基于知識圖譜的miRNA與流行病相關科學研究前沿態(tài)勢分析

王 芹，郭建雄，王妍妮，李 雅*

(1.西北農林科技大學圖書館，陜西楊陵 712100；2.西北農林科技大學動物醫(yī)學院，陜西楊陵 712100；)

microRNA(miRNA)是一類在真核生物體內大量存在的通過可變剪切產生的一種單鏈短非編碼RNA，可通過結合mRNA的3′ UTR經多種機制抑制mRNA的翻譯，從而調控靶基因的蛋白水平，進一步影響真核生物的一系列的生物過程[1-2]。miRNA自1993年發(fā)現(xiàn)以來，隨著對其作用機制研究的不斷深入，其生物學過程不斷被認識。miRNA在新型冠狀病毒、藍舌病病毒、乙型肝炎病毒、基孔肯雅病毒、豬傳染性胃腸炎病毒、豬流行性腹瀉病毒、豬繁殖與呼吸綜合征病毒、新城疫病毒等致病過程中均具有重要的調控作用[3-7]。病毒感染宿主后可引起miRNA的差異表達，可通過結合靶基因的方式調控宿主細胞基因蛋白水平的表達，從而調控病毒感染宿主細胞的一系列反應，包括促炎、抑炎、促進免疫反應、免疫逃避等過程，miRNA已成為調控病毒-宿主相互作用的關鍵調控因子，在病毒的整個復制周期和宿主感染過程中發(fā)揮重要作用[8]。另外，某些病毒也可以編碼miRNA，參與自身病毒的復制和宿主相互作用過程[9-10]。總之，隨著對miRNA研究的不斷深入，miRNA在流行病學致病機制中發(fā)揮的作用不斷被發(fā)掘。

隨著2019年新冠疫情在全球的暴發(fā)流行，以及進入21世紀以來人感染高致病性禽流感等一系列重大突發(fā)事件，使世界各國的公共衛(wèi)生體系經歷了前所未有的沖擊，新型冠狀病毒感染的肺炎疫情再次提醒全社會公共衛(wèi)生防疫的重要性[11]。流行病具有典型的負外部性，其疫情蔓延對人民健康和社會經濟造成的負面影響不可估量。加強流行病預防、診斷、治療技術研發(fā)方面的研究對于人們及時應對重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件刻不容緩。miRNA在病毒性流行病的致病機制中發(fā)揮重要作用，其相關的科學研究在流行病學的預防、診斷和治療方面具有重要指導作用。除了進行科學試驗，近年來采用知識圖譜分析科技發(fā)展方向的應用也越來越廣泛[12-13]。但未見基于可視化方法進行miRNA與流行病學相關前沿態(tài)勢分析的報道。

因此，本文基于WoS(Web of Science)數(shù)據(jù)庫，在傳統(tǒng)統(tǒng)計分析基礎上，應用知識圖譜等可視化分析工具，通過戰(zhàn)略坐標二維圖、社會網絡分析，對相關研究的主題、學科現(xiàn)狀等進行研究前沿發(fā)展態(tài)勢分析，以期為miRNA與流行病學未來的研究方向提供科學參考。同時，為相關領域科研工作者提供更多科學觀察新視角。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文涉及的流行病病原主要包括冠狀病毒、禽流感病毒、流感病毒、埃博拉病毒、寨卡病毒、非洲豬瘟病毒、絲狀病毒、馬爾堡病毒、艾滋病病毒、黃熱病病毒等。相關研究主要為miRNA在流行病學的預防、診斷和治療中的作用及機制；miRNA的研究歷程。

1.1 檢索要素及檢索式

以miRNA、主要流行病病原(例如virus、coronavirus、H1N1、H5N1、H7N9、Ebola virus等)、作用機制為檢索關鍵詞，經過專業(yè)試檢索—調整—再檢索—再調整和學科精煉，完成數(shù)據(jù)檢索。

1.2 文獻時間分布

數(shù)據(jù)采集時間截止為2021年9月16日。根據(jù)論文的時間分布，將miRNA與流行病學相關研究分為3個階段，第1階段：1992年-2001年；第2階段：2002年-2015年；第3階段：2016年-2021年。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本研究根據(jù)年度發(fā)文量將數(shù)據(jù)分為3階段，運用SPSS 19.0軟件把每一階段參與聚類的單元(如關鍵詞)使得有較大相似性的元素歸為同類，差異很大的元素分別在不同類別中[14]，通過戰(zhàn)略坐標圖二維圖進行某研究領域主題識別，圖中X軸為向心度，表示某領域中各主題(研究方向)間的連接強度，Y軸為密度，表示某一主題內部主題間的連接強度。它將二維坐標空間劃分為4個象限，坐標原點位于密度、向心度平均值處[15]。按順時針方向旋轉，第1象限中各研究主題的密度和向心度值均高，說明該研究方向內外部聯(lián)系都比較緊密，研究趨于成熟；第2象限中的研究主題內部結構不緊密，研究尚不成熟，該研究主題正在借鑒、吸收其他研究方向的理論、實驗方法或技術手段，具有潛在的發(fā)展趨勢；第3象限研究主題的密度和向心度都較低，內部結構較松散，處于整個領域邊緣和短板地位，當它影響到整個領域發(fā)展時，需要重視其中亟待研究的問題；第四象限中的研究主題內部鏈接緊密，但是與領域中其他主題聯(lián)系不密切，應在加強與領域內其他研究方向聯(lián)系的過程中走向成熟。為系統(tǒng)、全面研究miRNA在流行病學中歷年研究的熱點動態(tài)軌跡，本文將各階段研究熱點狀況疊用一幅圖表示；通過社會網絡分析關注某學科領域關鍵詞之間、科研主體之間的聯(lián)系[16-17]。按照時間順序逐步深入地進行研究主題戰(zhàn)略坐標前沿態(tài)勢分析，社會網絡分析和學科分析。

2 數(shù)據(jù)結果與分析

2.1 檢索結果

根據(jù)檢索要素形成如下檢索式：檢索式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))，檢索WOS文獻共撿索1532篇。按照年度發(fā)文量多少將論文分為3個階段，其中1992年-2001年有19篇，2002年-2015年有285，2016年-2021年有1228篇(圖1)。

圖1 文獻檢索結果

2.2 前沿演進分析

2.2.1 聚類分析 首先對3個階段文獻關鍵詞分別做了聚類分析(圖2～圖4)，然后根據(jù)聚類分析結果做了戰(zhàn)略坐標分析(圖5)。miRNA與流行病研究情況總體上可分為方向1：miRNA與病毒感染，病毒感染(方向2)，miRNA與表觀遺傳學在病毒致病機制研究(方向3)。其中，分析發(fā)現(xiàn)方向1基本上位于第1象限處于研究熱點地位。其中第1階段miRNA的生物合成主要是miRNA發(fā)現(xiàn)。第2階段表征miRNA在病毒感染中的作用及機制。第3階段miRNA的應用研究軌跡轉入第1象限，表明miRNA未來研究熱點從科研理論層面轉向實際應用研究。

圖2 miRNA與流行病學前言研究聚類分析(第1階段)

圖3 miRNA與流行病學前言研究聚類分析(第2階段)

圖4 miRNA與流行病學前言研究聚類分析(第3階段)

圖5 miRNA與流行病研究前沿態(tài)勢戰(zhàn)略坐標二維圖

從戰(zhàn)略分析結果發(fā)現(xiàn)方向2徘徊于第3和第4象限。宿主與病原體之間錯綜復雜的關系中，miRNA起到了重要的作用，與病毒感染、宿主抗病毒反應及免疫反應有關，miRNA是調節(jié)細胞功能的關鍵因子，其自身的表達和功能也受病毒感染、免疫等細胞刺激的影響才能發(fā)揮作用。miRNA在病毒感染過程中變化趨勢、調控機制、新miRNA的發(fā)現(xiàn)等都涌現(xiàn)出大量研究[18-19]。miRNA在病毒感染中也具有一定的時效性，在不同時期，分別涌現(xiàn)出了大量與當時所流行病毒相關的研究，如2002年-2015年，病毒感染(方向2-1)分化為埃博拉感染(方向2-2-1)和禽流感感染(方向2-2-2)，此階段研究方向與當時兩種病毒的流行趨勢及危害相一致。隨著對miRNA作用研究的深入，2016年-2020年轉化為抗病毒感染(方向2-3)，加強了與其他兩個研究方向的聯(lián)系，將前期的理論基礎轉向應用研究，成為了流行病學領域的研究熱點。越來越多的試驗證明，miRNA可作為治療疾病的重要靶點，例如，芳香-新霉素衍生物可通過微調miR-21的表達來調控乳腺癌細胞的發(fā)展[20-22]。從中也可以看出，miRNA與流行病學研究的發(fā)展規(guī)律，首先是病毒與miRNA的發(fā)現(xiàn)，逐步轉為理論機制研究，最終轉為應用研究，服務于疾病的診斷、預防和治療。這種規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為今后相關科研具有指導意義，將有助于發(fā)現(xiàn)流行病學相關的新學科。

方向3研究熱點軌跡變化較大。在miRNA發(fā)展起始階段，miRNA與表觀遺傳學之間的關系研究相對較少，且處于研究邊緣地位，人們對其兩者的關系并不是很清楚，表觀遺傳修飾(方向3-1)處于第2象限，屬于易分解發(fā)展?jié)摿臻g較大的研究方向。第2階段miRNA表觀遺傳修飾病毒致病機制研究(方向3-2)躍入第4象限加強了與該研究方向內部研究主題聯(lián)系，該研究方向此階段是對miRNA與表觀遺傳學研究最為火熱的階段，miRNA對DNA甲基化及表觀遺傳對流行病學的影響在此階段有了大量的報道。大量相關問題解決以后，第3階段表觀遺傳修飾先天免疫應答研究(方向3-3)又回落至第3象限，與外部聯(lián)系相對較弱，處于領域內相對邊緣化研究，miRNA與表觀遺傳在腫瘤研究是研究的熱點之一，但在流行病學中研究相對較少，在流行病學中處與發(fā)展或者起步階段，此方向可能制約了miRNA與流行病學的整個領域的發(fā)展，針對于此方向研究的不足和薄弱方面，也是相對比較容易產生一些新的理論和觀點，加強新理論的研究可能會對今后miRNA與流行病學整個研究領域做出更大的貢獻。

2.2.2 關鍵詞社會網絡分析 戰(zhàn)略坐標二維圖雖然能夠從該領域各階段、各研究方向熱點程度進行研究前沿態(tài)勢分析，這樣的分析還不夠具體，有必要以關鍵詞為單位繼續(xù)進行更加深入的可視化分析，圖6為關鍵詞社會網絡分析。

圖6 miRNA與流行病研究前沿熱點關鍵詞社會網絡分析

1992年-2021年9月miRNA與流行病熱點主題社會網絡分析顯示，第1階段1992年-2001年相關論文19篇，屬于該領域研究的起步階段，主要是圍繞著RNA二級結構、基因表達、RNA聚合酶、番茄叢矮病毒組、RNA間互相作用及其轉錄等主題進行；第2階段是2002年-2015年，屬于該領域研究較大發(fā)展的階段，該階段主要是圍繞著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、絲狀病毒、馬爾堡病毒、艾滋病病毒、RNA依賴的RNA聚合酶、冠狀病毒和SARS冠狀病毒的治療學、生物信息學、基因表達、反義基因、復制、刺突蛋白、細胞凋亡等主題的研究，其中siRNA分別與SARS病毒和禽流感病毒聯(lián)系的最為緊密，siRNA與短發(fā)卡RNA聯(lián)系也比較密切；第3階段2016年-2021年9月，是miRNA與流行病研究大發(fā)展的階段。該階段主要是圍繞著干擾RNA、寨卡病毒、冠狀病毒、黃熱病毒屬、甲型流感病毒、流感病毒、病毒復制、甲型H1N1流感病毒、交互作用、外泌體、生物標志物、核因子κB和細胞凋亡等主題的研究，其中miRNA分別與黃熱病毒屬、寨卡病毒、埃博拉病毒、甲型流感病毒、冠狀病毒、甲型H5N1流感病毒等主題聯(lián)系比較緊密，同時黃熱病毒屬與寨卡病毒聯(lián)系也比較緊密，另外埃博拉病毒分別與外泌體、細胞凋亡、VP40等有聯(lián)系。另外，我們不僅可以從關鍵詞網絡分析結果中得到主題之間的相互聯(lián)系，而且可以看出某些主題間還存在著弱連接，例如固有免疫應答-流感、外泌體-干擾素、病毒復制-干擾素、生物標志物-埃博拉病毒、埃博拉病毒-炎癥、豬流行性腹瀉病毒-外泌體、豬傳染性胃腸炎-新陳代謝、新型冠狀病毒-免疫調節(jié)、豬血凝性腦脊髓炎病毒-疫苗等，加強這些主題間的聯(lián)系，提出新的科學假說并進行實證，可能對研究產生新的科學發(fā)現(xiàn)有所啟發(fā)。當然我們的分析可能只是起到拋磚引玉的作用，因此也期待基于領域內更多弱連接的發(fā)現(xiàn)，提出更多的科學假說、實證，產生更多的科學發(fā)現(xiàn)。

2.3 學科分析

隨著miRNA研究的不斷深入，研究所涉及的學科范圍也不斷擴大，為了能夠更加直觀的了解miRNA所涉及學科的發(fā)展和變化，分別對3個階段研究所涉及的學科進行可統(tǒng)計分析(表1)。miRNA研究所涉及的學科迅速增加，說明對miRNA的認識越來越廣泛和深入。學科分析可見病毒學-濾過性微生物學、微生物學、生物化學與分子生物學始終是主要學科，生物化學與分子生物學位次、頻次上升比較迅速，傳染性疾病、傳染病學在后2個階段研究越來越多；細胞生物學、藥理學與藥劑學、化學；化學過程、研究與實驗醫(yī)學、基因和遺傳學等學科出現(xiàn)的頻次和位次顯著增加；另外，生命科學與生物醫(yī)學-其他主題、科學與技術-其他主題位次顯著增加，環(huán)境科學、公共衛(wèi)生、數(shù)學與計算生物學等學科也有所涉及，總體而言，學科及其學科交叉迅速而顯著的增加，人們在該領域認識越來越廣泛和深入，研究領域從宏觀到微觀，從理論逐漸向應用發(fā)展，研究方法也從純粹實驗方法到數(shù)學、計算生物學等定量化、多元化發(fā)展。

表1 miRNA與流行病研究熱點學科分析

續(xù)表1

3 討論與結論

總而言之，3個階段的熱點研究主題演化從RNA的發(fā)現(xiàn)、發(fā)生到結構、基因表達轉向各種病毒的治療學、生物信息學、基因表達、病毒復制、細胞凋亡等主題研究，第3階段轉向各種病毒的復制、相互作用、生物標志物、細胞凋亡等的研究。戰(zhàn)略坐標二維圖和關鍵詞社會網絡分析顯示，隨著miRNA與流行病學研究之間的聯(lián)系不斷的深入，具有抗病原體感染能力miRNA的發(fā)現(xiàn)，miRNA在流行病學的診斷、治療和預防上將有可能成為miRNA在流行病學方向發(fā)展的重要領域之一。越來越多的研究表明，miRNA可作為病毒感染的標志分子，并可以作為治療疾病的靶點[23-24]。所以，開發(fā)miRNA作為抗病毒基因治療的候選藥物具有良好的應用前景，miRNA與對抗流行病這一健康問題的新方法、新制劑可能會成為這一方向的最終發(fā)展趨勢，具有較大發(fā)展空間和潛力。以上研究方向或領域可能會成長為學科生長點，很有可能產生的新的科學發(fā)現(xiàn)。

學科結構分析方面，可以看出病毒學、濾過性微生物學、微生物學、生物化學與分子生物學始終是與miRNA相關的主要學科，其中生物化學與分子生物學位次、頻次上升比較迅速，傳染性疾病、傳染病學在后2個階段研究越來越多；細胞生物學、藥理學與藥劑學、化學；化學過程、研究與實驗醫(yī)學、基因和遺傳學等學科研究顯著增加?？傮w而言，學科擴展迅速增加，認識越來越廣泛、深入，從宏觀到微觀，從理論逐漸向應用發(fā)展。參與miRNA研究的學科在迅速增加，從病毒的發(fā)現(xiàn)、研究到越來越多學科，從單一病毒到多種病毒的認識，從宏觀的微觀的結構認識，再到應用學科的研究路線。熱點學科表現(xiàn)為3個階段學科之間聯(lián)系從少到多，再由多到集中的態(tài)勢。隨著研究的不斷深入，miRNA與流行病學的研究將會涉及到更多的科學領域，不同學科之間的交叉聯(lián)系會更加緊密，加強miRNA在多學科交叉中的應用將是今后的重點方向。