系统生物学在中医药研究中的应用与进展

刘港，毛庆，毛伟维，刘雪玲，胡春艳，张栋梁，史亚祥，郭齐

(1. 江苏大学医学院，江苏 镇江 212013； 2. 南京市溧水区人民医院心内科，江苏 南京 211200； 3. 南京市溧水区人民医院肛肠科，江苏 南京 211200； 4. 镇江市中医院脾胃科，江苏 镇江 212003)

中医学具有完整的理论体系，其特点在于强调“天人合一”，运用整体观和辨证论治的方法对疾病进行预防、诊断及治疗。随着现代科技以及西医学的快速发展，世界各地对中医学给予越来越多的关注，然而如何更好地将中西医各优点相结合服务社会健康事业还需深入的探索[1]。系统生物学是以系统论和实验、计算方法整合研究为特征的生物学，对生命活动在细胞、组织、器官和生物体整体水平上进行研究分析。不同于以往的实验生物学，系统生物学不再以单一的基因或蛋白为研究对象，而是以整体的观念对基因、mRNA、蛋白质等生命活动的组成成分及其在特定情况下互相作用的学科，对分子、细胞、器官、机体，甚至到个体、群体及生态系统进行定量和整合[2]。中医学与系统生物学相结合为中西医融合搭建了桥梁。

1 现代技术推动中医药现代化发展

中医治疗是综合运用不同手段，使人体达到阴平阳秘，从而预防及治疗疾病。中医诊疗过程容易受到主观因素影响，且中药制剂的质量控制也是制约中药制剂现代化和全球化的重要因素[3]。中医发展需要现代化，引入现代化的新知识、新观点是中医药进步的重要基石。中医现代化发展的关键在于将科技创新与中医药传承相融合，发扬和继承中医的优势，在遵循中医发展规律的同时，融入现代科学技术，以提高临床诊疗为目的积极推动中医现代化发展，为人类健康事业作出贡献[4]。将系统生物学、人工智能、“互联网+”、DNA条形码等现代科学技术引入中医药研究中，对于中医文化的传播、中医医疗系统的优化具有重要意义。其中，系统生物学是采用系统医学研究的方法探索中医药证治的科学内涵，对中医现代化和国际化具有重要意义[5]。

2 系统生物学发展与应用

2.1 系统生物学概述

系统生物学是在现代科技快速发展下衍生出来的，应用计算和数学分析与构建复杂生物模型，研究生物系统组成成分的构成与相互关系的结构、动态与发生，以系统论和实验、计算方法整合研究为特征的生物学。系统生物学的整体化与中医概念中的“整体性”如出一辙，其最基础的是组学研究，包括基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学和计算机生物学、概念生物学[2]，研究及其应用范围广，特点和优势显著。系统生物学的研究是从局部走向整体，可辅助中医学进行复杂性研究，使中医药走向突破性发展[6]。

2.2 系统生物学现状

早在20世纪中叶，贝塔朗菲定义了“机体生物学”的“机体”为“整体”或“系统”概念，并以生物学的理论、数学模型与应用计算机等方法来阐述系统论研究。1999年，美国科学院院士胡德提出系统生物学理论，认为系统生物学是21世纪推动医学及生物学进步的核心力量[2]。传统生物学因系统生物学的出现而取得突破性进展。

3 系统生物学在中医药领域的应用

3.1 基因组学在中医药中的应用

基因组学最早是由美国遗传学家Thomas H. Roderick于1986年提出，其主要通过分子生物学、计算机信息技术等研究生物体内全部基因、探索生命活动运行内在规律的一种科学[7]。基因组学的优势有很多，例如其能使用高通量DNA测序和生物信息学组装来分析整个基因组的功能和结构，高效全面地研究组内不同现象。基因组学技术在研究人体免疫功能、单基因疾病等多学科领域均有应用[8-9]，临床上也常利用其研究中医不同证候及其发病机制。

中医在诊断继发于冠心病的慢性心力衰竭方面得到了广泛应用，但以传统的方法较难判断中医治疗冠心病血瘀证的病机，运用基因组学可准确阐明其发病的生物学基础，为中医治疗冠心病引起的慢性心力衰竭提供有力的证据，从分子水平分析不同患者的发病原因，从而能够更好地提供个体化治疗[10]。中医肺病证候学研究发现，运用系统生物学对肺气虚患者各个层面的生命活动进行分析判断，能够更好地与中医证候整体性相结合。吴凡等[11]研究表明，运用基因芯片技术能够筛查出肺气虚证患者与健康者基因表达的差异，肺癌气血瘀滞型患者表皮生长因子20外显子突变频率较健康者高，且肺癌脾虚痰湿证患者基因表达谱具有特异性。基因组学对中医药治疗疾病的作用机制具有推动作用。李嘉丽[12]采用基因组学技术证明黄芪甲苷可通过调控mmu-miR-215-3p靶向PTEN来调节PI3K/Akt信号通路，从而一定程度上缓解胃癌前病变小鼠胃黏膜病变，改善脾气虚证相关指证。基因组学有助于中医临床疾病的预测、治疗及康复等方面的进步与发展。

3.2 蛋白组学在中医药中的应用

蛋白组学是以蛋白质组为研究对象，是Marc Wikins在1994年提出的新名词。蛋白组学可帮助中医药学揭示药物分子的药理和毒副作用机制，蛋白组学与其他组学和生物信息学的整合为解决中医并发症提供了一种全面的方法，进而推动中药现代化进程[12]。中医证候学致力于机体各系统之间内外环境紊乱发生的疾病，是一个动态多变的过程，极易受外环境干扰，蛋白组学和中医证候学都是以整体作为研究对象，因而蛋白组学可为中医证候学提供物质基础和新思路，利用蛋白组学可更好地传承中医理论和中医的临床应用，是中医研究发展的突破口[14]。

蛋白组学对癌症的中医治疗具有重要辅助作用，肿瘤最常见的特征是蛋白水平表达异常及信号通路改变，因此蛋白组学技术有助于定义患者分层治疗的分子亚型，可以更全面地了解肿瘤的发生与发展，为其提供更精准的治疗方案[15]。如在大肠癌研究中运用蛋白组学技术检测出激肽原1(KNG1)、血红蛋白A2(HbA2)等基因可能是“异病同证”的物质基础，胃阴虚证、脾气虚证患者血清中血红素前体、α-1-β-糖蛋白、色氨酸羟化酶-1、结合珠蛋白表达上调，湿热证患者体内维生素D结合蛋白升高，血清结合素前体、β-解离抑制因子等表达下降，其中转移相关蛋白、触珠蛋白、微管蛋白α链3、β-解离抑制因子等在血瘀证及脾虚症大肠癌患者中高表达，这些结果有利于找出中药的作用位点和更深入了解其作用机制，提高临床疗效[16]。

利用蛋白组学技术进一步研究心血瘀阻证、气虚血瘀证与气阴两虚证、肾虚血瘀证等心系疾病不同证候，为中医心系证型规范化提供了更精确的参考价值，极大拓宽了中医现代化的发展道路[14]。冠心病的中医证候主要致病原因是血瘀、痰饮、痰瘀，运用MALDI-TOF-MS技术、iTRAQ技术、HDMS与UPLC联用技术可检测到血瘀证样本中为CD41、视黄醇结合蛋白、结合珠蛋白、血清白蛋白、载脂蛋白等与健康组不同，并筛选出痰症患者载脂蛋白E、载脂蛋白H、巨噬细胞刺激蛋白1、凝溶胶蛋白亚型1等表达异常，蛋白组学对不同证候分型冠心病的研究有利于为后续研究疾病的演变及本质提供重要的数据基础[17]。

肾病综合征是具有类似临床表现、不同病因及病理导致肾小球基底膜损伤的临床综合征，在中医学中属于“水肿”，伴随湿热症状。四妙散在临床治疗泌尿系统疾病中广泛应用, 且疗效显著[18]。林彤等[19]运用蛋白组学探讨四妙散治疗肾病综合征的作用机制，认为其主要通过IL-17、肿瘤坏死因子、缺氧诱导因子1及凋亡通路，从而抑制炎症、免疫紊乱、氧化应激及凋亡，四妙散还具有多维度药理作用，为临床治疗肾病的药物应用提供新思路。

尽管蛋白质之间的特异性和稳定性有所不同、蛋白质浓度范围广、对样品的制备和蛋白初分离技术要求高等挑战，但其对于疾病的诊断、预后及个体化治疗的研究仍具有重要价值及意义。

3.3 代谢组学促进中医现代化发展

代谢组学是后基因组时代的新技术，其通过精确捕捉疾病反应代谢物、生物标志物和功能化合物之间的分子相互作用来验证中医药的系统治疗作用及相关治疗机制[20]。近年来，代谢组学可辅助中医药学研究许多传统方法无法解释的复杂问题[21]，运用代谢组学理念研究复杂多样的中药小分子化合物，有助于中药质量控制、药效机制以及药物配伍等临床问题的解决和助推发展中医药现代化[22]。代谢组学为阐明中医学机制提供了重要途径，其对于评价及监测生物系统的内源性代谢、评价中医药疗效具有重要意义[23]。

王荣荣等[24]运用1H-NMR代谢组学技术检测出不同剂量的苍耳子可致小鼠不同程度的肝脏病变，应用代谢组学技术筛选出差异代谢物主要在氨基酸代谢、糖代谢、脂代谢等通路中，并筛选出糖原、尿苷、苯丙氨酸、马尿酸、乙酸等敏感标志物，可作为临床潜在肝毒性敏感生物标志物，对临床安全用药具有重要意义。代谢组学也是研究中医药治疗肝病的重要工具，程建安等[25]利用代谢组学技术证明赶黄草可改善酒精性肝损伤小鼠血清中4-乙酰氨基丁酸酯、9-顺-视黄醇、油酰胺等异常水平，继而通过调控鞘脂代谢来治疗酒精性脂肪肝。

Guo等[26]将中医诊断与无靶向和有针对性的代谢组学分析相结合研究冠心病的潜在生物标志物，结果表明，内皮损伤反应的变化以及脂质和能量代谢是分析不同冠心病亚型之间的关键点，此研究有利于进一步完善临床冠心病的个性化治疗。牛芊等[27]运用代谢组学技术比较分析中医药对不稳定型心绞痛血瘀证患者围手术期血清代谢差异，发现给予丹红治疗后，患者血清中甘油磷脂代谢、鞘脂代谢、嘌呤代谢、氨基酸代谢等代谢通路趋向健康组，因此在西医规范治疗基础上适度使用丹红注射液使临床治疗效果更佳。

失眠是临床常见的疾病之一，中医将失眠统称为“不寐”“不得眠”“不得卧”等，运用代谢组学技术可从失眠动物模型的血液、脑组织、脏腑组织、尿代谢物与肠道微生物等方面分析及探讨失眠内环境中代谢产物的代谢组学机制，为中医治疗失眠提供参考及路径[28]。柴芩宁神颗粒是临床治疗失眠的经验方，赵琳儒等[29]运用代谢组学技术分析柴芩宁神颗粒改善睡眠的作用机制，结果显示柴芩宁神颗粒可显著升高大鼠海马体中的5-HT、GABA含量，并筛选出嘌呤代谢、甘油磷脂代谢、组氨酸代谢等干预失眠的代谢通路。

代谢组学应用于中医证候的研究可以克服证候模糊性以及复杂性的缺点，但其具有一定的局限性，将代谢组学与其他组学相结合，相互印证，从而达到更准确预测中医证候类型，揭示其作用机制，对中医治疗临床疾病具有重要意义。

4 结语和展望

中医药是我国优秀传统文化，在我国现代医学体系中具有举足轻重的地位。中医具有理论的复杂抽象以及中药成分的多靶点及多作用的特点，仅从中医学角度较难探讨其复杂机制，因而限制了中医药的发展，需要在传承保护好中医药文化的同时结合现代化推动中医药的发展。

系统生物学的全面性及整体观念与中医药学有许多相似之处，但两者之间也存在一定的差异。系统生物学通过基因组学、蛋白组学、代谢组学、表型组学、微生物组学等技术助力中医药学研究，是一种自下而上、部分到整体的过程，而中医学认为构成人体的各组成部分是不可分割的有机整体，其着重于机体的自我调节及变化，是一种自上而下的过程，因此过多无价值的数据加大了中医药学研究的负担。目前，系统生物学是一门尚未完善的新兴学科，其在中医诊断学中的应用研究较为局限。相信随着研究的进步与发展，我们不再仅局限于单个组学的应用，而是将系统内基因、mRNA、蛋白质等不同性质的构成要素整合在一起研究中医药的作用机制，从而使中医药学更好地应用于临床、服务人类健康事业。