基于知识图谱的miRNA与流行病相关科学研究前沿态势分析

王 芹，郭建雄，王妍妮，李 雅*

(1.西北农林科技大学图书馆，陕西杨陵 712100；2.西北农林科技大学动物医学院，陕西杨陵 712100；)

microRNA(miRNA)是一类在真核生物体内大量存在的通过可变剪切产生的一种单链短非编码RNA，可通过结合mRNA的3′ UTR经多种机制抑制mRNA的翻译，从而调控靶基因的蛋白水平，进一步影响真核生物的一系列的生物过程[1-2]。miRNA自1993年发现以来，随着对其作用机制研究的不断深入，其生物学过程不断被认识。miRNA在新型冠状病毒、蓝舌病病毒、乙型肝炎病毒、基孔肯雅病毒、猪传染性胃肠炎病毒、猪流行性腹泻病毒、猪繁殖与呼吸综合征病毒、新城疫病毒等致病过程中均具有重要的调控作用[3-7]。病毒感染宿主后可引起miRNA的差异表达，可通过结合靶基因的方式调控宿主细胞基因蛋白水平的表达，从而调控病毒感染宿主细胞的一系列反应，包括促炎、抑炎、促进免疫反应、免疫逃避等过程，miRNA已成为调控病毒-宿主相互作用的关键调控因子，在病毒的整个复制周期和宿主感染过程中发挥重要作用[8]。另外，某些病毒也可以编码miRNA，参与自身病毒的复制和宿主相互作用过程[9-10]。总之，随着对miRNA研究的不断深入，miRNA在流行病学致病机制中发挥的作用不断被发掘。

随着2019年新冠疫情在全球的暴发流行，以及进入21世纪以来人感染高致病性禽流感等一系列重大突发事件，使世界各国的公共卫生体系经历了前所未有的冲击，新型冠状病毒感染的肺炎疫情再次提醒全社会公共卫生防疫的重要性[11]。流行病具有典型的负外部性，其疫情蔓延对人民健康和社会经济造成的负面影响不可估量。加强流行病预防、诊断、治疗技术研发方面的研究对于人们及时应对重大突发公共卫生事件刻不容缓。miRNA在病毒性流行病的致病机制中发挥重要作用，其相关的科学研究在流行病学的预防、诊断和治疗方面具有重要指导作用。除了进行科学试验，近年来采用知识图谱分析科技发展方向的应用也越来越广泛[12-13]。但未见基于可视化方法进行miRNA与流行病学相关前沿态势分析的报道。

因此，本文基于WoS(Web of Science)数据库，在传统统计分析基础上，应用知识图谱等可视化分析工具，通过战略坐标二维图、社会网络分析，对相关研究的主题、学科现状等进行研究前沿发展态势分析，以期为miRNA与流行病学未来的研究方向提供科学参考。同时，为相关领域科研工作者提供更多科学观察新视角。

1 数据与方法

本文涉及的流行病病原主要包括冠状病毒、禽流感病毒、流感病毒、埃博拉病毒、寨卡病毒、非洲猪瘟病毒、丝状病毒、马尔堡病毒、艾滋病病毒、黄热病病毒等。相关研究主要为miRNA在流行病学的预防、诊断和治疗中的作用及机制；miRNA的研究历程。

1.1 检索要素及检索式

以miRNA、主要流行病病原(例如virus、coronavirus、H1N1、H5N1、H7N9、Ebola virus等)、作用机制为检索关键词，经过专业试检索—调整—再检索—再调整和学科精炼，完成数据检索。

1.2 文献时间分布

数据采集时间截止为2021年9月16日。根据论文的时间分布，将miRNA与流行病学相关研究分为3个阶段，第1阶段：1992年-2001年；第2阶段：2002年-2015年；第3阶段：2016年-2021年。

1.3 数据处理方法

本研究根据年度发文量将数据分为3阶段，运用SPSS 19.0软件把每一阶段参与聚类的单元(如关键词)使得有较大相似性的元素归为同类，差异很大的元素分别在不同类别中[14]，通过战略坐标图二维图进行某研究领域主题识别，图中X轴为向心度，表示某领域中各主题(研究方向)间的连接强度，Y轴为密度，表示某一主题内部主题间的连接强度。它将二维坐标空间划分为4个象限，坐标原点位于密度、向心度平均值处[15]。按顺时针方向旋转，第1象限中各研究主题的密度和向心度值均高，说明该研究方向内外部联系都比较紧密，研究趋于成熟；第2象限中的研究主题内部结构不紧密，研究尚不成熟，该研究主题正在借鉴、吸收其他研究方向的理论、实验方法或技术手段，具有潜在的发展趋势；第3象限研究主题的密度和向心度都较低，内部结构较松散，处于整个领域边缘和短板地位，当它影响到整个领域发展时，需要重视其中亟待研究的问题；第四象限中的研究主题内部链接紧密，但是与领域中其他主题联系不密切，应在加强与领域内其他研究方向联系的过程中走向成熟。为系统、全面研究miRNA在流行病学中历年研究的热点动态轨迹，本文将各阶段研究热点状况叠用一幅图表示；通过社会网络分析关注某学科领域关键词之间、科研主体之间的联系[16-17]。按照时间顺序逐步深入地进行研究主题战略坐标前沿态势分析，社会网络分析和学科分析。

2 数据结果与分析

2.1 检索结果

根据检索要素形成如下检索式：检索式TS(Topic search)=((Coronavirus or H1N1 or H5N1 or H7N9 or Ebola or lnfluenza or Zika or avian influenza or African swine fever or virus) and (miRNA or microRNA or siRNA or small interfering RNA))，检索WOS文献共捡索1532篇。按照年度发文量多少将论文分为3个阶段，其中1992年-2001年有19篇，2002年-2015年有285，2016年-2021年有1228篇(图1)。

图1 文献检索结果

2.2 前沿演进分析

2.2.1 聚类分析 首先对3个阶段文献关键词分别做了聚类分析(图2～图4)，然后根据聚类分析结果做了战略坐标分析(图5)。miRNA与流行病研究情况总体上可分为方向1：miRNA与病毒感染，病毒感染(方向2)，miRNA与表观遗传学在病毒致病机制研究(方向3)。其中，分析发现方向1基本上位于第1象限处于研究热点地位。其中第1阶段miRNA的生物合成主要是miRNA发现。第2阶段表征miRNA在病毒感染中的作用及机制。第3阶段miRNA的应用研究轨迹转入第1象限，表明miRNA未来研究热点从科研理论层面转向实际应用研究。

图2 miRNA与流行病学前言研究聚类分析(第1阶段)

图3 miRNA与流行病学前言研究聚类分析(第2阶段)

图4 miRNA与流行病学前言研究聚类分析(第3阶段)

图5 miRNA与流行病研究前沿态势战略坐标二维图

从战略分析结果发现方向2徘徊于第3和第4象限。宿主与病原体之间错综复杂的关系中，miRNA起到了重要的作用，与病毒感染、宿主抗病毒反应及免疫反应有关，miRNA是调节细胞功能的关键因子，其自身的表达和功能也受病毒感染、免疫等细胞刺激的影响才能发挥作用。miRNA在病毒感染过程中变化趋势、调控机制、新miRNA的发现等都涌现出大量研究[18-19]。miRNA在病毒感染中也具有一定的时效性，在不同时期，分别涌现出了大量与当时所流行病毒相关的研究，如2002年-2015年，病毒感染(方向2-1)分化为埃博拉感染(方向2-2-1)和禽流感感染(方向2-2-2)，此阶段研究方向与当时两种病毒的流行趋势及危害相一致。随着对miRNA作用研究的深入，2016年-2020年转化为抗病毒感染(方向2-3)，加强了与其他两个研究方向的联系，将前期的理论基础转向应用研究，成为了流行病学领域的研究热点。越来越多的试验证明，miRNA可作为治疗疾病的重要靶点，例如，芳香-新霉素衍生物可通过微调miR-21的表达来调控乳腺癌细胞的发展[20-22]。从中也可以看出，miRNA与流行病学研究的发展规律，首先是病毒与miRNA的发现，逐步转为理论机制研究，最终转为应用研究，服务于疾病的诊断、预防和治疗。这种规律的发现为今后相关科研具有指导意义，将有助于发现流行病学相关的新学科。

方向3研究热点轨迹变化较大。在miRNA发展起始阶段，miRNA与表观遗传学之间的关系研究相对较少，且处于研究边缘地位，人们对其两者的关系并不是很清楚，表观遗传修饰(方向3-1)处于第2象限，属于易分解发展潜力空间较大的研究方向。第2阶段miRNA表观遗传修饰病毒致病机制研究(方向3-2)跃入第4象限加强了与该研究方向内部研究主题联系，该研究方向此阶段是对miRNA与表观遗传学研究最为火热的阶段，miRNA对DNA甲基化及表观遗传对流行病学的影响在此阶段有了大量的报道。大量相关问题解决以后，第3阶段表观遗传修饰先天免疫应答研究(方向3-3)又回落至第3象限，与外部联系相对较弱，处于领域内相对边缘化研究，miRNA与表观遗传在肿瘤研究是研究的热点之一，但在流行病学中研究相对较少，在流行病学中处与发展或者起步阶段，此方向可能制约了miRNA与流行病学的整个领域的发展，针对于此方向研究的不足和薄弱方面，也是相对比较容易产生一些新的理论和观点，加强新理论的研究可能会对今后miRNA与流行病学整个研究领域做出更大的贡献。

2.2.2 关键词社会网络分析 战略坐标二维图虽然能够从该领域各阶段、各研究方向热点程度进行研究前沿态势分析，这样的分析还不够具体，有必要以关键词为单位继续进行更加深入的可视化分析，图6为关键词社会网络分析。

图6 miRNA与流行病研究前沿热点关键词社会网络分析

1992年-2021年9月miRNA与流行病热点主题社会网络分析显示，第1阶段1992年-2001年相关论文19篇，属于该领域研究的起步阶段，主要是围绕着RNA二级结构、基因表达、RNA聚合酶、番茄丛矮病毒组、RNA间互相作用及其转录等主题进行；第2阶段是2002年-2015年，属于该领域研究较大发展的阶段，该阶段主要是围绕着siRNA、SARS病毒、埃博拉病毒、流感病毒、甲型H1N1流感病毒、H9N2型禽流感病毒、禽流感病毒、丝状病毒、马尔堡病毒、艾滋病病毒、RNA依赖的RNA聚合酶、冠状病毒和SARS冠状病毒的治疗学、生物信息学、基因表达、反义基因、复制、刺突蛋白、细胞凋亡等主题的研究，其中siRNA分别与SARS病毒和禽流感病毒联系的最为紧密，siRNA与短发卡RNA联系也比较密切；第3阶段2016年-2021年9月，是miRNA与流行病研究大发展的阶段。该阶段主要是围绕着干扰RNA、寨卡病毒、冠状病毒、黄热病毒属、甲型流感病毒、流感病毒、病毒复制、甲型H1N1流感病毒、交互作用、外泌体、生物标志物、核因子κB和细胞凋亡等主题的研究，其中miRNA分别与黄热病毒属、寨卡病毒、埃博拉病毒、甲型流感病毒、冠状病毒、甲型H5N1流感病毒等主题联系比较紧密，同时黄热病毒属与寨卡病毒联系也比较紧密，另外埃博拉病毒分别与外泌体、细胞凋亡、VP40等有联系。另外，我们不仅可以从关键词网络分析结果中得到主题之间的相互联系，而且可以看出某些主题间还存在着弱连接，例如固有免疫应答-流感、外泌体-干扰素、病毒复制-干扰素、生物标志物-埃博拉病毒、埃博拉病毒-炎症、猪流行性腹泻病毒-外泌体、猪传染性胃肠炎-新陈代谢、新型冠状病毒-免疫调节、猪血凝性脑脊髓炎病毒-疫苗等，加强这些主题间的联系，提出新的科学假说并进行实证，可能对研究产生新的科学发现有所启发。当然我们的分析可能只是起到抛砖引玉的作用，因此也期待基于领域内更多弱连接的发现，提出更多的科学假说、实证，产生更多的科学发现。

2.3 学科分析

随着miRNA研究的不断深入，研究所涉及的学科范围也不断扩大，为了能够更加直观的了解miRNA所涉及学科的发展和变化，分别对3个阶段研究所涉及的学科进行可统计分析(表1)。miRNA研究所涉及的学科迅速增加，说明对miRNA的认识越来越广泛和深入。学科分析可见病毒学-滤过性微生物学、微生物学、生物化学与分子生物学始终是主要学科，生物化学与分子生物学位次、频次上升比较迅速，传染性疾病、传染病学在后2个阶段研究越来越多；细胞生物学、药理学与药剂学、化学；化学过程、研究与实验医学、基因和遗传学等学科出现的频次和位次显著增加；另外，生命科学与生物医学-其他主题、科学与技术-其他主题位次显著增加，环境科学、公共卫生、数学与计算生物学等学科也有所涉及，总体而言，学科及其学科交叉迅速而显著的增加，人们在该领域认识越来越广泛和深入，研究领域从宏观到微观，从理论逐渐向应用发展，研究方法也从纯粹实验方法到数学、计算生物学等定量化、多元化发展。

表1 miRNA与流行病研究热点学科分析

续表1

3 讨论与结论

总而言之，3个阶段的热点研究主题演化从RNA的发现、发生到结构、基因表达转向各种病毒的治疗学、生物信息学、基因表达、病毒复制、细胞凋亡等主题研究，第3阶段转向各种病毒的复制、相互作用、生物标志物、细胞凋亡等的研究。战略坐标二维图和关键词社会网络分析显示，随着miRNA与流行病学研究之间的联系不断的深入，具有抗病原体感染能力miRNA的发现，miRNA在流行病学的诊断、治疗和预防上将有可能成为miRNA在流行病学方向发展的重要领域之一。越来越多的研究表明，miRNA可作为病毒感染的标志分子，并可以作为治疗疾病的靶点[23-24]。所以，开发miRNA作为抗病毒基因治疗的候选药物具有良好的应用前景，miRNA与对抗流行病这一健康问题的新方法、新制剂可能会成为这一方向的最终发展趋势，具有较大发展空间和潜力。以上研究方向或领域可能会成长为学科生长点，很有可能产生的新的科学发现。

学科结构分析方面，可以看出病毒学、滤过性微生物学、微生物学、生物化学与分子生物学始终是与miRNA相关的主要学科，其中生物化学与分子生物学位次、频次上升比较迅速，传染性疾病、传染病学在后2个阶段研究越来越多；细胞生物学、药理学与药剂学、化学；化学过程、研究与实验医学、基因和遗传学等学科研究显著增加。总体而言，学科扩展迅速增加，认识越来越广泛、深入，从宏观到微观，从理论逐渐向应用发展。参与miRNA研究的学科在迅速增加，从病毒的发现、研究到越来越多学科，从单一病毒到多种病毒的认识，从宏观的微观的结构认识，再到应用学科的研究路线。热点学科表现为3个阶段学科之间联系从少到多，再由多到集中的态势。随着研究的不断深入，miRNA与流行病学的研究将会涉及到更多的科学领域，不同学科之间的交叉联系会更加紧密，加强miRNA在多学科交叉中的应用将是今后的重点方向。