系統(tǒng)生物學在中醫(yī)藥研究中的應用與進展

劉港，毛慶，毛偉維，劉雪玲，胡春艷，張棟梁，史亞祥，郭齊

(1. 江蘇大學醫(yī)學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 南京市溧水區(qū)人民醫(yī)院心內(nèi)科，江蘇 南京 211200； 3. 南京市溧水區(qū)人民醫(yī)院肛腸科，江蘇 南京 211200； 4. 鎮(zhèn)江市中醫(yī)院脾胃科，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

中醫(yī)學具有完整的理論體系，其特點在于強調(diào)“天人合一”，運用整體觀和辨證論治的方法對疾病進行預防、診斷及治療。隨著現(xiàn)代科技以及西醫(yī)學的快速發(fā)展，世界各地對中醫(yī)學給予越來越多的關注，然而如何更好地將中西醫(yī)各優(yōu)點相結(jié)合服務社會健康事業(yè)還需深入的探索[1]。系統(tǒng)生物學是以系統(tǒng)論和實驗、計算方法整合研究為特征的生物學，對生命活動在細胞、組織、器官和生物體整體水平上進行研究分析。不同于以往的實驗生物學，系統(tǒng)生物學不再以單一的基因或蛋白為研究對象，而是以整體的觀念對基因、mRNA、蛋白質(zhì)等生命活動的組成成分及其在特定情況下互相作用的學科，對分子、細胞、器官、機體，甚至到個體、群體及生態(tài)系統(tǒng)進行定量和整合[2]。中醫(yī)學與系統(tǒng)生物學相結(jié)合為中西醫(yī)融合搭建了橋梁。

1 現(xiàn)代技術推動中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展

中醫(yī)治療是綜合運用不同手段，使人體達到陰平陽秘，從而預防及治療疾病。中醫(yī)診療過程容易受到主觀因素影響，且中藥制劑的質(zhì)量控制也是制約中藥制劑現(xiàn)代化和全球化的重要因素[3]。中醫(yī)發(fā)展需要現(xiàn)代化，引入現(xiàn)代化的新知識、新觀點是中醫(yī)藥進步的重要基石。中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展的關鍵在于將科技創(chuàng)新與中醫(yī)藥傳承相融合，發(fā)揚和繼承中醫(yī)的優(yōu)勢，在遵循中醫(yī)發(fā)展規(guī)律的同時，融入現(xiàn)代科學技術，以提高臨床診療為目的積極推動中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展，為人類健康事業(yè)作出貢獻[4]。將系統(tǒng)生物學、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”、DNA條形碼等現(xiàn)代科學技術引入中醫(yī)藥研究中，對于中醫(yī)文化的傳播、中醫(yī)醫(yī)療系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。其中，系統(tǒng)生物學是采用系統(tǒng)醫(yī)學研究的方法探索中醫(yī)藥證治的科學內(nèi)涵，對中醫(yī)現(xiàn)代化和國際化具有重要意義[5]。

2 系統(tǒng)生物學發(fā)展與應用

2.1 系統(tǒng)生物學概述

系統(tǒng)生物學是在現(xiàn)代科技快速發(fā)展下衍生出來的，應用計算和數(shù)學分析與構(gòu)建復雜生物模型，研究生物系統(tǒng)組成成分的構(gòu)成與相互關系的結(jié)構(gòu)、動態(tài)與發(fā)生，以系統(tǒng)論和實驗、計算方法整合研究為特征的生物學。系統(tǒng)生物學的整體化與中醫(yī)概念中的“整體性”如出一轍，其最基礎的是組學研究，包括基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學、代謝組學、相互作用組學、表型組學和計算機生物學、概念生物學[2]，研究及其應用范圍廣，特點和優(yōu)勢顯著。系統(tǒng)生物學的研究是從局部走向整體，可輔助中醫(yī)學進行復雜性研究，使中醫(yī)藥走向突破性發(fā)展[6]。

2.2 系統(tǒng)生物學現(xiàn)狀

早在20世紀中葉，貝塔朗菲定義了“機體生物學”的“機體”為“整體”或“系統(tǒng)”概念，并以生物學的理論、數(shù)學模型與應用計算機等方法來闡述系統(tǒng)論研究。1999年，美國科學院院士胡德提出系統(tǒng)生物學理論，認為系統(tǒng)生物學是21世紀推動醫(yī)學及生物學進步的核心力量[2]。傳統(tǒng)生物學因系統(tǒng)生物學的出現(xiàn)而取得突破性進展。

3 系統(tǒng)生物學在中醫(yī)藥領域的應用

3.1 基因組學在中醫(yī)藥中的應用

基因組學最早是由美國遺傳學家Thomas H. Roderick于1986年提出，其主要通過分子生物學、計算機信息技術等研究生物體內(nèi)全部基因、探索生命活動運行內(nèi)在規(guī)律的一種科學[7]。基因組學的優(yōu)勢有很多，例如其能使用高通量DNA測序和生物信息學組裝來分析整個基因組的功能和結(jié)構(gòu)，高效全面地研究組內(nèi)不同現(xiàn)象。基因組學技術在研究人體免疫功能、單基因疾病等多學科領域均有應用[8-9]，臨床上也常利用其研究中醫(yī)不同證候及其發(fā)病機制。

中醫(yī)在診斷繼發(fā)于冠心病的慢性心力衰竭方面得到了廣泛應用，但以傳統(tǒng)的方法較難判斷中醫(yī)治療冠心病血瘀證的病機，運用基因組學可準確闡明其發(fā)病的生物學基礎，為中醫(yī)治療冠心病引起的慢性心力衰竭提供有力的證據(jù)，從分子水平分析不同患者的發(fā)病原因，從而能夠更好地提供個體化治療[10]。中醫(yī)肺病證候?qū)W研究發(fā)現(xiàn)，運用系統(tǒng)生物學對肺氣虛患者各個層面的生命活動進行分析判斷，能夠更好地與中醫(yī)證候整體性相結(jié)合。吳凡等[11]研究表明，運用基因芯片技術能夠篩查出肺氣虛證患者與健康者基因表達的差異，肺癌氣血瘀滯型患者表皮生長因子20外顯子突變頻率較健康者高，且肺癌脾虛痰濕證患者基因表達譜具有特異性。基因組學對中醫(yī)藥治療疾病的作用機制具有推動作用。李嘉麗[12]采用基因組學技術證明黃芪甲苷可通過調(diào)控mmu-miR-215-3p靶向PTEN來調(diào)節(jié)PI3K/Akt信號通路，從而一定程度上緩解胃癌前病變小鼠胃黏膜病變，改善脾氣虛證相關指證。基因組學有助于中醫(yī)臨床疾病的預測、治療及康復等方面的進步與發(fā)展。

3.2 蛋白組學在中醫(yī)藥中的應用

蛋白組學是以蛋白質(zhì)組為研究對象，是Marc Wikins在1994年提出的新名詞。蛋白組學可幫助中醫(yī)藥學揭示藥物分子的藥理和毒副作用機制，蛋白組學與其他組學和生物信息學的整合為解決中醫(yī)并發(fā)癥提供了一種全面的方法，進而推動中藥現(xiàn)代化進程[12]。中醫(yī)證候?qū)W致力于機體各系統(tǒng)之間內(nèi)外環(huán)境紊亂發(fā)生的疾病，是一個動態(tài)多變的過程，極易受外環(huán)境干擾，蛋白組學和中醫(yī)證候?qū)W都是以整體作為研究對象，因而蛋白組學可為中醫(yī)證候?qū)W提供物質(zhì)基礎和新思路，利用蛋白組學可更好地傳承中醫(yī)理論和中醫(yī)的臨床應用，是中醫(yī)研究發(fā)展的突破口[14]。

蛋白組學對癌癥的中醫(yī)治療具有重要輔助作用，腫瘤最常見的特征是蛋白水平表達異常及信號通路改變，因此蛋白組學技術有助于定義患者分層治療的分子亞型，可以更全面地了解腫瘤的發(fā)生與發(fā)展，為其提供更精準的治療方案[15]。如在大腸癌研究中運用蛋白組學技術檢測出激肽原1(KNG1)、血紅蛋白A2(HbA2)等基因可能是“異病同證”的物質(zhì)基礎，胃陰虛證、脾氣虛證患者血清中血紅素前體、α-1-β-糖蛋白、色氨酸羥化酶-1、結(jié)合珠蛋白表達上調(diào)，濕熱證患者體內(nèi)維生素D結(jié)合蛋白升高，血清結(jié)合素前體、β-解離抑制因子等表達下降，其中轉(zhuǎn)移相關蛋白、觸珠蛋白、微管蛋白α鏈3、β-解離抑制因子等在血瘀證及脾虛癥大腸癌患者中高表達，這些結(jié)果有利于找出中藥的作用位點和更深入了解其作用機制，提高臨床療效[16]。

利用蛋白組學技術進一步研究心血瘀阻證、氣虛血瘀證與氣陰兩虛證、腎虛血瘀證等心系疾病不同證候，為中醫(yī)心系證型規(guī)范化提供了更精確的參考價值，極大拓寬了中醫(yī)現(xiàn)代化的發(fā)展道路[14]。冠心病的中醫(yī)證候主要致病原因是血瘀、痰飲、痰瘀，運用MALDI-TOF-MS技術、iTRAQ技術、HDMS與UPLC聯(lián)用技術可檢測到血瘀證樣本中為CD41、視黃醇結(jié)合蛋白、結(jié)合珠蛋白、血清白蛋白、載脂蛋白等與健康組不同，并篩選出痰癥患者載脂蛋白E、載脂蛋白H、巨噬細胞刺激蛋白1、凝溶膠蛋白亞型1等表達異常，蛋白組學對不同證候分型冠心病的研究有利于為后續(xù)研究疾病的演變及本質(zhì)提供重要的數(shù)據(jù)基礎[17]。

腎病綜合征是具有類似臨床表現(xiàn)、不同病因及病理導致腎小球基底膜損傷的臨床綜合征，在中醫(yī)學中屬于“水腫”，伴隨濕熱癥狀。四妙散在臨床治療泌尿系統(tǒng)疾病中廣泛應用, 且療效顯著[18]。林彤等[19]運用蛋白組學探討四妙散治療腎病綜合征的作用機制，認為其主要通過IL-17、腫瘤壞死因子、缺氧誘導因子1及凋亡通路，從而抑制炎癥、免疫紊亂、氧化應激及凋亡，四妙散還具有多維度藥理作用，為臨床治療腎病的藥物應用提供新思路。

盡管蛋白質(zhì)之間的特異性和穩(wěn)定性有所不同、蛋白質(zhì)濃度范圍廣、對樣品的制備和蛋白初分離技術要求高等挑戰(zhàn)，但其對于疾病的診斷、預后及個體化治療的研究仍具有重要價值及意義。

3.3 代謝組學促進中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展

代謝組學是后基因組時代的新技術，其通過精確捕捉疾病反應代謝物、生物標志物和功能化合物之間的分子相互作用來驗證中醫(yī)藥的系統(tǒng)治療作用及相關治療機制[20]。近年來，代謝組學可輔助中醫(yī)藥學研究許多傳統(tǒng)方法無法解釋的復雜問題[21]，運用代謝組學理念研究復雜多樣的中藥小分子化合物，有助于中藥質(zhì)量控制、藥效機制以及藥物配伍等臨床問題的解決和助推發(fā)展中醫(yī)藥現(xiàn)代化[22]。代謝組學為闡明中醫(yī)學機制提供了重要途徑，其對于評價及監(jiān)測生物系統(tǒng)的內(nèi)源性代謝、評價中醫(yī)藥療效具有重要意義[23]。

王榮榮等[24]運用1H-NMR代謝組學技術檢測出不同劑量的蒼耳子可致小鼠不同程度的肝臟病變，應用代謝組學技術篩選出差異代謝物主要在氨基酸代謝、糖代謝、脂代謝等通路中，并篩選出糖原、尿苷、苯丙氨酸、馬尿酸、乙酸等敏感標志物，可作為臨床潛在肝毒性敏感生物標志物，對臨床安全用藥具有重要意義。代謝組學也是研究中醫(yī)藥治療肝病的重要工具，程建安等[25]利用代謝組學技術證明趕黃草可改善酒精性肝損傷小鼠血清中4-乙酰氨基丁酸酯、9-順-視黃醇、油酰胺等異常水平，繼而通過調(diào)控鞘脂代謝來治療酒精性脂肪肝。

Guo等[26]將中醫(yī)診斷與無靶向和有針對性的代謝組學分析相結(jié)合研究冠心病的潛在生物標志物，結(jié)果表明，內(nèi)皮損傷反應的變化以及脂質(zhì)和能量代謝是分析不同冠心病亞型之間的關鍵點，此研究有利于進一步完善臨床冠心病的個性化治療。牛芊等[27]運用代謝組學技術比較分析中醫(yī)藥對不穩(wěn)定型心絞痛血瘀證患者圍手術期血清代謝差異，發(fā)現(xiàn)給予丹紅治療后，患者血清中甘油磷脂代謝、鞘脂代謝、嘌呤代謝、氨基酸代謝等代謝通路趨向健康組，因此在西醫(yī)規(guī)范治療基礎上適度使用丹紅注射液使臨床治療效果更佳。

失眠是臨床常見的疾病之一，中醫(yī)將失眠統(tǒng)稱為“不寐”“不得眠”“不得臥”等，運用代謝組學技術可從失眠動物模型的血液、腦組織、臟腑組織、尿代謝物與腸道微生物等方面分析及探討失眠內(nèi)環(huán)境中代謝產(chǎn)物的代謝組學機制，為中醫(yī)治療失眠提供參考及路徑[28]。柴芩寧神顆粒是臨床治療失眠的經(jīng)驗方，趙琳儒等[29]運用代謝組學技術分析柴芩寧神顆粒改善睡眠的作用機制，結(jié)果顯示柴芩寧神顆粒可顯著升高大鼠海馬體中的5-HT、GABA含量，并篩選出嘌呤代謝、甘油磷脂代謝、組氨酸代謝等干預失眠的代謝通路。

代謝組學應用于中醫(yī)證候的研究可以克服證候模糊性以及復雜性的缺點，但其具有一定的局限性，將代謝組學與其他組學相結(jié)合，相互印證，從而達到更準確預測中醫(yī)證候類型，揭示其作用機制，對中醫(yī)治療臨床疾病具有重要意義。

4 結(jié)語和展望

中醫(yī)藥是我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在我國現(xiàn)代醫(yī)學體系中具有舉足輕重的地位。中醫(yī)具有理論的復雜抽象以及中藥成分的多靶點及多作用的特點，僅從中醫(yī)學角度較難探討其復雜機制，因而限制了中醫(yī)藥的發(fā)展，需要在傳承保護好中醫(yī)藥文化的同時結(jié)合現(xiàn)代化推動中醫(yī)藥的發(fā)展。

系統(tǒng)生物學的全面性及整體觀念與中醫(yī)藥學有許多相似之處，但兩者之間也存在一定的差異。系統(tǒng)生物學通過基因組學、蛋白組學、代謝組學、表型組學、微生物組學等技術助力中醫(yī)藥學研究，是一種自下而上、部分到整體的過程，而中醫(yī)學認為構(gòu)成人體的各組成部分是不可分割的有機整體，其著重于機體的自我調(diào)節(jié)及變化，是一種自上而下的過程，因此過多無價值的數(shù)據(jù)加大了中醫(yī)藥學研究的負擔。目前，系統(tǒng)生物學是一門尚未完善的新興學科，其在中醫(yī)診斷學中的應用研究較為局限。相信隨著研究的進步與發(fā)展，我們不再僅局限于單個組學的應用，而是將系統(tǒng)內(nèi)基因、mRNA、蛋白質(zhì)等不同性質(zhì)的構(gòu)成要素整合在一起研究中醫(yī)藥的作用機制，從而使中醫(yī)藥學更好地應用于臨床、服務人類健康事業(yè)。