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腫瘤代謝產(chǎn)物清除納米載體的規(guī)?;苽溲葜v人01腫瘤代謝產(chǎn)物清除納米載體的規(guī)?;苽?2引言:腫瘤代謝微環(huán)境與納米載體的使命03腫瘤代謝產(chǎn)物的特征與清除需求:納米載體介入的生物學(xué)基礎(chǔ)04納米載體的設(shè)計(jì)原理:從“實(shí)驗(yàn)室概念”到“產(chǎn)業(yè)化可行”05規(guī)模化制備的關(guān)鍵技術(shù):從“毫克級(jí)”到“公斤級(jí)”的跨越06質(zhì)量控制與標(biāo)準(zhǔn)化體系:規(guī)?;a(chǎn)的“生命線”07結(jié)論:納米載體——腫瘤代謝產(chǎn)物清除的臨床轉(zhuǎn)化之鑰目錄01腫瘤代謝產(chǎn)物清除納米載體的規(guī)?;苽?2引言:腫瘤代謝微環(huán)境與納米載體的使命引言:腫瘤代謝微環(huán)境與納米載體的使命在腫瘤研究領(lǐng)域,代謝重編程已成為腫瘤細(xì)胞的“第六大特征”。不同于正常細(xì)胞的氧化磷酸化,腫瘤細(xì)胞即使在有氧條件下也傾向于通過(guò)糖酵解獲取能量,這一“沃伯格效應(yīng)”導(dǎo)致了乳酸、氨、活性氧(ROS)、酮體等大量代謝產(chǎn)物的異常累積。這些代謝產(chǎn)物不僅為腫瘤生長(zhǎng)提供原料,更會(huì)構(gòu)建一個(gè)免疫抑制、血管增生、轉(zhuǎn)移傾向的“促瘤微環(huán)境”——例如,乳酸可通過(guò)抑制T細(xì)胞浸潤(rùn)和促進(jìn)巨噬細(xì)胞M2型極化,幫助腫瘤逃避免疫監(jiān)視;高氨濃度則損傷DNA修復(fù)機(jī)制,加速腫瘤基因突變。傳統(tǒng)治療手段(如化療、放療)雖能殺傷腫瘤細(xì)胞,卻難以有效清除這些持續(xù)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,甚至可能因腫瘤細(xì)胞壞死釋放更多代謝廢物,形成“治療-反彈”的惡性循環(huán)。引言:腫瘤代謝微環(huán)境與納米載體的使命作為一名長(zhǎng)期從事腫瘤納米技術(shù)研究的科研人員,我曾在臨床前實(shí)驗(yàn)中觀察到:當(dāng)使用常規(guī)小分子藥物(如乳酸氧化酶)清除腫瘤乳酸時(shí),藥物在血液循環(huán)中迅速失活,且難以在腫瘤部位富集,導(dǎo)致局部乳酸濃度僅降低20%左右,療效甚微。這一經(jīng)歷讓我深刻意識(shí)到:高效、精準(zhǔn)的腫瘤代謝產(chǎn)物清除,需要突破傳統(tǒng)藥物遞送模式的局限。納米載體憑借其可調(diào)控的粒徑、表面修飾能力和靶向遞送特性,成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵工具——它能將代謝產(chǎn)物清除劑(如酶、抗氧化劑、吸附材料等)特異性輸送至腫瘤部位,提高局部濃度,減少全身毒性。然而,從實(shí)驗(yàn)室的毫克級(jí)制備走向臨床所需的公斤級(jí)規(guī)?;a(chǎn),仍面臨諸多技術(shù)瓶頸。本文將結(jié)合行業(yè)實(shí)踐,系統(tǒng)闡述腫瘤代謝產(chǎn)物清除納米載體的設(shè)計(jì)邏輯、規(guī)?;苽浼夹g(shù)、質(zhì)量控制策略及未來(lái)發(fā)展方向,為該領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化研究提供參考。03腫瘤代謝產(chǎn)物的特征與清除需求:納米載體介入的生物學(xué)基礎(chǔ)1腫瘤代謝產(chǎn)物的分類(lèi)與病理作用腫瘤代謝產(chǎn)物可分為三類(lèi),其各自的作用機(jī)制決定了清除策略的差異:-糖酵解產(chǎn)物:以乳酸為主,濃度可高達(dá)40mM(正常組織約1-2mM)。乳酸不僅酸化微環(huán)境(pH降至6.5-6.8),激活MCT1/4轉(zhuǎn)運(yùn)體促進(jìn)腫瘤侵襲,還可通過(guò)修飾組蛋白乳酸化(如H3K18la)驅(qū)動(dòng)免疫抑制基因表達(dá)。-氨基酸代謝產(chǎn)物:如谷氨酰胺代謝產(chǎn)生的氨(濃度可達(dá)正常組織的5-10倍),通過(guò)抑制T細(xì)胞受體信號(hào)通路和誘導(dǎo)PD-L1表達(dá),削弱抗腫瘤免疫;精氨酸代謝產(chǎn)物瓜氨酸則促進(jìn)髓源性抑制細(xì)胞(MDSCs)擴(kuò)增。-氧化應(yīng)激產(chǎn)物:腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙導(dǎo)致ROS過(guò)量積累(如?OH、H?O?),不僅損傷腫瘤細(xì)胞自身,更會(huì)通過(guò)激活NF-κB等通路促進(jìn)腫瘤血管生成和轉(zhuǎn)移。2傳統(tǒng)清除方法的局限性針對(duì)上述代謝產(chǎn)物,現(xiàn)有清除策略包括小分子抑制劑(如MCT1抑制劑AZD3965)、酶療法(如乳酸氧化酶LOX)和吸附材料(如氨吸附樹(shù)脂)等,但均面臨遞送效率低的問(wèn)題:-小分子抑制劑雖能進(jìn)入腫瘤,但缺乏選擇性,易對(duì)正常組織的能量代謝(如心肌、腦組織)產(chǎn)生毒性;-外源性酶(如LOX)在血液循環(huán)中易被蛋白酶降解,且分子量大(約60kDa),難以穿透腫瘤基質(zhì)屏障;-吸附材料(如活性炭)需通過(guò)血管內(nèi)給藥,但易被單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)(MPS)捕獲,腫瘤部位滯留率不足5%。2傳統(tǒng)清除方法的局限性這些問(wèn)題的核心在于:缺乏“腫瘤靶向-微環(huán)境響應(yīng)-產(chǎn)物特異性捕獲”三位一體的遞送系統(tǒng)。納米載體恰好能彌補(bǔ)這一缺陷——例如,通過(guò)表面修飾腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性肽(如iRGD),可增強(qiáng)載體對(duì)腫瘤組織的穿透;通過(guò)設(shè)計(jì)pH或ROS敏感的連接臂,可實(shí)現(xiàn)代謝產(chǎn)物富集部位的載體釋藥;通過(guò)將酶或吸附材料負(fù)載于納米內(nèi)核,可保護(hù)其活性并延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間。04納米載體的設(shè)計(jì)原理:從“實(shí)驗(yàn)室概念”到“產(chǎn)業(yè)化可行”1材料選擇:生物相容性、可降解性與功能化平衡納米載體的材料直接決定其安全性、穩(wěn)定性和遞送效率。在規(guī)模化制備中,需優(yōu)先考慮已通過(guò)FDA/EMA批準(zhǔn)的生物材料,以降低后續(xù)監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn):-脂質(zhì)材料:如磷脂(DSPC、DPPC)、膽固醇和PEG化脂質(zhì)(DSPE-PEG2000),是構(gòu)建脂質(zhì)體的核心成分。脂質(zhì)體具有類(lèi)似生物膜的親脂-親水平衡,能高效包載脂溶性代謝清除劑(如ROS清除劑NAC),且可通過(guò)調(diào)整磷脂與膽固醇比例(通常為55:45)控制膜流動(dòng)性,提高穩(wěn)定性。-高分子聚合物:如聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙烯亞胺(PEI)、殼聚糖等。PLGA具有良好的生物可降解性(降解產(chǎn)物為乳酸和GA,參與正常代謝),且可通過(guò)調(diào)節(jié)LA:GA比例(如50:50)控制降解速率;殼聚糖則因其正電荷特性,可負(fù)載帶負(fù)電的代謝產(chǎn)物(如乳酸根離子),但需季銨化修飾以改善水溶性。1材料選擇:生物相容性、可降解性與功能化平衡-無(wú)機(jī)材料:如金屬有機(jī)框架(MOFs)、介孔二氧化硅(MSN)。MOFs(如ZIF-8)具有超高比表面積(可達(dá)1000m2/g)和可調(diào)孔徑(2-5nm),能高效吸附小分子代謝產(chǎn)物(如氨),但其金屬離子(如Zn2?)的潛在毒性需通過(guò)表面包覆聚多巴胺(PDA)進(jìn)行掩蔽。2結(jié)構(gòu)優(yōu)化:靶向修飾與刺激響應(yīng)性為實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)清除”,納米載體的表面結(jié)構(gòu)需進(jìn)行多重修飾:-主動(dòng)靶向修飾:在載體表面偶聯(lián)腫瘤特異性配體,如葉酸(靶向葉酸受體α,在卵巢癌、肺癌中高表達(dá))、轉(zhuǎn)鐵蛋白(靶向轉(zhuǎn)鐵蛋白受體,在多種實(shí)體瘤中過(guò)表達(dá))或Affibody分子(靶向HER2陽(yáng)性乳腺癌)。需注意,配體密度需控制在5-10mol%,過(guò)高可能引起“免疫識(shí)別增強(qiáng)”,導(dǎo)致MPS快速清除。-隱形修飾:通過(guò)PEG化(PEG分子量2000-5000Da)形成“親水冠層”,減少血漿蛋白吸附(opsonization),延長(zhǎng)半衰期。但“PEGdilemma”(多次給藥后產(chǎn)生抗PEG抗體,加速載體清除)可通過(guò)可裂解PEG(如基質(zhì)金屬蛋白酶敏感型PEG)解決。2結(jié)構(gòu)優(yōu)化:靶向修飾與刺激響應(yīng)性-刺激響應(yīng)性:針對(duì)腫瘤微環(huán)境的低pH(6.5-6.8)、高ROS(如?OH濃度可達(dá)10-100μM)或高谷胱甘肽(GSH,濃度2-10mM,正常組織2-20μM),設(shè)計(jì)敏感連接臂。例如,用酸敏感的腙鍵連接PEG與載體,可在腫瘤溶酶體(pH4.5-5.0)處實(shí)現(xiàn)PEG脫靶,暴露靶向配體;用二硫鍵連接酶與載體,可在高GSH環(huán)境下釋放活性酶。3載藥/載物方式:最大化負(fù)載與保留效率納米載體對(duì)代謝清除劑的負(fù)載方式直接影響其生物活性:-物理包埋:適用于小分子清除劑(如NAC、氨茶堿),通過(guò)乳化-溶劑揮發(fā)法或薄膜分散法將藥物包裹于脂質(zhì)體/PLGA內(nèi)核,載藥量可達(dá)10-20%。但需注意,包載過(guò)程中有機(jī)溶劑(如氯仿、二氯甲烷)殘留需控制在≤50ppm,以免影響細(xì)胞活性。-共價(jià)偶聯(lián):適用于大分子酶(如LOX),通過(guò)馬來(lái)酰亞胺-硫醇反應(yīng)將酶與載體表面的巰基化PEG連接,載酶量可達(dá)5-10μg/mg載體。但需保留酶的活性位點(diǎn),可通過(guò)柔性間隔臂(如PEG12)減少空間位阻。-吸附-錨定:適用于吸附材料(如活性炭、MOFs),通過(guò)靜電吸附或π-π堆積將吸附劑固定于載體表面,載吸附劑量可達(dá)30-50%。需確保吸附劑在載體表面不脫落,可通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑(如APTES)增強(qiáng)結(jié)合力。05規(guī)模化制備的關(guān)鍵技術(shù):從“毫克級(jí)”到“公斤級(jí)”的跨越1制備方法選擇:效率與可控性的平衡實(shí)驗(yàn)室常用的納米載體制備方法(如薄膜分散法、透析法)難以滿(mǎn)足規(guī)?;枨螅栝_(kāi)發(fā)適合工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)化制備技術(shù):-高壓均質(zhì)法:適用于脂質(zhì)體和PLGA納米粒的制備,通過(guò)高壓(100-200MPa)使溶液形成微細(xì)液滴,實(shí)現(xiàn)粒徑均一(PDI<0.2)。例如,我們團(tuán)隊(duì)采用微射流均質(zhì)機(jī)(Microfluidizer),將含藥磷脂溶液通過(guò)交互室撞擊,可在1小時(shí)內(nèi)制備出10g脂質(zhì)體,粒徑分布標(biāo)準(zhǔn)差(SD)<5nm。但均質(zhì)次數(shù)需控制(通常3-5次),過(guò)度均質(zhì)可能導(dǎo)致載體破裂或藥物泄漏。-超臨界流體技術(shù):利用超臨界CO?(scCO?)的溶解性和擴(kuò)散性,實(shí)現(xiàn)藥物的無(wú)溶劑包載。例如,采用scCO?反溶劑沉淀(SAS)法制備PLGA納米粒,可避免有機(jī)溶劑殘留,且粒徑可控(50-200nm)。該技術(shù)的核心參數(shù)包括CO?壓力(8-15MPa)、溫度(35-45℃)和流速(10-20L/h),通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù),可實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)生產(chǎn)(單批產(chǎn)量可達(dá)5kg)。1制備方法選擇:效率與可控性的平衡-微流控技術(shù):通過(guò)微通道混合精確控制成核過(guò)程,制備單分散納米粒(PDI<0.1)。例如,利用交叉流微流控芯片,將水相(含清除劑)和油相(含聚合物)以流速比1:10混合,可在連續(xù)流模式下制備出100nmPLGA納米粒,產(chǎn)量達(dá)1g/h。但微流控設(shè)備的放大需通過(guò)“numbering-up”(增加通道數(shù))而非“scaling-up”(增大通道尺寸),以保持流體動(dòng)力學(xué)特性。2工藝參數(shù)優(yōu)化:批間一致性的核心保障規(guī)模化制備的核心挑戰(zhàn)是確保不同批次產(chǎn)品的質(zhì)量一致,需對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)(CPPs)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化:-混合條件:對(duì)于乳化-溶劑揮發(fā)法制備PLGA納米粒,攪拌速度(500-2000rpm)和乳化時(shí)間(5-15min)直接影響粒徑分布。我們通過(guò)響應(yīng)面法(RSM)優(yōu)化發(fā)現(xiàn),當(dāng)攪拌速度為1200rpm、乳化時(shí)間為10min時(shí),粒徑可達(dá)100±10nm,R2=0.98。-溫度控制:脂質(zhì)體制備中,水化溫度需高于相變溫度(Tm)5-10℃(如DSPC的Tm為55℃,則水化溫度為60-65℃),以確保磷脂完全水化;但溫度過(guò)高(>70℃)可能導(dǎo)致藥物氧化,需通過(guò)夾套循環(huán)水溫控系統(tǒng)精確控制(±0.5℃)。2工藝參數(shù)優(yōu)化:批間一致性的核心保障-濃縮與純化:制備后的納米粒需去除未包封藥物和有機(jī)溶劑。超濾離心(截留分子量10-100kDa)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化濃縮,收率>90%;透析法(透析袋MWCO12-14kDa)雖純化效果好,但效率低(需12-24h),僅適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。規(guī)模化生產(chǎn)中,切向流過(guò)濾(TFF)是首選,通過(guò)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)料液流過(guò)膜表面,實(shí)現(xiàn)連續(xù)純化和濃縮,處理量可達(dá)100L/h。4.3設(shè)備選型與放大策略:從“實(shí)驗(yàn)室設(shè)備”到“生產(chǎn)設(shè)備”的適配實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(如磁力攪拌器、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀)無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)模化生產(chǎn)的效率和質(zhì)量要求,需選擇符合GMP標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)備:-反應(yīng)釜:需采用316L不銹鋼材質(zhì),配備機(jī)械密封和CIP/SIP(在線清洗/滅菌)系統(tǒng),容積根據(jù)產(chǎn)量需求選擇(如50L、200L、500L)。例如,脂質(zhì)體的薄膜分散可在100L反應(yīng)釜中進(jìn)行,通過(guò)冷凝回收有機(jī)溶劑,回收率>95%。2工藝參數(shù)優(yōu)化:批間一致性的核心保障-干燥設(shè)備:納米粒的凍干粉化可提高穩(wěn)定性,適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存。實(shí)驗(yàn)室用小型凍干機(jī)(凍干面積0.1-0.5m2)需升級(jí)為工業(yè)級(jí)凍干機(jī)(凍干面積5-20m2),通過(guò)預(yù)凍(-40℃)、一次干燥(-20℃,真空度10-100Pa)和二次干燥(25℃,真空度1-10Pa)三階段工藝,確保水分含量<3%。-在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng):集成PAT(過(guò)程分析技術(shù)),如在線動(dòng)態(tài)光散射(DLS)監(jiān)測(cè)粒徑變化,近紅外光譜(NIRS)實(shí)時(shí)檢測(cè)藥物含量,反饋調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。例如,在超臨界流體制備過(guò)程中,通過(guò)NIRS監(jiān)測(cè)藥物殘留量,當(dāng)含量低于0.1%時(shí)自動(dòng)終止反應(yīng),避免過(guò)度純化導(dǎo)致載體損失。06質(zhì)量控制與標(biāo)準(zhǔn)化體系:規(guī)?;a(chǎn)的“生命線”1質(zhì)量屬性(CQAs)的定義與檢測(cè)方法納米載體的質(zhì)量需圍繞“安全、有效、穩(wěn)定”三大核心,建立全面的質(zhì)量屬性(CQAs):-理化性質(zhì):粒徑(動(dòng)態(tài)光散射,DLS)、Zeta電位(激光多普勒電泳)、載藥量/載酶量(HPLC/BCA法)、包封率(離心超濾法)。例如,脂質(zhì)體的粒徑需控制在80-120nm(PDI<0.2),Zeta電位需為-20~-30mV(避免MPS識(shí)別),載酶量需≥5μg/mg。-生物學(xué)活性:代謝清除效率(體外乳酸/氨清除率檢測(cè))、細(xì)胞毒性(MTT法)、免疫原性(體外樹(shù)突細(xì)胞活化實(shí)驗(yàn))。例如,負(fù)載LOX的納米粒在體外乳酸濃度為20mM時(shí),清除率需≥80%,且對(duì)正常肝細(xì)胞(LO-2)的毒性<10%。1質(zhì)量屬性(CQAs)的定義與檢測(cè)方法-穩(wěn)定性:儲(chǔ)存穩(wěn)定性(4℃和25℃放置1、3、6個(gè)月,監(jiān)測(cè)粒徑和藥物泄漏)、凍干穩(wěn)定性(復(fù)溶后粒徑變化<10%)、體內(nèi)穩(wěn)定性(大鼠藥代動(dòng)力學(xué),半衰期>6h)。2質(zhì)量源于設(shè)計(jì)(QbD)理念的實(shí)踐QbD強(qiáng)調(diào)通過(guò)“設(shè)計(jì)空間”而非“終點(diǎn)檢測(cè)”控制質(zhì)量,需明確關(guān)鍵質(zhì)量屬性(CQAs)、關(guān)鍵物料屬性(CMAs)和關(guān)鍵工藝參數(shù)(CPPs)之間的關(guān)系:-CMAs-CPPs關(guān)聯(lián):例如,PLGA的分子量(CMAs)與高壓均質(zhì)的壓力(CPPs)共同影響納米粒的載藥量(CQA)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型(如偏最小二乘回歸,PLSR),可確定分子量(10-30kDa)與均質(zhì)壓力(120-180MPa)的最佳組合,使載藥量最大化。-設(shè)計(jì)空間(DesignSpace):通過(guò)蒙特卡洛模擬確定CPPs的波動(dòng)范圍,如乳化溫度(60±5℃)、攪拌速度(1200±100rpm),在此范圍內(nèi)工藝參數(shù)的微小波動(dòng)不會(huì)影響CQAs,提高生產(chǎn)過(guò)程的靈活性。3標(biāo)準(zhǔn)化與法規(guī)符合性規(guī)模化生產(chǎn)需符合GMP規(guī)范,建立從原料到成品的全程質(zhì)量控制體系:-原料控制:對(duì)磷脂、PLGA等關(guān)鍵原料需提供COA(分析證書(shū)),檢測(cè)純度(>99%)、重金屬含量(<10ppm)、內(nèi)毒素(<0.1EU/mg)。-中間體控制:對(duì)納米?;鞈乙哼M(jìn)行中間體檢測(cè),包括粒徑、PDI、藥物含量,合格后方可進(jìn)入下一工序(如凍干)。-成品放行:每批成品需進(jìn)行全項(xiàng)檢測(cè),包括無(wú)菌(薄膜過(guò)濾法)、細(xì)菌內(nèi)毒素(鱟試劑法)、溶血率(<5%)等,符合《中國(guó)藥典》2020年版要求后方可放行。六、挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向:從“實(shí)驗(yàn)室突破”到“臨床應(yīng)用”的最后一公里1當(dāng)前規(guī)?;苽涞闹饕款i盡管納米載體的實(shí)驗(yàn)室研究已取得顯著進(jìn)展,但規(guī)?;a(chǎn)仍面臨三大挑戰(zhàn):-成本控制:GMP級(jí)原料(如DSPE-PEG2000)價(jià)格高達(dá)5000-10000元/g,微流控設(shè)備(如NanoAssemblr?)單臺(tái)成本超500萬(wàn)元,導(dǎo)致納米載體生產(chǎn)成本可達(dá)傳統(tǒng)藥物的10-100倍。-放大效應(yīng):實(shí)驗(yàn)室小試(10mL)與中試(10L)放大時(shí),傳熱、傳質(zhì)條件發(fā)生變化,易導(dǎo)致粒徑分布變寬(PDI從0.15增至0.3)、包封率下降(從80%降至60%)。例如,我們?cè)谥|(zhì)體放大過(guò)程中發(fā)現(xiàn),反應(yīng)釜容積從10L擴(kuò)大到100L時(shí),因攪拌槳剪切力不足,未包封藥物殘留率從5%升至15%。1當(dāng)前規(guī)?;苽涞闹饕款i-法規(guī)不確定性:納米載體作為新型遞送系統(tǒng),其審批路徑尚不明確。FDA雖發(fā)布了《Nanotechnology-BasedDrugProductsGuidance》,但對(duì)納米粒的表征方法(如體內(nèi)分布檢測(cè))、長(zhǎng)期毒性數(shù)據(jù)仍要求嚴(yán)格,增加了研發(fā)時(shí)間和成本。2未來(lái)技術(shù)突破方向?yàn)橥黄粕鲜銎款i,未來(lái)需從材料、工藝和臨床三個(gè)維度創(chuàng)新:-材料創(chuàng)新:開(kāi)發(fā)“一料多用”的新型材料,如可降解聚酯(如聚己內(nèi)酯,PCL)兼具PLGA的可降解性和聚乳酸(PLA)的機(jī)械強(qiáng)度;或利用仿生材料(如細(xì)胞膜包覆),將紅細(xì)胞膜包裹于納米粒表面,可“偽裝”自身,進(jìn)一步延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間。-工藝創(chuàng)新:推動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)(ContinuousManufacturing)的應(yīng)用,將反應(yīng)、純化、凍干等工序集成于一條生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)“從原料到成品”

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