基于支持向量回归机的肾阳虚大鼠垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴功能动态分析❋

王秀凤,张 磊,伍庆华，闵建新，张 琰，罗来成△

(1．广东药学院基础学院，广州 510006； 2．江西中医药大学基础医学院，南昌 330006)

肾阳虚证与衰老以及诸多疾病关系密切，往往会导致机体发生广泛的病理生理变化[1～5]，下丘脑-垂体-靶腺轴多个激素指标出现异常变化[6～8]，机体功能低下或紊乱。人们针对肾阳虚下丘脑-垂体-靶腺轴功能进行了大量的研究，但多数研究仅得到肾阳虚生物学指标的相关性初步结论[9～11]。为进一步揭示反映肾阳虚生物学指标之间的相互作用，从生物分子网络的角度探讨肾阳虚证发病机制，需要引进先进的数学分析方法。支持向量机(support vector machine, SVM)是Vapnik等提出的一种新的机器学习方法，由于其出色的学习性能，已成为当前的研究热点。SVM最初应用于分类问题，后来被推广应用到回归问题中，形成了支持向量回归机(support vector regression, SVR)理论。支持向量回归机具有预测功能，因而可以利用支持向量回归机建模预测输入生物分子变化的时候输出生物分子的变化，从而了解生物分子网络内部的相互调控关系。由课题组前期建立的因子分析模型发现，肾阳虚时垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴的生物分子关系密切，且2个轴上的5个生物分子构成因子分析模型的第一主成分[13]，即垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴的生物分子之间的调控关系是肾阳虚的主调控因子，提示垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴之间的调控失衡可能是肾阳虚发生的重要环节之一。因此，本文建立了肾阳虚大鼠垂体-肾上腺轴生物分子与垂体-性腺轴生物分子之间的支持向量回归机模型，进一步探讨肾阳虚过程中肾上腺与性腺功能的动态关系。

1 材料与方法

1.1 动物与饲料

SPF级Spague Dawla(SD)雄性大鼠，体质量(200±20)g，由广东省实验动物中心提供(许可证号SCXK(粤)2008-0002)。基础饲料由广东省实验动物中心提供。

1.2 药物与试剂

0.9%氯化钠注射液，藁城市四海药业有限公司；氢化可的松注射液，山西晋新双鹤药业有限公司(国药准字H14020980);黄体生成素(LH)、促卵泡激素(FSH)、睾酮(T)、促肾上腺皮质激素(ACTH)和皮质醇 (CORT)放射免疫试剂药盒，Siemens Medical Solutions Diagnostics。

1.3 方法

1.3.1 动物分组 SPF级雄性SD大鼠60只，购进后适应环境5 d随机分为正常对照组、肾阳虚模型组各30只。

1.3.2 动物造模及处理[7]

①正常组：0.9%的生理盐水0.3 ml后肢肌肉注射，每日1次，自由饮水、饮食，连续29 d；②肾阳虚大鼠模型复制：氢化可的松混悬液充分混匀。按2.5 mg/100 g后肢肌肉注射，每日1次，自由饮水、饮食,连续29 d； ③处理：为获得动态可靠的实验数据，对动物采取平行处理，即2组动物分别在第15天(10只)、第23天(10只)、第30天(10只)处死，取血清用放射免疫分析法检测ACTH、CORT、LH、FSH、T。

1.4 支持向量回归机模型

2 结果

2.1 模型测试

本研究利用MATLAB2012软件自编程序，建立了预测垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴动态变化规律的支持向量回归机模型。首先对5个支持向量回归机模型进行了留一法检验。对早、中、晚3个时期共30个样本建立的支持向量回归机模型，留一法检验是先把第1个样本作为预测样本，其余29个样本作为训练样本，以此类推，每个模型总共得到30个预测误差及30个预测复相关系数。结果30个预测误差均小于10%，一定程度上说明模型的可行性。同时基于支持向量回归机的肾阳虚生物分子网络模型的30个复相关系数均大于0.96，亦说明此模型预测效果较好，可靠程度较高。

2.2 模型预测

根据支持向量回归机模型留一法检验的复相关系数可知，这5个模型预测效果均较好，因此可以根据前3个模型预测肾阳虚早中晚3个时期垂体-肾上腺轴生物分子变化时，垂体-性腺轴生物分子的变化，从而得到肾阳虚时垂体-肾上腺轴对垂体-性腺轴的调控作用。同理，可以根据后2个模型预测肾阳虚早中晚3个时期垂体-性腺轴生物分子变化时，垂体-肾上腺轴生物分子的变化，从而得到肾阳虚时垂体-性腺轴生物分子对垂体-肾上腺轴生物分子的反馈作用。

表1 垂体-肾上腺轴生物分子变化时垂体-性腺轴生物分子的相对变化率(%)

表2 垂体-性腺轴生物分子变化时垂体-肾上腺轴生物分子的相对变化率

表1显示，肾阳虚早期ACTH减小会使垂体-性腺轴3个生物分子增大，CORT减小使得垂体-性腺轴3个生物分子减小。垂体-肾上腺轴2个生物分子均减小使得性腺轴3个生物分子减小；而在肾阳虚中期，垂体-肾上腺轴2个生物分子减小均使得LH、FSH减小， T增大。并且垂体-肾上腺轴2个生物分子同时减小时，垂体-性腺轴生物分子变化率比2个生物分子单独减小时大，两者表现出协同作用；肾阳虚晚期垂体-性腺轴3个生物分子的变化规律性不强，且总体变化率相对较小。表2显示，肾阳虚早期垂体-性腺轴生物分子逐一变化：LH减小时，垂体-肾上腺轴生物分子ACTH及CORT变化较大，其中ACTH增大，CORT减小；FSH及T各自减小时引起垂体-肾上腺轴生物分子的变化较小；FSH和T分别与LH同时减小以及LH、FSH和T 3个生物分子同时减小时均使得ACTH增大，CORT减小，说明LH与FSH、LH与T以及LH、FSH和T均有协同作用。肾阳虚中期，FSH、T逐渐发挥作用，但三者单一作用均不是很明显，垂体-性腺轴3个生物分子两两减小及3个都减小时均使得垂体-肾上腺轴2个生物分子减小，亦显示3个生物分子之间具有协同作用。肾阳虚晚期垂体-肾上腺轴2个生物分子相对变化率较小。

3 讨论

表1、2显示，肾阳虚晚期2个轴的5个生物分子变化率均相对较小，一方面可能与晚期造模时间过长、药物毒性作用有关，同时也提示随着肾阳虚程度的加重，生物分子之间的调控逐渐变弱。可见，在肾阳虚的发生发展过程中，垂体-性腺轴生物分子与垂体-肾上腺轴生物分子之间的相互调控失衡是肾阳虚的发病机制之一。这符合以往对肾阳虚的研究结果[13，14]。同时本研究结果也提示，肾阳虚时垂体-靶腺轴的生物分子之间不是独立的，它们相互关联，具有复杂的交互作用，这符合人们近年来对生物机体功能网络调控关系的新认识[15～17]。本研究从生物分子网络角度，采用支持向量回归机建模对肾阳虚大鼠垂体-肾上腺轴与垂体-性腺轴之间的非线性关系进行了动态分析，对揭示肾阳虚本质及发生发展机制有一定的意义。同时证实，支持向量回归机模型可以很好地拟合神经内分泌网络中的非线性关系，如果纳入更多的生物分子可以对肾阳虚有更全面清晰的认识。

[1] 龙泳伶,李政木. 金匮肾气丸及其拆方对肾阳虚雌鼠卵巢功能的影响[J].中国中西医结合杂志，2013，33(7)：967-971.

[2] 金蓉家,杨元宵,邢桂英,等. 肾气丸对肾阳虚大鼠下丘脑-垂体-甲状腺轴的调节作用初探[J].浙江中医杂志,2013,48(5)：370-371.

[3] 赵敏，周安方，徐安莉,等. 右归胶囊对肾阳虚大鼠免疫功能影响的实验研究[J].湖北中医药大学学报,2013,15(1):18-20.

[4] 唐利华,沃兴德,卢德赵,等. 温补肾阳药对激素依赖性肾阳虚动物肝线粒体蛋白质组影响的研究[J]. 中国药学杂志, 2007, 42 (3): 169-175.

[5] 刘希成,梁恒,田真,等. 肾阳虚证候的人血清比较蛋白质组学分析[J]. 中国生物化学与分子生物学报, 2007, 23 (7) : 592-599.

[6] 欧阳轶强，邹移海，张薇，等. 对大鼠甲状腺他巴唑模型肾阳虚证动物模型下丘脑-垂体-靶腺轴几项指标的考察[J]. 中医药学刊, 2006，24 (9) : 1658-1660.

[7] 王建红，伍庆华，刘海云，等.肾阳虚大鼠垂体-甲状腺轴功能动态分析[J].辽宁中医杂志,2006，33(6)：751-752.

[8] 马娜，王建红，闵建新，等.肾阳虚大鼠垂体-靶腺轴功能动态变化的研究[J].时珍国医国药,2009，20(9):2123-2125.

[9] 伍庆华，王建红，刘海云,等.肾阳虚大鼠垂体- 甲状腺轴与垂体- 性腺轴相关性研究[J]．江苏中医药,2007，39(3):56-57.

[10] 闵建新，王建红，伍庆华，等.肾阳虚大鼠垂体- 肾上腺皮质轴与垂体- 性腺轴相关性研究[J].时珍国医国药,2008，19(11):2576-2577.

[11] 王秀凤，胡翊健，王建红，等. 基于因子分析的正常、肾阳虚状态大鼠垂体—靶腺轴激素相关性研究[J]．时珍国医国药，2011，22(4)：990-991.

[12] 阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学出版社，2005：161-163.

[13] 吴瑕，李东晓，邓文龙.淫羊藿对生殖及内分泌系统的药理学研究进展[J].中国实验方剂学杂志，2010,16(8):223-225.

[14] 包宇，杨建雄,孙润广.淫羊藿苷可缓解肾阳虚小鼠睾酮及性腺雄激素受体基因的表达下调[J].中国生物化学与生物分子学报，2011，27(2)：174-179.

[15] Stefan W, Almaas E. Peeling the yeast protein network [J].Proteomics, 2005，5 (2) : 444．

[16] 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.

[17] Li Shao Zhang Bo. Traditional Chinese medicine network pharmacology:theory, methodology and application[J]. Chinese Journal of Natural Medicines，2013，11(2)：110-120.