点纳米杂化材料在制备抗血管栓塞药物中的应用。
本发明的第四个目的在于提供一种蛋白质/碳点纳米杂化材料在荧光成像中的应用。
为达到上述第一个目的,本发明采用下述技术方案:
一种蛋白质/碳点纳米杂化材料,所述材料中包含碳点以及与碳点通过共价键偶联的蛋白质。
进一步地,所述碳点表面具有能和蛋白质共价偶联的反应基团。
进一步地,所述碳点与蛋白质通过酰胺键共价结合。与物理吸附对比,具有更好的稳定性,在细胞内复杂的化学环境下更不容易分解。
进一步地,所述反应基团为羧基、氨基、羟基、醛基、环氧基、巯基或异氰酸酯基中的一种或几种。
进一步地,所述碳点的粒径为1-10nm,此时碳点具有较高的荧光量子效率。
进一步地,所述材料在可见光至近红外光区域发射荧光。
进一步地,所述材料的紫外可见吸收光谱在300-900nm之间存在最大吸收峰,发射的荧光处于可见光至近红外光区域。
进一步地,所述蛋白质为具有溶栓效果的蛋白质。
进一步地,所述蛋白质选自尿激酶、组织型纤溶酶原激活剂、链激酶中的一种。
进一步地,所述材料中,蛋白质与碳点的质量比为1:1-50:1,优选为2:1-30:1。
进一步地,所述碳点的制备包括如下步骤:
将带有能和蛋白质共价偶联的反应基团的分子作为前驱体,将该前驱体与溶剂混溶,在反应釜内,经溶剂热反应得到碳点粗产物,提纯,得到所述碳点。
为达到上述第二个目的,本发明采用下述技术方案:
一种蛋白质/碳点纳米杂化材料的制备方法,包括如下步骤:
将碳点表面的能与蛋白质共价偶联的反应基团进行活化处理;
将活化后的碳点溶液与蛋白质混合,反应,经后处理,得所述蛋白质/碳点纳米杂化材料。
进一步地,所述偶联剂选自1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)、二环己基碳二亚胺(DCC)、N-羟基硫代琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)、N-羟基丁二酰亚胺(NHS)中的一种或两种;所述偶联剂为两种时,根据实际需要调整两种偶联剂的比例。更进一步地,所述偶联剂选自1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)、二环己基碳二亚胺(DCC) 中的一种。本发明采用的偶联剂在水体系中,具有良好的催化活性,反应条件温和、可控,不产生污染物。
进一步地,所述活化处理的温度为25-37℃,时间为15-30min。
进一步地,所述反应的温度为4-40℃,时间为24-72h。
更进一步地,所述反应的温度为25-37℃。
进一步地,所述活化处理的方法包括:将表面具有能与蛋白质共价偶联的反应基团的碳点充分溶解于pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液(PBS)得到碳点溶液,加入偶联剂,实现碳点表面的能与蛋白质共价偶联的反应基团的活化。
进一步地,所述后处理包括:将反应后的物质采用凝胶渗透色谱柱分离得到溶液,再将溶液冷冻干燥。
为达到上述第三个目的,本发明采用下述技术方案:
一种蛋白质/碳点纳米杂化材料在制备抗血管栓塞药物中的应用。
进一步地,所述抗血管栓塞药物为抗脑血栓药物、抗急性心肌梗塞药物、抗肺动脉栓塞药物、抗静脉栓塞药物、抗心肌缺血性坏死药物。
进一步地,所述应用包括:
为达到上述第四个目的,本发明采用下述技术方案:
一种蛋白质/碳点纳米杂化材料在荧光成像中的应用。
本发明的有益效果如下:
本发明的蛋白质/碳点纳米杂化材料同时具有溶栓治疗和荧光性能,其可很好的用于制备脑卒中疾病中同时实现溶栓和荧光成像的药物,该杂化材料能有效解决现有的溶栓药物仅能用于溶栓不能成像的问题,该材料应用在急性缺血性脑血栓中,能通过碳点实现在急性缺血性脑血栓中大脑被梗一侧的无创式荧光成像,通过成像来指示药物的作用部位和代谢部位。该杂化材料同时具有蛋白质和碳点的优异性能,既能够实现相比较单独的蛋白质而言更好的溶栓效果,也能够实现荧光成像,进而可通过成像来指示抗血管栓塞药物的作用部位和代谢部位。缺少任一组分的配合都会使材料无法兼具蛋白质和碳点的性能。
本发明的蛋白质/碳点纳米杂化材料的制备方法温和简便,集成和保留了碳点的荧光特性和蛋白质的生物活性,实现了脑血栓治疗和荧光成像。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施例1中碳点的透射电子显微成像图。
图2示出本发明实施例1中尿激酶/碳点纳米复合材料的透射电子显微成像图。
图3示出本发明实施例1中碳点、尿激酶和尿激酶/碳点纳米复合材料的傅里叶变换红外光谱图。
图4示出本发明实施例1中碳点、尿激酶和尿激酶/碳点纳米复合材料的紫外可见吸收光谱图。
图5示出本发明实施例1中碳点和尿激酶/碳点纳米复合材料的荧光发射光谱图。
图6示出本发明实施例1中PBS、尿激酶和尿激酶/碳点纳米复合材料的离体脏器的荧光成像结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备,步骤如下:
1)碳点的制备:
a.称取2.0g柠檬酸和938μL乙二胺充分溶解在20mL双蒸馏水中,然后将溶液转移至50mL水热反应釜中,180℃反应12h,使用截留分子量为3500Da的透析袋对产物进行透析,取袋外溶液,旋蒸浓缩并干燥;
b.将干燥后的物质用乙醇沉淀,取沉淀物冷冻干燥成棕色粉末,然后将50mg的上述棕色粉末分散在含有2.5g NaOH和2.5g ClCH2COONa的50mL水溶液中并避光超声3h,用HCl中和后使用截留分子量为100-500Da的透析袋对产物进行透析,取袋内溶液,冷冻干燥后得到的棕黄色粉末即为碳点;
所得碳点尺寸为2-5nm,紫外可见吸收光谱上在340nm处有吸收峰,傅里叶变换红外光谱上在1730cm-1处有羧基特征峰。
2)尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
a.称取20mg上述碳点置于50mL玻璃瓶中,加入10mL PBS(0.01mol L-1,pH 7.4) 使其充分溶解得到浓度为2mg mL-1的碳点溶液,随后将EDC(400μL,2mg mL-1)和NHS (100μL,2mg mL-1)依次加入溶液中在27℃下活化15min。
b.在上述活化后的碳点溶液中加入50mg尿激酶混匀,将混合物置于37℃摇床中反应 24h,凝胶渗透色谱柱分离得到的溶液经冷冻干燥后得到黄色粉末即为尿激酶/碳点纳米杂化材料,之后置于-20℃冰箱中保存备用。
所得尿激酶/碳点纳米杂化材料大小约为10nm,紫外可见吸收光谱上分别在270nm和 340nm处有吸收峰。
其中,图1为上述制得的碳点的透射电子显微成像图,图3为上述制得的碳点、尿激酶和尿激酶/碳点纳米复合材料的傅里叶变换红外光谱图,图4为上述制得的碳点、尿激酶和尿激酶/碳点纳米复合材料的紫外可见吸收光谱图,从图1中可以看出制得的碳点颗粒分布均匀,分散良好,尺寸在2-5nm之间;红外光谱图(图3)中1730cm-1所在位置代表了所得碳点表面羧基的存在;紫外可见吸收光谱图(图4)中碳点有两个特征吸收峰分别位于 240和350nm。
图2为上述制得的尿激酶/碳点纳米杂化材料的透射电子显微成像图,从图2中可以看出尿激酶/碳点纳米杂化材料分布均匀,分散性良好,粒径约为10nm;红外光谱图(图3)中碳点上的羧基与尿激酶上的氨基反应后碳点的羧基峰消失转变为尿激酶/碳点上的酰胺键 (1651cm-1和1550cm-1)。紫外可见吸收光谱图(图4)中尿激酶有一个特征峰位于280nm,而尿激酶/碳点纳米杂化材料有两个特征峰分别位于270nm和350nm。而且由于尿激酶和碳点的共价结合,复合物在300nm以下的吸收比碳点更强。以上结果表明尿激酶与碳点通过酰胺键共价结合。
尿激酶/碳点的荧光特性:碳点和尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光特性测试在溶液状态下由荧光分光光度计(Cary Eclipse)完成,将碳点和尿激酶/碳点分别溶解于PBS(0.01mol L-1,pH7.4)中得到终浓度为0.1mg mL-1的待测溶液,先后置于四面透光的比色皿中在荧光仪上测试。测试温度:常温;激发波长:350nm;扫速:600nm/min;狭缝宽度:5.0nm。
从荧光光谱图(图5)可以看出,尿激酶/碳点纳米杂化材料基本保留了和碳点相似的荧光性质,在波长为365nm的紫外灯照射下同样发出肉眼可见的蓝色荧光,发光峰为450nm。此结果说明了碳点的成功标记赋予了尿激酶荧光性能,使其能够用于生物成像。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
血栓的制作:标本供应者均为年龄在20~30岁的非血液病患者,肘前静脉抽取5mL左右静脉血,放入无抗凝剂红色真空管中,室温下将标本静止放置5h使其自然形成血栓。
体外溶栓性能测试:每条血栓成长条圆柱状,长约3cm,滤纸将表面水分吸干,小刀尽量分成3组,用精确度1mg的分析天平称重每份并记录其值标记为M1,各组血栓间的干湿程度尽量一致。这3块血栓,分别放5mL离心管中,分为uPA-CDs+PBS溶液组。分别向每只离心管中加入1mL的溶液,放入37℃水浴缸中孵育2h。取出血栓,再次用滤纸吸干表面的水分,用分析天平称重。标记为M2。失重标记为M3=M1-M2,溶栓率=M3/M1*100%。溶栓率越高,溶栓性能越好。本实施例制备的尿激酶/碳点纳米杂化材料的溶栓率为98.6%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
短暂性脑缺血模型的制作:选取体重在20-22g的雄性Balb/c小鼠进行手术,将一条0.22 mm±0.02硅酮包覆的单丝尼龙缝线***颈内动脉,沿颈内动脉分叉处向前推进约10-12mm,阻断大脑中动脉。
荧光成像:给缺血3h后尾静脉注射尿激酶/碳点材料并轻轻拔栓,30min后解剖取出脏器(脑、心、肝、脾、肺、肾),置于小动物成像仪(IVIS Spectrum,PerkinElmer,America)中进行成像,使用波长在520nm的激光激发,通过收集脏器的荧光发射信号来成像。从图 6可以看出本发明制备的尿激酶/碳点纳米杂化材料具有荧光成像性能,并且在手术组脑梗一侧实现荧光成像而非手术组没有,表明该材料可以用于指示血脑屏障的损伤。
实施例2
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(1a)中水热法改为微波辅助法,微波功率和时间分别为700W和2min,制备得到碳点。
所得碳点的尺寸为1-5nm,紫外可见吸收光谱上在350nm处有吸收峰,发出蓝色荧光。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,尿激酶/碳点的体外溶栓率为98.2%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,荧光成像性能与实施例1相近。
实施例3
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(1a)中前驱体改为对苯二胺,提纯方法改为凝胶色谱层析法,提纯得到红色荧光碳点。步骤(1b)中不用乙醇沉淀。
所得碳点的尺寸为1-10nm,紫外可见吸收光谱上在460nm处有吸收峰,发出红色荧光。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,尿激酶/碳点的体外溶栓率为98.4%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,荧光成像性能与实施例1相近。
实施例4
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(2a)中活化温度改变为37℃,制备得到尿激酶/碳点纳米杂化材料。
所得尿激酶/碳点纳米杂化材料大小约为10nm,紫外可见吸收光谱上分别在275nm和 340nm处有吸收峰。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,尿激酶/碳点的体外溶栓率为98.8%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,荧光成像性能与实施例1相近。
实施例5
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(2b)中加入尿激酶后反应时间延长至72h,制备得到尿激酶/碳点纳米杂化材料。
所得尿激酶/碳点纳米杂化材料大小约为10nm,紫外可见吸收光谱上分别在280nm和 345nm处有吸收峰。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,尿激酶/碳点的体外溶栓率为99.0%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,荧光成像性能与实施例1相近。
实施例6
制备尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(2)中加入碳点的质量变为10mg。
尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,尿激酶/碳点的体外溶栓率为98.1%。
尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,荧光信号很弱,成像效果不如实施例1明显。
实施例7
制备重组组织纤溶酶原激活剂(rt-PA)/碳点纳米杂化材料的制备:
制备方法同实施例1,区别仅在于,步骤(2)中将尿激酶换作rt-PA,制备得到rt-PA/ 碳点纳米杂化材料。
所得rt-PA/碳点纳米杂化材料大小约为10nm,紫外可见吸收光谱上分别在280nm和 340nm处有吸收峰。
rt-PA/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试:
测试方法同实施例1,区别仅在于,将尿激酶换作rt-PA,体外溶栓性能与单纯的rt-PA 相差不多,结论与实施例1相近。
rt-PA/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试:
测试方法同实施例1,区别在于,1)将尿激酶换作rt-PA,2)尾静脉注射rt-PA/碳点后距离解剖时间由30min缩短至15min。荧光成像结果与实施例1相近。
对比例1
尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备方法同实施例1的步骤2,区别仅在于,在步骤2a中不加入碳点,步骤2b中“活化后的碳点溶液”换成“含EDC和NHS的PBS溶液”。
重复实施例1中“尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试”,区别仅在于,将“含尿激酶/碳点纳米杂化材料溶液”换成含有同等量的尿激酶的“含尿激酶的溶液”。
按实施例1的方式对上述“含尿激酶的溶液”进行体外溶栓性能测试,溶栓率为96.1%。按实施例1的方式对上述“含尿激酶的溶液”进行荧光成像测试。结果表明,仅有尿激酶无法进行荧光成像应用。
对比例2
重复实施例1中“尿激酶/碳点纳米杂化材料体外溶栓性能测试”,区别仅在于,将“含尿激酶/碳点纳米杂化材料溶液”换成含有同等量的碳点的“含碳点的溶液”。
按实施例1的方式对上述“含碳点的溶液”进行体外溶栓性能测试,结果表明碳点的溶栓率与PBS相近,说明碳点基本没有溶栓性能。
按实施例1的方式对上述“含碳点的溶液”进行荧光成像测试。结果表明,碳点的荧光成像结果与尿激酶/碳点纳米杂化材料相近。
对比例3
尿激酶/碳点纳米杂化材料的制备方法同实施例1,区别仅在于,将步骤1中碳点的前驱体“柠檬酸和乙二胺”换成“苯硼酸”,制备得到的碳点表面不具备羧基、氨基、羟基、醛基、环氧基、巯基、异氰酸酯基等基团。
苯硼酸碳点的制备方法如下:将0.2g的苯硼酸溶于20mL的超纯水中,在搅拌下加入0.1M NaOH,调节pH至9.0,然后用氮气起泡1h,去除溶解的O2。最后,将溶液转移到水热反应釜中,160℃反应8h。使用截留分子量为1000Da的透析袋对产物进行透析,取袋外溶液,旋蒸浓缩并干燥。所得碳点尺寸为2.5-6.5nm,紫外可见吸收光谱上在230-280 nm处有吸收峰,傅里叶变换红外光谱上有1343cm-1(B-O)、1187cm-1(B-O-H)、1090cm-1 (C-B)特征峰。
重复实施例1中“尿激酶/碳点纳米杂化材料的荧光成像测试”,结果表明,纳米杂化材料不具备荧光性能,无法进行荧光成像。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述材料中包含碳点以及与碳点通过共价键偶联的蛋白质。
2.根据权利要求1所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述碳点表面具有能和蛋白质共价偶联的反应基团;优选地,所述反应基团为羧基、氨基、羟基、醛基、环氧基、巯基、异氰酸酯基中的一种或几种;
优选地,所述碳点的粒径为1-10nm。
3.根据权利要求1所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述材料在可见光至近红外光区域发射荧光;优选地,所述材料的紫外可见吸收光谱在300-900nm之间存在最大吸收峰,发射的荧光处于可见光至近红外光区域。
4.根据权利要求1所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述蛋白质为具有溶栓效果的蛋白质;优选地,所述蛋白质选自尿激酶、组织型纤溶酶原激活剂、链激酶中的一种。
5.根据权利要求1所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料,其特征在于,所述材料中,蛋白质与碳点的质量比为1:1-50:1,优选为2:1-30:1。
6.如权利要求1-5任一项所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将碳点表面的能与蛋白质共价偶联的反应基团进行活化处理;
将活化后的碳点溶液与蛋白质混合,反应,经后处理,得所述蛋白质/碳点纳米杂化材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述活化处理是将所述碳点与偶联剂混合,得活化后的碳点;
优选地,所述偶联剂选自1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、二环己基碳二亚胺、N-羟基硫代琥珀酰亚胺、N-羟基丁二酰亚胺中的一种或两种。
优选地,所述活化处理的温度为25-37℃,时间为15-30min;
优选地,所述反应的温度为4-40℃,时间为24-72h;
更优选地,所述反应的温度为25-37℃。
8.如权利要求1-5任一项所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料在制备抗血管栓塞药物中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述抗血管栓塞药物为抗脑血栓药物、抗急性心肌梗塞药物、抗肺动脉栓塞药物、抗静脉栓塞药物、抗心肌缺血性坏死药物。
10.如权利要求1-5任一项所述的蛋白质/碳点纳米杂化材料在荧光成像中的应用。
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