生物信息材料学再探

摘要：通过建立数学公式来描述结构信息与所调节基因表达合成的结构之间的关系，即信息与物质通过生物自身结构系统的转化关系，从而研发用于治疗疾病的药物、预防保健的功能食品，维护健康的化妆品、日用品等领域的生物信息材料。研发的生物信息材料在治疗渐冻症这种病因不明的致死性罕见病上已经得到应用，改善了NfL指标和渐冻症的典型症状。

关键词：生物信息材料学；物质与信息转化；扶正；全集；子集；中医食疗；渐冻症

生物信息材料学是融合医学、信息学、材料学等多个学科的一门交叉学科，笔者在“生物信息材料学初探”一文中提出了生物通过识别设计加工而成的材料中的结构信息［1］，从而调节基因表达的理论和方法。如何在病因不明的情况下进行有效治疗，是罕见病以及各种疑难杂症患者面临的非常急迫的问题。研发通过调动人体自身的调节功能，定向调节人体某个组织、器官恢复平衡，实现自愈的生物信息材料，是解决该问题的关键。基本解决思路是：首先研制能实现对人体单个结构进行精准调节从而恢复平衡的生物信息材料，然后在此基础上开发出调节人体组织、器官所包含的各种结构使之恢复平衡的生物信息材料。

1信息与物质之间的转化

宇宙由物质、能量、信息构成。物质属于具体结构，能量则属于抽象结构，而信息属于更加抽象的结构。结构系统的演化就是在动态平衡的基础上构建新的动态平衡，具体结构和抽象结构相互作用，构成了动态平衡的结构系统，具有了自适应、自组织、保持自身动态平衡的功能［2］。生物信息材料学的目标是研究通过生物自身的自适应、自组织、构建动态平衡的功能，调节自身结构的理论和方法，进而研制可以恢复和维持生物健康的功能性材料。实现该目标的第一步是研制出能对人体单个结构进行调节的生物信息材料。

生物学认为，生物是一种可以保持动态平衡的化学系统，不但体内自有的所有结构可以动态调节，而且还能生成调节外部结构的物质。在生物自身的结构系统中，每个结构的量是可以调节的，既可以升高也可以降低，具体是升高还是降低，要根据生物结构系统维护动态平衡的需要来决定。假设某个结构a是生物结构系统自身的结构，那么就存在促进它的结构和制约它的结构，a如果过高就需要制约的结构来降低它，如果过低就需要促进的结构来提高它；而当a是生物自身结构系统之外的结构时，在生物识别了该结构的信息后，如果生物自身并没有制约它的结构，那么为了维持其结构系统的动态平衡，就会生成制约它的结构。因此当人体识别灭活疫苗的结构信息后，虽然灭活疫苗并不会攻击人体，但因为机体不需要灭活疫苗这种结构，就会生成相应的制约性结构——抗体，此后一旦这种结构进入人体，就可以通过抗体将其调节到最低，以维护机体的动态平衡。可以用数学公式来描述信息与物质之间的转化关系：r=f（ai）。其中f为基因表达，ai为结构a的结构信息，r是基因表达f合成的结构，而f这个基因表达是由生物结构系统所具有的自适应、自组织、保持动态平衡的特性所决定，r与a的结构相互作用而调节a的结构，有助于保持机体的动态平衡。因此，当生物识别了大量a的结构信息后，为了保持生物自身结构系统的动态平衡，就需要调高制约a结构的基因表达，合成足够可以制约a的结构。在这种情况下，在公式r=f（ai）中，r就是制约a的结构。

a的结构信息ai可以向物质r转化，而r的结构信息也可以调节与r相互作用的其他结构的合成，即信息与物质之间可以相互转化，也就是抽象结构与具体结构之间的转化。因为生物具有自适应、自组织、保持动态平衡的功能，所以能够通过生物的结构系统实现信息与物质的转化，达到生物信息材料的设计目标，同时生物本身也是在抽象结构与具体结构转化的过程中，具有了自适应、自组织、保持动态平衡的特性。

2生物信息材料

根据不同的情况和用途，可以通过r=f（ai）揭示的信息与物质转化的原理，研制不同的生物信息材料。

2.1从疾病的角度研制生物信息材料

当明确引起生物疾病的结构x，而且只是研制治疗x所引起疾病的生物信息材料时，如果x所引起的疾病是因为x过多造成的，而且制约x的结构是生物基因表达能够合成的，则可以用x作为原料加工治疗x所引起疾病的生物信息材料，这种情况下的x等同于r=f（ai）公式中的a；如果x所引起的疾病是因为x过低造成的，而且x是可以由生物的基因表达合成，则用x所制约的结构作为原料加工治疗x所引起疾病的生物信息材料，这种情况下的x等同于r=f（ai）公式中的r。

下面以乳糖不耐受为例，来论述上述两种情况下如何研制治疗乳糖不耐受的生物信息材料。乳糖不耐受是由于乳糖酶分泌少，不能完全消化分解母乳或牛乳中的乳糖所引起的非感染性腹泻，又称乳糖酶缺乏症［3］。乳糖酶缺乏是广泛存在的世界性问题，以乳汁为主要饮食的新生儿及婴幼儿中常发生腹泻等症状。母乳和牛乳中的糖类主要是乳糖，如果小肠尤其是空肠黏膜表面绒毛的顶端乳糖酶分泌量减少，就不能完全消化和分解乳汁中的乳糖，未被消化的乳糖进入结肠后被肠菌群酵解成氢气、甲烷和二氧化碳，以及短链脂肪酸等，大量气体引起腹胀等症状，而未被消化的乳糖及其发酵产物使得肠道内渗透压升高，流入肠道的水分增加，引起腹泻症状，称为乳糖不耐受［45］。

如果从结构过多引起生物结构系统失衡形成疾病的角度分析，生物体内乳糖过多引起的生物结构系统失衡，形成了乳糖不耐受症状。如果让人体的结构系统识别大量的乳糖结构信息，人体结构系统为了保持动态平衡，就需要更多能降低乳糖含量的结构，也就是提高能降低乳糖含量结构的基因表达，达到治疗乳糖不耐受的目的，因此就用乳糖来加工治疗乳糖不耐受的生物信息材料。

如果从结构过低引起生物结构系统失衡形成疾病的角度分析，是生物体内乳糖酶缺乏不能将摄入人体的乳糖完全消化和分解，从而形成了乳糖不耐受。乳糖酶所制约的结构是乳糖，那么就让人体的结构系统识别大量的乳糖酶所制约的结构信息，也就是乳糖的结构信息，人体结构系统为了保持动态平衡，就会调高制约乳糖结构的基因表达，也就是合成乳糖酶的基因表达，达到治疗乳糖不耐受的目的，因此就用乳糖来加工治疗乳糖不耐受的生物信息材料。

综上所述，公式r=f（ai）中r与a的关系是r制约a，对于生物而言，a过多引起生物结构系统失衡，是由于生物自身r不足造成的，解决方法是提高合成r的基因表达，即让生物识别一定量a的结构信息ai。

2.2从健康的角度研制生物信息材料

如果一个结构系统中存在多种结构会引起生物结构系统的失衡，比如牛奶中既包含可以引起消化系统疾病（乳糖不耐受）的乳糖，也包含几十种可以引起免疫系统疾病（过敏）的蛋白质，而具体会引起哪种疾病又因人而异；再比如人体器官的结构系统，不同的结构失衡会产生不同的疾病，那么如何在不知道结构系统中具体哪些结构引起失衡的情况下，研究出可以调节这个结构系统恢复平衡的生物信息材料？

如果把一个结构系统称之为全集，则这个结构系统中引起疾病的结构就是全集的子集，从全集的角度研制生物信息材料，就是从健康的角度研制生物信息材料。

针对人体外部结构引起的疾病，仍以牛奶为例，不区分到底是牛奶中的什么具体结构引起了人体失衡，而是让人体识别牛奶所有结构的结构信息构建平衡，即把全集作为机体识别结构信息的对象，就不需要确定具体是牛奶的哪种结构引起何种疾病了，也就无须考虑个体差异，使维护健康变得更加简单。

针对人体内部结构失衡引起的疾病，比如高血压、糖尿病，甚至不清楚病因的各种疑难杂症，如何在不清楚病因的前提下也能研制出恢复健康的生物信息材料？这首先需要利用中医相生相克的理论结合数学为人体的各个组织、器官建立动态平衡的健康模型。假设健康的组织或者器官所包含的结构为全集，用R来表示，R包括的结构用R（y1，y2，…，ym）来表示。将与全集R所包含的结构具有生、克关系的结构分析计算出来，计算得到的这些结构用Q来表示，Q包括的结构用Q（x1，x2，…，xn）来表示，Q的特异性结构信息为Qs。通过人体的自我调节功能调节相应的组织或者器官恢复平衡，则公式r=f（ai）转化为R=F（Qs），F代表合成R的一组基因的表达。一个组织或者器官不同的结构失衡，会产生不同的疾病，但所有失衡的结构都是其全集的子集，从全集的角度研制生物信息材料，并用这种生物信息材料对机体进行调节，可以在不知道病因的情况下进行有效治疗，这就是从健康的角度恢复健康，从而建立研制用于大健康领域的生物信息材料的理论和方法。

3实践应用及总结

为了验证上述理论和方法的有效性，笔者针对肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS），使用从健康角度研制的生物信息材料，观测该病患者神经丝轻链蛋白（NfL）和临床症状的改善效果。ALS是一类运动神经元受到损害，进行性出现变性坏死，从而造成人体运动功能丧失的疾病，包括说话困难、吞咽困难、呛咳、呼吸困难等典型症状［6］。该疾病异质性强，发病机制不明确，缺乏有效的治疗药物，患者通常在起病3～5年后死于呼吸肌麻痹、呼吸衰竭［7］。医学研究表明，渐冻症患者的神经元生存环境恶化，导致神经元失去正常死亡与修复的平衡，而正常的神经细胞需要良好的环境才能存活［8］。NfL是评估神经元损害的关键生物标志物，其水平升高可反映神经元的损伤和死亡，在肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病以及多发性硬化等神经系统变性疾病患者的外周血及脑脊液标本中，该指标水平均异常升高［910］。

南京师范大学国家健康医疗大数据研究院成立了“渐冻症中医食疗”课题组，从健康的角度研制中枢神经系统、免疫系统、心、肝、脾、肺、肾、肌肉、肠、胃“以正扶正”的生物信息材料，对患者进行综合调理。课题组自2023年10月开始，第一批收集ALS患者28例；自2024年1月开始，第二批收集ALS患者54例并随机分为两组，其中免疫+中枢调理组26人，综合调理组28人。课题组对两批患者采用自身前后对照法，观察食疗扶正后，患者NfL指标的变化和症状改善情况。结果表明：①第一批患者调理前NfL水平为（66.88±42.41）pg/mL，第1期综合调理后NfL水平为（56.78±33.51）pg/mL，指标显著下降（Plt;0.05）。第2、3期停止调理中枢神经系统与免疫系统后，症状出现反复，但NfL水平为（51.31±28.02）pg/mL，持续下降（Plt;0.05）。第4期重新调理中枢神经系统与免疫系统，患者症状继续改善。②第二批患者中，免疫+中枢调理组调理前NfL水平为（63.66±30.42）pg/mL，第1期调理后的NfL水平为（66.27±42.65）pg/mL，无统计学意义（P＞0.05）。综合调理组调理前NfL水平为（55.67±33.90）pg/mL，第1期调理后的NfL水平46.44±27.29为pg/mL，指标显著降低（Plt;0.05）。两组患者在典型症状改善方面没有明显差异。

由此可得出结论，NfL水平与神经元细胞的生存环境有关，综合调理可以改善神经元细胞的生存环境，降低中枢神经系统轴突损伤，有效改善NfL指标；渐冻症典型症状和神经元本身变性有关，通过针对中枢神经研制的生物信息材料调理中枢神经，可以改善渐冻症典型症状。

以上概述了生物信息材料学的理论、方法和初步实践应用。生物信息材料可以用于医药、功能食品、化妆品等领域，未来还可以延伸至日用品方面，涉及人类生活的方方面面，可以有效地维护生命健康，从而为医药健康事业做出更大贡献。

参考文献：

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