羧甲基殼聚糖超小超順磁氧化鐵納米粒在大鼠體內的藥動學特點及組織分布

范彩霞，陳志喜，高文慧，賴水招，鄭錦坤

(1.汕頭大學附屬粵北人民醫院，廣東 韶關 512026；2.廣州醫學院附屬腫瘤醫院，廣州 510005)

羧甲基殼聚糖超小超順磁氧化鐵納米粒在大鼠體內的藥動學特點及組織分布

范彩霞1，陳志喜1，高文慧2，賴水招1，鄭錦坤1

(1.汕頭大學附屬粵北人民醫院，廣東 韶關 512026；2.廣州醫學院附屬腫瘤醫院，廣州 510005)

目的 考察羧甲基殼聚糖超小超順磁氧化鐵納米粒(O-carboxymethyl chitosans ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles，OCMCS-USPIO-NPs)在SD大鼠體內的藥動學特征及組織分布，為其臨床應用提供依據。方法 SD大鼠隨機分為生理鹽水組、OCMCS-USPIO-NPs組和葡聚糖超順磁氧化鐵納米粒組(dextran-SPIO-NPs)，原子分光光度法測定血漿和心、肝、脾、肺和腎等組織的鐵含量，DAS 藥動學軟件對血藥濃度-時間數據處理，求得OCMCS-USPIO-NPs組和dextran-SPIO-NPs組在大鼠體內的主要藥動學參數；繪制組織內鐵含量-時間曲線結合普魯士藍染色，比較OCMCS-USPIO- NPs和Dextran-SPIO-NPs在大鼠體內組織分布特點。結果 OCMCS-USPIO-NPs組和dextran-SPIO-NPs組的主要藥動學參數(AUC，MRT，t1/2，CL，V2，差異顯著(P＜0.05)，且OCMCS-USPIO-NPs組t1/2＞7 h；OCMCS-USPIO-NPs組在肝、脾和肺的組織分布濃度顯著低于dextran-SPIO-NPs組。結論 OCMCS-USPIO-NPs能逃避網狀內皮系統吞噬，具有長循環作用。

超小超順磁氧化鐵納米粒；原子分光光度法；藥動學；組織分布

超順磁氧化鐵納米粒(superparamagnetic oxide iron nanoparticles，SPIO-NPs)具有超順磁性、細胞毒性低、包被的高分子物質表面有特異性功能基團，可以與其他藥物、對比劑結合等理化特性使其常作為MRI對比劑、靶向給藥系統載體、熱療劑，在醫學研究及臨床上廣泛應用，是目前醫學研究的熱點和前沿[1-2]。根據粒徑不同，SPIO-NPs可以分為2類：普通的SPIO-NPs(粒徑＞50 nm)和超小的超順磁氧化鐵納米粒(USPIO-NPs、粒徑＜50 nm)[3]，普通SPIO-NPs主要用于巨噬細胞豐富的組織臟器疾病(如肝臟、脾臟、淋巴結和骨髓等器官疾病)的診斷。由于USPIO-NPs顆粒較小而且表面包有較厚的高分子物質，能逃避血管網狀內皮系統的吞噬，而具有長循環作用，可以用于腫瘤的淋巴轉移、炎癥和退行性疾病的診斷。臨床試驗證明USPIO粒子對淋巴結網狀內皮系統具有親和性，可通過淋巴管輸送到淋巴結而被淋巴結內的巨噬細胞攝取，腫瘤淋巴轉移部位由于淋巴細胞被腫瘤細胞取代對USPIO的攝取下降，淋巴結腫瘤轉移部位與正常淋巴結的對比度得以增強，可用于頭、頸部、盆腔腫瘤淋巴結轉移的評價，對癌癥患者的治療和預后具有重要的臨床價值[4-6]。

本課題組已采用“二步法”成功完成羧甲基殼聚糖超小超順磁氧化鐵納米粒(O-carboxymethyl chitosans ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles，OCMCS-USPIO-NPs)制備工藝優化篩選，理化性質表征、細胞毒性評價及體外抗吞噬細胞吞噬作用考察[7]。在此基礎上，本實驗以SD大鼠為模型動物，自制葡聚糖超順磁氧化鐵納米粒(dextran-SPIO-NPs)(粒徑＞220 nm)為陽性對照，原子分光光度法測定OCMCS-USPIO-NPs血漿及心、肝、脾、腎、肺等組織的鐵含量，考察其體內藥動學特點及組織分布情況，進一步證實其抗網狀內皮系統吞噬的特性，為進一步研究其在腫瘤淋巴結轉移，血管造影等應用奠定基礎。

1 材料與儀器

1.1 試劑與試藥

OCMCS-USPIO-NPs(批號：2012-08-10，透射電鏡粒徑為9.5 nm，流體粒徑為36.7 nm，鐵含量為5.67 mg·mL-1)和dextran-SPIO-NPs(批號：20120809，透射電鏡粒徑為11.2 nm，流體粒徑為223.4 nm，鐵含量為5.82 mg·mL-1)均由本課題組研制；NH4Fe(SO4)2·12H2O、鹽酸、硝酸、高氯酸、高純乙炔(分析純，均購自廣州化學試劑有限公司)。Milli-Q超純水。

1.2 儀器

平板加熱器(上海昌安電子科技有限公司)；AA6300C原子吸收光譜儀(日本島津)；TMP電子天平(德國Satorius公司)；xw-80A型漩渦振蕩器(江蘇海門林貝儀器有限公司)；低溫離心機(美國THERMO LEGEND公司)。

1.3 動物

SPF級SD大鼠，♂，體質量(300±10)g，購自南方醫科大學實驗動物中心，合格證號：SCXK(粵)2006-0015。

2 方法

2.1 方法學考察

2.1.1 標準工作曲線的制備 精密稱取NH4Fe(SO4)2·12H2O配制100 μg·mL-1的鐵對照品溶液。精密量取該鐵對照品溶液0，0.05，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.5，2.0，2.5 mL至西林瓶中，加入蒸餾水，空白血漿或含有20%組織的組織懸液0.25 mL和1 mL混酸(硝酸-高氯酸體積比3∶1)，室溫下消化24 h后用平板加熱器蒸干，待冷卻后加入3%的鹽酸溶液1 mL溶解西林瓶中的Fe3+離子，并轉入50 mL量瓶，用水稀釋至刻度，搖勻，配制成濃度為0，0.1，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6，1.8，2.0，3.0，4.0和5.0 μg·mL-1的系列鐵對照品溶液。在波長248.3 nm；燈電流：8.0 mA；光譜通帶：2 nm；空氣流量：15.0 L·min-1；乙炔流量：2.1 L·min-1；燃燒器高度：7.5 mm的條件下測定吸光度，以吸光度為縱坐標，樣品濃度為橫坐標，繪制鐵吸光度-濃度標準曲線。

2.1.2 樣品的處理 用移液器精密量取0.2 mL血漿或各組織50 mg于西林瓶中，加入1 mL混酸(硝酸-高氯酸體積比3∶1)，室溫下消化24 h后用平板加熱器蒸干，待冷卻后加入3%的鹽酸溶液1 mL溶解西林瓶中的Fe3+離子，轉入100 mL量瓶，用超純水稀釋，取適量注入原子分光光度計中，空氣-乙炔火焰，在248.3 nm波長處測定吸光度(A)，代入標準曲線方程求出鐵含量，再按照稀釋比例求算血漿內的鐵含量[8]。

2.1.3 回收率測定 分別配制0.1，1.4，3.2 μg·mL-1的鐵對照品溶液及含有空白血漿或各組織20%的勻漿液，每個濃度3份，分別精密量取1 mL加入0.2 mL 0.1 mol·L-1鹽酸溶液中，加入1 mL混酸(硝酸-高氯酸體積比3∶1)，室溫下消化24 h后用平板加熱器蒸干，待冷卻后加入3%的鹽酸溶液1 mL溶解西林瓶中的Fe3+離子，轉入100 mL量瓶，用超純水稀釋，取適量注入原子分光光度計中，空氣-乙炔火焰，在248.3 nm波長處測定吸光度(A)，代入標準曲線方程求出鐵含量，計算回收率，回收率=(C測定值/C實際加入濃度)×100%。

2.1.4 日間精密度考察 分別配制高、中、低濃度(3.2，1.4和0.1 μg·mL-1)的鐵對照品溶液，精密量取1 mL加入0.2 mL 0.1 mol·L-1鹽酸溶液、血漿或心、肝、脾、肺和腎的組織溶液中，按“2.1.3”項下方法處理，每個濃度 6 份樣品，分別在同一天內不同時間點連續測定5次和連續測定 5 d，每天1次，計算日內與日間精密度。

2.2 藥動學實驗

取SD大鼠，♂，30只，隨機分成空白組(6只)、OCMCS-USPIO-NPs組(12只)和dextran-SPIO-NPs組(12只)，2組給藥組內部隨機平均分成：鹽水及Fe 5.87 mg·kg-1和13.27 mg·kg-1的2種納米粒，并于0，0.25，0.5，1，2，4，6，8，12，24 h后眼底靜脈叢采血0.5 mL，置于肝素鈉化的EP管中，5 000 r·min-1離心10 min，取0.2 mL上清液測定鐵含量。

2.3 組織分布考察

取SPF級SD大鼠100只，隨機分成空白對照組(4只)、dextran-SPIO-NPs組(高、低濃度組各24只)、OCMCS-USPIO-NPs組(高、低濃度組各24只)。禁食12 h后(自由飲水)，空白對照組尾靜脈一次給予1.2 mL生理鹽水，給藥組分別尾靜脈一次給予5.90 mg·kg-1或13.27 mg·kg-1的dextran-SPIO-NPs或OCMCS-USPIO-NPs，并于給藥后的2，4，6，8，10，12，14，16 h處死動物(每個時間點3只)，取心、肝、脾、肺、腎并用生理鹽水洗凈殘血，濾紙吸干水分后準確稱取50 mg各組織，測定各時間點的組織鐵含量。

普魯士藍染色評價組織分布情況：取空白組和16 h時高濃度兩給藥組大鼠的心、肝、脾、肺、腎，于10%福爾馬林溶液中固定24 h。取出固定后的標本，修成4 mm3小塊，流水沖洗4 h，依次加入75%，80%，90%，95%的乙醇溶液各1 h，再用100%乙醇脫水3次，每次20 min；二甲苯透明2次，每次10 min；58 ℃石蠟浸泡1 h，62 ℃軟蠟浸透 30 min，硬蠟包埋后常溫保存。切片前30 min，蠟塊置于4 ℃預凍，載玻片采用多聚賴氨酸處理后37 ℃烘干，常規石蠟4 μm切片，組織切片常規脫蠟至水，2%亞鐵氰化鉀、2%鹽酸水溶液混合液(1∶1)染色5～30 min，蒸餾水充分水洗，0.5%伊紅水溶液復染30～60 s。經各梯度乙醇脫水，二甲苯透明，樹膠封固。三價鐵呈藍色，其他組織淺紅色，光學顯微鏡觀察并拍照。

2.4 數據處理

血鐵濃度以各時間點血漿鐵濃度均值減去各時間點空白血漿鐵濃度的均值表示，繪制血藥濃度(C)-時間(t)曲線(±s )，將血藥濃度時間數據經DAS 2.1.1藥動學統計軟件處理，并進行方差分析，雙單側t檢驗及(1-2α)%置信區間法評價OCMCSSPIO-NPs組與dextran-SPIO-NPs組的生物等效性，由于考察指標數據有方差不齊的情況，故將AUC(0-∞)經對數轉換后進行方差分析，用雙單側t檢驗進行生物等效性判斷，MRT采用非參數法秩和檢驗統計分析，P＜0.05為有顯著性差異。

3 結果

3.1 藥動學考察

3.1.1 方法學考察結果 在0.1～5 μg·mL-1內，在規定的測定條件下，鐵對照品酸處理溶液、含鐵對照品的血漿和各組織勻漿液中，鐵對照品酸處理液的原子吸收光度值與鐵濃度線性相關，其標準曲線，線性范圍及相關系數見表1；高、中、低濃度鐵對照品溶液(3.2，1.4，0.1 μg·mL-1)在水溶液、血漿溶液及心、肝、脾、肺和腎等組織的日間、日內精密度見表2，回收率測定結果見表3。由表2、表3可見日內、日間精密度RSD均＜10%(n=5)，各濃度的回收率均在80%～120%，證實該測定方法是可靠的。

表1 含鐵標準品各組織樣品的標準曲線、濃度范圍和相關系數(n=6)Tab 1 Standard curves, linear ranges and correlation coefficient of iron standard in organ samples (n=6)

表2 精密度實驗結果(n=5)Tab 2 Results of precision test (n=5)

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表3 回收實驗結果(n=6)Tab 3 Results of recovery tests(n=6)

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3.1.2 藥動學結果 2組大鼠分別尾靜脈給予高、低濃度的dextran-SPIO-NPs、OCMCS-USPIO-NPs，血藥濃度隨時間變化的情況見圖1。圖中血鐵濃度低于空白血漿鐵濃度的點均以血鐵濃度為0表示，虛線表示本底血漿的波動，實線是給予高、低濃度的納米粒后，扣除本底鐵波動得到的藥時曲線圖。經DAS2.1.1軟件處理，分別求出統計矩參數，OCMCS-USPIO-NPs組與dextran-SPIO-NPs組做兩樣本t檢驗，結果見表4。

圖1 尾靜脈給予生理鹽水及高、低濃度的OCMCS -USPIO-NPs(A)、dextran-SPIO-NPs(B)后測得的大鼠血漿鐵濃度藥時曲線(n=6,x±s )Fig 1 Concentration-time curve of iron in rats plasma following high or low dose of OCMCS-USPIO-NPs(A), dextran-SPIONPs(B) or physiological saline injected through tail vein(n=6,x±s )

表4 尾靜脈分別給予高、低濃度的OCMCS-USPIO-NPs或dextran-SPIO-NPs后測得的大鼠血漿鐵濃度的主要藥動學參數(n=6，±s )Tab 4 Main pharmacokinetic parameters of iron in rats’ plasma following high or low dose of OCMCS-USPIO-NPs or dextran-SPIO-NPs injected through tail vein(n=6,±s )

表4 尾靜脈分別給予高、低濃度的OCMCS-USPIO-NPs或dextran-SPIO-NPs后測得的大鼠血漿鐵濃度的主要藥動學參數(n=6，±s )Tab 4 Main pharmacokinetic parameters of iron in rats’ plasma following high or low dose of OCMCS-USPIO-NPs or dextran-SPIO-NPs injected through tail vein(n=6,±s )

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3.2 組織分布考察

dextran-SPIO-NPs組、OCMCS-USPIO-NPs組的組織分布圖見圖2。組織分布考察將0 h內各大鼠組織內鐵含量為基數，將(各個時間點鐵含量-0 h組織內鐵含量)/0 h組織內鐵含量，求得組織相對鐵含量，消除背景干擾，對組織情況進行評價。其中組織鐵中含量與組織本身鐵含量差低于1%記做1%，表示臟器內沒有磁性納米粒滯留，給藥組與空白組鐵含量相近；數值＞1%時，納米粒在該臟器內蓄積，＞100%時有大量蓄積。

圖2 尾靜脈給予不同劑量dextran-SPIO-NPs(A)和OCMCS-USPIO-NPs(B)后各時間點大鼠心、肝、脾、肺和腎內的鐵含量(n=3,±s ) A-低濃度(5.90 mg·kg-1)；B-高濃度(13.27 mg·kg-1)Fig 2 Retention of iron in rats’hearts, livers, spleens lungs and kinneys versus time after one intravenous injection of different dosage of dextran-SPIO-NPs (A) or OCMCS-USPIO- NPs(n=3,±s ) A-low concentration(5.90 mg·kg-1); B-high (13.27 mg·kg-1) concentration

粒徑是決定USPIO-NPs體內分布的重要因素，粒徑＜50 nm的OCMCS-USPIO-NPs理論上具有部分逃避肝、脾吞噬的特性，而粒徑＞100 nm的dextran-SPIO-NPs很可能被肝、脾吞噬。組織分布結果表明，2組主要分布于肝、脾部位。就dextran-SPIO-NPs組而言，低濃度組在2～8 h肝、脾吞噬了大量的納米粒(＞150%)，16 h肝臟內仍有少量納米粒(約37%)，但脾臟鐵含量降至正常水平(約5%)；其高濃度組2～16 h肝、脾內始終存在大量的納米粒(200%左右)。對于OCMCS-USPIO-NPs組，低濃度時肝、脾吞噬量分別在100%(2～8 h)和30%(2～4 h)左右，16 h鐵含量降至正常水平(1%左右)，其他臟器未見明顯的吞噬；高濃度時肝、脾對納米粒的吞噬量上升至110%～190%(2～16 h)和60%～120%(2～16 h)，心臟發現有少量吞噬(14%左右)，這可能是由于藥物主要集中于血液中，導致心臟內殘留血液中鐵含量上升，其他臟器未見明顯的吞噬。

此外，可以從數據中分析出肝、脾累積吞噬量的變化規律：dextran-SPIO-NPs組肝臟累積吞噬量的均值隨劑量的倍增而成倍的增加，從501%上升至1 004%，而脾臟的累積吞噬量均值的增加遠遠大于劑量的倍增，從364%上升至1 013%，OCMCS-USPIO-NPs組遵從同樣的規律，肝臟的從276%上升至585%，脾臟的從56.1%上升至315.4%。這說明低濃度時納米粒大多是由肝臟吞噬的，并且高濃度下仍然未達到吞噬的飽和狀態，而脾臟在低濃度時僅僅吞噬少量的納米粒，卻在高濃度時被調動起來，參與吞噬更多的納米粒，導致總吞噬量隨劑量的倍增更快的增加(dextran-SPIO-NPs組從865%上升至2018%；OCMCS-USPIO-NPs組從332%上升至900%)。

空白組大鼠和高濃度2組給藥組大鼠16 h的各組織普魯士藍染色切片圖見圖3?？瞻捉M(1～5組)大鼠心、肝、脾、肺和腎組織普魯士藍染色均為陰性；dextran-SPIO-NPs組(6～10組)，大鼠肝、脾組織可見大量的普魯士藍鐵染色，呈深藍色。而心、腎和肺組織普魯士藍染色呈陰性，可能是由于dextran-SPIO-NPs粒徑大，被血管網狀內皮系統的枯否細胞大量吞噬，導致在肝、脾等含枯否豐富的組織大量富集，使致其體內半衰期短，表觀分布容積??；在OCMCS-SPIO-NPs組(11～15組)，心、肝、脾、肺和腎組織普魯士藍染色后，肝、脾存在少量藍色的普魯士藍鐵染色散點，其顏色較淺，呈淡藍色，說明有少量OCMCS-SPIONPs被含枯否細胞豐富的肝、脾攝??；大鼠肺切片普魯士藍染色后，只有極少量的普魯士藍染色的藍色散點，可能由于OCMCS- USPIO-NPs粒徑小，半衰期長，分布廣。而dextran-SPIO-NPs由于粒徑較大，易被網狀內皮系統攝取，在含枯否豐富的血管網狀內皮系統如肝、脾等組織普魯士藍染色深于OCMCS-USPIO-NPs，其結果與原子分光光度法測定組織內鐵含量測定結果一致也與我們前期體外抗吞噬細胞吞噬結果相一致[6]。

圖3 空白組、dextran-SPIO-NPs組、OCMCS-USPIO-NPs組和dextran-SP10-NPs組大鼠的心、肝、脾、肺和腎的普魯士藍染色圖(200×，標尺為5 μm) 1～5-空白組的心、肝、脾、肺和腎；6～10-dextran-SPIO-NPs組的各臟器；11～15-OCMCS-USPIO-NPs組的各臟器Fig 3 Prussian blue staining of SD rats’ heart, liver, spleen, lung and kidney in control, dextran-SPIO-NPs, OCMCS-USPIO-NPs and dextran-SP10-NPs groups 1-5-heart, liver, spleen, lung and kidney of control group; 6-10-the same organs of dextran-SPIO-NPs group; 11-15-the same organs of OCMCSUSPIO-NPs group(200×, the scale bars are 5 μm)

4 討論

由圖1可知，基礎血漿鐵濃度(空白組血漿鐵濃度)隨時間變化而波動，1 h時基礎鐵濃度出現釋放峰，之后緩慢下降，4 h以后在5 mg·L-1左右波動，24 h時恢復初始水平。6只空白鼠基礎血漿鐵濃度各時間點間具有顯著性差異(P＜0.05)，說明空白基底隨時間變化存在波動。動物體內本身含有鐵，自體對鐵的調節以及個體差異、飲水對鐵的補充都會影響藥動學特征。從實驗結果可知，大鼠基礎血漿濃度1 h有釋放峰，這可能是由于失血過多引起的體內鐵調節：機體調動了儲備的鐵，造成了暫時的鐵濃度激增。為了消除自體鐵濃度的波動，測定血漿中鐵含量采用空白鼠(注射了生理鹽水的大鼠)在每個時間點與實驗鼠同步采血，用同一時間點的實驗鼠血鐵濃度減去空白鼠血鐵濃度的方法，將因本底波動帶來的血漿鐵濃度波動扣除。消除本底的干擾后，藥時曲線仍具有一定的趨勢，從圖1可以看出，低濃度組2種納米粒的藥時曲線變化與鐵本底的波動接近，由藥動學數據的統計結果可知：相對于dextran-SPIO-NPs (t1/2=2.2 h)，無論是高濃度還是低濃度組，OCMCSUSPIO-NPs表現出長循環的特征，半衰期(t1/2)顯著延長(P＜0.05)，藥時曲線下面積(AUC)顯著性增加(P＜0.05)，體內滯留時間(MRT)顯著性延長，這可能是dextran-SPIO-NPs粒徑＞100 nm，進入體內后迅速被肝、脾吞噬，體內半衰期短和AUC小，而粒徑＜50 nm的OCMCS-USPIO- NPs部分逃避了肝、脾的吞噬，在血液中維持了較長的時間和較高的濃度，因此半衰期延長，肝、脾等網狀內皮系統普魯士藍顏色變淺，可通過被動靶向機制，實現腫瘤淋巴造影，該結果與文獻報道一致[3]。

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Pharmacokinetics, Tissue Distribution of O-Carboxymethyl Chitosans Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles in Rats

FAN Caixia1, CHEN Zhixi1, GAO Wenhui2, LAI Shuizhao1, ZHENG Jinkun1
(1.Affiliated Yuebei People’s Hospital, Shantou University, Medical College, Shaoguan 512026, China; 2.Affiliated Cancer Hospital of Guangzhou Medical College, Guangzhou 510005, China)

OBJECTIVE To study pharmacokinetics features and tissue distribution of OCMCS-USPIO-NPs in SD rats in vivo to provide evidence for their clinical use in future. METHODS SD rats were divided into three groups: blank group, OCMCMS-USPIO-NPs group and dextran-SPIO-NPs group, then iron content in plasma and different tissue including heart, liver, spleen, lung and kidney were determined by atomic absorption spectroscopy. The iron concentration-time in plasma and tissues was drawn. The plasma concentration-time data of iron were analyzed by DAS 2.1.1 statistical software and the main pharmacokinetics parameters was caculated. Statistics analysis combined with Prussian blue staining were used to demonstrate OCMCS-USPIO-NPs and dextran-SPIO-NPs tissue distribution difference in rats. RESULTS There was significant difference between OCMCS-USPIO-NPs group and dextran-SPIO-NPs group in the main pharmacokinetics parameters of iron, including AUC, MRT, t1/2, CL, V2(P＜0.05), the t1/2in OCMCS-USPIO-NPs group were longer than 7 h in high or low dose group. Compared with dextran-SPIO-NPs group, not only statistical analysis but also Prussian blue staining results indicated the iron content in liver, spleen and lung in OCMCS-USPIO-NPs group were significant lower than dextran-SPIO-NPs. CONCLUSION OCMCS-USPIO-NPs can escape the RES capture to gain longer-circulation time.

ultrasmall superparamagnetic iron oxide nanoparticles; atomic absorption spectroscopy; pharmacokinetics; tissue distribution

R969.1

A

1007-7693(2013)10-1088-07

2012-12-14

廣東省自然科學基金博士啟動項目(S2011040003279)；韶關市科學計劃項目[韶科(衛)2011-20]；韶關市衛生局項目(Y11029)

范彩霞，女，博士，主管藥師 Tel: (0751)8101272 E-mail: mydream0509@qq.com