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1、 1 1 细胞表面结构、表面特性和表面活性细胞表面结构、表面特性和表面活性 一一. . 细胞表面结构细胞表面结构 生物膜的自主装在很大程度上依赖生物膜的自主装在很大程度上依赖 其构成成分其构成成分类脂和蛋白质的表面活性，类脂和蛋白质的表面活性， 特别是它们所具有的表面活性物质的特别是它们所具有的表面活性物质的 两个基本特征：两个基本特征：吸附作用和聚集作用吸附作用和聚集作用 质膜与内膜系统构成质膜与内膜系统构成细胞与细胞与环境环境、区间之间的区间之间的分隔界面或边分隔界面或边界，界，同时这些膜具有明显的表面同时这些膜具有明显的表面特性和表面活性，在膜功能上发特性和表面活性，在膜功能上发挥重要作
2、用。挥重要作用。 细胞表面是个复杂的结构体系细胞表面是个复杂的结构体系和多功能体系。和多功能体系。 从结构上分三个区：从结构上分三个区： 存在于细胞外空间的糖萼存在于细胞外空间的糖萼 脂双层脂双层 胞浆面的膜骨架复合物胞浆面的膜骨架复合物糖萼：糖萼： (1) (1) 细胞包被：细胞包被： 质膜糖蛋白或糖脂伸向胞外部质膜糖蛋白或糖脂伸向胞外部分的糖链。虽是质膜的一部分，但在分的糖链。虽是质膜的一部分，但在细胞外侧，并能用糖苷酶等将其移去细胞外侧，并能用糖苷酶等将其移去而不使质膜或细胞受到致命性损伤。而不使质膜或细胞受到致命性损伤。 （2 2）细胞外表面粘附物：）细胞外表面粘附物： 处于包被外而又
3、与包被紧密粘处于包被外而又与包被紧密粘附的胞外基质（蛋白多糖、糖蛋白）。附的胞外基质（蛋白多糖、糖蛋白）。 实际上这两层结构界限不清，用实际上这两层结构界限不清，用钌红染色时，染成一片，不易分辨，钌红染色时，染成一片，不易分辨，因此细胞膜外缘的两层复合物整体上因此细胞膜外缘的两层复合物整体上称为糖萼。称为糖萼。二二. . 细胞表面特性和表面活性细胞表面特性和表面活性 脂双层固有的特性脂双层固有的特性 生物膜所特有的表面特性与活性生物膜所特有的表面特性与活性1.1.脂双层固有的特性和活性脂双层固有的特性和活性 如表面的物理化学特性、表面张如表面的物理化学特性、表面张力、界面电动力学活性。力、界面
4、电动力学活性。 通过对人工膜模型的研究获得有通过对人工膜模型的研究获得有关数据。关数据。 表面张力是最主要的表面表面张力是最主要的表面活性，脂双层的液晶态结构的活性，脂双层的液晶态结构的表面能或表面张力是推动表面能或表面张力是推动生物生物膜的自我组装膜的自我组装、形态建成形态建成及其及其运动性的基本力量之一。运动性的基本力量之一。2.2.生物膜所特有的表面特性与活性生物膜所特有的表面特性与活性 如如: :生物膜的粘附生物膜的粘附 生物膜的选择性通透生物膜的选择性通透 特异的受体反应特异的受体反应 生物膜中的蛋白生物膜中的蛋白( (载体蛋白、通道蛋白、载体蛋白、通道蛋白、酶、受体蛋白等）酶、受体
5、蛋白等）、表面糖萼、表面糖萼、胞浆膜骨架复胞浆膜骨架复合物合物都会对生物膜所特有的表面特性与活性产都会对生物膜所特有的表面特性与活性产生影响。生影响。 在考虑膜表面特性的同时还要考在考虑膜表面特性的同时还要考虑虑膜其它特性膜其它特性以及以及细胞的生理和代谢细胞的生理和代谢调节作用。调节作用。表面电荷、脂双层厚度、糖萼厚度、压缩系数表面电荷、脂双层厚度、糖萼厚度、压缩系数2 2 细胞电泳细胞电泳1.1.质膜表面带电原因质膜表面带电原因 细胞表面存在带电基团，使其带细胞表面存在带电基团，使其带有电荷（固定的表面电荷）。大多有电荷（固定的表面电荷）。大多数动物细胞表面带有静负电荷，糖数动物细胞表面带
6、有静负电荷，糖蛋白上唾液酸的羧基是其负电荷的蛋白上唾液酸的羧基是其负电荷的主要来源。主要来源。 细胞表面的净负电荷会吸引周细胞表面的净负电荷会吸引周围介质中的正离子靠近细胞表面。围介质中的正离子靠近细胞表面。而因扩散作用，这些离子又有远离而因扩散作用，这些离子又有远离细胞表面的倾向。其结果是，离膜细胞表面的倾向。其结果是，离膜表面越远，离子浓度越稀。因此形表面越远，离子浓度越稀。因此形成一个垂直于细胞表面的电位梯度成一个垂直于细胞表面的电位梯度双电层总电位。双电层总电位。 吸附于细胞表面的正离子可分吸附于细胞表面的正离子可分为两层：为两层：（1 1） 一层为吸附层：这部分离子一层为吸附层：这部
7、分离子紧密排列在膜表面，厚度约为紧密排列在膜表面，厚度约为1nm1nm。这部分离子不易于离开细胞表面，这部分离子不易于离开细胞表面，并会随细胞而运动。并会随细胞而运动。 （2 2）其外侧的一层的正离子易于）其外侧的一层的正离子易于离开膜表面扩散，形成扩散层离开膜表面扩散，形成扩散层。 两层离子的电荷的总和等于细胞两层离子的电荷的总和等于细胞表面的静负电荷总和。从另一个角表面的静负电荷总和。从另一个角度来看，细胞表面的固定电荷与吸度来看，细胞表面的固定电荷与吸附层电荷的净电荷总和与扩散层电附层电荷的净电荷总和与扩散层电荷的性质相反，数量相等。荷的性质相反，数量相等。 在外加直流电场作用下，吸附层
8、电荷随在外加直流电场作用下，吸附层电荷随细胞一起相对于介质而运动，双电层分离，并细胞一起相对于介质而运动，双电层分离，并产生一个电位差产生一个电位差电位。电位。 电位的大小与细胞表面电荷的性质和电位的大小与细胞表面电荷的性质和数量有关，并随溶液中离子浓度的改变而改变。数量有关，并随溶液中离子浓度的改变而改变。 电位仅在外加电场作用下细胞运动时电位仅在外加电场作用下细胞运动时才能显现。才能显现。2. 2. 细胞电泳细胞电泳 给细胞悬液外加直流电场时给细胞悬液外加直流电场时, ,细胞向某一电极细胞向某一电极移动的现象称为细胞电泳。移动的现象称为细胞电泳。 （1 1）显微镜法）显微镜法 在光学显微镜
9、下观察悬浮于溶液中的细胞在外加在光学显微镜下观察悬浮于溶液中的细胞在外加电场作用下的移动。电场作用下的移动。根据有无移动判断细胞表面是否带有电荷；根据有无移动判断细胞表面是否带有电荷；根据移动的方向判断其电荷性质；根据移动的方向判断其电荷性质；根据移动的速率测定根据移动的速率测定电位和表面电荷密度；电位和表面电荷密度；（2 2）电泳光散射法）电泳光散射法 当光作用于移动粒子（细胞）时，当光作用于移动粒子（细胞）时，会发生散射，散射光的频率对入射光会发生散射，散射光的频率对入射光而言有一个小的改变，即频移。而言有一个小的改变，即频移。 只要测出频移，可计算出电泳迁只要测出频移，可计算出电泳迁移率
10、。移率。3. 3. 细胞电泳在生物医学中的应用细胞电泳在生物医学中的应用 免疫学：免疫学：（1 1）淋巴细胞的电泳行为与表面特征）淋巴细胞的电泳行为与表面特征 淋巴细胞的电泳迁移率有快慢两个峰，淋巴细胞的电泳迁移率有快慢两个峰，其中快峰的细胞具有其中快峰的细胞具有T T细胞的表面特征和生细胞的表面特征和生物学特点；而慢峰的细胞具有物学特点；而慢峰的细胞具有B B细胞的表面细胞的表面特征和生物学特点，因此可以用细胞电泳特征和生物学特点，因此可以用细胞电泳方法将方法将T T、B B两种细胞分开。两种细胞分开。 造成两类淋巴细胞电泳迁移造成两类淋巴细胞电泳迁移率差异的原因是，率差异的原因是，T T细
11、胞表面带细胞表面带有负电荷的神经氨酸比有负电荷的神经氨酸比B B细胞表细胞表面多，而带正电和的基团则少面多，而带正电和的基团则少于于B B细胞表面。细胞表面。（2 2）淋巴细胞与抗原识别反应的研究）淋巴细胞与抗原识别反应的研究 当淋巴细胞与抗原接触时，产生当淋巴细胞与抗原接触时，产生淋巴素类物质，其中有些物质可以作淋巴素类物质，其中有些物质可以作用于巨噬细胞表面并使其电泳迁移率用于巨噬细胞表面并使其电泳迁移率变慢。因此细胞电泳可作为检测淋巴变慢。因此细胞电泳可作为检测淋巴细胞免疫反应的一种简便工具，在临细胞免疫反应的一种简便工具，在临床上用本法可以预测器官移植的效果。床上用本法可以预测器官移植
12、的效果。 病理学病理学（1 1）细胞表面电荷与其生物学）细胞表面电荷与其生物学 性质的关系性质的关系 多数实验证明，癌细胞表面较正多数实验证明，癌细胞表面较正常细胞带有更多的负电荷，而且其负常细胞带有更多的负电荷，而且其负电荷的多少与癌细胞的恶性程度、转电荷的多少与癌细胞的恶性程度、转移能力等成正相关。移能力等成正相关。（2 2）细胞、血小板的表面电荷与）细胞、血小板的表面电荷与 血栓形成的关系血栓形成的关系 血栓形成中红细胞和血小板的凝集起重血栓形成中红细胞和血小板的凝集起重要作用，因而与红细胞、血小板和血管内皮要作用，因而与红细胞、血小板和血管内皮细胞表面电荷的变化有密切关系。实验表明，细
13、胞表面电荷的变化有密切关系。实验表明，这类病人的红细胞和血小板的电泳迁移率都这类病人的红细胞和血小板的电泳迁移率都比健康人要慢。这种变慢是细胞表面电荷减比健康人要慢。这种变慢是细胞表面电荷减少的结果。凡能使表面电荷减少的，例如饱少的结果。凡能使表面电荷减少的，例如饱和脂肪酸，均可减慢其电泳迁移率并促进红和脂肪酸，均可减慢其电泳迁移率并促进红细胞凝集。细胞凝集。（3 3）末梢血细胞的电泳图与血液病）末梢血细胞的电泳图与血液病 健康人末梢血细胞电泳图可看到三个峰，健康人末梢血细胞电泳图可看到三个峰，低速低速-S-S峰、中速峰、中速-F-F峰、高速峰、高速-R-R峰。分别相当于白峰。分别相当于白细胞
14、、淋巴细胞、红细胞所在的位置。在各种病细胞、淋巴细胞、红细胞所在的位置。在各种病理条件下，尤其是白细胞异常的各种疾病，电泳理条件下，尤其是白细胞异常的各种疾病，电泳图发生相应的变化。例如：淋巴细胞增多时，图发生相应的变化。例如：淋巴细胞增多时， F F峰明显高于峰明显高于S S峰，并向左右扩展。峰，并向左右扩展。 噬中性粒细胞增多时，噬中性粒细胞增多时， S S峰明显峰明显高于高于F F峰，而慢性粒细胞白血病时电峰，而慢性粒细胞白血病时电泳迁移率会出现一个新的高峰，主要泳迁移率会出现一个新的高峰，主要由幼稚细胞所构成。由幼稚细胞所构成。3 3 细胞粘附细胞粘附一一. .当细胞接近于另外的细胞或
15、一个固当细胞接近于另外的细胞或一个固体基质体基质, ,在适宜条件下在适宜条件下, ,借助物化作用借助物化作用, ,它们之间可发生粘附。它们之间可发生粘附。 细胞粘附在多细胞生物的细胞粘附在多细胞生物的发育发育与与组组织修复过程中的织修复过程中的形态建成形态建成和和功能维持上功能维持上起着非常重要的作用。起着非常重要的作用。 根据粘附对象不同，细胞粘附可根据粘附对象不同，细胞粘附可分为两类：分为两类： 细胞与非细胞表面的粘附细胞与非细胞表面的粘附 细胞间的粘附细胞间的粘附 粘附过程涉及粘附过程涉及: : 非特异性相互作用非特异性相互作用 特异性相互作用。特异性相互作用。非特异性相互作用：非特异性
16、相互作用： 静电、立体空间、静电、立体空间、Van Van der Waaleder Waale等性质的等性质的相互作用相互作用特异性相互作用：特异性相互作用： 各种粘附因子的作用各种粘附因子的作用 细胞粘附能力差别很大，它不细胞粘附能力差别很大，它不仅取决粘附细胞本身，还取决于被粘仅取决粘附细胞本身，还取决于被粘附细胞或基质，影响相互作用的因素附细胞或基质，影响相互作用的因素： 细胞或基质的类型细胞或基质的类型 它们的表面特性它们的表面特性 细胞的生理状态和环境条件细胞的生理状态和环境条件二二. .细胞粘附中的作用力细胞粘附中的作用力 静电斥力静电斥力 因立体结构稳定性而产生的斥力因立体结构
17、稳定性而产生的斥力 Van Van derder WaaleWaale力力 细胞间非特异的细胞间非特异的Van Van derder WaaleWaale相互吸引力总是远小于静电斥力和相互吸引力总是远小于静电斥力和立体稳定性所产生的斥力。因此没立体稳定性所产生的斥力。因此没有某种原因使细胞间的斥力减小或有某种原因使细胞间的斥力减小或使其克服，单靠使其克服，单靠Van Van derder WaaleWaale力不力不足以发生细胞粘附。足以发生细胞粘附。 细胞的细胞的重力重力、运动运动、细胞表面的细胞表面的某些特化结构某些特化结构以及以及细胞粘附的某些细胞粘附的某些步骤步骤都可成为克服细胞斥力的
18、原因。都可成为克服细胞斥力的原因。三三. . 细胞粘附过程细胞粘附过程 细胞粘附是一种复杂的生命现象。细胞间细胞粘附是一种复杂的生命现象。细胞间的粘附或细胞与固体基质间的粘附涉及多种不的粘附或细胞与固体基质间的粘附涉及多种不同作用力。在多数情况下，这一过程还包括了同作用力。在多数情况下，这一过程还包括了粘附因子之间的特异性相互作用。尽管它们的粘附因子之间的特异性相互作用。尽管它们的粘附过程有许多差异，但它们都涉及以下几个粘附过程有许多差异，但它们都涉及以下几个共同或相似的步骤。共同或相似的步骤。（1 1）细胞之间的相互靠近）细胞之间的相互靠近 细胞之间欲发生粘附，必先彼此靠近。细细胞之间欲发生
19、粘附，必先彼此靠近。细胞之间靠近可能在两种情况下发生胞之间靠近可能在两种情况下发生: : 一是受液流的驱动。血液、淋巴液内的细一是受液流的驱动。血液、淋巴液内的细胞均可在液流的驱动下彼此靠近。胞均可在液流的驱动下彼此靠近。 二是细胞的主动运动。粘附于基质上的细胞二是细胞的主动运动。粘附于基质上的细胞可伸出片足，进行阿米巴式的运动，从而彼此可伸出片足，进行阿米巴式的运动，从而彼此靠近。电化学梯度常可诱发这种主动运动。靠近。电化学梯度常可诱发这种主动运动。（2 2）克服细胞的初始排斥作用）克服细胞的初始排斥作用 当细胞靠近到一定距离，细胞之当细胞靠近到一定距离，细胞之间将会产生斥力。这种斥力来源于
20、静间将会产生斥力。这种斥力来源于静电相互作用和表面糖链的立体稳定性。电相互作用和表面糖链的立体稳定性。此外细胞之间的液膜也可阻止细胞间此外细胞之间的液膜也可阻止细胞间的接触。克服这些斥力是细胞形成粘的接触。克服这些斥力是细胞形成粘附的前提。附的前提。（3 3）在接触区第一个健的形成）在接触区第一个健的形成 细胞的最初接触部位是斥力最小细胞的最初接触部位是斥力最小的或者该部位能够产生一种力足以克的或者该部位能够产生一种力足以克服细胞之间的排斥作用。这个部位可服细胞之间的排斥作用。这个部位可能在微绒毛尖端或片足边缘。能在微绒毛尖端或片足边缘。 一旦细胞在这样一些特殊部位之一旦细胞在这样一些特殊部位
21、之间发生接触，并形成第一个健，就会间发生接触，并形成第一个健，就会对细胞接触起稳定作用。对细胞接触起稳定作用。（4 4）接触区的结构变化及其扩展）接触区的结构变化及其扩展 这是细胞粘附中最复杂的一步。这是细胞粘附中最复杂的一步。由第一个健的形成，将会触发膜下的由第一个健的形成，将会触发膜下的细胞骨架，从而引起膜分子的侧向移细胞骨架，从而引起膜分子的侧向移动。其结果将导致特异相互作用的粘动。其结果将导致特异相互作用的粘附分子向接触区移动，使接触区扩大。附分子向接触区移动，使接触区扩大。与此同时，那些相互排斥的分子将会与此同时，那些相互排斥的分子将会被挤出接触区。被挤出接触区。 这两个过程都会使细
22、胞粘附进一步加这两个过程都会使细胞粘附进一步加强。上述步骤与细胞骨架的运动密切相关，强。上述步骤与细胞骨架的运动密切相关，因而依赖于细胞代谢。因而依赖于细胞代谢。 特异分子之间的相互作用主要借助于特异分子之间的相互作用主要借助于Van Van derder WaaleWaale力，这种力仅在分子靠得力，这种力仅在分子靠得很近时才能起作用。很近时才能起作用。四四. .细胞粘附的影响因素细胞粘附的影响因素: :细胞代谢细胞代谢细胞间的接触时间细胞间的接触时间疏水性疏水性细胞表面电荷细胞表面电荷膜分子的侧向运动与细胞表面的柔韧性膜分子的侧向运动与细胞表面的柔韧性五五. .细胞表面粘附因子（细胞表面粘
23、附因子（CAMsCAMs） 细胞主要通过其表面的细胞主要通过其表面的CAMsCAMs与与其它细胞或固体基质粘着的。其它细胞或固体基质粘着的。 不同不同CAMsCAMs介导不同类型的细介导不同类型的细胞粘附。胞粘附。1.1.整合素：整合素： 一类重要的细胞粘因子。它是由一类重要的细胞粘因子。它是由两条非共价键结合的透膜肽链两条非共价键结合的透膜肽链、组成的二聚体，组成的二聚体，、有长的胞外部有长的胞外部分，都能与细胞外基质（分，都能与细胞外基质（ECMECM）等配等配体结合，其中体结合，其中链有与链有与RGDRGD（精氨酸精氨酸- -甘氨酸甘氨酸- -天门冬氨酸）三肽序列结合天门冬氨酸）三肽序列
24、结合的部位，的部位，胞外有胞外有Ca2+Ca2+结合的位点结合的位点。 两条肽链胞内部分较短，含有两条肽链胞内部分较短，含有与细胞骨架结合的位点。这样整合与细胞骨架结合的位点。这样整合素能结合膜两侧的配体分子，因而素能结合膜两侧的配体分子，因而能在膜两侧之间传递信息。能在膜两侧之间传递信息。2.2.钙粘着蛋白家族钙粘着蛋白家族 这个家族的糖蛋白是严格钙依赖这个家族的糖蛋白是严格钙依赖性的一次跨膜蛋白性的一次跨膜蛋白, ,这个家族成员超这个家族成员超过过3030个。不同的钙粘着蛋白有个。不同的钙粘着蛋白有50%-50%-60%60%的同源序列，重要的是每种钙粘的同源序列，重要的是每种钙粘着蛋白有
25、特征性组织分布。了解较着蛋白有特征性组织分布。了解较多的钙粘着蛋白有多的钙粘着蛋白有E-E-cadherincadherin、N- N- cadherincadherin和和P-P-cadherincadherin。 钙粘着蛋白由单一跨膜片段，钙粘着蛋白由单一跨膜片段，单一胞浆结构区和由四个结构域单一胞浆结构区和由四个结构域组成的大的胞外部分组成。组成的大的胞外部分组成。 钙粘着蛋白把相似类型的细钙粘着蛋白把相似类型的细胞紧密粘着在一起。胞紧密粘着在一起。3.3.选择素家族选择素家族 存在于白细胞、血小板和血管内皮存在于白细胞、血小板和血管内皮细胞，分别称为细胞，分别称为L-L-、P-P-、E
26、-E-selectinselectin。这些分子是单一跨膜蛋白。胞外部分含这些分子是单一跨膜蛋白。胞外部分含有各种结构域，他们能识别其它细胞表有各种结构域，他们能识别其它细胞表面特殊的糖链结构，并且发生面特殊的糖链结构，并且发生CaCa依赖的依赖的结合。结合。 选择粘集素介导血循环中炎症和凝选择粘集素介导血循环中炎症和凝血部位的白细胞与血管壁的暂时性相互血部位的白细胞与血管壁的暂时性相互作用。作用。4.4.免疫球蛋白（免疫球蛋白（lglg）超家族超家族（lgSFlgSF） 共同特点是含有数个共同特点是含有数个lglg样结构域，样结构域，这个家族不同成员含有不同数目的这个家族不同成员含有不同数目
27、的lglg样样结构域。结构域。 大多数大多数lgSFlgSF成员存在于淋巴细胞表成员存在于淋巴细胞表面，介导淋巴细胞与巨噬细胞、其他淋面，介导淋巴细胞与巨噬细胞、其他淋巴细胞以及靶细胞等参与免疫反应的细巴细胞以及靶细胞等参与免疫反应的细胞之间的特异的相互作用，涉及免疫反胞之间的特异的相互作用，涉及免疫反应的许多方面。应的许多方面。 细胞黏附是黏附与去黏附的细胞黏附是黏附与去黏附的动态变化过程。动态变化过程。六六. .细胞粘着的意义细胞粘着的意义(1)(1)心血管疾病心血管疾病 血栓患者的红细胞和血小板血栓患者的红细胞和血小板的粘附性明显高于正常人。的粘附性明显高于正常人。(2)(2)肿瘤肿瘤
28、肿瘤细胞的特点之一是侵润和转移。肿瘤细胞的特点之一是侵润和转移。肿瘤细胞的转移包括一系列环节。例如：肿瘤细胞的转移包括一系列环节。例如：黑色素瘤向肺转移的过程中，细胞首先要黑色素瘤向肺转移的过程中，细胞首先要脱离原发部位，穿过基膜，进入间质，随脱离原发部位，穿过基膜，进入间质，随后再穿过毛细血管的基膜和细胞间隙进入后再穿过毛细血管的基膜和细胞间隙进入血循环。在血流中，某些瘤细胞可能发生血循环。在血流中，某些瘤细胞可能发生聚集，这些聚集细胞较分散细胞在远隔部聚集，这些聚集细胞较分散细胞在远隔部位定居的可能性大的多。位定居的可能性大的多。 另一方面，随血流转运的细胞并另一方面，随血流转运的细胞并非
29、在任何组织和器官都能定居并增殖。非在任何组织和器官都能定居并增殖。黑色素瘤在肺部转移的机会最多。这黑色素瘤在肺部转移的机会最多。这种定居要求细胞在流经肺毛细血管时种定居要求细胞在流经肺毛细血管时停留下来，穿过肺毛细血管内皮细胞停留下来，穿过肺毛细血管内皮细胞间隙和基膜达到肺的实质组织，所有间隙和基膜达到肺的实质组织，所有上述环节都涉及细胞之间或细胞与基上述环节都涉及细胞之间或细胞与基质之间的粘附过程。质之间的粘附过程。（3 3）生物医学工程）生物医学工程 在细胞粘附过程中发展起来的理在细胞粘附过程中发展起来的理论对解决生物医学工程中的某些问题论对解决生物医学工程中的某些问题可能有指导意义。可能有指导意义。例如，在体外循环、人工肾或人造例如，在体外循环、人工肾或人造瓣膜情况下，血液要反复流经这些瓣膜情况下，血液要反复流经这些人工脏器的表面，这就要求这些表人工脏器的表面，这就要求这些表面对细胞的粘附性越低越好，否则面对细胞的粘附性越低越好，否则就有可能形成血栓引起致命的危险。就有可能形成血栓引起致命的危险。在制造这些人工脏器时，选择带有在制造这些人工脏器时，选择带有尽可能多的负电荷的材料可能是解尽可能多的负电荷的材料可能是解决这类问题的一个途径。决这类问题的一个途径。
