系统生物学与中医证本质研究

李晓红，梁 媛，李晶晶，陈家旭

(1.北京中医药大学，北京 100029;2.广西中医学院，广西 南宁 530001;3.中国中医科学院中医基础理论研究所，北京 100700;4.江西中医学院，江西 南昌 330004)

证候是机体在疾病发展过程中某一阶段病理变化本质的概括，是机体对致病因素作出反应的一种功能状态，是中医学认识疾病和辨证论治的主要依据。“证”作为一种有规律的病理表现或一种功能表现，必然有其物质结构来支配它，中医学认为“有诸于内，必形诸于外”，也从另一角度说明内在物质结构是外在功能表现的基础。从中西医结合医学的角度来看，中医证本质的含义是指引起证发生发展的物质基础，这些物质决定着证候发生发展的动态变化过程，是在证的发生发展过程中产生的特殊物质群[1]。中医证本质研究的目的就是要用现代医学理论揭示中医证候理论中蕴藏的科学内涵，找到中医证候的物质基础，实现微观辨证的依据。由于证候是一个非线性的“内实外虚”、“动态时空”和“多维界面”的复杂巨系统[2]，只有采用与证候复杂性相适应的复杂性科学理论及思维方法对其进行研究，才能揭示其科学内涵。

系统生物学是当前生命复杂体系研究比较公认的科学思维方式和研究手段，是近年生物医学研究领域引人瞩目的重要研究理念，是分子生物学研究成果与高通量研究技术、计算机科学等相整合的结果。目前，许多学者引入系统生物学进行中医证本质研究，取得了一定的进展。

1 系统生物学概述

系统生物学是由美国科学家Leroy Hood于上世纪90年代末重新提出的学科理念，是研究一个生物系统中所有组成成分(基因、蛋白质等)的构成，以及在特定条件下，如遗传、环境因素变化时，分析这些组分间相互关系的学科[3]。和传统生物学不同，它不仅关心个别的基因和蛋白质，而且注重研究所有的基因、蛋白质、代谢物等组分间的所有相互关系。同时，通过整合各组分信息，以图画或数学方法建立能描述系统结构和行为的模型[4]。系统生物学的目标是要得到一个理想的模型，使其理论预测能够反映出生物系统的真实性，而且可以用来预测系统受到干扰后的未来的行为[5]。它的主要技术平台有基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学等，这些高通量的组学实验平台构成了系统生物学的大科学工程[6]。

系统生物学的主要特点包括以下几个方面。(1)整合:指系统内不同构成要素(基因、蛋白质、生物小分子等)的整合，从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合;(2)信息:生命系统是一个分级信息流的过程，从DNA→mRNA→蛋白→蛋白质相互作用→信息通路→信息网络→细胞→组织或细胞网络→生物体→群体→生态，系统生物学就是要研究并揭示这种信息的运行规律;(3)干涉:系统生物学一方面要了解系统的结构组成，另一方面要揭示系统的行为方式，也就是说，系统生物学研究的并非是一种静态的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间段具有什么样的动力学特征[4、7、8]。

系统生物学研究方法有组学实验和理论计算两大技术方法，也称为湿实验和干实验[9]。组学实验方法就是应用各种组学技术检测系统内所有成分，并通过干扰实验获得参与生命活动过程各种成分在各个层面的信息;理论计算方法就是通过数学、逻辑学和计算科学模拟的手段，对真实生物系统的还原。将组学实验方法获得的各种生物信息转换为数字化信息，变成不同学科的共同语言，进行归纳和数学建模，建立生物系统的理论模型，提出若干假设，然后对构建的模型进行验证和修正，进行全面系统的干扰整合。通过对系统进行人为扰动，不断获得信息变化与功能改变之间的相互关系，进而不断调整假设的理论模型，使之更加符合真实的生物系统。通过组学实验和理论计算两大技术不断周而复始地进行，是系统生物学研究最基本的方法[10]。

概括起来，系统生物学第一步是整合数据，第二步是建立数学模型，第三步是预测系统行为。系统生物学研究方法的特点是通过层次与层次之间、网络与网络之间、系统与系统之间的联系和整合建立起来的复杂系统，并不是简单系统的叠加。这个复杂系统会出现一些涌现性行为和涌现性规律，出现一些单独系统所不能反映的新行为。系统生物学研究也会通过不同网络之间的贯穿特性，使得基因或蛋白质过渡到生物学功能(表型)[11]。

2 系统生物学在中医证本质研究中的应用

中医理论中蕴涵着对人体生命活动复杂内容的独特认识，属于复杂性科学。作为对人体病理状态进行宏观描述的中医证候学，从系统整体层次动态地把握机体的功能失序状态及病理演变规律，它所阐释的人体病理系统与复杂性科学意义下的复杂系统有许多相似之处，这使证候学的研究可以引入复杂性科学的理论与方法。

近10年被称之为“测量的10年”或者“组革命时期”，以人类基因组计划为代表的“组革命”(即基因组、蛋白质组、代谢组等方面工作)的兴起[12]，为我们从多学科、多视角进一步研究中医证的本质提供了重要的方法学基础和技术条件。功能基因组学、蛋白质组学和代谢组学的研究虽然还不能称之为完整的系统生物学研究，但却是系统生物学研究的首要内容。近年来，以上组学技术已广泛运用于中医证本质的研究，众多学者对“证候基因组谱”、“证候蛋白质组谱”、“证候代谢组谱”的构建进行了一些有意义的探索，为中医辨证的科学化和定量化研究找到了新的技术平台。王米渠等[13]用基因芯片方法研究中医寒证，发现寒证的基因表达谱有显著差异，在59条差异表达基因中，绝大多数与能量代谢、蛋白质代谢有关，说明寒证患者的代谢网络有别于常人，从而使寒证诊断的客观化、现代化成为可能。谭秦湘等[14]对不同病种的肝郁证进行血清蛋白质组学研究，发现了12个差异蛋白质点，其中Spot73仅在正常组中表达、Spot71仅在3个肝郁证疾病组中表达，另外的10个点均在3个肝郁组表达上调，为揭示肝郁证的重要相关蛋白质特性奠定了基础。本课题组前期[15]采用慢性束缚应激方法建立肝郁脾虚证大鼠模型，运用代谢组学技术，初步发现肝郁脾虚证模型大鼠的生物标志物为:醋酸酯、乳酸、酪氨酸、LDL等。

组学技术从整体动态去揭示证候的生物学基础，为系统生物学理论提供了大量的科学数据，由此促进了系统生物学理论的发展和完善。证候的宏观表型与微观生物分子之间的关系十分复杂，系统生物学为建立证候宏观与微观之间的联系提供了一种新的思路与途径。李梢[16]从生物分子网络角度展开研究证候宏观与微观之间的联系，通过多年的探索，形成了适用于阐释病证方系统内涵的“表型网络-生物分子网络-药物网络”研究构架，并进行了寒证与热证的案例研究。在神经内分泌免疫(NEI)网络的基础上，建立了“人寒、热”证的生物网络模型，为NEI网络背景下多种辨证方法的辨析及其组合，以及寒热等证候属性与具体病变的结合提供了平台。在此基础上，进一步提出了证候生物分子网络标志的构想，分析了证候生物分子网络标志应用于证候客观化与个体化诊疗、中医药临床效应评价、方剂与中药药性等研究领域的可能性[17]。

3 问题与展望

运用系统生物学的思路和方法进行中医证本质的研究，虽然已经取得了一定的进展，但还存在一些问题。主要表现在一是目前研究多集中于蛋白组学和基因组学研究，而代谢组学研究较少。生物机体是一个整体化和网络化的复杂体系，在基因-蛋白-代谢终产物这样一个生物信息传递链中，机体需通过不断调整复杂的代谢网络来维持自身与外界的互动平衡。基因和蛋白质的变化告诉我们生命体可能会发生什么，而代谢物质和代谢表型所反映的是已经发生了什么，直接体现生物体系生理和生化功能状态。可见，代谢组学能够反映确实已经发生了的事情，是揭示证候物质基础非常有用的实验手段;二是大多数研究结果均为表象描述，停留在蛋白质或基因表达谱表达模式的层面上，而对实验所得的差异基因、差异蛋白、差异代谢物的生物学意义及它们相互间的联系研究较少;三是对组学提供的海量数据如何利用生物信息学、统计学、系统控制等方法，在综合多层次信息的基础上，针对中医证的“外候”和“内涵”进行计算建模，通过计算模型获得规律性认识，产生预测与假设的研究文献相当少。组学本身并非系统生物学，如果没有系统模型为指向，单纯的组学被认为是大规模的还原分析[18]，需要依赖计算、建模等方法去推测其内在的系统。

尽管目前运用系统生物学进行证本质研究还处在起步阶段尚存在不足之处，但系统生物学和中医学的融合是可能的。中医药学本来就是先进的系统生命科学认知体系，将系统生物学与证本质研究相结合，有望从完整的疾病分子机制角度解释“证”、“辨证论治”等中医特色的概念，实现证候理论的现代科学诠释。

[1]沈自尹.有关证与神经内分泌免疫网络的研究[J].中医药学刊，2003，21(1):10-11.

[2]郭蕾，王永炎，张志斌.证候概念的诠释[J].北京中医药大学学报，2003，22(2):5-7.

[3 ]Weston AD，Hood L.Systems biology，proteomics，and the future of healthcare:toward predictive，preventative，and personalized medicine[J].J Proteome Res，2004，3(2):179-196.

[4]H eath JR，Phelps ME，Hood L.NanoSystems biology[J].Mol Imaging Biol，2003，5(5):312-325.

[5]Ideker T，Galitski T，Hood L.A new approach to decoding life:Systems Biology[J].Annu Rev Genomics HumGenet，2001，2:343-372.

[6]杨胜利.系统生物学研究进展[J].中国科学院院刊，2004，19(1):31-34.

[7]许树成.系统生物学[J].生物学杂志，2004，21(3):8-11.

[8]胡作为，周燕萍，沈自尹.从现代生物学的发展谈中医药从整体上调控基因功能的优势[J].中医药学刊，2004，22(1):91-93.

[9]沈瑾秋.系统生物学在中医学研究领域的应用[J]，中华中医药学刊，2008，26(8):1797-1798.

[10]高宏生.系统生物学[J].国外医学·卫生学分册，2007，34(6):392-393.

[11]沈自尹.系统生物学和中医证的研究[J].中国中西医结合杂志，2005，25(3):255-258.

[12]张其鹏，卢铭，孙冬泳，等.医学中的系统生物学[J]，中华医学杂志，2005，85(19):1363-1366.

[13]王米渠，冯韧，严石林，等.5例寒证的宏观疗效及基因表达谱芯片分析研究[J].浙江中医学院院报，2003，27(6):60-63.

[14]谭秦湘，吕志平，钟小兰，等.肝郁证辨证与相关蛋白关系初步研究[J].辽宁中医杂志，2006，33(2):157-158.

[15]罗和古，丁 杰，岳广欣，等.大鼠肝郁脾虚证的代谢组学研究[J].中西医结合学报，2007，5(3):307-313.

[16]Li S，Zhang Z，Wu L，et al.Understanding ZHENG in traditional Chinese medicine in the context of neuro-endocrine-immune network[J].IET Systems Biology，2007，1(1):51-60.

[17]李 梢.中医证候生物分子网络标志的构想与研究[J].中医杂志，2009，50(9):773-776.

[18]Hiesinger PR，Hassan BA.Genetics in the age of systems biology[J].Cell 2005，123(7)B1173-1174.