周穎,靳繼德
·綜述·
阿司匹林生物學(xué)新作用及其對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞功能影響的研究進(jìn)展
周穎,靳繼德
100850 北京,中國人民解放軍軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所
阿司匹林又稱乙酰水楊酸(acctylsalicylic acid,ASA),是一種非甾體類抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drug,NSAIDs),其療效穩(wěn)定、副反應(yīng)少,已廣泛應(yīng)用于臨床,預(yù)防和治療多種疾病,如風(fēng)濕疾病、心腦血管疾病及糖尿病等。百余年來,隨著對(duì)阿司匹林研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)阿司匹林參與了多種生物學(xué)途徑,一些新的藥理作用也不斷被發(fā)現(xiàn)。
研究發(fā)現(xiàn),阿司匹林主要通過抑制環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX)的活性從而抑制前列腺素(prostaglandin,PG)的合成。阿司匹林可使 COX-1 和 COX-2 不可逆的乙酰化,進(jìn)而抑制 COX 活性,這也是其獨(dú)一無二的特性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),癌細(xì)胞常產(chǎn)生大量前列腺素 E2(prostaglandin E2,PGE2),減弱免疫系統(tǒng)對(duì)病變細(xì)胞的正常應(yīng)答,而阿司匹林通過抑制 COX 來減少 PGE2 的合成,達(dá)到重新喚醒免疫系統(tǒng)的效果,通過將免疫療法與阿司匹林聯(lián)合使用,能夠減緩癌細(xì)胞的生長[1]。因此,阿司匹林與癌癥預(yù)防間的關(guān)系逐漸成為研究焦點(diǎn)。
較早的研究大都集中在阿司匹林對(duì) COX 的抑制,但后期研究表明,阿司匹林還具有抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的作用,尤其在治療消化道腫瘤方面有較好的療效[2]。無論在體內(nèi)還是體外實(shí)驗(yàn)中,阿司匹林和水楊酸鈉均可抑制 IκB 激酶(IKK-β)的活性,與 IKK-β 結(jié)合后阻斷其與三磷酸腺苷(ATP)的結(jié)合,繼而抑制 NF-κB 轉(zhuǎn)錄炎癥因子。還有研究顯示,阿司匹林與 NO 結(jié)合后能降低 NF-κB 蛋白水平,抑制其激活,從而發(fā)揮抑癌作用[3]。
近幾年,阿司匹林對(duì) AMP 依賴的蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK)的激活作用成為研究熱點(diǎn)[4]。AMPK 是生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子,通過促進(jìn)分解代謝、抑制合成代謝來調(diào)控機(jī)體細(xì)胞的生長代謝。阿司匹林在體內(nèi)水解為水楊酸,水楊酸和阿司匹林均可激活A(yù)MPK。研究發(fā)現(xiàn),阿司匹林對(duì) AMPK 的活化作用很強(qiáng),活化作用可長達(dá) 16 h,在 16 h 內(nèi)均能抑制 S6核糖體蛋白的磷酸化,進(jìn)而抑制 mTOR 的表達(dá)[5],同時(shí)活化 AMPK,降低結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率。Hardie 等[6]發(fā)現(xiàn)在 AMPK 基因敲除的小鼠中,水楊酸鹽增加脂肪利用和降低血漿脂肪酸的作用消失了,說明水楊酸的作用需要通過 AMPK 介導(dǎo)。AMPK 還可降低細(xì)胞質(zhì)人抗原 R(HuR)與特定細(xì)胞的結(jié)合[7],HuR 在細(xì)胞內(nèi)起調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和提高蛋白穩(wěn)定性的作用[8],因此,阿司匹林還可以通過 AMPK 減少 HuR 和細(xì)胞周期蛋白,進(jìn)而抑制細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)癌細(xì)胞的自噬。
阿司匹林對(duì)炎性因子的分泌有一定的調(diào)節(jié)作用。Kata 等[9]研究發(fā)現(xiàn),阿司匹林(1 mmol/L)極大地降低了脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)攻擊神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞促炎性IL-1β 和 TNF-α 的產(chǎn)生,同時(shí)增加了抗炎性 IL-10 的水平。此外,阿司匹林下調(diào)一氧化氮合酶 2(nitric oxide synthase2,NOS2),激肽原基因(kininogen 1,Kng1)、IL-1β、前列腺素內(nèi)過氧化物酶 2(prostaglandin G/H synthase 2,PTGS2)或趨化因子 CCR1 等促炎基因,同時(shí)上調(diào) IL-10、集落刺激因子 2(colony stimulating factor 2,CSF2)、趨化因子 CXCL1 等一些抗炎基因;但 Osnes 等[10]研究表明,較高濃度(> 2 mmol/L)的阿司匹林可提高單核細(xì)胞中 TNF-α 的 mRNA 水平。說明阿司匹林對(duì)炎性因子的調(diào)節(jié)存在細(xì)胞及環(huán)境特異性,其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。
阿司匹林在調(diào)控細(xì)胞生長等方面也發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn),服用阿司匹林的老年人認(rèn)知能力下降幅度比未服藥者低,從而延緩阿爾茨海默癥患者認(rèn)知損害的進(jìn)程,這是由于阿司匹林的分解物水楊酸可以與甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)結(jié)合,從而阻斷其進(jìn)入細(xì)胞核,抑制神經(jīng)細(xì)胞的衰老和死亡[11]。另有一些研究表明,阿司匹林能夠抑制多種細(xì)胞的生長,包括內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞,尤其是癌細(xì)胞[12-19]。
間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC)具有很強(qiáng)的自我更新能力和多向分化潛能,除了促進(jìn)損傷組織再生修復(fù)外,還參與免疫調(diào)控,緩解多種免疫或炎癥性疾病。由于 MSC 易于獲得、能在體外快速增殖等特性,已成為再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用于臨床的重要干細(xì)胞。然而,在臨床應(yīng)用中,間充質(zhì)干細(xì)胞的作用常受到體內(nèi)炎癥因子種類和水平等多種因素的影響。近年來,一系列新的研究發(fā)現(xiàn)阿司匹林還可以影響 MSC 的生長、分化和免疫調(diào)節(jié)等作用。
Du 等[20]研究表明,較低劑量(1 μmol/L,10 μmol/L)的阿司匹林能夠促進(jìn)小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞的生長和成骨分化。Zhang 等[21]使用不同劑量(0、25、50、100 μg/ml)的阿司匹林預(yù)處理骨髓干細(xì)胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cell,BM-MSC)72 h,與對(duì)照細(xì)胞相比,50 μg/ml 的 ASA 在 72 h 時(shí)顯著增加了 BM-MSC 的增殖速率。楊瑞莉等[22]研究證明 50 mg/L 的 ASA 可以提高牙齦間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs derived from gingiva,GMSC)表面蛋白 CD146 和 CD105 的表達(dá),促進(jìn) GMSC 的增殖。孫蕾等[23]研究顯示不同濃度的阿司匹林對(duì)于人牙髓干細(xì)胞(human dental pulp stem cells,hDPSCs)的作用有劑量依賴性的特點(diǎn),阿司匹林濃度為 0.05 mmol/L 和 0.005 mmol/L 培養(yǎng) 3 d 后細(xì)胞擴(kuò)增趨勢(shì)明顯增高(< 0.05),濃度為 0.5 mmol/L 時(shí),同對(duì)照組相比促進(jìn)作用不明顯,而當(dāng)濃度大于 5 mmol/L 時(shí),阿司匹林明顯抑制了細(xì)胞生長(< 0.05),進(jìn)而推測(cè)中高濃度的阿司匹林對(duì) hDPSCs 可能有毒性作用。Wang 等[24]研究也證明,較高濃度的阿司匹林對(duì) BM-MSC 的增殖具有抑制作用,MTT 結(jié)果顯示,1、5 和 10 mmol/L 的阿司匹林對(duì) MSC 增殖的抑制率分別達(dá)到 18%、37%和 62%。同位素滲入試驗(yàn)結(jié)果也顯示,1、5 和 10 mmol/L 的阿司匹林處理后,MSC 的 DNA 合成分別被抑制了 25%、57%和 90%。Deng 等[25]研究證明高濃度(1、5 mmol/L)的阿司匹林可通過線粒體/caspase-3 途徑誘導(dǎo) MSC 凋亡。此外,Wang 等[26]研究表明高濃度的阿司匹林還可以誘導(dǎo)肌腱干細(xì)胞(tendon stem cells,TSC)的凋亡,用阿司匹林(1、2 或5 mmol/L)處理 TSC,葡萄糖合成激酶 3β(p-GSK-3β)、C-myc 和 cyclin D1 的表達(dá)呈時(shí)間和劑量依賴性降低。由于肌腱病是一種慢性炎癥性疾病,患者需長期服用非甾體抗炎藥,但阿司匹林的臨床劑量可能會(huì)誘導(dǎo) TSC 凋亡,阻礙肌腱病的恢復(fù)。上述研究表明,低濃度(< 200 μmol/L)的阿司匹林可以促進(jìn) MSC 的生長,但高濃度(> 1 mmol/L)阿司匹林對(duì) MSC 卻有抑制增殖和促凋亡等作用。因此,阿司匹林的生物學(xué)作用與處理時(shí)間以及劑量有關(guān),并且,阿司匹林對(duì) MSC 的調(diào)節(jié)存在細(xì)胞及環(huán)境特異性,需要進(jìn)一步探索在臨床治療上 MSC 與阿司匹林的相互關(guān)系,進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)阿司匹林分子作用機(jī)制的了解。目前,阿司匹林對(duì)細(xì)胞生長的影響研究都屬于短期的體外研究,而其在體內(nèi)的長期作用,特別是對(duì)長期服用阿司匹林的患者體內(nèi)細(xì)胞的影響,還需要我們做進(jìn)一步的深入研究。
在過去的十年中,在阿司匹林對(duì)骨骼代謝過程的調(diào)節(jié)作用方面作了大量的研究。流行病學(xué)研究表明,服用阿司匹林的患者骨礦物質(zhì)密度明顯高于對(duì)照人群[27]。也有研究表明,阿司匹林能夠改善老年人的骨密度[28]。Yamaza 等[29]將阿司匹林處理的BM-MSC移植入免疫功能低下的小鼠體內(nèi),發(fā)現(xiàn)骨形成能力明顯改善,并且在體外實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)阿司匹林能夠促進(jìn)人 BM-MSC 的礦物質(zhì)積累。Cao 等[30]通過小型豬模型,證明阿司匹林預(yù)處理的 BM-MSC 能夠改善動(dòng)物的顱骨骨再生。Zhang 等[21]的另一項(xiàng)研究表明ASA 預(yù)處理的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(ASA-BMMSC)減少了牙周炎大鼠的牙槽骨丟失。祝媛和彭良哲[31]的研究結(jié)果也證明用 ASA 處理可以促進(jìn)牙槽骨再生。
相對(duì)于骨髓 MSC 來源的困難,牙源干細(xì)胞的獲取較為容易,可以從正畸或智齒患者拔出的牙齒中獲得,并且在體外可以誘導(dǎo)成骨/成牙向、神經(jīng)向、血管內(nèi)皮向分化,并被應(yīng)用于口腔頜骨的再生和牙周炎等治療中。研究表明,體外培養(yǎng)的牙髓干細(xì)胞(hDPSCs)比骨髓干細(xì)胞(BM-MSC)的骨向分化能力更強(qiáng),因此,Yuan 等[32]在大鼠顱骨缺損模型中評(píng)估了阿司匹林對(duì)牙髓干細(xì)胞(hDPSCs)接種的組織工程化無機(jī)牛骨(Bio-Oss)的骨修復(fù)的影響,結(jié)果表明,阿司匹林在植入后 8 周或 12 周時(shí)顯著增加了基于 hDPSC的骨形成。Tanaka 等[33]研究證明了 ASA 促進(jìn)了根尖牙乳頭來源的干細(xì)胞(stem cells from apical papilla,SCAP)的體外和體內(nèi)牙源性分化,上調(diào)了牙源性 SCAP 中 AKT 的磷酸化。Abd Rahman 等[34]研究顯示,在 500 和 1000 μmol/L ASA 處理下,牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)的成骨率明顯增高,但抑制了 PDLSCs 的增殖,其作用機(jī)制尚不清楚。通過基因表達(dá)譜分析顯示 19 個(gè)差異表達(dá)的基因,其中成纖維細(xì)胞生長因子 9(FGF9),血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、IL-2、IL-4、IL-10、BMP10、VEGFC 和 FGF2 顯著上調(diào),而 Pleotropin(PTN)、FGF5、腦源性神經(jīng)生長因子(BDNF)和分泌型蛋白 Dickkopf-1(DKK1)均顯著下調(diào)。這些由 ASA 上調(diào)的基因參與了細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo),血管生成,干細(xì)胞多能性,細(xì)胞生長、增殖和分化有關(guān)的生物學(xué)途徑,說明 ASA 可能通過刺激 PDLSC 中特定的生長因子相關(guān)基因,增強(qiáng)成骨潛能,促進(jìn)牙周健康。提示我們可以通過蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組譜分析,提供更多有關(guān) ASA 對(duì)干細(xì)胞作用的研究,有利于促進(jìn)再生領(lǐng)域的發(fā)展。Li 等[35]發(fā)現(xiàn)炎癥微環(huán)境可以引起PDLSCs 組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(general control non-derepressible 5,GCN5)表達(dá)下調(diào),進(jìn)而降低了 Dickkopf1(DKK1)的表達(dá),DKK1 是 Wnt/β-catenin 通路的抑制劑,因此激活了 Wnt/β-catenin 途徑,導(dǎo)致成骨分化缺陷。而阿司匹林可以提高 GCN5 的表達(dá),抑制大鼠牙周炎的發(fā)展,并促進(jìn) PDLSCs 的成骨分化。因此,應(yīng)用靶向 GCN5 的藥物(例如阿司匹林)可能是治療牙周炎的新方法,提供了組蛋白乙?;瘏⑴c調(diào)控炎癥微環(huán)境中 MSC 成骨分化的一個(gè)證據(jù),詳細(xì)機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。
上述這些研究表明,阿司匹林對(duì) MSC 的骨形成能力具有直接的影響,阿司匹林對(duì) MSC 的調(diào)節(jié)作用可能為骨質(zhì)疏松癥的治療提供一種新方法。
體內(nèi)的炎癥水平可明顯損害 MSC 的功能,而阿司匹林一方面可通過抑制炎癥細(xì)胞浸潤的微環(huán)境作用于 MSC,另外,阿司匹林還通過直接作用于 MSC 應(yīng)用于免疫相關(guān)疾病的治療。最近的研究表明,阿司匹林可以抑制成纖維細(xì)胞[36]、內(nèi)皮細(xì)胞[37]和其他細(xì)胞系的炎癥反應(yīng)[38]。
Liu 等[39]的研究結(jié)果揭示 ASA(10 μg/ml)增強(qiáng)乳牙干細(xì)胞(SHED)介導(dǎo)的體外 T 細(xì)胞凋亡,顯著改善了乳牙干細(xì)胞(SHED)的免疫調(diào)節(jié)能力,改善小鼠的結(jié)腸炎癥狀。Zhang 等[40]研究表明阿司匹林(0.1 mmol/L)可顯著抑制血管緊張素 II(Ang II)誘導(dǎo) BM-MSCs 的 ERK1/2 和 NF-κB 活化,減少 TNF-α、IL-6、IL-1β 和 MCP-1 基因的表達(dá),以及TNF-α 和 IL-6 的分泌。祝媛和彭良哲[31]也證明用 ASA(60 μg/ml)處理 BM-MSCs 后 TNF-α 和 IL-17 水平降低,IL-10 水平升高,說明 ASA 和 BM-MSCs 聯(lián)用能夠調(diào)節(jié)大鼠體內(nèi)相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá),并減輕炎癥反應(yīng),改善實(shí)驗(yàn)性大鼠的牙周炎。楊瑞莉等[22]研究證明阿司匹林(50 mg/L)通過調(diào)高 Fas/FasL 信號(hào)通路 FasL 的表達(dá)促進(jìn)牙齦干細(xì)胞(GMSCs)誘導(dǎo) T 細(xì)胞凋亡,可以增強(qiáng)GMSCs的免疫抑制能力,促進(jìn) GMSCs 注射治療小鼠腸炎療效。熊璟等[41]研究也發(fā)現(xiàn) ASA 通過促進(jìn)牙齦干細(xì)胞誘導(dǎo) T 細(xì)胞凋亡、抑制 T 細(xì)胞增殖的作用,增強(qiáng) GMSCs 的免疫調(diào)節(jié)功能,增強(qiáng) GMSCs 對(duì)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)小鼠的治療作用。這些研究說明了 ASA 通過調(diào)控 MSC 的相關(guān)炎性因子,參與 MSC 的免疫調(diào)節(jié)作用,需要我們進(jìn)一步的探索,以優(yōu)化 MSC 的免疫調(diào)節(jié)能力。
在患者體內(nèi),炎性微環(huán)境以各種急性或慢性方式存在于各種疾病中,例如牙周炎、骨折和口面部畸形。這種炎性微環(huán)境對(duì)內(nèi)源性 MSC 和外源性 MSC的再生能力、成骨能力及其他潛能都受到明顯的抑制。發(fā)炎部位的牙齦間充質(zhì)干細(xì)胞(iGMSC)的免疫調(diào)節(jié)能力明顯受到損害,Yu 等[42]發(fā)現(xiàn) ASA 可以在體內(nèi)和體外挽救發(fā)炎受損的 iGMSC 功能,改善 iGMSC 在結(jié)腸炎小鼠中的治療作用。Tang 等[43]觀察了阿司匹林的劑量對(duì)不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞的影響,結(jié)果表明,50 μg/ml 和 100 μg/ml 的阿司匹林均可顯著增加骨髓干細(xì)胞的 TGF-β1 產(chǎn)生,但只有濃度為 100 μg/ml的阿司匹林可促進(jìn)牙髓干細(xì)胞(hPDLSC)的 TGF-β1 產(chǎn)生,說明來自不同組織來源的 MSC 對(duì)阿司匹林的刺激表現(xiàn)出不同的劑量反應(yīng)。
Deng等[25]研究發(fā)現(xiàn)阿司匹林誘導(dǎo) MSC 凋亡是通過 Wnt/β-catenin 通路調(diào)節(jié)線粒體/caspase-3 的功能實(shí)現(xiàn)。Li 等[35]研究揭示了阿司匹林通過調(diào)節(jié)組蛋白乙?;瘏⑴c調(diào)節(jié)炎癥與成骨分化的新機(jī)制,該研究發(fā)現(xiàn)炎癥微環(huán)境引起牙周膜干細(xì)胞(PDLSCs)的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(GCN5)表達(dá)下調(diào),進(jìn)而降低了 DKK1 的表達(dá),DKK1 是 Wnt/β-catenin 通路的抑制劑,因此激活了 Wnt/β-catenin 途徑,導(dǎo)致成骨分化缺陷。而阿司匹林可以提高 GCN5 的表達(dá),抑制大鼠牙周炎的發(fā)展,促進(jìn)成骨分化。
Tang 等[43]研究顯示阿司匹林處理的 BM-MSC 通過 15-去氧-△-(12,14)前列腺素 J2(15d-PGJ2)/過氧化物酶體增殖物激活受體 γ(PPARγ)/TGF-β 通路參與調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞(Tregs)的上調(diào)與 Th17 細(xì)胞的下調(diào)。
Chen 等[44]將端粒酶活性與 BM-MSC 的免疫調(diào)節(jié)聯(lián)系了起來,發(fā)現(xiàn)阿司匹林在改善 BM-MSC 的免疫調(diào)節(jié)能力的同時(shí),上調(diào)了 BM-MSC 的端粒酶活性。據(jù)報(bào)道,端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(TERT)參與多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié),通過 Wnt 信號(hào)通路調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄,通過與染色質(zhì)重塑蛋白 BRG1 相互作用來執(zhí)行干細(xì)胞激活程序,作為轉(zhuǎn)錄復(fù)合物結(jié)合 FAS 配體(FASL)啟動(dòng)子上調(diào) FASL 表達(dá),從而提高免疫調(diào)節(jié)功能。Yu 等[42]研究表明 ASA 通過上調(diào) iGMSC 中FasL的表達(dá),從而改善 iGMSC 介導(dǎo)的 T 細(xì)胞凋亡和治療小鼠結(jié)腸炎的效果。
阿司匹林對(duì) MSC 的作用可能還存在其他的機(jī)制,需要我們進(jìn)行更多的探索,隨著研究的不斷深入,一些新的作用將會(huì)被揭示。
MSCs 因其具有自我更新能力和多向分化潛能,在近十年中廣受科研界的重視。除了再生能力以外,MSCs 還具有強(qiáng)大的免疫調(diào)控能力,通過其表面分子、分泌可溶性細(xì)胞因子或通過控制其他細(xì)胞功能等多種方式來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng),緩解或治療免疫相關(guān)疾病。然而,由于炎癥等原因,單純的 MSC 治療常常達(dá)不到滿意的效果,通過基因修飾、聯(lián)合用藥、小分子化合物處理等創(chuàng)新策略可明顯加強(qiáng) MSC 的疾病治療作用。大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,經(jīng)過阿司匹林處理明顯增強(qiáng)了 MSC 的成骨分化和免疫調(diào)節(jié)作用,可加強(qiáng) MSC 治療疾病的效果。但由于 ASA 在體內(nèi)的半衰期較短[45],因此制造合適的支架和遞送系統(tǒng),在疾病或修復(fù)部位維持 ASA 的功效至關(guān)重要。Zhang 等[46]研究證明了基于四聚乙二醇水凝膠的阿司匹林緩釋系統(tǒng)不僅增強(qiáng)了 PDLSC 的成骨能力,還增加了它的抗炎特性。Li 等[47]研發(fā)了一種成骨 BFP-1 肽修飾底物(PS-PEP),并通過聚多巴胺(PDA)和羧甲基殼聚糖(CMC)技術(shù)評(píng)估了其在體外輔助成骨的作用,與原始底物相比,PS-PEP增強(qiáng)了阿司匹林處理的 hMSC 的成骨分化。這種新穎的策略在細(xì)胞治療和骨組織工程中具有潛在的應(yīng)用前景。
總之,阿司匹林處理有助于 MSC 治療效果的顯著改善,但仍需要進(jìn)一步的研究以評(píng)估其對(duì) MSC 在體內(nèi)功能的影響,優(yōu)化阿司匹林的使用劑量和時(shí)間,以促進(jìn) MSC 功效最大化。
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靳繼德,Email:18612760302@163.com
2020-07-17
10.3969/j.issn.1673-713X.2021.01.012