傳統中醫藥的繼承與發展

一、基于“計算”的系統生物學中醫學以一般觀念、辨證論治和處方干預為特點，以復雜的生命系統為對象，本質上具有系統科學的思想。因此,只有在系統層面上,中醫藥的特色才能更為合理地得到繼承與發揚。如果不能有效地揭示中醫藥內在的復雜性與系統性,現代意義上的中醫藥診療與評價很可能就失去依據和進一步發展的憑藉。理解生命在系統、整體層次上的規律,并建立有效的“系統”方法,也是當今科技探索最為活躍的熱點和前沿之一。隨著人類基因組計劃乃至“組革命”,多學科交叉的“系統生物學”應運而生,并被看作“21世紀醫學和生物學的核心驅動力”。值得注意的是,“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”。以“計算”為先導的系統生物學,即“計算系統生物學(ComputationalSystemsBiology)”,突出了生物信息學等學科“計算”的作用,強調了“計算與實驗”的交融,成為切入探索生命系統性、復雜性的重要途徑,并迅速成為系統生物學領域的新前沿。“系統生物學”以整體性研究為特征,以生物信息學為聯系還原與系統的重要方法,并促使醫學、生命科學研究朝向可預測、可預防、個體化的醫學的目標發展。以上科技進展,對于中醫藥重新審視自身特色、發展自身特色,既是歷史性的重大機遇,又是前所未有的嚴峻挑戰。二、“中醫藥計算系統生物學”在中醫藥現代研究策略上的提出和通過“信息整合中醫藥現代化在方法學上面臨的一個關鍵問題是:如何從還原到系統?融合宏觀與微觀?對此,我們嘗試提出“中醫藥計算系統生物學”的研究模式與方法,在中醫藥現代研究策略上由“實體到功能”轉向“關系到功能”(即“相互作用→網絡→功能”),致力于探索“信息整合→計算建模→產生假設→觀測驗證”的中醫藥現代研究模式。1.中醫藥計算系統生物學對于現代研究的意義中醫藥計算系統生物學旨在探索中醫整體觀、辨證論治、方劑干預診療過程中所蘊藏的系統內涵。在當前中醫藥研究以及國際醫學、生命科學迅速進展的背景下,中醫藥計算系統生物學的建立與發展不僅必要,而且可能。中醫藥以復雜的生命系統為對象,生命系統呈現很高的維度,具有復雜性和多樣性。針對中醫證候及其相關方證、病證等復雜命題,僅有實驗的手段是不夠的,即使進行“組學”實驗,往往也僅觀察到相關變量很小的子集,其它絕大部分變量仍然處于隱藏的狀態。與此同時,中醫藥的文獻眾多,證候、方劑等研究日益深入,數據大量積累,然而數據分布零散、孤立,缺乏數據溝通、利用、融合和規律發現的有效方法。將各個層面、各個環節孤立起來研究,難以返歸整體,這也嚴重限制了對中醫藥內特色內涵的深入發掘。而中醫藥計算系統生物學能夠有效地發掘中醫證候古代、現代研究的各種文獻信息和研究數據,并充分利用國際生命科學、醫學領域的海量數據,使中醫藥研究建立在國際生命科學、醫學研究成果的基礎上,并針對中醫藥的關鍵問題發展計算與實驗相結合的方法,因此對于促進中醫藥現代研究的方法學革新具有重要意義。中醫藥計算系統生物學方法的建立,也適應了建立我國特色的系統生物醫學的重大需求。一定意義上,系統生物學用于醫學實踐和疾病防治在中國有很好的基礎。中醫藥可認為是傳統的系統生物醫學,其診療特色與實踐符合了復雜疾病的治療策略。因此,通過中醫藥計算系統生物學等前沿科技方法,發掘中醫藥的系統思維與豐富實踐經驗,可望有效地溝通中醫學與現代醫學,有力地推動重大、疑難疾病的個體化與系統診療研究。2.基于計算系統模型的研究模式“中醫藥計算系統生物學”在研究策略上強調“信息整合→計算建模→產生假設→觀測驗證”的研究模式。這可以理解為在中醫藥特定條件下,綜合還原分析的大量成果,形成系統認識,并用于指導進一步還原分析的一個過程。相應地,在方法上則強調計算與實驗的互動與結合。首先,在大規模數據整合基礎上建立計算系統模型,突出計算模型對于中醫藥研究的指導作用,并為中醫臨床與實驗研究提供假設。其次,在“實驗”方面,則強調基于計算系統模型的預測與假設,從而發展指標篩選與設計、分析與預測、綜合與系統評價的有效手段,形成朝向“系統”內涵的、計算與實驗的交融。上述研究模式的特色在于:(1)可望突破既往中醫藥研究中“直覺假設→實驗→數據分析”研究模式的局限。特別是當研究對象是與中醫藥特色關系密切的一些復雜的、系統的問題時,僅僅依據直覺假設,難以深入問題的實質,因此也難以有效地組織實驗,獲得規律性的認識。(2)在迅猛發展的海量數據基礎上,針對中醫藥的系統內涵,通過“計算”產生假設,通過“實驗”驗證假設,則一方面能夠彌補單純實驗觀測方法的不足,降低單純實驗研究的消耗;另一方面,又能夠促使系統科學、復雜性科學的理念與方法論深入到中醫藥的具體實踐中去。3.中醫藥計算系統生物學的方法論意義網絡是復雜生物系統的重要描寫方式,構成系統的基礎在于組成部分間的相互作用,網絡的復雜性本質上就是“關系”的復雜性。生物網絡中蘊含有復雜生物系統的諸多特性,因此在一定意義上,“系統生物學”也被認為是針對生物網絡的“網絡生物學”。針對中醫辨證論治、方劑配伍等關鍵問題,中醫藥計算系統生物學采用“相互作用→網絡→功能”等研究策略,體現了方法論意義上的從“實體本體論”轉向“關系本體論”。為進一步闡述“中醫藥計算系統生物學”的上述研究思路、方法及其初步成果,下文介紹我們在證候研究,以及“寒熱”證候、方證、病證內在系統特性方面的有關研究案例,以求教于同仁。三、冷條件下的生物網絡研究1.診信息組合與中醫證候學的發展證候是中醫學整體觀、辨證論治、復方干預這一特色診療體系的核心內容。證候研究首先涉及到一個問題是:對于同一種疾病,中醫與西醫的觀察有何區別?我們以類風濕性關節炎(RA)為例,采集了85項RA常見的臨床信息,歸為病變部位、量化診斷、癥狀描述、普遍狀況、環境因素5類;并從中國期刊網和Medline數據庫中分別提取RA中、西醫診察的數據集,分析5類臨床信息的出現頻數并進行卡方檢驗。結果發現,中、西醫學對RA的診察方式具有統計顯著性差異,中醫學側重于診察疾病相關的癥狀描述與環境因素,并提示中、西醫學的不同臨床診斷方式與疾病臨床表現的復雜性有關,從而為證候學觀察的合理性提供了一定的依據。那么,中醫學具有特色的證候學觀察,其診療意義與價值如何?我們通過若干疾病(SARS,慢性胃炎及癌前病變等)的合作研究與分析,發現證候相關的四診信息組合與機體的病理生理變化及其發生、發展、預后以及治療效應具有內在關聯。如通過SARS的臨床研究,發現了一組與患者預后以及中西醫治療效果相關的癥狀組合,在相關的程度上與血氧飽和度(SaO2)等客觀指標較為一致,從而為研究中醫在治療復雜的新疾病中的發揮的作用提供了一個成功案例;在慢性胃炎及癌前病變的臨床分析中,發現不同的四診信息組合對于幽門螺桿菌(Hp)感染具有不同的診斷價值;以上研究也提示通過四診信息的特定組合及其動態演變,可望為疾病背景下的證候診斷、藥物干預下的證候效應提供一定依據。此外,我們發現現代醫學同一數據具有內部可分性,建立了辨識其內部可分性的基于混合效應模型的Meta分析新方法。并從“維”與“階”的角度提出了證候規范化與標準化的研究途徑。再進一步的問題是,中醫證候及其相關的四診信息組合,其內在規律是什么?這也是中醫藥現代化進程中困惑已久的難點,并且成為臨床證候療效評價、方劑朝向證候的整合調節作用等一系列相關問題的瓶頸。數10年的證候現代研究表明:證候是由許多因素組成的復雜系統,難以用單一的生理、生化指標來表達。因此,隨著研究深度和復雜性的增加,亟需開辟一條適合于從復雜系統中發掘中醫證候特征的途徑。1999年我們提出,中醫證候與生物網絡的調節機制具有可能關聯。此后圍繞“寒熱”證、病、方的內在系統特性,我們探索并建立了中醫藥計算系統生物學的有關方法,從證候相關生物網絡構建、證候網絡關鍵模塊與節點估算、網絡動力學分析、方劑對證候網絡的多靶點調控等角度,進行了一系列計算與實驗研究。初步結果表明,從“相互作用→網絡→功能”以及網絡調控的角度,有助于探索證候及相關病證、方證的內在系統機理,并有助于突破單純實驗觀測的限制,深入探索中醫證候宏觀與微觀特征、方劑整合調節作用等重要問題。2.冷證的生物網絡模型“寒、熱”是中醫辨證“八綱”中具有代表性的兩綱。近30年的寒、熱證候相關研究涉及神經系統機能、神經-內分泌-免疫(NEI)、能量代謝,以及第二信使、微量元素、微循環等方面,具有較為豐富的研究積累。然而,如何進一步發現寒熱證候相關的“系統”?近期我們從NEI網絡的角度,發現寒熱證候與NEI網絡的不同調節模式有關,即寒證、熱證在NEI背景下具有可分性。我們構建了基于NEI網絡相互作用的中醫寒、熱證網絡模型,通過網絡拓撲結構分析,發現寒證與激素狀態有關,熱證與細胞因子狀態有關,寒證、熱證在神經遞質的相關性上無顯著差異。同時,隨著激素、細胞因子量的變化,寒、熱證具有相互轉化的趨勢。進而,我們分別選取21種“但寒不熱”的疾病(寒證相關疾病)和38種“但熱不寒”的疾病(熱證相關疾病),從OMIM數據庫調查其基因分布并進行NEI相關通路的統計顯著性檢驗,發現寒證相關疾病與熱證相關疾病在細胞因子通路(Pathway)上具有顯著性差異,從“異病同證”的角度驗證了寒證、熱證的以上網絡模式。我們進一步分析發現寒熱證網絡具有復雜網絡的性質,即網絡的功能實現依賴于部分關鍵節點,因此分別選取了寒證、熱證網絡的關鍵節點,從“同病異治”的角度,通過動物實驗進行寒、熱方劑的干預效應觀察,結果發現寒熱方劑的效應靶點與寒熱證候網絡的關鍵節點密切相關,進一步驗證了寒熱證的生物網絡模型。以上結果綜合表明,證候的形成并非單一因素作用的結果,機體生物網絡的異常模式可較好地反映寒熱證候的生物學基礎,在治療上提示復雜病證對于單因素刺激具有很強的耐受性,而中藥方劑的協同式刺激有助于改善證候狀態。該研究也為我們探索寒熱證候在多種具體疾病過程中的共性規律及其辨識方法提供了基礎。同時,通過證候網絡關鍵節點相互作用的量化,也可解決證候研究的預選微觀指標等難題。我們的進一步工作發現,證候研究中的實測指標無統計意義,而計算模型所推導出的未測指標,則具有統計學差異,可有效反映證候的特點。3.冷證候相關的微觀和功能重現我們的研究同時發現,寒熱證候及相關方劑效應的系統特性,與宏觀、微觀信息的動態變化有關。在宏觀上,我們研究了中醫學四時五臟系統穩態性能及其節律性變動,結果發現依據五臟促進、制約的相互作用,機體在生理狀態的一定條件下能夠形成較大幅度的穩態機制,并且能夠實現五臟功能隨時間變化的性質,體現與寒、熱證候相關的不同特性,提示五臟系統的相互作用及其綜合的穩態機制可視作一種帶反饋的控制網絡;在微觀上,我們發現了寒熱證候相關生物網絡中的部分關鍵因子,即機體下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸部分激素及細胞因子的動態節律變化,并發現寒熱方劑干預下以上因子的節律特征值(振幅相位,周期),與寒熱證候患者疼痛時間節律的特征值之間,存在方、證相關,而寒、熱有別的特點。為此我們提出假設,寒熱證候相關的以上動態變化特征,以及微觀朝向宏觀的“功能涌現”,是來自于機體生物網絡,以及生物分子與環境之間在特定條件下復雜的、動態的相互作用。為深入了解生物系統內部生物分子通過相互作用而“涌現”功能的機制,我們探索建立了三種蛋白質(KaiA,KaiB,KaiC)通過相互作用形成生物節律的動力學模型。以上研究及方法學探索,為我們今后深入進行寒熱證候相關生物網絡的系統性質分析、網絡動力學分析等,提供了基礎。4.尿激素水解壓監測的構造網絡分析在中醫傳統理論中,八綱辨證、臟腑辨證、氣血辨證等不同辨證方法存在著密切的內部聯系,在臨床實踐中常復合使用。NEI網絡是多種證候機理、方劑效應乃至針灸等研究的切入點之一,近年來開展了大量的研究。例如,在臟腑辨證中具有代表性“腎虛證”研究,自發現腎陽虛患者存在有尿17羥值低下之后,進一步發現了腎虛具有HPA軸功能紊亂等重要特點。結合我們的上述研究,表明寒熱證、腎虛證均與機體復雜的NEI網絡及其調節密切相關。然而既往的NEI網絡研究多為描述性、概念性,近期我們建立了包含NEI多種相互作用,以及NEI影響信號轉導調控的信息融合平臺-dbNEI。dbNEI在對CSNDB、KEGG、UniGene、OMIM以及PubMed等細胞信號傳導、調控、文獻數據庫基礎上,進行了NEI的大規模信息采集、整合與數據庫構建。dbNEI著重于基因調控網絡與基因表達、病證信息等的關聯。其核心是NEI網絡系統信號分子的相互調節以及典型的調控環節;并在基于信號調控數據的基礎上,開發了自動繪制網絡調控圖系統,可以根據特定的需要檢索相應的調控環節,繪制網絡調控圖,這也為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。5.基于生物網絡的方法如前所述,中醫證候學觀察以及辨證論治的診療實踐,有助于理解生命系統以及疾病的復雜性。多數人類復雜疾病均與復雜生物網絡的紊亂有關,而構建復雜病證相關的生物網絡,以及復雜生物系統計算模型的研究,目前依然是一個非常年輕的領域,具有十分廣闊的探索空間。在方法學上,近期我們發展了一種針對復雜病證、融合文獻與基因表達譜芯片組學數據的生物網絡構建方法-LMMA方法,并較成功地應用于NEI網絡,以及與中醫“絡病”關系密切的血管新生(Angiogenesis)生物網絡的系統構建。以血管新生網絡為例,通過文獻模型和LMMA模型中網絡關鍵節點(VEGF、EGF、TNF、IL6)子模型的留一法交叉驗證(LOO-CV),發現LMMA方法能夠取得優于單純文獻挖掘和單純組學數據分析的效果,能夠有效降低假陽性,去除冗余或無關信息,同時Pathway的信息卻得到了盡可能的保留,聚集程度有明顯提高。我們通過血管新生網絡的分析,進一步發現了參與血管新生發生、發展的多條信號通路。因此,LMMA方法可以為研究特定病證條件下多信號通路的參與及其協同作用、復雜病證的機制研究、藥物聯合干預等提供有力的支撐。總之,上述研究提示,從“相互作用→網絡→功能”的角度切入探討中醫證候的內在機制是可行的,有助于從宏觀與微觀多層次信息中發掘證候的系統內涵,理解證候療效評價、微觀辨證、證候生物模型、方劑整合調節機制等中醫藥關鍵問題(圖1),同時也有助于從中醫藥角度,推動對復雜疾病及其復合干預新的理解。四、基于綜合征網絡的聯合評價機制的研究1.中藥統一作用機理研究,拓展中藥學系統“方從法出,法隨證立”。證候作為中藥方劑干預的對象,與機體復雜的生物系統、生物網絡有關,因此,我們對于方劑提出基于生物系統調控的中藥組合研究思路(圖1)。從生物網絡及其調控的角度,計算與實驗相結合,有助于從“系統”層次闡釋證候、方劑的內涵。與證候研究相應,中藥方劑的研究也涉及從宏觀到微觀,還原分析與系統整合的過程。中藥方劑各種成份之間的相互作用、尤其是各種成份朝向證候效應的整合調節作用,是方劑治療復雜病證、發揮綜合療效的基礎與特色。因此方劑作用機理研究,不僅涉及到復雜的化學體系,尤其涉及到復雜的生物系統。在此背景下,探索中藥方劑的作用機理,除了測試分析技術、藥物信息學、化學信息學、化學生物學的進一步發展之外,也有賴于生物信息學、系統生物學的大跨度結合。目前國際上也有觀點認為,系統生物學可望“拯救”目前單純基于靶標的、高失敗率的藥物研究模式。從證候相關生物網絡的“調控”角度,可以認為,方劑所屬藥物的交互作用、組合形式是方劑形成其系統效應的基礎,并且與所作用的病、證對象息息相關。重視中藥通過不同組合所引起的機體多環節、多靶點改變,系統分析其與病證過程的內在聯系,是探索中藥方劑作用機理的一個重要切入點。我們的研究發現,寒性方劑“清絡飲”具有改善炎癥細胞因子分泌節律,調節MMP3/TIMP-1比例,并抑制關節炎大鼠“血管新生”的明顯作用。進而,通過血清藥物化學方法對該方的體內、外成分進行了研究,尋找到其有效成分并進行不同配伍、不同配比的生物活性分析,采用等效線法、反應曲面法等交互作用分析方法,尋找到具有抗血管新生協同作用的有效分子組合。有關成果被認為是目前進行中醫方劑治療血管新生相關疾病的代表研究之一。同時,我們合作建立了中藥方劑不同配比的效應分析以及中藥藥效系統評價的若干方法。隨著證候相關生物網絡研究的深入,以及中醫藥計算系統生物學有關方法的發展,從生物網絡調控的角度探索方劑的組合規律、尋找最優組合,可望成為一個有前景的方向。2.冷證關系生物網絡的多靶點干預效應中藥方劑的多靶點作用現在已逐漸成為一個共識。進一步研究需要解決的問題是:中藥方劑作用的證候靶點如何界定以及性能如何評價?靶點與靶點之間如何形成整合調節效應?能否通過了解靶點之間的關系來優化中藥組合?我們的初步研究表明,從網絡調控角度有助于理解方劑的“多靶點”整合調節作用。一方面,通過寒熱證候生物網絡的構建,估算其關鍵的節點,可為寒熱方劑提供候選的證候相關靶點。這一研究方法也可便捷地在“病證結合”或者“復合辨證”的框架下有效地拓展和推廣。另一方面,通過研究不同靶點在網絡中的相互作用乃至系統行為,可為理解方劑的多靶點干預效應、整合調節機制開辟途徑。我們的研究提示,中藥方劑可能是通過對復雜病證相關生物網絡的調控,在干預病證有關生物分子組合及通路上,發揮“多因微效”的整體調節作用。中藥方劑對于復雜病證的