《Biomolecules》:Scutellaria baicalensis Georgi: A Promising Source of Bioactive Molecules for Kidney Disease Therapy
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本综述系统阐述了药用植物黄芩及其主要黄酮类成分(如黄芩素、汉黄芩素等)在急性肾损伤(AKI)和慢性肾脏病(CKD)中的肾脏保护作用与机制。文章指出,这些活性成分通过多靶点协同作用,调控氧化应激(Nrf2/HO-1通路)、炎症反应(NF-κB、MAPK通路)、细胞凋亡(Bcl-2/Bax)、纤维化(TGF-β/Smad)等关键病理过程,展现了从天然药物中开发肾脏疾病新型治疗策略的巨大潜力。
摘要
肾脏疾病的发病率因现代生活方式和生态环境的改变而不断上升。肾脏疾病的进展以持续的肾脏损伤和肾功能逐渐下降为特征,最终导致终末期肾病。现有药物的局限性给患者带来了许多不利影响。因此,识别生物活性分子已成为开发肾脏疾病新疗法的关键策略,尤其是那些源自天然药物资源的分子。本综述基于从Web of Science、PubMed和CNKI等多个数据库检索到的证据,对药用植物黄芩的肾脏保护作用及其潜在机制进行了全面分析。黄芩中的黄酮类化合物已被证明通过减轻炎症和氧化应激、抑制细胞凋亡、减少肾纤维化等途径具有良好的肾脏保护特性。黄芩素、汉黄芩素、黄芩苷和汉黄芩苷被认为是黄芩肾脏保护作用的主要生物活性成分。对源自黄芩的候选分子进行进一步研究,为开发针对肾脏疾病的新型治疗剂代表了一种有前景的策略。
1. 引言
肾脏疾病已成为一个重大的全球公共卫生挑战,临床上主要分为两类:急性肾损伤(AKI)和慢性肾脏病(CKD)。根据世界卫生组织的报告,AKI年发病率超过每百万人2000例,严重病例死亡率高达50%至80%。同时,CKD以肾功能进行性下降为特征,估计影响全球8.5亿人,约占全球人口的11%。由于人口老龄化、代谢性疾病(包括糖尿病和肥胖症)患病率增加以及心血管疾病相关合并症不断升级,肾脏疾病的流行病学负担正在上升。这些汇聚的健康挑战凸显了加强预防策略和优化疾病管理方案的紧迫性。
当前肾脏疾病的临床管理主要依赖于药物治疗、营养支持疗法(如低蛋白饮食和限制盐、钾、磷摄入)、肾脏替代疗法、中药辅助治疗和生活方式干预。在这些方式中,药物治疗仍然是治疗的基石,包括使用肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂控制高血压和蛋白尿,使用免疫抑制剂治疗自身免疫性肾病,以及使用糖皮质激素调节免疫反应。虽然这些方法在延缓疾病进展方面显示出部分疗效,但它们伴随着显著的局限性和不良反应。首先,缺乏特异性的靶向治疗导致支持性治疗成为主要策略。其次,大多数干预措施主要侧重于延缓而非逆转疾病进展。第三,许多治疗与不良反应相关,例如肾素-血管紧张素系统抑制剂引起的高钾血症、与免疫抑制相关的机会性感染、代谢紊乱以及肝毒性和肾毒性。因此,迫切需要开发新型肾脏保护药物,这些药物应整合多通路协同调节,同时确保安全性。
长期的临床实践和实验研究已证实,源自药用植物的生物活性分子及其合成或半合成衍生物,是设计靶向特异性疗法的必需先导化合物。著名的例子包括天然抗癌药物紫杉醇(来自红豆杉属)、长春新碱和长春碱(来自长春花)以及喜树碱(来自喜树)及其半合成衍生物伊立替康;海洋来源的抗肿瘤药物曲贝替定(来自海鞘);以及抗疟药青蒿素(来自黄花蒿)。这些先例强调,药用植物是开发针对肾脏疾病疗法的重要资源。黄芩是唇形科多年生草本植物黄芩的干燥根,在中医临床实践中常用,首次系统记载于《神农本草经》,记载其具有“清热燥湿、泻火解毒”的功效。大量药理学研究逐渐阐明,黄芩的肾脏保护作用与其丰富的天然黄酮类化合物密切相关,尤其是黄芩素、黄芩苷、汉黄芩素和汉黄芩苷。这些天然黄酮类化合物具有独特的化学结构,其特征是邻苯二酚羟基和C环不饱和酮,这有助于抗氧化特性并促进电子转移能力。因此,它们在调节氧化还原平衡、炎症反应和细胞凋亡中起着关键作用。这为基于黄芩活性成分开发针对肾脏疾病的治疗策略提供了科学基础。
本综述系统检索了Web of Science、PubMed和CNKI。经过全文筛选,排除以下研究:(i)缺乏主题相关性,(ii)过时或冗余,或(iii)设计有缺陷或数据集不完整。我们批判性地评估了黄芩的肾脏保护潜力,重点关注生物活性成分黄芩素、汉黄芩素和黄芩苷,并阐明了它们在肾脏保护中的药理学机制,包括抗氧化作用、抗炎途径、凋亡调节和纤维化缓解。综合证据为黄芩介导的肾脏疾病干预提供了机制性见解,同时突出了其治疗前景。这项工作为推进黄芩来源疗法的转化研究奠定了基础,并支持开发用于肾脏疾病的标准化植物药物。
2. 黄芩肾脏保护作用的主要成分
肾脏是负责通过尿液排泄废物的重要器官,通过肾小球滤过、肾小管重吸收和内分泌分泌的协调过程,在维持体内平衡和清除代谢废物方面起着关键作用。肾脏疾病可分为两种不同的形式,即AKI和CKD,每种都涉及复杂的病理生理机制。AKI是一种以肾功能迅速下降为特征的临床综合征,根据病因作用部位的不同可分为三类:肾前性、肾性和肾后性。肾前性AKI主要由肾灌注不足引起,通常由低血容量(如创伤性出血、手术失血、严重腹泻或烧伤)、心输出量减少(如失血性休克)、肾血管收缩或肾动脉机械性阻塞等病症引发。肾性AKI涉及直接的实质损伤,常由肾毒性物质(如造影剂或氨基糖苷类)、重金属暴露或影响肾小球或肾小管间质组织的结构病变引起。肾后性AKI通常由尿路梗阻引起,常见原因包括尿石症、肿瘤性肿块和良性前列腺增生。
相比之下,CKD的发病机制主要与持续的代谢紊乱和全身性疾病有关。CKD的主要诱因包括糖尿病肾病、高血压肾病、自身免疫性肾病(如狼疮性肾炎)、高尿酸血症(HUA)和药物性肾毒性。此外,遗传异常如多囊肾病和Alport综合征是CKD发展的重要病因因素。
流行病学证据表明AKI和CKD之间存在双向相互转化。持续超过三个月的长期AKI通常通过适应不良的修复机制进展为CKD。相反,已有CKD的患者易因感染或出血等急性诱因而导致肾功能迅速恶化,表现为叠加的AKI,从而加速向终末期肾病(ESRD)的进展。这种相互关系使这两种情况成为向ESRD进展的关键决定因素。鉴于肾脏疾病固有的多维病理网络特征,表现出多靶点干预特性的天然药物具有独特的优势。
肾脏疾病由多维病理网络协调,临床传统上使用肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制剂、免疫抑制剂和皮质类固醇的经验组合来延缓进展,而临床前研究主要追求“多靶点”干预。这些非特异性策略常常破坏生理稳态并表现出难以预测的剂量-反应关系。因此,治疗开发正在向精准范式转变,该范式整合了(i)关键信号节点的分子靶向调节,(ii)细胞类型限制性干预,以及(iii)根据疾病阶段对靶点进行时空调整。新兴的“成分-靶点”特异性框架为复杂疾病提供了新的路线图,它将靶点反卷积技术、配体优化、靶向递送系统和个体化方案相结合,将传统的多靶点方法转化为精确的、靶向导向的控制。药用植物具有广泛的化学多样性,是识别肾脏特异性靶点的宝贵宝库,并有望加速这种精准策略的临床转化,为患者提供更有效、更安全的治疗选择。
黄芩作为一种天然药用植物,含有多种生物活性成分,包括黄酮类、挥发油、多糖、生物碱、萜类和微量元素。大量研究表明,黄酮类是黄芩发挥多种药理作用(包括肾脏保护)的主要成分。从黄芩中已分离出125种黄酮类化合物,包括68种游离黄酮苷元和57种黄酮苷。黄芩中的黄酮类化合物负责肾脏保护活性,尤其是黄芩素、汉黄芩素、黄芩苷和汉黄芩苷。对于这些黄酮类化合物,苷元如黄芩素和汉黄芩素表现出良好的亲脂性,而其相应的苷类黄芩苷和汉黄芩苷则表现出一定程度的水溶性。鉴于黄芩素、汉黄芩素、黄芩苷和汉黄芩苷都含有酚羟基,它们显示出弱酸性性质。因此,对于从黄芩中提取这些黄酮类化合物,可以采用适当浓度的乙醇溶液,或者可以使用碱溶酸沉法。
值得注意的是,黄芩黄酮类化合物的低溶解度可能导致生物利用度不理想。为了解决这个问题,采用溶剂蒸发法制备黄芩素固体分散体,表观溶解度比原料药提高了35.1倍,并在80天内保持了优异的物理化学稳定性。同时,制备了具有窄尺寸分布(平均直径约424.5 nm)的黄芩素-β-环糊精-接枝-壳聚糖纳米粒。对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度(MIC)测定显示,最低抑菌浓度降低了50%(12.5 μg·mL?1对比游离黄芩素的25 μg·mL?1),菌落计数实验证实了纳米颗粒制剂的优异杀菌效果。基于纳米技术的平台使得能够开发一系列黄芩苷纳米制剂,包括纳米颗粒、纳米脂质体和纳米乳剂,这不仅提高了黄芩苷的水溶性,还赋予了尺寸依赖性靶向能力。在一项研究中,使用硬脂酸碱金属盐作为脂质基质,通过凝聚法制备了一种负载黄芩苷的新型结晶固体脂质纳米粒系统。这些固体脂质纳米粒显著提高了黄芩苷的口服生物利用度,其浓度-时间曲线下面积和最大血浆浓度分别是游离药物的2.58倍和1.61倍。这为解决黄酮类化合物水溶性差和口服生物利用度低的问题提供了一种新策略。
3. 黄芩抗AKI的作用和机制
AKI是一种多因素临床综合征,具有复杂的病理机制,这些机制与炎症级联反应的激活、氧化应激的失衡以及各种形式的细胞死亡(包括坏死、凋亡、自噬性细胞死亡和铁死亡)密切相关。这些病理改变最终导致肾损伤和肾功能不可逆的下降。最近的研究表明,黄芩苷、黄芩素和汉黄芩素通过多靶点机制干预AKI过程。
研究阐明了黄芩苷的肾脏保护作用主要通过以下途径体现:(1)抗氧化作用。黄芩苷激活Nrf2/HO-1通路并增强miR-223-3p的表达,从而抑制TXNIP/NLRP3通路,导致丙二醛(MDA)和髓过氧化物酶的生成减少,同时增加抗氧化酶的活性,包括超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽。(2)抗炎作用。黄芩苷通过多种途径发挥抗炎作用,包括TLR2/4、Nrf2/ARE、PI3K/Akt和JAK2/STAT3,通过有效降低IL-1β和TNF-α等炎症因子水平,同时抑制NF-κB活化。(3)抗凋亡作用。黄芩苷可以调节Klotho蛋白水平以及caspase家族成员(如caspase-3和caspase-11),从而维持Bcl-2/Bax蛋白之间的平衡。此外,黄芩苷干预Ros/NLRP3/Caspase-1/Gsdmd和NLRP3/caspase-1通路,实现对细胞凋亡和焦亡的双重抑制。
研究人员还发现另一种黄酮类化合物黄芩素通过三种机制在AKI中发挥肾脏保护作用。首先,它通过抑制TNF-α和IL-1β等促炎介质的产生来缓解炎症反应;这一过程是通过双重抑制MAPK磷酸化级联和NF-κB核转位,同时调节Nrf2/HO-1通路来调控的。其次,它通过增强内源性抗氧化防御系统来减轻氧化应激损伤,有效降低ROS并减少氧化生物标志物如高级氧化蛋白产物和MDA的生成。第三,黄芩素通过协调调节Bcl-2/Bax蛋白平衡和SIRT1介导的p53去乙酰化来调节凋亡通路。有趣的是,新出现的证据揭示了黄芩素通过调节花生四烯酸12-脂氧合酶具有抗铁死亡活性。与黄芩素的多模式机制相比,汉黄芩素主要通过双重调节NF-κB和RIPK1信号轴来靶向程序性坏死。这种机制涉及同步的转录控制和翻译后修饰,以抑制肾细胞的炎症性坏死。这两种黄酮类化合物之间的靶点偏好存在差异。黄芩素主要通过调节凋亡/铁死亡来改善AKI,而汉黄芩素通过坏死途径治疗AKI;这显示了它们在管理AKI方面的互补治疗潜力。
4. 黄芩抗CKD的作用和机制
4.1. 糖尿病肾脏病(DKD)
DKD是ESRD的主要原因,其病理学与葡萄糖代谢紊乱导致的肾微血管结构和功能损伤密切相关。对于DKD患者,可以观察到其肾脏有明显的病理变化,包括肾小球基底膜增厚、细胞外基质(ECM)增殖和微血管功能受损。最近的研究表明,黄芩提取物及其生物活性成分如黄芩苷和汉黄芩素可以通过多靶点调节机制减轻DKD的进展。
黄芩苷已被证明通过靶向多种途径具有显著的抗炎和抗氧化作用。在分子水平上,黄芩苷激活Nrf2信号通路,特别是涉及Keap1/Nrf2/ARE调节,以促进抗氧化酶的表达。同时,黄芩苷抑制促炎信号通路如MAPK和SphK1/S1P/NF-κB以减轻炎症反应。此外,黄芩苷可以抑制miR-141表达以激活Sirt1/Nrf2信号轴,从而建立多通路协同网络。因此,促炎细胞因子(包括IL-1β、IL-6和TNF-α)以及氧化应激标志物(如MDA和8-羟基脱氧鸟苷)的水平可以被黄芩苷显著改变。此外,黄芩苷可以上调CAT和Mn-SOD的基因表达,同时促进叉头框O3a蛋白表达,从而有效改善受损肾组织中的氧化应激。此外,黄芩苷采用双重抑制策略干预DKD相关的病理过程。黄芩苷还可以降低PKC活性以及磷酸化连接蛋白43的表达,并减少ECM产生、TGF-β1表达、以及晚期糖基化终末产物和VEGF的产生。这种多通路协调可以通过代谢调节和血管修复有效逆转DKD相关的病理损伤。此外,黄芩苷可以通过特异性靶向FK506结合蛋白51来改善与DKD相关的脂代谢紊乱。
一些实验研究进一步阐明了黄芩素和汉黄芩素在DKD中的分子调控机制。黄芩素被证明可抑制12/15-脂氧合酶(12/15-LO)和AMPKα的活性,从而通过抑制合成代谢同时促进分解代谢途径来调节葡萄糖代谢。此外,它减弱hs-CRP/Fc-γR信号轴,并显著降低NF-κB介导的诱导型iNOS和TGF-β1的过表达,从而减轻肾脏炎症反应。汉黄芩素可以协同调节多种信号通路,包括TLR/NF-κB、PI3K/Akt/NF-κB和KLF4/NF-κB,这些通路对于调节炎症反应至关重要。它还抑制巨噬细胞信号级联DKDM3OS/KLF4,同时平衡Bcl-2介导的细胞凋亡和自噬,有效保护足细胞结构和功能。值得注意的是,汉黄芩素对TLR4-JAK/STAT/AIM2信号轴和MRP8表达的抑制作用为减轻DKD病理损伤提供了新的治疗靶点。作为黄芩中的另一种活性成分,汉黄芩苷靶向NF-κB p65-MMP28和HNF4A-NRF2信号轴,这种双重作用对DKD病理进展中的炎症反应和氧化应激具有良好的抑制作用。
4.2. 高尿酸血症
HUA是一种代谢紊乱,主要以嘌呤代谢功能障碍为特征,导致尿酸过度产生和其排泄受损之间的失衡。值得注意的是,约90%的临床病例归因于尿酸排泄功能受损。在这种病理状态下,过饱和的血清尿酸可以结晶成尿酸盐晶体,沉积在肾脏中,从而诱发严重的肾脏炎症。
黄芩苷表现出多靶点抗HUA机制。首先,黄芩苷调节Pannexin-1/P2X7嘌呤能信号通路和NLRP3炎性体介导的经典焦亡通路,有效抑制尿酸盐晶体激活的肾小管上皮细胞信号转导,从而降低肾细胞焦亡水平。其次,黄芩苷竞争性结合黄嘌呤氧化酶的活性位点,阻碍 hypoxanthine/xanthine 的底物结合,显著抑制尿酸生物合成。第三,通过下调乳酸脱氢酶、一氧化氮以及促炎因子如TNF-α和IL-1β的分泌,黄芩苷协同调节氧化应激(导致ROS水平降低)和凋亡通路,从而减轻尿酸盐晶体诱导的肾小管上皮细胞损伤。此外,黄芩苷可以调节PI3K/Akt/NF-κB信号轴,通过对TLR/NLRP3/NF-κB和MAPK通路的交叉调节,实现黄嘌呤氧化酶抑制与炎症缓解和凋亡阻断的整合效应。
黄芩素被证明通过双重机制具有肾脏保护作用。首先,它直接抑制黄嘌呤氧化还原酶的活性,从而减少尿酸产生。其次,研究发现它能增强高尿酸血症模型小鼠的尿酸排泄。这种联合作用最终改变了血清尿酸水平并改善了肾功能。
4.3. 肾纤维化(RF)
RF是CKD进展至终末期的主要病理特征。这种情况以功能性肾单位丢失、成纤维细胞异常增殖和ECM过度沉积为特征。这些变化导致肾小球硬化、肾小管萎缩和间质纤维化,最终导致不可逆的肾衰竭。最近的药理学研究表明,源自黄芩的活性成分在对抗器官纤维化的多靶点治疗中表现出显著优势。黄芩的甲醇提取物已被证明可通过调节TGF-β1介导的肾成纤维细胞活化和干预氧化应激通路来发挥抗纤维化作用。此外,总苷元提取物可以下调ECM相关基因的表达,从而防止肾间质纤维化的进展。
深入的机制研究阐明,黄芩素、黄芩苷和汉黄芩素等黄酮类化合物可以通过多通路的协同效应调节RF的进展。具体而言,黄芩素对RF表现出良好的抑制作用。黄芩素被证明可通过几种信号轴抑制成纤维细胞增殖和ECM沉积,包括TGF-β/Smad、PI3K/Akt和MAPK。此外,它通过上调铁死亡相关蛋白如SLC7A11、GPX4和FTH的表达来对抗肾铁死亡。另外,黄芩素可以通过调节内质网应激相关因子(包括caspase-3/9和Bax/Bcl-2)的平衡来增强肾小管上皮细胞的存活,同时减轻间质纤维化。
根据一些研究,另一种黄酮类化合物,即黄芩苷,对RF也有明显的治疗作用。已发现黄芩苷在分子水平上通过靶向TGF-β信号通路的多个关键节点来抑制RF。它通过调节TGF-β/Smad信号轴来下调Smad3并上调Smad7表达。此外,黄芩苷通过Notch1信号通路或通过降低血浆血管紧张素II含量间接调节TGF-β1水平。此外,黄芩苷抑制肾小管上皮细胞转分化和ECM沉积,从而通过调节microRNA-124/TLR4/NF-κB信号通路和增强CPT1α介导的脂肪酸氧化来延缓肾小管纤维化的进展。对于肾小球纤维化,黄芩苷通过抑制TGF-β1表达来降低α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)水平,同时减少晚期糖基化终末产物和结缔组织生长因子的表达。这有助于改善糖尿病肾病相关的肾小球病变。此外,黄芩苷通过调节Galectin-3/Akt/GSK-3β/Snail信号通路在整体肾脏保护中表现出多靶点特性;逆转DNA高甲基化对Klotho基因的抑制作用;并显著减轻CKD模型大鼠的肾小球、肾小管和间质纤维化。改善线粒体功能的机制涉及增强CPT1α介导的脂肪酸氧化。此外,发现它通过抑制NF-κB核转位以及STAT3磷酸化过程来减轻肾间质纤维化。
此外,汉黄芩素及其苷类衍生物通过多靶点协同机制对RF表现出强大的抑制作用。主要机制涉及调节炎症相关信号通路和调节促纤维化因子。研究表明,这些化合物显著抑制TGF-β1信号通路,包括p38MAPK和Smad3分支,以及NF-κB信号通路和TLR4/MAPK轴,从而在多个炎症通路上建立协调的调节网络。在分子水平上,它们有效下调纤维化标志物如纤连蛋白、α-SMA、胶原蛋白I、E-钙粘蛋白和TGF-β1的表达,同时调节氧化应激相关酶如CAT和SOD以减轻氧化损伤。此外,这些成分抑制促炎细胞因子(包括TNF-α和IL-1β)的释放并减轻内质网应激,从而延缓肾小管上皮细胞的凋亡。这种多方面的机制不仅减少了炎症浸润,而且抑制了异常的ECM沉积。总之,这些调节作用有助于改善肾小球硬化和肾小管间质纤维化,并最终保护肾实质结构。
4.4. 肾细胞癌
肾细胞癌(RCC)是一种起源于肾小管上皮的恶性肿瘤,约占所有肾脏恶性肿瘤的90%,被认为是泌尿系统中最具侵袭性的肿瘤类型之一。当代药理学研究表明,黄芩中的物质表现出显著的抗肿瘤活性。黄芩的乙醇提取物通过诱导人肾癌细胞系Caki-1的G2/M期停滞来抑制肿瘤增殖。网络药理学分析表明,黄芩中的核心成分通过多种信号通路发挥抗RCC作用,包括PI3K-Akt、Ras、MAPK、p53、VEGF和JAK-STAT。一些研究阐明了黄酮类化合物以各种方式抑制RCC,特别是汉黄芩素。汉黄芩素被证明可通过干扰细胞周期进程、诱导DNA损伤应激反应和激活凋亡通路来抑制肿瘤生长。此外,汉黄芩素通过靶向CDK4-RB信号通路选择性诱导RCC细胞程序性死亡。这些发现为黄芩及其活性成分在肾癌治疗中的潜在应用提供了令人信服的实验证据。
5. 结论与未来展望
黄芩是一种具有丰富治疗特性的天然药用植物,拥有多种生物活性化合物,如黄酮类、萜类和多糖。值得注意的是,黄芩素、汉黄芩素等黄酮类化合物及其苷类已被证明具有显著的肾脏保护作用。对于AKI,黄芩通过多靶点协同机制发挥强大的肾脏保护作用,包括抑制MAPKs/NF-κB炎症信号通路、激活抗氧化防御系统、调节Bcl-2/Bax-SIRT1/p53凋亡通路以及抑制12-脂氧合酶介导的铁死亡。其中,铁死亡的调节为AKI治疗代表了一条新的治疗途径。在CKD中,源自黄芩的活性成分可以通过抑制TGF-β/Smad信号通路和氧化应激诱导的细胞损伤来延缓纤维化进展,从而增强肾功能。然而,目前的证据主要来自动物研究;因此,进一步的临床验证对于确认其治疗应用的转化潜力至关重要。
尽管有这些有希望的发现,当前研究领域内仍然存在几个重大挑战。
首先,目前的研究主要集中在黄酮类作为黄芩治疗肾脏疾病的生物活性成分,对其他结构多样的成分如萜类和多糖的探索不足。其次,有大量研究关注对肾小管损伤的抑制作用,但缺乏关于肾小球损伤的研究。第三,多种成分协同肾脏保护作用背后复杂的调控网络需要通过系统生物学方法进一步阐明。第四,黄芩活性成分的临床评价策略尚未建立。
为了应对这些挑战,未来的研究有必要系统地探索肾脏保护作用和潜在机制。首先,应进一步探索黄芩中其他类型化合物的肾脏保护作用,如萜类和多糖。其次,整合多组学技术,包括空间转录组学和蛋白质-蛋白质相互作用网络分析,有助于全面理解“成分-靶点-通路”调控网络机制。第三,应使用类器官和器官芯片等先进模型来提高新药研发的转化价值。此外,应特别关注创建新型纳米药物递送系统,通过制剂创新克服其生物利用度限制,提高黄芩分子的治疗效果。这些系统性和多学科的方法将有效促进黄芩在治疗肾脏疾病中的应用。