系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)藥研究中的應(yīng)用與進(jìn)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(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)具有完整的理論體系，其特點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)“天人合一”，運(yùn)用整體觀和辨證論治的方法對(duì)疾病進(jìn)行預(yù)防、診斷及治療。隨著現(xiàn)代科技以及西醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，世界各地對(duì)中醫(yī)學(xué)給予越來(lái)越多的關(guān)注，然而如何更好地將中西醫(yī)各優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合服務(wù)社會(huì)健康事業(yè)還需深入的探索[1]。系統(tǒng)生物學(xué)是以系統(tǒng)論和實(shí)驗(yàn)、計(jì)算方法整合研究為特征的生物學(xué)，對(duì)生命活動(dòng)在細(xì)胞、組織、器官和生物體整體水平上進(jìn)行研究分析。不同于以往的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)，系統(tǒng)生物學(xué)不再以單一的基因或蛋白為研究對(duì)象，而是以整體的觀念對(duì)基因、mRNA、蛋白質(zhì)等生命活動(dòng)的組成成分及其在特定情況下互相作用的學(xué)科，對(duì)分子、細(xì)胞、器官、機(jī)體，甚至到個(gè)體、群體及生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定量和整合[2]。中醫(yī)學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)相結(jié)合為中西醫(yī)融合搭建了橋梁。

1 現(xiàn)代技術(shù)推動(dòng)中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展

中醫(yī)治療是綜合運(yùn)用不同手段，使人體達(dá)到陰平陽(yáng)秘，從而預(yù)防及治療疾病。中醫(yī)診療過(guò)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(shí)、新觀點(diǎn)是中醫(yī)藥進(jìn)步的重要基石。中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵在于將科技創(chuàng)新與中醫(yī)藥傳承相融合，發(fā)揚(yáng)和繼承中醫(yī)的優(yōu)勢(shì)，在遵循中醫(yī)發(fā)展規(guī)律的同時(shí)，融入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，以提高臨床診療為目的積極推動(dòng)中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展，為人類健康事業(yè)作出貢獻(xiàn)[4]。將系統(tǒng)生物學(xué)、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”、DNA條形碼等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)引入中醫(yī)藥研究中，對(duì)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(xué)是采用系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究的方法探索中醫(yī)藥證治的科學(xué)內(nèi)涵，對(duì)中醫(yī)現(xiàn)代化和國(guó)際化具有重要意義[5]。

2 系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)生物學(xué)概述

系統(tǒng)生物學(xué)是在現(xiàn)代科技快速發(fā)展下衍生出來(lái)的，應(yīng)用計(jì)算和數(shù)學(xué)分析與構(gòu)建復(fù)雜生物模型，研究生物系統(tǒng)組成成分的構(gòu)成與相互關(guān)系的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)與發(fā)生，以系統(tǒng)論和實(shí)驗(yàn)、計(jì)算方法整合研究為特征的生物學(xué)。系統(tǒng)生物學(xué)的整體化與中醫(yī)概念中的“整體性”如出一轍，其最基礎(chǔ)的是組學(xué)研究，包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、相互作用組學(xué)、表型組學(xué)和計(jì)算機(jī)生物學(xué)、概念生物學(xué)[2]，研究及其應(yīng)用范圍廣，特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)顯著。系統(tǒng)生物學(xué)的研究是從局部走向整體，可輔助中醫(yī)學(xué)進(jìn)行復(fù)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(xué)現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)中葉，貝塔朗菲定義了“機(jī)體生物學(xué)”的“機(jī)體”為“整體”或“系統(tǒng)”概念，并以生物學(xué)的理論、數(shù)學(xué)模型與應(yīng)用計(jì)算機(jī)等方法來(lái)闡述系統(tǒng)論研究。1999年，美國(guó)科學(xué)院院士胡德提出系統(tǒng)生物學(xué)理論，認(rèn)為系統(tǒng)生物學(xué)是21世紀(jì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)及生物學(xué)進(jìn)步的核心力量[2]。傳統(tǒng)生物學(xué)因系統(tǒng)生物學(xué)的出現(xiàn)而取得突破性進(jìn)展。

3 系統(tǒng)生物學(xué)在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 基因組學(xué)在中醫(yī)藥中的應(yīng)用

基因組學(xué)最早是由美國(guó)遺傳學(xué)家Thomas H. Roderick于1986年提出，其主要通過(guò)分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等研究生物體內(nèi)全部基因、探索生命活動(dòng)運(yùn)行內(nèi)在規(guī)律的一種科學(xué)[7]?；蚪M學(xué)的優(yōu)勢(shì)有很多，例如其能使用高通量DNA測(cè)序和生物信息學(xué)組裝來(lái)分析整個(gè)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?；蚪M學(xué)技術(shù)在研究人體免疫功能、單基因疾病等多學(xué)科領(lǐng)域均有應(yīng)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(jī)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(yīng)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(jī)，運(yùn)用基因組學(xué)可準(zhǔn)確闡明其發(fā)病的生物學(xué)基礎(chǔ)，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(gè)體化治療[10]。中醫(yī)肺病證候?qū)W研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)對(duì)肺氣虛患者各個(gè)層面的生命活動(dòng)進(jìn)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(yùn)用基因芯片技術(shù)能夠篩查出肺氣虛證患者與健康者基因表達(dá)的差異，肺癌氣血瘀滯型患者表皮生長(zhǎng)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(dá)譜具有特異性?；蚪M學(xué)對(duì)中醫(yī)藥治療疾病的作用機(jī)制具有推動(dòng)作用。李嘉麗[12]采用基因組學(xué)技術(shù)證明黃芪甲苷可通過(guò)調(diào)控mmu-miR-215-3p靶向PTEN來(lái)調(diào)節(jié)PI3K/Akt信號(hào)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(guān)指證。基因組學(xué)有助于中醫(yī)臨床疾病的預(yù)測(cè)、治療及康復(fù)等方面的進(jìn)步與發(fā)展。

3.2 蛋白組學(xué)在中醫(yī)藥中的應(yīng)用

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

蛋白組學(xué)對(duì)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(dá)異常及信號(hào)通路改變，因此蛋白組學(xué)技術(shù)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(zhǔn)的治療方案[15]。如在大腸癌研究中運(yùn)用蛋白組學(xué)技術(shù)檢測(cè)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(chǔ)，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(dá)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(dá)下降，其中轉(zhuǎn)移相關(guān)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(dá)，這些結(jié)果有利于找出中藥的作用位點(diǎn)和更深入了解其作用機(jī)制，提高臨床療效[16]。

利用蛋白組學(xué)技術(shù)進(jìn)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(jià)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(yùn)用MALDI-TOF-MS技術(shù)、iTRAQ技術(shù)、HDMS與UPLC聯(lián)用技術(shù)可檢測(cè)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(xì)胞刺激蛋白1、凝溶膠蛋白亞型1等表達(dá)異常，蛋白組學(xué)對(duì)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(chǔ)[17]。

腎病綜合征是具有類似臨床表現(xiàn)、不同病因及病理導(dǎo)致腎小球基底膜損傷的臨床綜合征，在中醫(yī)學(xué)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(yīng)用, 且療效顯著[18]。林彤等[19]運(yùn)用蛋白組學(xué)探討四妙散治療腎病綜合征的作用機(jī)制，認(rèn)為其主要通過(guò)IL-17、腫瘤壞死因子、缺氧誘導(dǎo)因子1及凋亡通路，從而抑制炎癥、免疫紊亂、氧化應(yīng)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(yīng)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(duì)樣品的制備和蛋白初分離技術(shù)要求高等挑戰(zhàn)，但其對(duì)于疾病的診斷、預(yù)后及個(gè)體化治療的研究仍具有重要價(jià)值及意義。

3.3 代謝組學(xué)促進(jìn)中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展

代謝組學(xué)是后基因組時(shí)代的新技術(shù)，其通過(guò)精確捕捉疾病反應(yīng)代謝物、生物標(biāo)志物和功能化合物之間的分子相互作用來(lái)驗(yàn)證中醫(yī)藥的系統(tǒng)治療作用及相關(guān)治療機(jī)制[20]。近年來(lái)，代謝組學(xué)可輔助中醫(yī)藥學(xué)研究許多傳統(tǒng)方法無(wú)法解釋的復(fù)雜問(wèn)題[21]，運(yùn)用代謝組學(xué)理念研究復(fù)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(jī)制以及藥物配伍等臨床問(wèn)題的解決和助推發(fā)展中醫(yī)藥現(xiàn)代化[22]。代謝組學(xué)為闡明中醫(yī)學(xué)機(jī)制提供了重要途徑，其對(duì)于評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)生物系統(tǒng)的內(nèi)源性代謝、評(píng)價(jià)中醫(yī)藥療效具有重要意義[23]。

王榮榮等[24]運(yùn)用1H-NMR代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)出不同劑量的蒼耳子可致小鼠不同程度的肝臟病變，應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)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(biāo)志物，可作為臨床潛在肝毒性敏感生物標(biāo)志物，對(duì)臨床安全用藥具有重要意義。代謝組學(xué)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(xué)技術(shù)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(guò)調(diào)控鞘脂代謝來(lái)治療酒精性脂肪肝。

Guo等[26]將中醫(yī)診斷與無(wú)靶向和有針對(duì)性的代謝組學(xué)分析相結(jié)合研究冠心病的潛在生物標(biāo)志物，結(jié)果表明，內(nèi)皮損傷反應(yīng)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(guān)鍵點(diǎn)，此研究有利于進(jìn)一步完善臨床冠心病的個(gè)性化治療。牛芊等[27]運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)比較分析中醫(yī)藥對(duì)不穩(wěn)定型心絞痛血瘀證患者圍手術(shù)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(chǔ)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(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)可從失眠動(dòng)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(xué)機(jī)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(yàn)方，趙琳儒等[29]運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)分析柴芩寧神顆粒改善睡眠的作用機(jī)制，結(jié)果顯示柴芩寧神顆?？娠@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(yù)失眠的代謝通路。

代謝組學(xué)應(yīng)用于中醫(yī)證候的研究可以克服證候模糊性以及復(fù)雜性的缺點(diǎn)，但其具有一定的局限性，將代謝組學(xué)與其他組學(xué)相結(jié)合，相互印證，從而達(dá)到更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)中醫(yī)證候類型，揭示其作用機(jī)制，對(duì)中醫(yī)治療臨床疾病具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

中醫(yī)藥是我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)體系中具有舉足輕重的地位。中醫(yī)具有理論的復(fù)雜抽象以及中藥成分的多靶點(diǎn)及多作用的特點(diǎn)，僅從中醫(yī)學(xué)角度較難探討其復(fù)雜機(jī)制，因而限制了中醫(yī)藥的發(fā)展，需要在傳承保護(hù)好中醫(yī)藥文化的同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代化推動(dòng)中醫(yī)藥的發(fā)展。

系統(tǒng)生物學(xué)的全面性及整體觀念與中醫(yī)藥學(xué)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(xué)通過(guò)基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、表型組學(xué)、微生物組學(xué)等技術(shù)助力中醫(yī)藥學(xué)研究，是一種自下而上、部分到整體的過(guò)程，而中醫(yī)學(xué)認(rèn)為構(gòu)成人體的各組成部分是不可分割的有機(jī)整體，其著重于機(jī)體的自我調(diào)節(jié)及變化，是一種自上而下的過(guò)程，因此過(guò)多無(wú)價(jià)值的數(shù)據(jù)加大了中醫(yī)藥學(xué)研究的負(fù)擔(dān)。目前，系統(tǒng)生物學(xué)是一門尚未完善的新興學(xué)科，其在中醫(yī)診斷學(xué)中的應(yīng)用研究較為局限。相信隨著研究的進(jìn)步與發(fā)展，我們不再僅局限于單個(gè)組學(xué)的應(yīng)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(jī)制，從而使中醫(yī)藥學(xué)更好地應(yīng)用于臨床、服務(wù)人類健康事業(yè)。