毒扁豆堿(Physostigmine),是一種源自西非的卡拉巴爾豆的劇毒生物堿。近200年間,它從神秘叢林走向現(xiàn)代醫(yī)學(xué),成為揭開(kāi)神經(jīng)遞質(zhì)奧秘的關(guān)鍵工具和治療重癥肌無(wú)力的藥物,也開(kāi)啟了靶向酶學(xué)藥理學(xué)研究。一代代科學(xué)家執(zhí)著探索——有人為它冒死試毒,有人因身為女性醫(yī)生遭受質(zhì)疑,有人因種族歧視屢受阻礙——最終將這顆“詛咒之豆”化作拯救千萬(wàn)人的生命之光。
撰文 | 李娟
毒豆的黑暗司法
故事始于19世紀(jì)的西非“舊卡拉巴爾”(今尼日利亞),在這片濕熱的土地上,埃菲克人延續(xù)著一種以生命為賭注的恐怖司法傳統(tǒng)——“毒藥神明審判”。
當(dāng)有人被指控巫術(shù)、謀殺等重罪,便要在部落首領(lǐng)、祭司與全體族人的注視下,吞下一碗由“Esere”種子制成的乳濁液,而這種攀援植物的種子就是卡拉巴爾豆。
1846年,英國(guó)軍醫(yī)威廉·弗里曼·丹尼爾(William Freeman Daniell)成為首位見(jiàn)證這一儀式的歐洲人,他在報(bào)告中記錄下了一場(chǎng)以“神明之名”的生死裁決:卡拉巴爾豆被奉為承載祖先意志的圣物,判決邏輯簡(jiǎn)單卻殘酷到極致——
吞下毒液后,若能劇烈嘔吐,便被視為祖先接納了清白,得以當(dāng)場(chǎng)獲釋?zhuān)蝗艉翢o(wú)反應(yīng),等待被告的便是肌肉痙攣、全身癱瘓,最終在痛苦中死去,而這也成為其“有罪”的鐵證。
殊不知,這所謂的“神意裁決”背后,藏著最原始的藥理學(xué)邏輯:堅(jiān)信清白者一心自證,大口吞咽的動(dòng)作讓毒液迅速刺激胃黏膜引發(fā)嘔吐,毒素尚未被吸收便被排出體外;而心懷恐懼的有罪者,下意識(shí)小口慢飲,毒液透過(guò)口腔黏膜滲透入血,錯(cuò)失排毒時(shí)機(jī)。另有人猜測(cè),祭司可能通過(guò)選擇新鮮豆子(易催吐)或干燥陳豆(毒性濃縮),暗中操控被告的生死。
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圖1:卡拉巴爾豆(Calabar bean,Physostigma venenosum毒扁豆)的枝條、花、豆莢及種子示意圖。| 圖源:參考文獻(xiàn)[1]
親身試毒
1850年,蘇格蘭傳教士霍普·瓦德?tīng)枺℉ope Waddell)將這些帶著叢林詛咒的豆子帶回了愛(ài)丁堡,也將這顆“致命謎題”擺在了愛(ài)丁堡大學(xué)藥物學(xué)教授羅伯特·克里斯蒂森(Robert Christison)面前。
這位毒理學(xué)權(quán)威向來(lái)癡迷于探索毒物的奧秘,他不僅在動(dòng)物身上反復(fù)施毒實(shí)驗(yàn),更是“以身試毒”,親身感受毒物的作用軌跡。
1855年2月的一個(gè)清晨,克里斯蒂森在實(shí)驗(yàn)室里謹(jǐn)慎地服用了1/8粒卡拉巴爾豆,僅感到四肢傳來(lái)輕微的麻木,并無(wú)其他異樣。這份“平靜”讓他大膽提升劑量。次日,他吞下了1/4粒豆子。短短15分鐘后,一種“無(wú)法用語(yǔ)言形容的麻木感”席卷全身,他隨即將剃須肥皂水灌入腹中,強(qiáng)力催吐。
然而,即便完成催吐,“神判豆”的毒性仍快速發(fā)作——心跳減慢、節(jié)律徹底紊亂。最恐怖的是,他的大腦始終保持清醒,卻無(wú)法支配身體肌肉,表現(xiàn)為“想動(dòng)而不能動(dòng)”,但沒(méi)有出現(xiàn)任何軀體疼痛。在其兒子和醫(yī)生的幫助下,克里斯蒂森服藥后數(shù)小時(shí)也沒(méi)能緩解虛弱。直至次日才恢復(fù)肌肉功能。
同年,他向愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)提交了一份報(bào)告,首次揭示了卡拉巴爾豆的毒性作用:它能直接抑制心臟功能,極度縮小瞳孔,并引發(fā)“意志性運(yùn)動(dòng)癱瘓”——“我試著用胳膊肘撐起身子嘔吐,卻沒(méi)成功。我又更用力地試了一次,卻幾乎沒(méi)動(dòng)。我立刻意識(shí)到,這不是虛弱,而是意志不起作用了……”,克里斯蒂森在文章中寫(xiě)到。
然而,此次冒險(xiǎn)并沒(méi)有讓克里斯蒂森停止以身試毒。78歲時(shí),他還親自試驗(yàn)了另一種毒藥:古柯堿……
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圖2:克里斯蒂森1855年發(fā)表論文稿件截圖。
以毒攻毒,救活了囚犯
克里斯蒂森的親身試毒,證實(shí)了卡拉巴爾豆的烈性毒性及外周作用機(jī)制。他的學(xué)生理查德·弗雷澤(Richard Fraser)循著導(dǎo)師的足跡,于1863年分離出卡拉巴爾豆的活性成分,發(fā)現(xiàn)它是一種存在于豆仁中的無(wú)定形生物堿,將其命名為“依色林”(Eserine,源于西非名稱(chēng)eséré)。
弗雷澤在后續(xù)研究中建立了更為細(xì)致嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)——只使用一種動(dòng)物,確保體重相同,按體重精確調(diào)整藥物劑量,以圖表形式呈現(xiàn)結(jié)果。弗雷澤發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵規(guī)律:卡拉巴爾豆中的活性物質(zhì),與阿托品(atropine,顛茄堿)存在明顯的拮抗效應(yīng)。阿托品能散大瞳孔、加快心率,而前者恰好能逆轉(zhuǎn)這一切。
彼時(shí),阿托品被廣泛用于眼科檢查,但其散瞳作用常常持續(xù)許久,給患者帶來(lái)極大不便。愛(ài)丁堡年輕的眼科醫(yī)生阿蓋爾·羅伯遜(Argyll Robertson)受此困擾已久。1863年,當(dāng)弗雷澤將卡拉巴爾豆提取物的研究成果分享給他時(shí),羅伯遜看到了希望。
他立刻展開(kāi)臨床研究,將卡拉巴爾豆提取物滴入使用過(guò)阿托品的患者眼中,結(jié)果令人振奮:散大的瞳孔迅速收縮,恢復(fù)至正常狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn),讓羅伯遜繼續(xù)深入研究,發(fā)現(xiàn)該提取物不僅能拮抗阿托品的散瞳作用,還能緩解畏光的癥狀,改善睫狀肌麻痹。1863年3月,羅伯遜發(fā)表了相關(guān)論文。
1864年,德國(guó)化學(xué)家約布斯特(Jobst)與赫塞(Hesse)歷經(jīng)無(wú)數(shù)次提純、結(jié)晶,得到了純化的生物堿,并將其命名為毒扁豆堿(physostigmine)。標(biāo)志著這種來(lái)自非洲的毒豆從民族藥物向現(xiàn)代藥物轉(zhuǎn)化邁出關(guān)鍵一步。依色林和毒扁豆堿這兩個(gè)名稱(chēng)一直沿用至今。
巧合的是,就在毒扁豆堿被分離成功的這一年,布拉格的凱撒醫(yī)院發(fā)生了一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的意外。
四名24至30歲的囚犯,在清理醫(yī)院房間時(shí),撬開(kāi)了一個(gè)上鎖的醫(yī)用箱,將其中透明的阿托品溶液誤認(rèn)為酒精飲品而飲用。待到醫(yī)護(hù)人員發(fā)現(xiàn)時(shí),四名囚犯已出現(xiàn)不同程度的中毒癥狀:一人僅嘗了一口便吐出,無(wú)嚴(yán)重異常;一人吞咽了一口,僅瞳孔輕微散大;而另外兩人因飲用較多,已陷入譫妄,面部發(fā)紺、瞳孔散大到極致,脈搏微弱,生命垂危。
危急關(guān)頭,眼科醫(yī)生萊奧波德·克萊因瓦赫特(Leopold Kleinw?chter)想起弗雷澤的研究中曾提到,卡拉巴爾豆提取物與阿托品的瞳孔作用截然相反。但那時(shí)毒扁豆堿尚未被用于全身治療,沒(méi)有人能確定其劑量與安全性,他只能放手一搏。
僅僅30分鐘后,奇跡發(fā)生了:經(jīng)毒豆提取物治療,囚犯散大的瞳孔開(kāi)始緩慢收縮,譫妄的意識(shí)逐漸清醒,微弱的脈搏也變得逐漸平穩(wěn)。
這場(chǎng)意外中的冒險(xiǎn)嘗試,成為毒扁豆堿作為解毒劑的首次全身臨床應(yīng)用,克萊因瓦赫特將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于1864年的Berliner Klinische Wochenschrift。
1876年,德國(guó)眼科醫(yī)生路德維希·拉克爾(Ludwig Laqueur)是另一位將毒扁豆堿用于眼科臨床的人。拉克爾本人深受青光眼折磨,彼時(shí)的青光眼患者最終的結(jié)局唯有失明。拉克爾效仿克里斯蒂森,決定在自己身上進(jìn)行試毒。
他發(fā)現(xiàn),這種物質(zhì)能通過(guò)收縮瞳孔,有效促進(jìn)房水排出,顯著降低眼壓。毒扁豆堿在一段時(shí)間里改善了他的眼睛的功能,直到接受手術(shù)。后來(lái),拉克爾將自己的患病經(jīng)歷與實(shí)驗(yàn)研究撰寫(xiě)成《我的青光眼患病史》,于1909年發(fā)表。
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圖3:拉克爾撰寫(xiě)的《我的青光眼患病史》一文英文翻譯稿截圖。原文1909年6月發(fā)表于《眼科臨床月刊》,由愛(ài)德華?杰克遜翻譯。
夢(mèng)境賜予的諾獎(jiǎng)級(jí)靈感
弗雷澤發(fā)現(xiàn)了毒扁豆堿與阿托品的拮抗關(guān)系,拉克爾用它控制青光眼的進(jìn)展。但一個(gè)更深層的謎團(tuán)浮現(xiàn)了:為什么一種毒藥能如此精確地影響神經(jīng)?
彼時(shí),主流科學(xué)界正經(jīng)歷一場(chǎng)關(guān)于神經(jīng)信號(hào)傳遞的“電與化學(xué)”之爭(zhēng)。一些科學(xué)家堅(jiān)信,神經(jīng)之間的溝通是通過(guò)電流直接完成的,另一些科學(xué)家認(rèn)為化學(xué)物質(zhì)才是神經(jīng)信號(hào)傳遞的幕后信使。
為了回答這個(gè)問(wèn)題,德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托·洛伊(Otto Loewi)做了艱辛嘗試,卻始終未能找到關(guān)鍵證據(jù)。
直到1921年的復(fù)活節(jié)前夜,科學(xué)史上最著名的夢(mèng)境降臨,為他帶來(lái)了諾獎(jiǎng)級(jí)發(fā)現(xiàn)的靈感。
深夜,洛伊在睡夢(mèng)中閃現(xiàn)出一個(gè)清晰的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思,他猛地驚醒,借著床頭微弱的燈光,在紙條上匆匆記了幾筆,便因極度疲憊沉沉睡去。可次日清晨,當(dāng)他滿懷期待地拿起紙條,卻怎么也讀不懂那些潦草的字跡,昨夜的靈感已然消失無(wú)蹤。
焦灼與遺憾,伴隨著洛伊度過(guò)了漫長(zhǎng)的一天,他反復(fù)回憶,卻始終一無(wú)所獲。直到次日凌晨三點(diǎn),那個(gè)珍貴的夢(mèng)境再次精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn),這一次,洛伊立刻翻身起床,直奔實(shí)驗(yàn)室,憑借夢(mèng)境中的構(gòu)思,完成了著名的“雙蛙心實(shí)驗(yàn)”:
他將一顆青蛙的心臟與灌流裝置相連,刺激其迷走神經(jīng),心臟的跳動(dòng)隨之減慢;隨后,他收集起灌流過(guò)這顆心臟的液體,緩緩注入另一顆未受任何刺激的青蛙心臟中。奇跡發(fā)生了——第二顆心臟在沒(méi)有任何電刺激的情況下,跳動(dòng)速度也驟然減慢。洛伊堅(jiān)信,這灌流液中,一定存在著一種能抑制心臟跳動(dòng)的“迷走物質(zhì)”(Vagusstoff),而這正是神經(jīng)信號(hào)傳遞的化學(xué)信使。
那么,這種迷走物質(zhì)究竟是什么?洛伊只知道,它極其不穩(wěn)定,在體內(nèi)會(huì)被某種未知的酶迅速水解,短短幾分鐘便消失無(wú)蹤,根本無(wú)法對(duì)其進(jìn)行濃縮、純化和鑒定。
這就輪到我們這篇文章的主角——毒扁豆堿登場(chǎng)了。
1926年,洛伊發(fā)現(xiàn),毒扁豆堿具有一種神奇的功能:阻止“迷走物質(zhì)”水解,使其作用時(shí)間大大延長(zhǎng)。毒扁豆堿的加入,使洛伊能夠進(jìn)行反復(fù)的藥理學(xué)比對(duì),最終確認(rèn)了這神秘的“迷走物質(zhì)”為乙酰膽堿(acetylcholine, Ach)——由英國(guó)科學(xué)家亨利·戴爾(Henry Dale)實(shí)驗(yàn)室在1914年從麥角提取物中分離得到。這是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)神經(jīng)遞質(zhì),更重要的是,神經(jīng)刺激通過(guò)化學(xué)信號(hào)傳遞信息也有了確鑿的證據(jù)。
1936年,洛伊因這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn),與戴爾一同榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。在這個(gè)故事里,毒扁豆堿變身為一種實(shí)驗(yàn)工具,使原本不可見(jiàn)的神經(jīng)“對(duì)話”在諾貝爾獎(jiǎng)的聚光燈下現(xiàn)身。
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圖4:奧托?洛伊及其在離體心臟迷走神經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭袑?duì)化學(xué)神經(jīng)傳遞的驗(yàn)證研究。| 圖源:參考文獻(xiàn)[3]
圣阿爾費(fèi)奇醫(yī)院的奇跡
1934年初,出身律師世家的瑪麗·布羅德福特·沃克(Mary Broadfoot Walker)在倫敦圣阿爾費(fèi)奇醫(yī)院(St Alfege’s Hospital)擔(dān)任高級(jí)醫(yī)療官。一天,醫(yī)院的兼職神經(jīng)科顧問(wèn)德里克·丹尼-布朗(Derek Denny-Brown)在查房時(shí),向她提到了一個(gè)有趣的觀察:被稱(chēng)為“M夫人”的重癥肌無(wú)力患者的癥狀——眼瞼下垂、肌肉無(wú)力、吞咽困難——與箭毒中毒的表現(xiàn)高度相似。
這句話在沃克心中種下了一顆種子。她在翻閱英國(guó)藥企每年發(fā)放的《毒藥與解毒劑》手冊(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)毒扁豆堿正是箭毒的解毒劑。一個(gè)大膽的想法浮現(xiàn):如果重癥肌無(wú)力類(lèi)似箭毒中毒,那么毒扁豆堿能否有效?她決定一試。
1934年4月11日,沃克為“M夫人”注射了毒扁豆堿水楊酸酯。30分鐘后,奇跡發(fā)生了:原本低垂的眼瞼緩緩抬起。45分鐘后,她的吞咽功能逐漸恢復(fù),能夠清晰地說(shuō)話,甚至可以自主進(jìn)食。藥效持續(xù)了4-5個(gè)小時(shí)。
在隨后的嘗試中,沃克共完成了26次注射,她仔細(xì)記錄每次的劑量和反應(yīng),繪制出了劑量-反應(yīng)曲線。她發(fā)現(xiàn),大劑量會(huì)引發(fā)心動(dòng)過(guò)緩等副作用,需要精確控制用量。
1934年5月12日,沃克將這個(gè)病例撰寫(xiě)成研究信提交《柳葉刀》雜志發(fā)表。她首次提出:重癥肌無(wú)力患者的肌肉疲勞可能源于神經(jīng)肌肉接頭的箭毒樣中毒,而非肌肉本身病變。此研究信于同年6月2日刊發(fā),但這一過(guò)程并不順利。刊發(fā)前,有一位神經(jīng)學(xué)家試圖抹去沃克的名字,將這一發(fā)現(xiàn)據(jù)為己有。刊發(fā)后,該研究同樣遭受男權(quán)醫(yī)學(xué)界的冷遇與質(zhì)疑,但憑借扎實(shí)的臨床效果,迅速被同期學(xué)者驗(yàn)證并推廣。
隨后,醫(yī)院的藥理學(xué)顧問(wèn)菲利普·哈米爾(Philip Hamill)向沃克提出了一個(gè)建議,可嘗試使用羅氏公司研發(fā)的毒扁豆堿衍生物——新斯的明(Neostigmine)。這種藥物毒性更低、療效更穩(wěn)定,更適合長(zhǎng)期治療。
之后,沃克與羅氏實(shí)驗(yàn)室合作,開(kāi)展了30余種毒扁豆堿衍生物的注射試驗(yàn),重點(diǎn)探索口服劑型與降低副作用。新斯的明最終成為重癥肌無(wú)力治療的核心藥物。
“圣阿爾費(fèi)奇的奇跡”——這是波士頓的亨利·維茨(Henry Viets)醫(yī)生對(duì)這一突破的贊揚(yáng)。沃克的故事也成為醫(yī)學(xué)史上跨越偏見(jiàn)的典范。
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圖5:沃克醫(yī)生(左)與她在倫敦圣阿爾費(fèi)奇醫(yī)院治療的首位患者之一(約1935 年)。 | 圖源:參考文獻(xiàn)[4]
挑戰(zhàn)權(quán)威的非裔化學(xué)家
毒扁豆堿的醫(yī)學(xué)價(jià)值日益凸顯,但其天然提取之路卻步履維艱,因?yàn)榭ɡ蜖柖怪械亩颈舛箟A含量微乎其微。因此,實(shí)現(xiàn)毒扁豆堿的人工全合成,成為了當(dāng)時(shí)化學(xué)界的“圣杯”。
在這場(chǎng)科學(xué)競(jìng)賽中,非裔化學(xué)家珀西·朱利安(Percy Julian)與殘酷的種族歧視和不可一世的學(xué)術(shù)權(quán)威,展開(kāi)了一場(chǎng)尊嚴(yán)之戰(zhàn)。
朱利安出生于阿拉巴馬州,祖父母曾是奴隸。在那個(gè)種族隔離的年代,他因膚色被哈佛大學(xué)拒絕深造,最終遠(yuǎn)赴維也納獲得了博士學(xué)位。1932年,他在霍華德大學(xué)任教時(shí),私人信件被報(bào)紙惡意曝光,被迫辭職。在德保大學(xué)(DePauw University)的朋友為他提供了一個(gè)非教職研究職位,沒(méi)有正式教職,沒(méi)有豐厚薪水,只有一間簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室。
在這間實(shí)驗(yàn)室中,朱利安將精力投入到毒扁豆堿的全合成研究中,而他的對(duì)手是當(dāng)時(shí)化學(xué)界的巨人——牛津大學(xué)的羅伯特·羅賓遜爵士(Sir Robert Robinson,1947年諾貝爾獎(jiǎng)得主)。1933年,羅賓遜發(fā)表了一系列重磅論文,高調(diào)宣布自己已經(jīng)成功完成了毒扁豆堿中間體的合成,距離全合成只剩一步之遙。一時(shí)間,所有人都認(rèn)為,這場(chǎng)圣杯之爭(zhēng)已然塵埃落定。
但朱利安仔細(xì)研讀了羅賓遜的每一篇論文,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極其細(xì)微的“破綻”:羅賓遜合成出的中間體(d,l-依色醇),與朱利安合成的中間體相比,存在熔點(diǎn)偏差。正是這個(gè)偏差,讓朱利安看到了希望,他堅(jiān)信自己的化合物才是對(duì)的。
此后兩年,朱利安與助手反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試全合成,最終于1935年2月的一個(gè)夜晚,觀察到溫度計(jì)升至135℃時(shí),試管中的結(jié)晶融化——這個(gè)熔點(diǎn)與天然毒扁豆堿完全一致!朱利安成為真正合成出毒扁豆堿的首位科學(xué)家。
4月,朱利安在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上發(fā)表了論文。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)證明,羅賓遜合成的只是一種結(jié)構(gòu)相似的化合物,并非真正的毒扁豆堿。
即便取得了如此輝煌的成績(jī),種族歧視的陰影卻仍未散去。德保大學(xué)依舊因他的膚色,拒絕授予他教授職位;杜邦公司曾向他發(fā)出錄用通知,卻在發(fā)現(xiàn)他是黑人后,當(dāng)即撤回。朱利安帶著自己的研究成果離開(kāi)校園,創(chuàng)辦了自己的實(shí)驗(yàn)室和研究所,此后轉(zhuǎn)向植物固醇研究,成功大幅降低了皮質(zhì)醇、黃體酮等藥物的成本。
1973年,朱利安成為首位當(dāng)選美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士的非裔美國(guó)化學(xué)家。1999年,美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)將朱利安的毒扁豆堿全合成研究,定為國(guó)家歷史化學(xué)地標(biāo)(National Historic Chemical Landmark),以此紀(jì)念這位在荊棘中開(kāi)墾出生命之光的科學(xué)家。
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圖6:珀西?朱利安博士在其化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中(圖片由賓夕法尼亞州費(fèi)城科學(xué)歷史研究所提供)。| 圖源:參考文獻(xiàn)[1]
結(jié)語(yǔ):接力百年的生命裁決
直到今天,盡管在眼科和神經(jīng)肌肉疾病治療中,毒扁豆堿已被更安全、更高效的合成藥物取代,但它依舊是阿托品及類(lèi)阿托品物質(zhì)中毒的首選解毒劑。
這場(chǎng)跨越近二百年的科學(xué)探索,讓這顆源自西非卡拉巴爾的“神判之豆”褪去了叢林的詛咒,成為藥理學(xué)史上最重要的分子工具之一。
同時(shí),這段科學(xué)史也展現(xiàn)了一批性格迥異、跨越國(guó)界、身處不同境遇的卓越科學(xué)家上下求索的執(zhí)著精神。
非洲埃菲克人對(duì)自然的觀察無(wú)疑是敏銳的,他們的經(jīng)驗(yàn)為科學(xué)探索提供了珍貴的線索。而科學(xué)驗(yàn)證則是傳統(tǒng)知識(shí)走向普世應(yīng)用的關(guān)鍵橋梁。這一案例充分表明,經(jīng)過(guò)可重復(fù)、可檢驗(yàn)的科學(xué)驗(yàn)證,地方性的治療資源能夠轉(zhuǎn)化為全球共享的醫(yī)學(xué)工具。
參考文獻(xiàn)
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