相关交叉学科对中医药信息学发展的启示

杨 硕 崔 蒙 贾李蓉 高 博

(中国中医科学院中医药信息研究所，北京市东城区东直门内南小街16号，100700)

作为中医学和信息学的一门新兴交叉学科，中医药信息学对促进中医学发展具有重要的历史使命。那么，如何在短时间内建设好自身发展，同时对本源学科起到推动作用呢?笔者从交叉学科中发展相对成熟的生物信息学、医学信息学、系统生物学对本源学科的影响以及对中医药信息学的启示进行探讨。

1 生物信息学

1.1 生物信息学的定义 生物信息学是在生命科学、计算机科学和数学的基础上逐步发展而形成的一门新兴的边缘学科，它以核酸和蛋白质为主要研究对象，以数学、计算机科学为主要研究手段，对生物学实验数据进行获取、加工、存储、检索与分析，从而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。在处理信息时，同时采用了数学、统计学的模型、模拟研究手法，因而成为生物学、统计学、数学、计算机学甚至工程学等多学科之间的交叉领域［1－2］。

1.2 生物信息学对本源学科的影响 生物信息学的本源学科是生物学，它对生物学的促进作用是巨大的。首先，通过收集和建立生物学数据库，为生物学构建了一个坚实的科研信息研究平台;其次，生物信息学研究所带来的新型研究手段和成果，如大量生物物种基因组序列的完成和分析使生物医学的研究方法发生了迅速的改变;第三，生物信息学研究将根据比较基因组学、功能基因组学等分支学科的研究成果，运用大规模高度复杂和智能的数学统计模型，从整体和系统的水平上对生物学的现象提出大量新的理论和学说。而对于这些学说和理论的验证将推动生物学的研究，进入到系统生物学的新时代［3－5］。

同时，生物信息学对其他来源学科亦有很大的促进作用，如许忠能［6］认为生物信息学为医学开辟了一条新的高效研究途经“运用生物信息学分析医学数据，然后筛选与疾病相关的基因，再进行验证”“同时利用生物信息学辅助药物设计是药学的一个重要进展”。事实证明，生物信息学的发展成果不仅对基础医学研究有极大推动作用，而且对人类疾病防治、生物医药产业都有极深远的意义。

1.3 生物信息学发展对中医药信息学的启示 中医界对生物信息学表现出浓厚的兴趣，主要认为可借助生物信息学的技术促进中医药学发展。如李梢［7］认为以信息、系统的观点切入探讨中医药诊疗体系的科学内涵，以生物信息学的有关理论与方法为桥梁，从多层次进行中医药生物信息学有关理论、模式与技术方法的构建，中药研发的新模式与新技术探索，将有助于深入了解中医学整体、系统的诊疗规律;罗国安等［8］提出充分利用生物信息学技术，通过中药指纹图谱的信息获取、信息处理和信息挖掘三方面内容的研究，建立中药组效学研究体系。近几年国家自然基金许多中标项目中无论是基因/蛋白质表达谱在中医证候研究、辨证分型和诊断中，还是在中药作用机制及其开发中的运用都涉及生物信息学技术分析。简而言之，目前生物信息学对中医药学乃至中医药信息学的技术支撑多处于理论探讨阶段。

生物信息学发展给予中医药信息学最大的启示就是，两门学科交叉后所产生的新技术可以成为支撑本源学科发展的关键技术。在某种意义上，可以说，如果没有生物信息学的数据处理技术，基因组、蛋白质组及代谢组的研究几乎是无法开展的。上述组学的研究过程中产生了海量数据，这些数据用通用的计算机技术几乎是无法完成其计算的，而这些数据的处理问题得不到解决，则三个组学就无法发展。因此，生物信息学的诞生，解决了阻碍组学发展的关键科学技术问题。

中医药信息学面临的研究对象是中医药信息，这是一类不同于一般数据的信息，其所具有的现象信息、主客融合、偏重时间、必须在开放环境中获取等特点，也是通用计算机技术所无法处理的。而中医药信息的获取、转化、处理与传播问题已经成为阻碍中医学发展的关键科学技术问题。因此，中医药信息学如果能够象生物信息学一样，解决阻碍中医学发展的现象信息处理技术问题，则本身的学科价值将能够得到充分的体现。

2 系统生物学

从古希腊和古中国的模糊整体论到15世纪近代科学兴起的还原论，再到今天的系统论，按钱学森的说法是“系统论是还原论和整体论的辩证统一”［9］。系统论的优越性在于整体涌现性:即若干组分按照某种方式整合成为一个系统就会产生这些组分单纯相加所没有的新成分或功能，而一旦把系统分解还原为各个组分，这成分或功能便不复存在。

2.1 系统生物学对本源学科的影响 系统生物学的本源学科也是生物学。系统生物学是基于基因组学、蛋白质组学等为核心的实验技术，借助和发展多学科交叉的新技术方法，研究功能生命系统中所有组成成分的系统行为、相互联系以及动力学特性，从整体水平分析和计算模拟复杂生命现象进而揭示生命系统控制与设计的基本规律［10］。就目前而言，由于各个学科在生物学领域的渗透和各种新型先进的生物学研究手段和分析思路在传统生物实验室中的应用，系统生物学的概念和思路已经在逐渐地改变传统的研究思维。

近年来发展很快的人体系统生物学是在Lee Hood领导的美国系统生物学研究所、Jeremy Nicholson领导的英国帝国理工的生物分子医学系、Ian van der Greef领导的荷兰TNO医学系统生物学实验室以及陈竺领导的上海系统生物医学研究中心等机构的探索和推动下正在蓬勃兴起的一个新的学科方向。上海系统生物医学研究中心副主任，上海交通大学生命科学技术学院副院长赵立平教授，阐述了他们的研究成果。在人体中，人的细胞数量仅占细胞总量的10%，而共生微生物的细胞所占比例高达90%。共生细菌大部分生活在肠道里，有大约1.5kg。这些细菌在生长活动中产生的代谢物可以进入人的血液，影响人的健康。有益菌可以产生消炎、镇痛、抗氧化的物质，还可以合成维生素、氨基酸、丁酸盐等营养成分，对人体有滋养和保护作用。有害菌则可以产生神经毒素、致癌物质和游离抗原，进入血液后能够引起儿童自闭症、老年痴呆、肥胖症、糖尿病、冠心病，甚至癌症等各种慢性病。因此，结构失调的肠道菌群可能是诱发慢性病的重要因素，这个观点叫“慢性病的肠源性学说”。由于很多肠道菌是不能分离培养的，很难获得它们的参考基因组。赵立平教授提出，依托“系统生物医学科技创新平台”建立的“功能元基因组”技术为解决这个问题提供了途径。他们与帝国理工医学院等单位合作，建立了通过测定尿液代谢物的组成变化和肠道菌群结构变化的关系，来判断哪一种细菌可能影响人体的哪一部分代谢的方法，就有可能将具有重要功能的细菌鉴定出来。然后再设法通过单细胞分离和全基因组扩增获得其参考基因组序列。整个过程不需要分离培养细菌，可以突破培养技术的瓶颈，获得更多重要细菌的参考基因组序列［11］。目前，赵教授的研究团队，通过测定肠道菌群的变化，来判断人体慢性疾病的发生、发展和转归。这个例子也从一个侧面说明系统生物学的技术和思维对本源学科生物学、医学的潜在的巨大推动力。

2.2 系统生物学的研究思路与技术对中医药信息学发展的启示 系统生物学和中医学的思维模式具有一定的共性:系统生物学从系统的角度认识生命过程并寻找其中规律，中医学是从整体角度认识生命并治疗疾病，而中医药信息学则是从系统论角度研究动态的、整体的中医药信息和生命信息。

系统生物学对中医药信息学的促进作用体现在研究思维和技术方面:1)以先进的技术模拟整体数据模型，避免孤立、静止的研究方法。如可模拟某一证的代谢组数据模型，由于代谢组学是对机体代谢事件的全面跟踪和评价，避免从前在现代医学的“病”下才能研究中医的“证”的机械规范以及孤立的、静止的研究所造成的种种误区。结合系统生物学中的蛋白组学、基因组学的研究成果，甚至可以对中医某些概念的理解有重大突破［12］。2)控制中药的质量。用系统生物中现代代谢组学研究方法通过对中药复方混合物中组分的类型、含量和状态的分析，可以定量地对其进行评价，有可能解决无法测量中药复方中多种成分的联合药效的难题［13］。总而言之，借助同样思维模式的系统生物学的技术，可以帮助中医药信息学建立一个整体的、动态的、具有防治疾病功能的信息体系。

人体系统生物学对中医药信息学发展的重要启示是，传统的系统生物学强调整体所有组成部分及其所有关联关系的研究，这就使得在目前科学发展的水平上，系统生物学的研究必然会非常缓慢。而人体系统生物学是从整体代谢物的角度去研究人体及其共生的肠道菌群的变化，从而把握疾病的变化，这就使系统生物学在目前科学发展的水平获得了快速发展的途径。从目前科学发展的水平，去寻找能够解决问题的角度和方法学是中医药信息学应该从人体系统生物学发展获得的启示。

3 医学信息学

3.1 医学信息学的定义 关于医学信息学的定义有多种说法，这里采用这样一种定义:医学信息学是运用信息、计算机、认知科学等的理论、技术和方法，研究医学信息的性质和运动规律，进行医学信息的采集、加工、存储、传输、分析、利用以至于医学知识的表述，为临床决策提供支持的学科［14］。

3.2 医学信息学对本源学科的影响 与中医药信息学非常相似，医学信息学是医学和信息学的新兴交叉学科，在国外有近40年的发展历史，国内起步稍晚，但对医学的积极影响已初见端倪。笔者认为其促进作用有两方面，一是医学信息学在一般信息学的指导下，研究医学信息的产生、提取、检测、变换、传递、存储、处理和识别，建立数据库，提供信息研究平台，并利用计算机工具和技术对医学信息的概念、属性、关系进行探讨，加深了基础的医学理论研究和哲学深层意义的探讨，主导了科研发展方向;二是在控制论和系统论的指导和工程设备和技术的帮助下，研制各种信息化、智能化的诊疗设备和成熟的医院信息系统，提供临床决策支持，大幅度地提高了临床疗效。

3.3 从医学信息学的现状思考中医药信息学的学科发展 不言而喻，这两门学科的研究目的具有高度相似性——应用计算机技术来处理生命科学领域的数据。鉴于医学信息学的发展已领先一段，其学科规划和发展之路对中医药信息学就具有较大的借鉴意义。

国内医学信息学的研究范围主要有基础研究和应用研究:包括理论研究(医学信息的概念和性质)、应用基础研究(医学信息的的产生、提取、检测、变换、传递、存储、处理和识别，以及控制原理和方法)、应用研究(研制医学信息系统)。在这方面，中医药信息学并无二致。医学信息学研究最新进展大致可以分为5方面:电子化病历、医疗信息系统、医疗决策系统、影像信息学技术、远程医疗。这方面中医药信息学起步较晚，仍需投入大量人力和资金，但可以考虑采用医学信息学的先进技术。除了以上一致的研究方向外，鉴于中医大量信息是定性而非定量的特点，笔者认为中医药信息学还需致力于:1)中医药信息学理论与方法学研究，鉴于中医药信息的特点，必须加强理论与方法学的研究，才能使中医药信息的获取、转化、处理与传播实现跨越式发展。2)具有中医特色的文献数据挖掘(中医具有3000多年理论的厚重沉淀)，尤其是隐形知识的挖掘。3)具有中医特色的知识表达和语义网络关联分析;四、中医证候模型建立和中药复方组合成分的分析鉴定。

二者最大的不同之处在于研究内容。由于二者的研究对象分别是西医和中医，这两大医学体系分别孕育于东西方不同的哲学思想和文化母体，不同的思维模式导致两种医学信息学发展方向将南辕北辙。基于还原论的西方医学倾向微观化，无论生理病理，或是诊断治疗均可量化研究;而中医倾向宏观化，在注重整体观的同时强调个性化诊疗。因此中医药信息学更注重对信息进行多层次、多维度的关联整合，例如在研究疾病时，除了医学信息学注重的多病因、多症状、患者个体差异等多因素的多层次整合之外，还会考虑脏腑上功能相关，病理相互影响，从而获得整体的、动态的综合结果。

在学科教育上，美国许多大学将医学信息学课程分为5个部分即应用于医学信息本身的计算机科学、生物医学、决策科学、社会科学、公共政策。而国内则集中在计算机技术、医院信息系统、医院决策支持系统、远程医疗等［15］。相较而言，国内医学信息学专业的计算机研究水平和课程设置逊于国外。而目前中医药信息学学科人员的计算机水平也较弱，可以考虑增加课程设置或引进专业人才。

医学信息学发展给予中医药信息学的重要启示之一，是在加强应用研究的基础上，必须重视学科的理论与方法学建设，由于医学信息学在其发展过程中，重视其应用领域的发展，相对忽视基础研究，因此对学科的发展产生了很大的影响。中医药信息学由于其信息特征的特殊性，如果不加强理论与方法学研究，其发展将会比医学信息学缓慢。因此，从中医药信息学学科建设的初始阶段，就必须把理论体系和方法论体系的建设摆在重要地位。重要启示之二，是其学科框架的构成。目前，医学信息学分为理论研究、应用基础研究及应用研究的框架及其二级结构对中医药信息学的发展有很大的启示。重要启示之三，是医学信息学在其应用研究领域朝向医药卫生发展的大方向，这促进了其学科与实践的紧密结合，从而发挥了更大的作用，这是值得中医药信息学借鉴的。

总之，中医药信息学在发展道路上可借鉴医学信息学的前期经验和优秀研究成果，但必须注重发展自身特色，整体观和辨证论治不仅是中医学的灵魂，更是中医药信息学的立身之本，是区别与医学信息学的最大特色。

4 结语

21世纪人类对重大疾病的预防和控制将会出现新的模式，逐渐产生讲究科学、注重人文、强调3P医学，即建立预测(Predictive)、预防(Preventive)以及个体化(Personalized)的医学模式［16］。无论是中医学抑或是现代医学，发展任务是要加深对生命基本规律的认识，并促进复杂性疾病的研究向功能、系统的方向发展。从这种意义上来说，作为中医学的二级学科，中医药信息学不仅需要多维度立体展示中医药知识点中的复杂关系，对中医药研究起到信息支撑辅助的作用;更重要的是在研究复杂关系的关联过程中，通过揭示有关规律，对中医学乃至生命科学有所启示和发展，这才是中医药信息学学科发展的目标所在。

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