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代谢组学在中医药研究中的应用

自21世纪以来,全球分子医学领域的生命和疾病研究方法有所完善。由于生物多样性,现代生物学沿着器官、组织和细胞的转变,回到了完整的研究水平。这意味着生物时代的生物系统研究达到了一个新的水平。因此,基因组学(genomics)、转录物组学(transcriptomics)、蛋白组学(proteomics)以及代谢组学(metabonomics)等“系统生物学”(SystemsBiology)研究方法成为解释生命奥秘和阐明疾病机制的新的重要手段。其中,代谢组学研究的核心思想在于运用现代分析技术定量分析生物体不同状态下(生理病理状态、给药前后等)功能蛋白如何产生能量和处理体内物质,评价生物体体液中(包括血浆、尿液、组织液等)的内源性和外源代谢物浓度与功能关系,通过代谢物图的整体分析直接认识生理病理及生化状态,结合化学信息学分析方法获得相应的生物标记物群(biomarkers),表征或揭示生物体在特定时间、环境下整体的功能状态。自1999年诞生以来,代谢组学研究发展极为迅速,在疑难疾病诊断、新药研发、药效作用机制研究、药物毒性及安全性评价等生命科学的多个领域展示了广阔的应用前景,现已发展成为系统生物学研究领域中最为活跃的分支学科之一。中医药是中华民族的瑰宝,是几千年临床经验的沉淀与朴素唯物主义哲学观升华的结晶,其在人类健康事业中的重要地位不容置疑。但是,我们也清醒地认识到中医药认识疾病的方法、理论均缺乏合适的现代科学表达体系,目前仍是一种不能与现代医学相兼容、相通的“语言”。因而,建立沟通中医药与现代医药这两种科学体系的桥梁成为了现代生命科学领域的重要命题,最终建立一种集中西医之长的现代医学模式。系统生物学尤其是代谢组学的诞生,使得中西医结合“桥梁”的轮廓逐渐清晰。代谢组学是从整体的“生化表型”来把握生物体的整体功能状态,传统中医药是从生物体的外在表现及对生物体内在联系的抽象,根据“由外及内”的思想方法了解生物体的整体功能状态,二者的学术思想方法具有内在相通性。中医药的整体和系统思想局限在宏观层面,带有明显的原生态特点,而系统生物学是在全局分析、还原基础上的再整合。因而,以代谢组学为主体的系统生物学研究方法是认识中医药抽象整体观思想的根本途径,但我们也不能忽视中医药整体观思想对于系统生物学研究再整合过程中的宏观指导意义,只有两种学术思想方法的融合与互动、渗透才能促生一种最为科学、合理的现代生物医学模式的诞生。2000年以来,国内外学者开始广泛关注运用代谢组学研究技术探索中医药的关键科学问题研究,包括中医“证候”学、中医辨证施治个体诊疗规范化和科学化、中药整体综合疗效、作用模式和安全性、中药资源和质量控制研究等,已经取得了喜人的研究成果。本文就近年来国内外代谢组学研究技术在中医药关键科学问题研究中的应用研究进展情况进行评述,提出目前存在的问题,展望今后的发展方向和前景。1代谢组学的优势和技术特点1.1代谢研究的显著性研究可资生物机体是一个整体化和网络化的复杂体系,在基因-蛋白-代谢终产物这样一个生物信息传递链中,机体需通过不断调整复杂的代谢网络来维持自身与外界的互动平衡。基因和蛋白质的变化将告诉我们生命体可能会发生什么,而代谢物质和代谢表型所反映的是已经发生了什么,直接体现生物体系生理和生化功能状态。与研究蛋白组或基因组相比,研究代谢组具有很大优势:(1)生物体的小分子代谢产物所构成的代谢组要比转录物组、蛋白组简单得多(例如酿酒酵母有6000多个基因,但代谢物仅有600个),那么分析代谢组就降低了样本的复杂性;(2)对多数小分子内源性代谢产物的作用及其所在代谢通路、代谢调控已有相当的认识,而目前对基因功能与调控的认识仍相当有限;(3)代谢组是基因功能活动的终点。代谢控制理论(MCA)和实验证明在一个生化反应中,虽然酶的浓度和代谢通量不会发生重大变化,但是代谢物的浓度会发生很大变化,因此针对代谢变化重大的代谢物进行分析更加直观,也更加敏感。代谢组是基因表达的下游产物,所以它更能正确地反映细胞的功能水平,与蛋白组或基因组相比,代谢组具有终点放大的特征。研究表明代谢通量不仅受基因表达控制,而且还受环境的调节,因此,测量下游产物代谢物较为合适,而基因组、转录物组及蛋白组显然不能反映这一调节作用对生物体整体功能状态的影响,从这一角度分析,代谢组包含的信息量要大于基因组、蛋白组。(4)代谢组变化揭示的是系列关联生物标记物的综合差异,要比传统依赖单一标志物的诊断方法具有更高的准确性,而且其最小限度的侵入性以及时空动态性,是基因组和蛋白组学研究所无法比拟的。(5)代谢物谱在不同生物样本中基本上都是一样的,再加上其检测技术的多样性,代谢组学的研究具有较好的便利性。代谢组学研究的上述优势,在中医药系列关键科学问题,特别是在中药整体综合药效作用的评价研究中具有十分重要的意义。众所周知,中药的作用特点体现在多组分、多靶点效应在时间和空间上的协同整合,从而表现出较强的整体药效作用,但就单一药效作用而言,中药的作用与相应的化学药物相比通常较弱,这也是为什么不能简单应用评价化学药物的方法进行中药药效作用评价的根本原因。代谢组即时反映生物体整体功能状态及其终点放大的优势,对于建立符合中药多组分、多靶点协同整合效应特征的新型药效评价体系,无疑具有重要意义。1.2生物标记物与形态、功能研究的相对关系完整的代谢组分析流程包括样品的收集、生物反应的淬灭、样品预处理、仪器分析与鉴定、数据的分析及标志物生物学意义解读,最终认知机体生化反应机理和生命现象。主要技术手段包括LC-MS、GC-MS以及NMR等各种高通量、高分辨、高灵敏度的谱学技术。因为各种技术均有其各自的优缺点和适用范围,同时考虑到内源性化合物理化性质的多样性、浓度范围差大等复杂性,采用各种技术联用和方法整合的策略,保证尽可能精确地分析生物体系中尽量多的代谢组分,使得整个分析过程尽可能多的保留样品中代谢物的整体信息,是今后代谢组学分析技术发展的必然趋势。通过生物分析获得的代谢指纹谱,转换为多维复杂数据,经过现代化学计量学和生物统计学领域的新方法对其进行降维和信息挖掘。目前常采用的包括主成分分析(PCA)、层次聚类分析(HCA)、非线性影射(NLM)等非监督分类方法,以及偏最小二乘法一判别分析(PLS-DA)、k-最近邻法(KNN)、神经网络(NN)等监督分类方法,其中以PCA、PLS-DA方法最为常用。最终获得生物标记物,并结合目前相对成熟的代谢组学相关数据库,完成其功能分析和确认。虽然仪器分析与化学信息分析是代谢组学研究的两个必要手段,很大程度上决定了代谢组学的发展程度与速度,但当前代谢组学研究的主要制约瓶颈在于如何阐明生物标记物的生物学意义,将代谢组研究结果与形态、功能研究结果进行直接关联。迄今为止,国内外代谢组学研究大多仍停留在模式判别与生物标记物的鉴定层次,对于发现的生物标记物的生物学意义只是根据网络数据库进行简单的代谢通路分析,难以得出明确的结论,代谢组学研究结果与经典的形态、功能学研究结果之间仍在存在较大的间隙(Gap)。目前,诸多专家学者已经认识到代谢组学研究的关键问题并不是技术手段,而是找准切入点以及对代谢组研究所获得的信息如何进行充分的挖掘,必须考虑结合基因组、蛋白组等其他系统生物学研究手段以及经典的形态、功能学研究方法。在中医药关键科学问题研究中,我们既要充分利用代谢组学研究技术的优势,同时也要认识到它的局限性,在当前阶段,应重视与经典研究方法、结果的衔接和结合,还应注重中医药理论的指导。2代谢组研究在现代中医研究中的应用2.1中医证候学研究的学术意义辨证论治是中医学的特色与精华,也是中医诊治疾病的基本原则。“证候”乃是从整体性出发,对个体疾病状态下特征的描述以及对疾病内在变化规律的概括,是中医有别于现代医学诊疗体系的一大特色和优势。辨证是以中医基本理论为依据运用中医四诊所收集的病人症状体征,通过分析、归纳与综合,对疾病当前的病位与病性等疾病本质作出判断。论治就是根据辨证的结果,确立相应的治疗法则。虽然流行病学和卫生统计学等数据挖掘技术使得中医症候诊断标准具有了一定的规范性和客观性,但由于辨证主要依据病人的主观感觉和医生的诊疗水平,在具体运用上受到医患双方主观因素的影响,难以做到真正意义上的客观化和量化,所以必须运用现代研究技术手段进行中医“证”的本质研究。代谢组所反映的是人体生化网络对所有扰动因素进行应答和变化的终端信息,可能更接近于中医“证”的内涵。代谢组学研究的兴起,为揭开“证”的面纱提供了契机,通过化学计量学方法可以挖掘出某一病证相关的特定共性组分(群),对证加以量化,做到宏观(证)与微观(生物标记物群)的结合,从而提高辨证论治的科学化、定量化和客观化。本课题组基于GC/MS和GC-TOF/MS的代谢组学研究技术平台,开展了临床高血压病人中医辩证分型(包括肝火亢盛、痰湿雍盛及阴虚阳亢三型)的血清代谢组学研究。研究表明健康人与高血压病人的血清代谢谱有明显差异,经PCA和PLS-2DA分析能够明显区分开,证明代谢组学技术适用于高血压相关研究。进一步运用PCA和马氏距离法(MD),均能明显区分三种不同证型的高血压病人,且后者还可在一定程度上显示三种证型的发展关系,肝火亢盛病人与阴虚阳亢病人代谢组差异最大,符合中医辨证分型的理论。在生物标记物群的深入分析中发现,阴虚阳亢组病人中90%以上的生物标记物水平显著低于其他组,与中医理论中“阴虚伤津”、能量耗竭的观点惊人地吻合。这一研究成果极大鼓舞了我们运用代谢组学研究技术揭示中医“证”本质、阐明“证”生物学基础的信心。建立中医“证”动物模型是开展符合中医药理论药效评价的重要前提,但长期以来,由于中医“证”的主观不确定性,缺乏合适的动物模型建立与评价方法,中医“证”动物模型研究争议很大。根据不同种属、不同品系动物模型与人的代谢状态的差异,以桥接标记物为参考,寻找模拟人类疾病且适用于药效和毒性等研究的动物模型,已成为代谢组学的重要应用领域之一。同样,我们可以在确定中医各“证型”的生物标志物的基础上,对传统经典中医证候模型进行再评价与确证,进而寻找新的方法建立真正能够体现中医“证”本质的动物模型。这对于中药整体药效的临床前评价、方剂配伍机理研究、“方证对应”研究等中医药的关键科学问题研究具有十分重要的意义。可喜的是,目前国内学者已初步开展了相关研究工作,对大鼠慢性束缚应激法所致肝郁脾虚证、睡眠剥夺法所致大鼠气虚血瘀证、氢化可的松所致大鼠肾阳虚证等中医证动物模型进行了代谢组学研究工作,获得了相关“证模型”的生物标志物,为阐释中医证候的生物学本质和病症治疗提供了证据。但目前还没有关于中医“证”动物模型与临床病人的代谢组学“桥接”研究,因而尚不能根据这些研究判断相应证动物模型的合理性。尽管中医证候系统是一个非线性的、多维多阶的可以无限组合的复杂巨系统,在动物体完美再现、复制中医证本质特征十分困难,但我们认为运用代谢组学研究技术,以调节“桥接生物标记物群”为靶标,结合传统的中医理论,探索新型中医证动物模型的制作方法将具有十分重要的科学意义。2.2对中药制剂作用物质与作用机制的认识中药药效作用物质基础是现代中药研究的核心之一,但中药所含确切成分不清、作用途径不明、靶点不定等因素给中医药现代化研究带来了巨大的困难。虽然提取和筛选临床确有疗效的中药方剂的药效物质成分,研究其药代动力学,结合分子药理学、细胞分子生物学等学科深化了对中药效应成分、药效作用和相关机制的认识。但从现有研究结果分析,中药根本没有优于化学药的作用特点可言,根本问题在于我们忽视了中药是在整体上治疗疾病的,其整体性作用机制很难在单一机制的药理模型和分子水平加以诠释,这就需要我们建立适用于中药多组分、多靶点整体综合效应的药效评价体系和研究方法学,代谢组学很有可能在这套符合中医整体观念的药效评价体系建立中扮演不可或缺的角色。刘昌孝院士等应用代谢物组学方法研究由钩藤等多味中药组成的多动合剂的生物化学机制和作用靶点时,采用LC-MS/MS法测定给药动物血清中多种内源性神经递质(Ach、DA、5-HT等)的动态变化。从代谢物组成分和量的经时变化发现有疗效的生物标记物,认为药物的整体作用所产生的生物化学物质(神经递质)是其药效的物质基础,证明多动合剂的作用机制可能与DA受体变化有关,示范性地进行了中药方剂作用靶点问题的探索。随后,国内多家单位开展了相关研究工作,可喜的研究成果相继出现。贾伟课题组发现经致癌剂处理肠道形成结肠癌癌前病变的大鼠,其尿中代谢物的组成与对照组出现明显差异,用治疗胃肠道疾病的左金丸灌服大鼠,可使癌前病变动物的异常代谢恢复正常,并鉴定出了可能受中药调控的几条关键代谢途径;其另一项代谢组学研究发现对处于冷应激的大鼠给予人参提取物后,动物体内包括儿茶酚胺类、糖皮质激素、三羧酸循环、肠道菌群代谢物等的多种不正常代谢途径得以恢复。李发美等对补肾壮骨中药淫羊藿、骨碎补及其组成的复方进行了药效物质-代谢组学研究,利用UPLC-MS对中药本身体内外成分谱比较,动物体内基础代谢物谱比较,发现这些中药给予模型动物后使体内代谢网络不正常部分得以修复,由此获得的相关生物标志物和产生的中药药效物质,探讨作用机制。蒋宁等对经典名方六味地黄汤对快速老化模型(SAM)小鼠的抗衰老作用的代谢组学研究,发现其在代谢网络的多个节点上对SAM小鼠的代谢紊乱起到调节和改善作用,这些结果的获得为深入研究六味地黄汤作用机制及肾阴虚、肾阳虚的现代生物学基础提供了新的线索。本课题组运用代谢组学研究人参总皂苷双向调节高血压作用机制方面也进行了积极的探索,发现自发性高血压大鼠(SHR)和正常大鼠(WKY)血浆代谢组存在明显差异,SHR大鼠给予人参总皂苷后,血浆代谢谱向正常组代谢谱靠近,表明人参能够使机体趋向正常,且人参总皂苷对于代谢组的整体调节作用明显优于卡托普利等化学降压药。分析相关生物标志物十六酸、吡喃半乳糖、十八碳二烯酸、羟基丁酸等的形成、转运机制和过程,可以深入了解高血压的发病机理和疾病过程,与经典的血压指标测定、常规的临床生化检测及组织病理学检查相比,代谢组学所展示的药效具有整体性和较为客观的生物学基础。用代谢组学的方法来对比分析服用中药或采用中医疗法前后,机体内体液之间所存在的不同,以及药物体内外成分谱的比较,来证实中国传统中医中药的作用物质基础和疗效,已成为未来系统生物学研究中医药的重要手段。越来越多的西方学者也关注到了这一领域,试图从中国传统医学中寻找创新源泉。陈竺院士认为这是中医药现代化所面临的前所未有的契机,利用西方技术手段的支持,结合中国传统医学在分子水平上的机制认识,将加快中医与西医的沟通和融合,将使其更好的被现代社会所认可。虽然,国内已在此方面取得了喜人的研究成果,但目前仍局限于中药整体药效作用的判别研究上,即无效或有效,如何基于代谢组学研究结果,对中药整体药效作用进行定量表征,阐明中药整体药效作用区别于相应单靶点化学药物的作用特点是我们亟待解决的关键科学命题,我们在国家自然科学基金重点项目(No.30630076)及国家“十一五”科技支撑计划(2006BAI08B04-05)中提出了一些创新性的研究思路和方法,旨在运用代谢组学研究技术思想建立符合中医药整体作用特征的新型药效评价体系(图1)。2.3中药代谢组学研究纯天然的中草药并非是安全无毒的绿色药物,在肯定中药疗效优势,尤其是对以肿瘤、心血管疾病、糖尿病等为代表的慢性病的独特疗效的同时,我们必须充分认识“是药三分毒”的警言。传统中药安全性评价采用选择典型有效成分(或毒性成分)进行研究的化药研究思路,存在着不可忽视的片面性。而中药毒性的产生和其药效的作用模式是相通的,因此其安全性检测也必须强调系统化、动态化和整体化。含马兜铃酸的中药引起肾毒性为代表的中药安全性问题使得中医药的信誉和中药现代化受到极大的负面影响,因此采用能够反映整体思想的技术手段对中药毒性和安全性进行科学的、综合的评价研究,已成为当务之急。代谢组学是Nicholson等人在以NMR技术为基础的药物毒性评价体系建立的系统工作中首次提出的,药物毒理研究也是目前代谢组学研究中最为活跃的领域之一。代谢组学研究能够快速、有效的分析药物作用后体液中代谢物组的扰动,关联已知生化代谢途径,获得关于外源物作用于生物体位点、途径和强弱等相关信息,判别靶组织及毒副作用程度,建立药物毒理数据库、完善专家系统,这将大大降低新药的创新成本和研发周期。显然代谢组学在中药安全性毒性研究方面的应用也具有重要意义,它能比传统方法更快、更准确的发现毒性物质和毒性规律,尤其是多层次、多靶点的综合毒性反应。而且试验样品多为外周样品(如尿),具有方便、无创、灵敏、可以连续多次采样等突出优势,可以做生物体的自身对照,能够动态的观察毒性作用的发生、发展和恢复过程。以此作为研究中药毒性的方法,对于确保中药用药的安全是积极可行的。近年国内已经开展了对中药安全性评价的代谢组学初步研究,贾伟课题组以马兜铃酸及相关中药作为研究对象,以色谱质谱联用为基础的代谢组学技术研究马兜铃酸致肾毒性对机体代谢物整体的影响,从中获取了马兜铃酸肾毒性的代谢模式特征,发掘出新的肾毒性生物标志物,初步建立了代谢组学评价中药肾毒性的新方法,研究还发现低剂量组6d后,非正常态的代谢网络逐渐趋向正常,提示马兜铃酸的毒性与剂量选择存在相关性。裴奉奎等运用基于NMR代谢组学研究小剂量的马兜铃酸的肝肾毒性,在代谢水平同样观察到了部分恢复的动态过程,体现了代谢组学在中药长期给药致慢性中毒评价过程的优越性。另外,李建新等采用NMR代谢组学方法研究雷公藤甲素的肾脏毒性,研究发现醋酸、乳酸、甘氨酸为肾脏皮层S1段毒性标记物,甜菜碱、二甲基甘氨酸为肾乳头、丙酮为肾脏皮层S3段的毒性标记物。其中以醋酸盐、甜菜碱和丙酮最为显著。这些代谢物的变化说明大鼠尿液代谢组学分析能够较好地反映雷公藤甲素的肾毒性特征及其病变程度,并对毒性作出早期预测。本课题组基于GC-TOFMS代谢组学研究方法也开展了雷公藤甲素肝肾毒性相关研究工作,发现其急性毒性存在一定的剂量相关性,同时在高剂量2.4mg·kg-1·d-1状态下发现作为肝脏受损指标的牛璜酸(taurine)水平增加(文章待发表),而李建新等在0.4mg·kg-1·d-1的剂量并没有发现肝脏毒性变化,提示代谢组学研究结果将有利于从整体水平确定药物的治疗窗,相比于单指标的药效/毒性评价更为可靠。总而言之,代谢组学能够从整体的角度对中药的毒性量效关系和毒性机制进行系统的阐释。结合经典的分子生物学手段,将对中药毒性进行整体-局部-系统的全面理解,进而指导中药临床安全用药。2.4中药指纹图谱与中药质量控制植物(药用)代谢组学在国外早已开展,已有成功利用代谢组学技术对拟南芥突变株进行大规模基因筛选的例子。植物在不同年龄、不同发育阶段、不同部位以及光照、水肥、耕作等环境因素的影响下具有不同的代谢产物组成和数量。我们可以应用代谢组学技术对药材不同生长状态下的不同代谢物组作为一个整体来进行考察,用于药材质量控制和优选种质资源,注重中药指纹图谱所忽视的分子本质和初生代谢物的影响,更具全面性和优越性。中国工程院印发的刘昌孝等10人提出的《关于开展中药代谢组学研究的建议》(见《科学时报》2007年7月24日)指出,我国有药用植物近12000种,中药资源在不到20年的时间里已经锐减至6000余种,400种常用药材中有20%以上处于短缺状态。市场上的“道地药材”多是“有其名,无其实”,还有相当一部分中药材由野生型改为人工繁育后,其产品质量发生了量或质的改变。为确保中药资源的数量和质量,国家已经建立了数百个中药材规范化种植基地,但其质量控制缺乏科学的手段,中药的可持续发展和利用问题亟待解决。中药指纹图谱在中药质量评价系统中毫无疑问扮演着很重要的角色,在中药及其制剂中应用非常广泛,几乎涵盖了所有常见中药和相关制剂产品,如李萍等对贝母、冬虫夏草、黄芪、四季青、金银花等中药及其相关复方的化学成分进行了深入研究,阐明了其有效部位和化学成分,建立了这些药材和复方的有效成分群化学指纹图谱和多个指标成分同时定量的质量控制方法。我们可以把中药指纹图谱研究看作是药用植物代谢组学研究的一种初级形式,如果能够运用更高灵敏度与分辨率的现代仪器分析技术,结合代谢组学的研究技术思想,将更进一步解决中药质量控制的复杂性难题。中药质量控制的代谢组学研究已有一些报道,研究发现代谢组学方法对中药的产地,含量和提取方法均能灵敏检测区分,是中药道地性、品质及加工水平等方面有效的检测方法,也是中药制剂工艺质量控制的有效手段。国内学者也对不同发育阶段的青蒿进行了代谢组学的探索性研究,发现青蒿酸和二氢青蒿酸转化为青蒿素的转率存在生长期间可能存在制约瓶颈。可以预见的是,药用植物代谢组学的深入开展将对中药质量控制标准的建立产生深远影响。2.5中医的代谢组学和或个体化治疗是中医和西医都希望在未来实现的医疗模式。国际上基于单核苷酸多态性(SNPs)分析的“个体化医疗”特点已经基本确立。通过对SNPs与疾病和药物治疗的关联性分析,使得医生不仅可以通过所检测出的SNPs来预测、确定与疾病有关的基因,同时也将能够事先把握患者个体对于某种药物的反应特点,并根据这一特点选择治疗效果最好、不良反应等危险性最小的药物进行准确的治疗。其意义在于强调和注重人体内在因素和个体差异在疾病诊疗上的影响。但我们知道个体差异的形成不仅受先天遗传因素的影响,同样也会受到后天环境因素的影响,而后天因素的影响与个人生活环境(自然、社会)、生活条件密切相关。因此以基因组学和蛋白组学为基础的个体化医疗存在着一定的局限性,而代谢组学是反映即时的体内外变化引起的综合分析,因此药物代谢组学(Pharmaco-metabonomics)在个体用药和其他医学领域会有很大的发展空间,有助于完善基因组学来实现个体化药物治疗。具有几千年历史的中医一直秉承着个体用药的特质,根据病人个体的不同,疾病进程的演变,用药的剂量和种类都是相应变化的。其特点体现在对后天生活方式、习惯和病程中的影响和作用的关注上,同时还体现在辨证论治的灵活性上。在中医,虽然两个人都患有同样的疾病,但基于每个人的具体情况却可能接受不同的治疗,这和西医的个体化给药虽然在思路上是一致的,但具体用药迥然不同,中药常用汤剂,是中医医生基于每一位患者辨证结果开具的“个人专用药方”,而在西医的个体用药基本在单一药物选择和剂量优化两个层面,因此中医用药的复杂性是一把双刃剑,一方面中医用药的灵活性最大程度的实现了个体用药,另一方面用药标准缺乏客观描述,量化,诊断依据相对模糊,难免出现非正常的“个体化”用药,再加上一般中药起效慢,延误病情的个案时有出现。代谢组学研究技术的应用将中医临床辨证施治及个体化用药研究的科学客观评价带来新的希望。3中药代谢组学研究面临的挑战代谢组学作为一门新兴的学科,国内研究相对起步较早,与国际先进水平相比差距不大,尤其

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