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技壓狗鼻-奈米晶片「聞」炸彈

雷漢欣
・2014/07/24 ・922字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

credit: expertinfantry via flickr CC BY 2.0
credit: expertinfantry via flickr CC BY 2.0

世界各地機場、公共場所的維安單位仰賴尖端科技、訓練精良的人員跟偵查犬來防阻恐怖攻擊,新型革命性電子晶片有奈米大小的化合物偵測器,可以讓辛苦的維安人員輕鬆一點。

以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)的Fernando Patolsky教授團隊跟Tracense公司研發了奈米科技感測器,其偵測炸彈化合物的能力優於偵測犬,這個研究最近發表在Nature Communication期刊。

與狗鼻匹敵的奈米鼻

既有的炸彈偵測器不僅體型龐大、昂貴、又需要專家來判讀偵測結果,而這項新開發的偵測器可移動、價格親民、可即時辨識,重點是相當精準!Patolsky表示,一片微小的晶片含有上千的超靈敏的偵測器,可以偵測並記錄空氣中低濃度的揮發性炸藥,即時辨識空氣中濃度幾ppq(1×10^-15)的不同種類氣體分子,這個靈敏度是現有科技的數萬倍,也是狗狗鼻子的數百倍。這個晶片也可以偵測現在較難發現的DIY炸彈,像是以色列等地的自殺炸彈客所用的熵炸藥(TATP)。

用在偵測器原型的奈米大小電晶體,對化合物極為靈敏,接觸到化合物就會改變電阻,一粒炸藥訊號分子碰上偵測器,就會黏在上面,讓偵測器啟動快速又準確的數學分析來辨識此分子。Patolsky認為,動物的表現受到心情、氣候、身體狀況、工作時數、嗅覺系統狀態所影響,而且動物無法告訴我們牠們到底聞到了什麼,相較於偵測犬,自動偵測系統有更好的效能跟穩定性。

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維護世界和平的科技

這個偵測器還在測試階段,可以在數公尺外即時辨別許多種類的炸藥,目前已側試過商業引爆跟軍事用的TNT、RDX、HMX,以及TATP、HMTD等過氧化物炸藥,其中HMTD常見於自殺炸彈攻擊,現有技術很難偵測到。Patolsky說:「我們所做的突破有希望可以改變以往偵測有害物質的方式,提供社會更穩固的安全保障;更快速、靈敏的偵測空氣中微量爆炸物可以創造更好、更安全的世界。」

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雷漢欣
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PanSci的菜菜實習編輯,來自溫馨的動科系,心情好的時候喜歡說「你知道嗎!?」小故事,即使常得到「誰不知道阿.......」的冷眼回應,也不改其志。

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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從真空管到晶片:科技革命的關鍵里程碑
數感實驗室_96
・2024/05/25 ・670字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量,其實在現實生活中的 20 世紀末期,人類真的發明了魔法石!

想像一下,手機開啟視訊,可以看到遠方的景色和親友,這不就像遙視、千里眼嗎?或者問 AI 上網查資料,就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣!這些譬喻讓我們意識到,許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算,就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件,類似於樂高積木一樣,用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管,後來發明了電晶體,但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念,將許多電晶體整合在一起,這才開啟了晶片時代。

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從真空管到奈米晶片,科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片,它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法,由無數工程師代代相傳,用理性和創意塑造出來。所以,現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量,而是來自人類的智慧和努力。

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更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 50 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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鑑識故事系列:2016 柏林聖誕市集的車輛恐攻
胡中行_96
・2022/11/28 ・2192字 ・閱讀時間約 4 分鐘

時年 24 歲的難民 Anis Amri,與聖戰組織關係密切,並擁有 6 個化名和 3 種國籍。2016 年 6 月,他的庇護申請遭到德國政府拒絕,卻又因為家鄉突尼西亞否認其公民身份,所以無法被遣返。 [1] 12 月 19 日,Amri 持槍射擊 1 名司機,把對方扔到副駕駛座,改由自己開車。當天 08:02 p.m.,他駕著該輛 40 噸重的聯結車,以 60 – 70 km/hr 的速度,直搗柏林 Breitscheidplatz 聖誕市集的中央通道。[2]

紅線框出聯結車穿越聖誕市集的軌跡。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

08:45 p.m. 柏林州立刑事調查辦公室調度中心的鑑識團隊,[註]在待命時接獲通報。依常規他們僅會派出 2 名人員;不過這回事態嚴重,被要求增加人力。[2]

09:30 p.m. 由 2 名鑑識專家和3名助理醫師所組成的團隊,抵達聖誕市集。此時距離事件發生,約過了 90 分鐘,傷患急救與運送皆已完成。比起醫療支援,顯然更需要警察深入調查。[2]

12 月 20 日,01:00 a.m. 警方在規劃管理架構後,展開搜證:現場被分為 5 大區域,每區負責的團隊,有刑案攝影師、鑑識病理學家、證物保管員與兇殺案調查員各 1 名。他們在市集的中央通道上與聯結車底下,各尋獲幾具屍體。此外,有 3 名稍早送醫的重傷受害者,於當晚死亡。[2]

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之前急救人員在處理傷患的時候,從聯結車裡把原本的司機拖出來搶救,可惜後者傷重不治。現在調查展開了,他們向警察報告司機的頭部受傷,而該傷口稍後又被確認為槍傷。這個發現立刻將警方的偵辦方向,由交通意外,扭轉成恐怖攻擊。[2]

聯結車從受害者左邊擠壓,使(褐色的)肝臟右邊爆開。圖/參考資料 2,Figure 4(CC BY 4.0)

驗屍

從 20 日早上到 22 日傍晚,此案的所有死屍都被檢驗一番。除了司機頭部的槍傷;以及解剖才會看到內臟毀壞,常出現於交通事故的鈍器損傷(如上圖);[2]還可見皮下組織與下面的筋膜,被外力錯開的「Morel-Lavallée 病灶」(Morel-Lavallée lesion,簡稱 MLL)。[2, 3]

車輛恐攻

以大型車輛進行恐怖攻擊的手法,並不罕見。車輛恐攻vehicle-ramming attacks)造成傷害的機制,大略可分為以下 4 種:

  1. 直接碰撞:受害者通常會有多處骨折,以及嚴重的顱腦損傷。[2]視速度而定,也可能因為驟然停止運動,而使內臟在體內劇烈撞擊,導致減速傷害deceleration injuries)。[2, 4]
  2. 撞飛出去:人體遭車輛衝擊,彈出去後,又掉落下來。不僅有撞擊的力道,砸在地面上,也會令四肢骨折,或腦部受傷慘重。[2]
  3. 輾壓損傷:沉重的車輛從人體上方駛過,於是骨骼碎裂,組織滑脫分離。[2]
  4. 間接創傷:受害的群眾在閃避車輛攻擊的過程中,彼此碰撞或擠壓,甚至在逃離時波及路人。[2]

在這個案件裡,驗屍所見的傷害均為前三項,沒有任何的間接創傷。[2]不過,是否有生還者屬於第四種,就不得而知了。

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案發前幾年的 Breitscheidplatz 聖誕市集。圖/Arild Vågen on Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0)

聖誕市集是德國的歲末傳統之一,[5]難免人潮擁擠。案發當天雖然是星期一,但包含聯結車司機在內,Amri 總共造成 12 人死亡,[1, 2]數十人受傷。[1]恐怖組織伊斯蘭國ISIS)稱他是一位戰士。事後 Amri 逃離德國,悄悄地經由法國,進入義大利。12 月 23 日早晨,2 名米蘭警察例行臨檢,要求 Amri 提供身份證件。他突然拔槍射傷其一,隨後馬上被另個員警擊斃。[1]

約莫在恐攻落幕 7 週之後,2017 年 2 月,柏林消防局舉辦了一場給救災人員與警察的座談會,名稱取作「習得的教訓」(Lessons Learned)。內容討論急診醫療、警方策略,以及驗屍結果等諸多層面。他們認為從波士頓、巴黎、馬德里和孟買學來的重大傷亡經驗,被證實對這次的應變極有助益。儘管德國鮮少遇到恐怖攻擊,但警察、消防與鑑識等單位合作無間。[2]

  

延伸閱讀

國殤之後:集體哀慟的調適

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鑑識故事系列:萬聖節前夕的瑞典校園血案

備註

德國首都柏林的確是個「城市」,然而在行政上也被官方視為一「州」。[6]

  1. Barajas J. (23 DEC 2016) ‘Berlin attack suspect killed in shootout with Italian police’. PBS News Hour.
  2. Buschmann C, Hartwig S, Tsokos M, et al. (2020) ‘Death scene investigation and autopsy proceedings in identifying the victims of the terror attack on the Breitscheidplatz in Berlin 19th December 2016’. Forensic Science, Medicine, and Pathology, 16, 510–514.
  3. Scolaro JA, Chao T, Zamorano DP. (2016) ‘The Morel-Lavallée Lesion: Diagnosis and Management’. Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, 24 (10): 667 – 672.
  4. Dumovich J, Singh P. (19 SEP 2022) ‘Physiology, Trauma’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  5. Larsen T. (2020) ‘Advent’. In The Oxford Handbook of Christmas. Oxford University Press.
  6. Government and administration.’ Berlin Partner Business Location Center. (Accessed on 09 NOV 2022)
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胡中行_96
169 篇文章 ・ 67 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。