系統生物學與中醫證本質研究

李曉紅，梁 媛，李晶晶，陳家旭

(1.北京中醫藥大學，北京 100029;2.廣西中醫學院，廣西 南寧 530001;3.中國中醫科學院中醫基礎理論研究所，北京 100700;4.江西中醫學院，江西 南昌 330004)

證候是機體在疾病發展過程中某一階段病理變化本質的概括，是機體對致病因素作出反應的一種功能狀態，是中醫學認識疾病和辨證論治的主要依據。“證”作為一種有規律的病理表現或一種功能表現，必然有其物質結構來支配它，中醫學認為“有諸于內，必形諸于外”，也從另一角度說明內在物質結構是外在功能表現的基礎。從中西醫結合醫學的角度來看，中醫證本質的含義是指引起證發生發展的物質基礎，這些物質決定著證候發生發展的動態變化過程，是在證的發生發展過程中產生的特殊物質群[1]。中醫證本質研究的目的就是要用現代醫學理論揭示中醫證候理論中蘊藏的科學內涵，找到中醫證候的物質基礎，實現微觀辨證的依據。由于證候是一個非線性的“內實外虛”、“動態時空”和“多維界面”的復雜巨系統[2]，只有采用與證候復雜性相適應的復雜性科學理論及思維方法對其進行研究，才能揭示其科學內涵。

系統生物學是當前生命復雜體系研究比較公認的科學思維方式和研究手段，是近年生物醫學研究領域引人矚目的重要研究理念，是分子生物學研究成果與高通量研究技術、計算機科學等相整合的結果。目前，許多學者引入系統生物學進行中醫證本質研究，取得了一定的進展。

1 系統生物學概述

系統生物學是由美國科學家Leroy Hood于上世紀90年代末重新提出的學科理念，是研究一個生物系統中所有組成成分(基因、蛋白質等)的構成，以及在特定條件下，如遺傳、環境因素變化時，分析這些組分間相互關系的學科[3]。和傳統生物學不同，它不僅關心個別的基因和蛋白質，而且注重研究所有的基因、蛋白質、代謝物等組分間的所有相互關系。同時，通過整合各組分信息，以圖畫或數學方法建立能描述系統結構和行為的模型[4]。系統生物學的目標是要得到一個理想的模型，使其理論預測能夠反映出生物系統的真實性，而且可以用來預測系統受到干擾后的未來的行為[5]。它的主要技術平臺有基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、相互作用組學、表型組學等，這些高通量的組學實驗平臺構成了系統生物學的大科學工程[6]。

系統生物學的主要特點包括以下幾個方面。(1)整合:指系統內不同構成要素(基因、蛋白質、生物小分子等)的整合，從基因到細胞、到組織、到個體的各個層次的整合;(2)信息:生命系統是一個分級信息流的過程，從DNA→mRNA→蛋白→蛋白質相互作用→信息通路→信息網絡→細胞→組織或細胞網絡→生物體→群體→生態，系統生物學就是要研究并揭示這種信息的運行規律;(3)干涉:系統生物學一方面要了解系統的結構組成，另一方面要揭示系統的行為方式，也就是說，系統生物學研究的并非是一種靜態的結構，而是要在人為控制的狀態下，揭示出特定的生命系統在不同的條件下和不同的時間段具有什么樣的動力學特征[4、7、8]。

系統生物學研究方法有組學實驗和理論計算兩大技術方法，也稱為濕實驗和干實驗[9]。組學實驗方法就是應用各種組學技術檢測系統內所有成分，并通過干擾實驗獲得參與生命活動過程各種成分在各個層面的信息;理論計算方法就是通過數學、邏輯學和計算科學模擬的手段，對真實生物系統的還原。將組學實驗方法獲得的各種生物信息轉換為數字化信息，變成不同學科的共同語言，進行歸納和數學建模，建立生物系統的理論模型，提出若干假設，然后對構建的模型進行驗證和修正，進行全面系統的干擾整合。通過對系統進行人為擾動，不斷獲得信息變化與功能改變之間的相互關系，進而不斷調整假設的理論模型，使之更加符合真實的生物系統。通過組學實驗和理論計算兩大技術不斷周而復始地進行，是系統生物學研究最基本的方法[10]。

概括起來，系統生物學第一步是整合數據，第二步是建立數學模型，第三步是預測系統行為。系統生物學研究方法的特點是通過層次與層次之間、網絡與網絡之間、系統與系統之間的聯系和整合建立起來的復雜系統，并不是簡單系統的疊加。這個復雜系統會出現一些涌現性行為和涌現性規律，出現一些單獨系統所不能反映的新行為。系統生物學研究也會通過不同網絡之間的貫穿特性，使得基因或蛋白質過渡到生物學功能(表型)[11]。

2 系統生物學在中醫證本質研究中的應用

中醫理論中蘊涵著對人體生命活動復雜內容的獨特認識，屬于復雜性科學。作為對人體病理狀態進行宏觀描述的中醫證候學，從系統整體層次動態地把握機體的功能失序狀態及病理演變規律，它所闡釋的人體病理系統與復雜性科學意義下的復雜系統有許多相似之處，這使證候學的研究可以引入復雜性科學的理論與方法。

近10年被稱之為“測量的10年”或者“組革命時期”，以人類基因組計劃為代表的“組革命”(即基因組、蛋白質組、代謝組等方面工作)的興起[12]，為我們從多學科、多視角進一步研究中醫證的本質提供了重要的方法學基礎和技術條件。功能基因組學、蛋白質組學和代謝組學的研究雖然還不能稱之為完整的系統生物學研究，但卻是系統生物學研究的首要內容。近年來，以上組學技術已廣泛運用于中醫證本質的研究，眾多學者對“證候基因組譜”、“證候蛋白質組譜”、“證候代謝組譜”的構建進行了一些有意義的探索，為中醫辨證的科學化和定量化研究找到了新的技術平臺。王米渠等[13]用基因芯片方法研究中醫寒證，發現寒證的基因表達譜有顯著差異，在59條差異表達基因中，絕大多數與能量代謝、蛋白質代謝有關，說明寒證患者的代謝網絡有別于常人，從而使寒證診斷的客觀化、現代化成為可能。譚秦湘等[14]對不同病種的肝郁證進行血清蛋白質組學研究，發現了12個差異蛋白質點，其中Spot73僅在正常組中表達、Spot71僅在3個肝郁證疾病組中表達，另外的10個點均在3個肝郁組表達上調，為揭示肝郁證的重要相關蛋白質特性奠定了基礎。本課題組前期[15]采用慢性束縛應激方法建立肝郁脾虛證大鼠模型，運用代謝組學技術，初步發現肝郁脾虛證模型大鼠的生物標志物為:醋酸酯、乳酸、酪氨酸、LDL等。

組學技術從整體動態去揭示證候的生物學基礎，為系統生物學理論提供了大量的科學數據，由此促進了系統生物學理論的發展和完善。證候的宏觀表型與微觀生物分子之間的關系十分復雜，系統生物學為建立證候宏觀與微觀之間的聯系提供了一種新的思路與途徑。李梢[16]從生物分子網絡角度展開研究證候宏觀與微觀之間的聯系，通過多年的探索，形成了適用于闡釋病證方系統內涵的“表型網絡-生物分子網絡-藥物網絡”研究構架，并進行了寒證與熱證的案例研究。在神經內分泌免疫(NEI)網絡的基礎上，建立了“人寒、熱”證的生物網絡模型，為NEI網絡背景下多種辨證方法的辨析及其組合，以及寒熱等證候屬性與具體病變的結合提供了平臺。在此基礎上，進一步提出了證候生物分子網絡標志的構想，分析了證候生物分子網絡標志應用于證候客觀化與個體化診療、中醫藥臨床效應評價、方劑與中藥藥性等研究領域的可能性[17]。

3 問題與展望

運用系統生物學的思路和方法進行中醫證本質的研究，雖然已經取得了一定的進展，但還存在一些問題。主要表現在一是目前研究多集中于蛋白組學和基因組學研究，而代謝組學研究較少。生物機體是一個整體化和網絡化的復雜體系，在基因-蛋白-代謝終產物這樣一個生物信息傳遞鏈中，機體需通過不斷調整復雜的代謝網絡來維持自身與外界的互動平衡。基因和蛋白質的變化告訴我們生命體可能會發生什么，而代謝物質和代謝表型所反映的是已經發生了什么，直接體現生物體系生理和生化功能狀態。可見，代謝組學能夠反映確實已經發生了的事情，是揭示證候物質基礎非常有用的實驗手段;二是大多數研究結果均為表象描述，停留在蛋白質或基因表達譜表達模式的層面上，而對實驗所得的差異基因、差異蛋白、差異代謝物的生物學意義及它們相互間的聯系研究較少;三是對組學提供的海量數據如何利用生物信息學、統計學、系統控制等方法，在綜合多層次信息的基礎上，針對中醫證的“外候”和“內涵”進行計算建模，通過計算模型獲得規律性認識，產生預測與假設的研究文獻相當少。組學本身并非系統生物學，如果沒有系統模型為指向，單純的組學被認為是大規模的還原分析[18]，需要依賴計算、建模等方法去推測其內在的系統。

盡管目前運用系統生物學進行證本質研究還處在起步階段尚存在不足之處，但系統生物學和中醫學的融合是可能的。中醫藥學本來就是先進的系統生命科學認知體系，將系統生物學與證本質研究相結合，有望從完整的疾病分子機制角度解釋“證”、“辨證論治”等中醫特色的概念，實現證候理論的現代科學詮釋。

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