系统生物学在中医药研究中的应用

        系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质等)的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科，是生命科学研究领域的一门新兴学科。它采用系统的方法，将研究对象看作为一个整体，通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学等各种高通量的组学平台全方位地获取海量的数据信息，并利用生物信息学及各种数学方法对数据分析处理，从而寻找规律，揭示自然界生物体所蕴涵的奥秘。这与中医学从整体的角度去看待个体和认识、诊治疾病的理论殊途同归。因此，在目前中医药的研究中，系统生物学研究的各种方法也在得到越来越多的重视和运用。
        一、基因组学技术在中医药研究中的应用
        基因组学(Genomics)是对一个物种的所有基因进行基因组作图(包括遗传图、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析的一门学科。在中医药的研究中，基因组学技术目前主要在基础理论和证候研究中运用较多。  
       1．基因组学与中医基础理论研究
        近年来，利用基因组学技术研究中医药理论已取得一些研究成果。如对阴阳学说，痰瘀本质等进行了深入的研究，初步揭示了这些理论的分子生物学基础。邓琳雯等从基因组的视角探讨了“天癸”的物质基础，认为“天癸”是一种源于先天、藏于肾中、男女皆有，依靠先后天精气滋养，具有一定规律性、时相性、空间特异性，并能对遗传进行调控的物质。钱岳晟等将高血压病患者阳亢和痰湿两种体质分类的表型与α-内收蛋白(alpha-adducin，ADD1)基因多态性的分布作相关性分析后认为，痰湿体质高血压病患者心脑血管危险因素更多，他们的预后可能要比阳亢质高血压病患者更差。
        2．基因组学与中医证候研究
        在中医证候研究方面，李梢等研究了中医寒热证与神经内分泌免疫网络的相互作用，构建了中医寒、热证生物网络模型，探讨了寒、热证相关疾病的基因分布以及寒、热方药的干预靶点相对应的两种生物分子组合模式。李瀚曼、蒋开平分别采用基因芯片、微板核酸杂交等方法对慢性乙型肝炎不同证候的相关基因突变进行检测，发现HBV基因突变与中医证候有着明显的相关性。刘晓燕等利用含495个与炎症有关基因的基因芯片，对肺癌阴虚证患者进行了外周血白细胞炎性细胞因子的基因表达谱研究，发现肺癌阴虚证的发生发展过程中由于整个免疫网络失衡，导致了阴虚证候的出现。吕诚等。利用基因芯片检测和分析技术，对类风湿性关节炎患者进行了中医证候分类的基因表达谱研究，结果表明，寒热证候类风湿性关节炎患者的基因表达谱存在差异，这种差异与患者和正常人之间的差异有所不同，提示了中医证候分类学具有分子物质基础。
        二、蛋白质组学技术在中医药研究中的应用
        蛋白质组学(Proteomics)是研究蛋白质组或应用大规模蛋白质分离和识别技术研究蛋白质组的一门学科，是对基因组所表达的整套蛋白质的分析。蛋白质组学的概念和中医认识疾病的整体性有一定的趋同性，与中医理论的整体观念相一致。
        1．蛋白质组学与中医基础理论研究
        中医精气学说是中医理论的核心内容，从中医的角度概括了生命的起源、本质和现象，是中医整体思想指导下对生命的认识。有学者研究认为，中医学的“精”的集中和综合表现，就是基因组信息整体。中医学的气是生命活动的动力，由精所化，在气的推动之下，脏腑器官组织才能相互传递信息，使机体处于和谐运动之中，蛋白质组由基因组所演化而成，参加对机体的反应并不是单一的蛋白质，而是由基因组根据作用环境和时间而应激产生系列蛋白质进行反应即蛋白质组。而蛋白质组的总的功能状态或者气场即气，所以气则是蛋白质组的集中和综合表现。
        2．蛋白质组学与中医证侯研究
        在中医证候研究中，吴红金等应用蛋白质组学技术观察了冠心病血瘀证病人与正常人血浆中的蛋白质变化，发现冠心病血瘀证病人血浆与正常人相比有3个蛋白点下调和6个蛋白点上调。谢文光等对脂多糖致热毒血瘀证大鼠的血清进行了2-DE分离分析，研究发现有13个蛋白点差异表达，与正常组比较热毒血瘀证组有2个蛋白点低表达，11个蛋白点高表达。谭秦湘等研究发现肝郁证候患者血清蛋白质表达与正常组相比有12个差异表达点，为揭示肝郁证候的重要相关蛋白特性奠定了基础。以蛋白质作为证候规律研究的物质基础，用蛋白质组学研究手段和方法对这一物质基础进行定量和定性，了解其变化规律，对了解证候实质及临床辨证的规范化将具有十分重要的意义。
        3．蛋白质组学与主药及复方研究
        在中药研究方面，谢文光等研究了玄参治疗大鼠内毒素血症的血清蛋白质组变化，发现玄参治疗内毒素血症的疗效可能是通过调节10个蛋白点实现的；用同样的方法观察了赤芍治疗大鼠热毒血瘀证的血清蛋白质组变化的影响，发现赤芍治疗热毒血瘀证的分子基础可能与调节6个蛋白点的表达有关。梁恒等通过双向电泳，研究了山茱萸醇提物(FCE)作用IgA肾病鼠的肾组织的差异蛋白质表达谱，发现表达量差异在2倍以上的有263个。Zeng- Chun MA等用蛋白质组学的方法研究了川芎嗪毛冬青对照射后的QXMSCl细胞的影响。放射线照射组与未照射组18个蛋白差异表达，其中15个能被鉴定。
        在中药复方的研究中，周军等为探讨桂枝汤的解热分子机制，观察了桂枝汤对酵母致发热大鼠下丘脑组织中蛋白质的表达的影响，发现模型和治疗大鼠下丘脑蛋白表达有明显差异。并进一步观察了桂枝汤有效部位A对酵母致热大鼠下丘脑组织蛋白质组影响，发现多个蛋白质点表达量有不同程度的改变，这些差异表达的蛋白质点可能与桂枝汤有效部位解热作用有关。吴伟康等探讨了四逆汤保护缺血心肌的相关蛋白改变谱，发现四逆汤可以影响大鼠缺血心肌的多个蛋白质点的表达。因此，以蛋白质表达为指标，以蛋白质调控改变和功能修饰为研究方向，进行中药复方多组分的多环节、多靶点调整作用研究，有可能使中药复方的作用机理研究取得突破性进展。
        三、代谢组学技术在中医药研究中的应用
        代谢物组(Metabonome)指生物体内的所有小分子代谢物，是生物体内经基因组表达和新陈代谢产生的中介物及终产物。代谢组学就是通过对机体体液中代谢产物在时间上的定量和定性分析。从整体上评价生命体功能状态及其变化。
        1．代谢组学与中医基础理论研究．
        中医历来重视“治未病”。古代医家总结出中风的预兆如头晕目眩、大拇指和次指麻木或口眼和肌肉不自主跳动等，可惜目前临床很多疾病还未总结出发病征兆。代谢组学通过对“黑箱”外内源性代谢物的种类和数量的变化与疾病前兆到疾病发生、达到临床诊断判定标准这一进程做相关性研究，可以防，及预防效果的评价。Brindle等仅用几滴血液对36例严重心血管疾病患者(triple vessel disease，TVD)和30例心血管动脉硬化患者(normal coronary arteries，NCA)进行了代谢组学分析，结合各种生物信息学技术实现了对心血管疾病及其严重程度的判别，得到了高于90％的灵敏度及专一性。此外，代谢组学已经用于揭示人体自我平衡(homeostatic)体制以及由于膳食成分的不足或过度造成这个代谢平衡扰
乱的机制。因此，代谢组学的发展有可能实现古人“治未病”的思想。
        2．代谢组学与中医证候研究
        从代谢组学的观点而言，人体处于不同的生理病理状态时必然存在特定的代谢组分模式。代谢产物的变化与脏腑生理、病理密切相关，与以往任何单一指标不同，理应更能反映中医“证”的概念。陈闽军等采用代谢组学研究，发现肾阳虚模型动物的代谢网络明显偏离正常组动物，而用温阳中药干预后，模型动物的代谢谱回归至正常范围，呈现网络修复的结果。一些学者以慢性束缚方法制作应激大鼠模型，运用动物行为学评定和以方测证等方法确定该模型为肝郁脾虚证候模型，经NMR数据采集与分析发现：①正常组与模型组之间存在代谢产物谱的显著差异。②模型组随着造模时间长短的不同，其代谢产物有所变化。③中医证候之间可能存在着非常明显的代谢产物的不同，这种不同是基于不同证候存在着不同物质代谢或其代谢网络的改变。
        3．代谢组学与中药研究
        在中药研究中，陈闽军等采用LC／MS和GC／MS技术及多变量统计分析马兜铃酸组和含马兜铃酸的中药关木通组大鼠尿样代谢物，结果显示在马兜铃酸引起的进行性肾功能损伤的同时，动物的代谢模式也发生了改变。并在盲法下成功地预示了某些服用马兜铃酸动物并不会导致肾毒性。刘平等运用代谢组学方法和各种药理模型，发现四君子汤具有增加胃肠细胞表面黏液蛋白、拮抗乙酰胆碱、促进肝糖原合成、抗氧化作用等多种作用。并且证明了四逆汤是通过多种成分、多层次、多靶点地对代谢“网络性”损伤进行修复，从而达到治疗疾病效果。
        而且，代谢组学研究还大大缩短了中药新药安全性研究的周期，它能够快速、有效地分析多条代谢通路，帮助定位靶组织及判定毒副作用程度，推导出毒性的生化机理，发现损伤的发生、发展和消失过程中的生物标志物。Zhang等以马兜铃酸及相关中药作为典型研究对象，寻找马兜铃酸肝肾毒性的代谢模式特征，发现了新的肝肾毒性生物标志物，并研究了马兜铃酸致肝肾毒性的分子机理，在此基础上建立了用代谢组学评价中药肝肾毒性的新方法。在药物的毒性评价中，代谢组学已经作为一种独立的技术被广泛应用。
        四、生物信息学方法在中医药研究中的运用
        生物信息学(Bioinformatics)是指生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互交叉而形成的一门新兴学科，通过对生物大分子信息的获得、加工、存储、分类、检索与分析，以达到理解这些生物大分子信息的生物学意义。
        王米渠等探讨了当代信息融合方法引入中医科研前沿的必然性和重要性，从证候到基因组的各类信息产生的背景和基本特点，前瞻性地提出中医科研中信息融合的运用方法及需要解决的一系列问题。许忠能根据生物信息学及相关领域近几年的研究，提出应立足于利用多学科的思路与工具促进中草药研究，指出药靶与活性成分结构预测、代谢模拟和药理的能量观点是中草药研究尤其值得探索的新内容。李梢等在对SARS的临床回顾性研究中，应用生物信息学的方法，发现了一组与患者预后及中西医治疗效果相关的证候组合，并分析其相关程度与血氧饱和度(SaO2)等客观指标比较一致。此外，该课题组在慢性胃炎及癌前病变的临床分析中，发现不同的四诊信息组合对于幽门螺杆菌(Hp)感染具有不同的诊断价值。李梢等运用热力学函数来解释中医理论中的“气”，并运用数学模型模拟人体在不同年龄时期的机体热力学变化，寒热体质在不同季节的变化，从而解释中医的阴阳学说，体质学说等。目前，我们运用复杂网络对慢性乙肝症候人群进行研究，发现乙肝症候人群网络具有小世界特征，研究还显示乙肝人群分布具有中医学证候分类的特征，初步揭示了中医肝病系统的复杂性。
        五、问题与展望
        综上所述，目前系统生物学的技术已经开始应用于中医药研究，但主要集中于证候以及药物的研究方面，而在使用药物进行干预，并对药物疗效进行整体评价等方面涉及较少。而且二者的结合尚处于理论的探讨阶段和药物研究的初步阶段，未能全面而深入的探讨其中某个方面的问题，特别是缺乏结合临床的前瞻性设计性研究报道，这可能与传统的中医理论仍然有许多地方不够清晰和明确，且在临床实践中疗效的评价比较困难有关。随着系统生物学研究的迅速发展和不断深入，越来越多基于高通量、海量信息的组学技术和许多新兴的组学(omics)研究不断涌现，例如在基因组学和蛋白质组学基础上建立的转录组学、比较相互作用组学、酶组学、抗原表位组学、抗原组学、抗体组学和毒理基因组学，以及在中药学基础上建立的药材组学、化学物质组学等。这些新兴的组学技术在中医药研究中的应用较少或未涉及。说明了中医药研究与系统生物学的新技术结合能力尚有不足。此外，在运用系统生物学的手段进行中医药研究的过程中，如何将中医药与系统生物学的理论和方法有机结合，如何确定中医药系统生物学客观评价技术指标，如何将众多的指标信息有机整合并寻找出规律，从而把握疾病的演变规律，并对中医药干预结果进行客观的评价，也都是亟待解决的问题。
        由于系统生物学以整体性研究为特征，以生物信息学技术为联系“还原”与“系统”的重要方法，并且与中医学在理论上有着许多的共同之处，所以，系统生物学可以为中医药研究提供思路和方法，二者的有机结合，对于中医药重新审视自身特色、发展自身特色，既是一个重大机遇，也是一个挑战。在系统生物学应用于中医药的研究中，首先，利用各种组学平台并结合生物信息学的研究，使我们能够建立预测模型，模拟疾病的发展过程、各种致病因素与人体交互作用以及中药作用于人体的过程，并且预测疾病的预后，使中医药的研究有了客观的依据，而不再仅仅依靠于经验的积累。其次，基于系统生物学“组”观点与中药复方反映的多成分、多靶点特性相一致，将系统生物学的技术手段运用到中药的研究中来，对复方药物的设计以及治疗过程进行模型预测，优化治疗方案，指导个性化用药，最大限度的减少副作用，从而达到最优的治疗效果。
        随着系统生物学的不断发展，新兴的组学领域也将层出不穷，系统生物学提供的研究理念及技术手段将越来越多的运用到中医药研究领域中来，二者的有机融合，必将使中医药的发展进入到一个崭新的历史时期。

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