基于支持向量回歸機的腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸功能動態分析?

王秀鳳,張 磊,伍慶華，閔建新，張 琰，羅來成△

(1．廣東藥學院基礎學院，廣州 510006； 2．江西中醫藥大學基礎醫學院，南昌 330006)

腎陽虛證與衰老以及諸多疾病關系密切，往往會導致機體發生廣泛的病理生理變化[1～5]，下丘腦-垂體-靶腺軸多個激素指標出現異常變化[6～8]，機體功能低下或紊亂。人們針對腎陽虛下丘腦-垂體-靶腺軸功能進行了大量的研究，但多數研究僅得到腎陽虛生物學指標的相關性初步結論[9～11]。為進一步揭示反映腎陽虛生物學指標之間的相互作用，從生物分子網絡的角度探討腎陽虛證發病機制，需要引進先進的數學分析方法。支持向量機(support vector machine, SVM)是Vapnik等提出的一種新的機器學習方法，由于其出色的學習性能，已成為當前的研究熱點。SVM最初應用于分類問題，后來被推廣應用到回歸問題中，形成了支持向量回歸機(support vector regression, SVR)理論。支持向量回歸機具有預測功能，因而可以利用支持向量回歸機建模預測輸入生物分子變化的時候輸出生物分子的變化，從而了解生物分子網絡內部的相互調控關系。由課題組前期建立的因子分析模型發現，腎陽虛時垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸的生物分子關系密切，且2個軸上的5個生物分子構成因子分析模型的第一主成分[13]，即垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸的生物分子之間的調控關系是腎陽虛的主調控因子，提示垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸之間的調控失衡可能是腎陽虛發生的重要環節之一。因此，本文建立了腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸生物分子與垂體-性腺軸生物分子之間的支持向量回歸機模型，進一步探討腎陽虛過程中腎上腺與性腺功能的動態關系。

1 材料與方法

1.1 動物與飼料

SPF級Spague Dawla(SD)雄性大鼠，體質量(200±20)g，由廣東省實驗動物中心提供(許可證號SCXK(粵)2008-0002)。基礎飼料由廣東省實驗動物中心提供。

1.2 藥物與試劑

0.9%氯化鈉注射液，藁城市四海藥業有限公司；氫化可的松注射液，山西晉新雙鶴藥業有限公司(國藥準字H14020980);黃體生成素(LH)、促卵泡激素(FSH)、睪酮(T)、促腎上腺皮質激素(ACTH)和皮質醇 (CORT)放射免疫試劑藥盒，Siemens Medical Solutions Diagnostics。

1.3 方法

1.3.1 動物分組 SPF級雄性SD大鼠60只，購進后適應環境5 d隨機分為正常對照組、腎陽虛模型組各30只。

1.3.2 動物造模及處理[7]

①正常組：0.9%的生理鹽水0.3 ml后肢肌肉注射，每日1次，自由飲水、飲食，連續29 d；②腎陽虛大鼠模型復制：氫化可的松混懸液充分混勻。按2.5 mg/100 g后肢肌肉注射，每日1次，自由飲水、飲食,連續29 d； ③處理：為獲得動態可靠的實驗數據，對動物采取平行處理，即2組動物分別在第15天(10只)、第23天(10只)、第30天(10只)處死，取血清用放射免疫分析法檢測ACTH、CORT、LH、FSH、T。

1.4 支持向量回歸機模型

2 結果

2.1 模型測試

本研究利用MATLAB2012軟件自編程序，建立了預測垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸動態變化規律的支持向量回歸機模型。首先對5個支持向量回歸機模型進行了留一法檢驗。對早、中、晚3個時期共30個樣本建立的支持向量回歸機模型，留一法檢驗是先把第1個樣本作為預測樣本，其余29個樣本作為訓練樣本，以此類推，每個模型總共得到30個預測誤差及30個預測復相關系數。結果30個預測誤差均小于10%，一定程度上說明模型的可行性。同時基于支持向量回歸機的腎陽虛生物分子網絡模型的30個復相關系數均大于0.96，亦說明此模型預測效果較好，可靠程度較高。

2.2 模型預測

根據支持向量回歸機模型留一法檢驗的復相關系數可知，這5個模型預測效果均較好，因此可以根據前3個模型預測腎陽虛早中晚3個時期垂體-腎上腺軸生物分子變化時，垂體-性腺軸生物分子的變化，從而得到腎陽虛時垂體-腎上腺軸對垂體-性腺軸的調控作用。同理，可以根據后2個模型預測腎陽虛早中晚3個時期垂體-性腺軸生物分子變化時，垂體-腎上腺軸生物分子的變化，從而得到腎陽虛時垂體-性腺軸生物分子對垂體-腎上腺軸生物分子的反饋作用。

表1 垂體-腎上腺軸生物分子變化時垂體-性腺軸生物分子的相對變化率(%)

表2 垂體-性腺軸生物分子變化時垂體-腎上腺軸生物分子的相對變化率

表1顯示，腎陽虛早期ACTH減小會使垂體-性腺軸3個生物分子增大，CORT減小使得垂體-性腺軸3個生物分子減小。垂體-腎上腺軸2個生物分子均減小使得性腺軸3個生物分子減小；而在腎陽虛中期，垂體-腎上腺軸2個生物分子減小均使得LH、FSH減小， T增大。并且垂體-腎上腺軸2個生物分子同時減小時，垂體-性腺軸生物分子變化率比2個生物分子單獨減小時大，兩者表現出協同作用；腎陽虛晚期垂體-性腺軸3個生物分子的變化規律性不強，且總體變化率相對較小。表2顯示，腎陽虛早期垂體-性腺軸生物分子逐一變化：LH減小時，垂體-腎上腺軸生物分子ACTH及CORT變化較大，其中ACTH增大，CORT減小；FSH及T各自減小時引起垂體-腎上腺軸生物分子的變化較小；FSH和T分別與LH同時減小以及LH、FSH和T 3個生物分子同時減小時均使得ACTH增大，CORT減小，說明LH與FSH、LH與T以及LH、FSH和T均有協同作用。腎陽虛中期，FSH、T逐漸發揮作用，但三者單一作用均不是很明顯，垂體-性腺軸3個生物分子兩兩減小及3個都減小時均使得垂體-腎上腺軸2個生物分子減小，亦顯示3個生物分子之間具有協同作用。腎陽虛晚期垂體-腎上腺軸2個生物分子相對變化率較小。

3 討論

表1、2顯示，腎陽虛晚期2個軸的5個生物分子變化率均相對較小，一方面可能與晚期造模時間過長、藥物毒性作用有關，同時也提示隨著腎陽虛程度的加重，生物分子之間的調控逐漸變弱。可見，在腎陽虛的發生發展過程中，垂體-性腺軸生物分子與垂體-腎上腺軸生物分子之間的相互調控失衡是腎陽虛的發病機制之一。這符合以往對腎陽虛的研究結果[13，14]。同時本研究結果也提示，腎陽虛時垂體-靶腺軸的生物分子之間不是獨立的，它們相互關聯，具有復雜的交互作用，這符合人們近年來對生物機體功能網絡調控關系的新認識[15～17]。本研究從生物分子網絡角度，采用支持向量回歸機建模對腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸之間的非線性關系進行了動態分析，對揭示腎陽虛本質及發生發展機制有一定的意義。同時證實，支持向量回歸機模型可以很好地擬合神經內分泌網絡中的非線性關系，如果納入更多的生物分子可以對腎陽虛有更全面清晰的認識。

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