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慾求不滿讓雄性折壽?!

Gene Ng_96
・2014/01/09 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

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節食能夠讓許多生物長壽,這個養生的效果在線蟲、果蠅、老鼠、斑馬魚、猴子,甚至酵母菌中,都獲到一致的結果。

然而,現任教於美國密西根大學的遺傳學家Scott D. Pletcher,在任教於於德州休斯頓貝勒醫學院期間,領導的研究小組於2007年發表的Science論文指出,節食對延長壽命的效果,會在果蠅聞到食物的味道後,大打折扣 [1]!也就是說,節食中的果蠅在受到食物氣味的誘惑後,就比原本應該的更短命了!他們也發現,一個嗅覺受器基因Or83b在突變後,果蠅就更加耐受壓力並且延長了壽命,顯示嗅覺會影響果蠅的生理及老化。

可是,我們的老祖宗不是說,「食色性也」嗎?如果聞得到,吃不到就無法養生,那麼受到色誘的話呢?來自台灣的郭崇涵在貝勒醫學院就讀博士班期間,思考到這個有趣的問題,他和博士班指導教授Pletcher一同設計了實驗來探討這個充滿挑戰性的問題。在郭崇涵擔任共同第一作者的Science論文裡,他們發現,原來慾求不滿的果蠅,也會變得更加短命 [2]!

郭崇涵在清大就讀碩士班期間,研究的是果蠅費洛蒙和初期種化(incipient speciation)的關係,對費洛蒙影響老化之研究也深感興趣。他表示,在之前他們也試過讓雄果蠅受到色誘的方法,來探討雌性費洛蒙是否會影響雄果蠅的壽命,可是卻沒有得到顯著的結果。從前的實驗,是利用細網把雌雄果蠅隔開,以免牠們交配。不過那樣的方法,一來可能無法讓雄果蠅接觸到足夠的費洛蒙;二來可能雄性果蠅必須用其肢體接觸到性費洛蒙才有效,隔網阻絕了那樣的接觸。實驗方法上的限制,導致成效不彰。

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投影片1後來郭崇涵和Pletcher想到了一個絕妙的方法!已知絳色細胞(oenocytes)可將各式化學物質合成費洛蒙,他們就利用一個果蠅專屬的基因表現系統,把雌性的性別決定基因tra表現在雄果蠅的絳色細胞裡,雄果蠅的表皮就會表現出雌性費洛蒙,讓牠們聞起來就像香噴噴的雌果蠅。接著,他們把五隻正常的雄果蠅和25隻表現出雌性費洛蒙的雄果蠅關在一塊,那些散發雌性費洛蒙的雄果蠅卻不願意和正常雄果蠅交配。因此,正常的雄果蠅持續受到誘惑,於是一直處於慾求不滿的狀態!

接觸到雌性費洛蒙的雄果蠅身體裡有較少的脂肪儲存,而且更不耐饑餓,還有壽命比接觸雄性費洛蒙的正常雄性更短命!這些反效果,在雌性費洛蒙被移除後,就消失了!接著,他們利用Or83b嗅覺受器基因突變的雄果蠅來進行相同的實驗,結果發現效果仍相同,顯示嗅覺與性費洛蒙的接收無關。可是轉基因果蠅的味覺受器基因ppk23無法表現後,雄果蠅在接觸到雌性費洛蒙就不會短命了!那些味覺受器表現在雄果蠅的前腳,當砍斷那些腳上的鎖鏈,雄果蠅不能受到色誘後,生理和壽命就恢復了。這顯示雄果蠅是利用味覺受器來感覺雌性費洛蒙,並且影響了抗壓性以及壽命。

他們也發現,這樣的生理及壽命變化,是由於性動機以及報償系統的作用之變化,因為當他們利用遺傳學的方法剔除了表現參與性報償的神經肽F(NPF,neuropeptide F)的神經元後,那些雄果蠅即使接觸了雌性費洛蒙,也不會有耐餓和脂肪儲存的變化,可是提高了NPF的表現後,雄果蠅的壽命就減短了!更有趣的是,當那些雄果蠅在遭受色誘後,放入雌果蠅來燒燬性饑渴的網羅,牠們成功地和雌果蠅嘿咻後,壽命就不會縮短了!這顯示,改變雄果蠅生理及壽命的,是雌性費洛蒙,而非交配的行為!

然而,有人質疑在他們的實驗設計中,那些雄果蠅可能因為死命地追求散發雌性魅力的同性而疲於奔命,導致過勞死XD  不過郭崇涵卻表示,那樣的可能性不大,一來他們也設計了一個實驗,每三秒鐘就搖晃試管一秒鐘,以干擾那些雄果蠅對同性的求偶行為,結果他們發現效果依舊;二來,過去也有研究顯示,讓果蠅過動不會影響牠們的壽命;加上,同時間發表的另一篇Science論文,由史丹佛大學的Anne Brunet領導的小組也發現,在線蟲身上,費洛蒙的效果也和果蠅相似 [3]!顯示了九億年前就分家的線蟲和果蠅,在這些機制上仍保持著演化上的保守性。

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總而言之,他們這些有趣的實驗意味著,當動物透過感官認知到而產生的期待,和現實的收獲有所落差時,就會影響到健康以及壽命!如果慾望不能受到滿足,對我們可能是有害的。所以要嘛慾望能夠得到滿足,否則「無慾則剛」是有其道理的!

 

原學術論文:
1) Libert S, Zwiener J, Chu X, Vanvoorhies W, Roman G, Pletcher SD. Regulation of Drosophila life span by olfaction and food-derived odors. Science. 2007 Feb 23;315(5815):1133-7. Epub 2007 Feb 1.

2) Gendron CM, Kuo TH, Harvanek ZM, Chung BY, Yew JY, Dierick HA, Pletcher SD. Drosophila Life Span and Physiology Are Modulated by Sexual Perception and Reward. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1243339

3) Maures TJ, Booth LN, Benayoun BA, Izrayelit Y, Schroeder FC, Brunet A. Males Shorten the Life Span of C. elegans Hermaphrodites via Secreted Compounds. Science. 2013 Nov 29. [Epub ahead of print] http://dx.doi.org/10.1126/science.1244160

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參考文章:
1) Scent of Opposite Sex Shortens Lives of Flies and Worms – National Geographic

2) Fruit flies with better sex lives live longer – Science Daily

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 32 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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老花眼怎麼辦?替換老花眼鏡好麻煩,該作雷射手術嗎?
careonline_96
・2024/06/26 ・516字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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老花眼就是眼睛調節能力隨著年紀而下降。

以前年輕的時候,眼睛像是一台很好的相機,可以看得很遠、看得很近。

所謂的老花就是調節力變差,使我們需戴另一副老花眼鏡,除了近視眼鏡外,還要再加上一副老花眼鏡,來幫助我們看近物。

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心絞痛不輕忽!可能造成猝死的冠狀動脈心臟病?冠狀動脈繞道手術是什麼?
careonline_96
・2024/06/07 ・2957字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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「有位 50 多歲的男性糖尿病患者,因為重度冠狀動脈狹窄接受過多次心導管支架治療,但是冠狀動脈都反覆阻塞,且出現心臟衰竭的狀況,才終於決定接受冠狀動脈繞道手術。」林口長庚醫院心臟血管外科主任陳紹緯教授指出,「冠狀動脈繞道手術的原理就是使用病人自體血管繞過狹窄的位置,幫助心肌獲得充足的血液循環。」

由於患者有糖尿病,術後出現傷口併發症(包含感染)的風險較高,於是使用術後負壓傷口照護系統以期降低風險。陳紹緯教授說,術後負壓傷口照護系統能夠排除傷口積液,降低感染風險,幫助傷口癒合。在心臟外科團隊的照顧下,患者狀況穩定,於術後七天順利出院。

如今,心導管介入手術已相當進步,但是冠狀動脈繞道手術仍在治療冠狀動脈心臟病中扮演相當重要的角色。相較於接受心導管塗藥支架治療,糖尿病合併多條冠狀動脈阻塞的病患,在追蹤五年後,接受冠狀動脈繞道手術可有效降低死亡風險,並能大幅降低心肌梗塞的風險,因此建議優先採用冠狀動脈繞道手術 1

冠狀動脈是供應心肌氧氣與養分的血管,當冠狀動脈狹窄或阻塞便會造成冠狀動脈心臟病(冠心病)。陳紹緯教授解釋,如果冠狀動脈狹窄導致冠狀動脈血流量無法滿足心肌的需求,便會產生心絞痛;如果冠狀動脈突然阻塞,冠狀動脈血流中斷,心肌便會缺氧壞死,稱為心肌梗塞,狀況非常危急,患者可能猝死。

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很多原因可能造成冠狀動脈心臟病,危險因子包括:糖尿病、高血壓、高血脂、抽菸、體重過重、家族病史等。陳紹緯教授說,心絞痛發作時,症狀表現包括頭暈、胸悶、胸痛、壓迫感、呼吸急促等,疼痛會延伸至下巴、肩膀等處。

針對急性心肌梗塞、病人狀況很差時,建議緊急進行心導管介入治療。陳紹緯醫師說,因為作心導管打通血管的速度較快、侵入性較小,有機會搶救缺氧的心肌。針對穩定型心絞痛,也就是在身體活動或情緒激動的時候,冠狀動脈血流供應不足的患者,重度冠狀動脈狹窄病人採用冠狀動脈繞道手術能夠長期達到較佳的血管通暢度,減少心血管不良事件,降低死亡風險。陳紹緯教授說,如果三條冠狀動脈都阻塞或左主冠狀動脈狹窄,就會建議進行冠狀動脈繞道手術。包括前美國總統柯林頓、日本明仁天皇都曾經在最好的醫療團隊建議下接受冠狀動脈繞道手術。

2021 美國/歐洲心臟科學會冠心病治療指引(2021 ACC/AHA Guideline for Coronary Artery Revascularization)特別建議下列族群應優先採取冠狀動脈繞道手術而不建議心導管支架手術,包括:糖尿病患者合併多條血管阻塞、複雜性多條或左主冠狀動脈阻塞(SYNTAX score 大於 33 分)、左心室功能不全(收縮分率小於 50 %)、多條血管合併多條血管狹窄、不適合抗血小板藥物、或無法負擔新型塗藥支架的病人。

不可輕忽的傷口併發症

冠狀動脈繞道手術是相當成熟的心臟手術,開胸手術不代表是落後的治療,針對病情複雜而嚴重的病人,反而有最好的效果。經驗豐富的醫療團隊都會特別留意,盡可能降低心臟衰竭、中風、出血等併發症的風險。陳紹緯教授說,冠狀動脈繞道手術因是針對複雜性冠狀動脈疾病的病人,因此除了在病情較單純且病灶適合的病人可以採用微創小傷口的方式,目前大多數還是要開胸、及多處傷口拿血管,因此術後的傷口照護相當重要。因為冠狀動脈心臟病患常常都有糖尿病,傷口癒合較慢且容易感染,出現傷口併發症的風險較高。

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「倘若出現傷口併發症,可能進展為敗血症,甚至會導致死亡。」陳紹緯教授說,「特別是胸骨,萬一遭到感染,死亡率也會比較高。」

為了減少傷口併發症,必須多管齊下。陳紹緯教授說,包括把血糖控制穩定、使用預防性抗生素、術前手術部位的清潔、採用術後負壓傷口照護系統等來一起降低傷口併發症產生的風險。

傷口併發症的發生常跟傷口內的積液有關,因為傷口在縫合之後,仍會滲出組織液,而積蓄在傷口內的組織液可能滋生細菌,漸漸導致化膿、蜂窩性組織炎、甚至菌血症。陳紹緯教授說,術後負壓傷口照護系統的做法是在縫合傷口後,覆蓋特殊的敷料,然後連接一個能夠抽吸的小型主機,讓傷口維持負壓的狀態。

術後負壓傷口照護系統能夠有效排除傷口積液,降低感染風險,並幫助保持皮膚乾燥,避免傷口旁皮膚浸潤。陳紹緯教授說,維持負壓的狀態也可以幫助拉近縫合的傷口,減少側邊張力,並增加傷口附近的血流量,刺激肉芽組織生長,從而增加傷口癒合機率。在黏貼完成後,術後負壓傷口照護系統可以連續保護傷口 5 至 7 天,減少換藥頻率與不適。

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糖尿病、體重過重、年紀較大、慢性腎臟病、長期使用類固醇患者等,都是出現傷口併發症的高危險群,接受手術前,可以和醫師討論如何事先做好預防措施,以降低傷口感染的風險。

筆記重點整理

  • 如果冠狀動脈狹窄導致冠狀動脈血流量無法滿足心肌的需求,便會產生心絞痛;如果冠狀動脈突然阻塞,冠狀動脈血流中斷,心肌便會缺氧壞死,稱為心肌梗塞,患者可能猝死。
  • 如果三條冠狀動脈或左主冠狀動脈都嚴重狹窄,建議進行冠狀動脈繞道手術。
  • 相較於接受心導管塗藥支架治療,糖尿病合併多條冠狀動脈阻塞的病患,在長期追蹤後,接受冠狀動脈繞道手術可有效死亡風險,並能大幅降低心肌梗塞的風險,因此建議優先採用冠狀動脈繞道手術 。
  • 因為冠狀動脈心臟病患常常都有糖尿病,傷口癒合較慢且容易感染,出現傷口併發症的風險較高。因此,把血糖控制穩定、使用負壓傷口照護系統皆有助於降低傷口感染的風險。

註解

  1. Head SJ, Milojevic M, Daemen J, et al. Mortality after coronary artery bypass grafting versus percutaneous coronary intervention with stenting for coronary artery disease: a pooled analysis of individual patient data [published correction appears in Lancet. 2018 Aug 11;392(10146):476]. Lancet. 2018;391(10124):939-948. doi:10.1016/S0140-6736(18)30423-9 ↩︎

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