生物信息材料學(xué)再探

摘要：通過建立數(shù)學(xué)公式來描述結(jié)構(gòu)信息與所調(diào)節(jié)基因表達(dá)合成的結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，即信息與物質(zhì)通過生物自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而研發(fā)用于治療疾病的藥物、預(yù)防保健的功能食品，維護(hù)健康的化妝品、日用品等領(lǐng)域的生物信息材料。研發(fā)的生物信息材料在治療漸凍癥這種病因不明的致死性罕見病上已經(jīng)得到應(yīng)用，改善了NfL指標(biāo)和漸凍癥的典型癥狀。

關(guān)鍵詞：生物信息材料學(xué)；物質(zhì)與信息轉(zhuǎn)化；扶正；全集；子集；中醫(yī)食療；漸凍癥

生物信息材料學(xué)是融合醫(yī)學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科的一門交叉學(xué)科，筆者在“生物信息材料學(xué)初探”一文中提出了生物通過識(shí)別設(shè)計(jì)加工而成的材料中的結(jié)構(gòu)信息［1］，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)的理論和方法。如何在病因不明的情況下進(jìn)行有效治療，是罕見病以及各種疑難雜癥患者面臨的非常急迫的問題。研發(fā)通過調(diào)動(dòng)人體自身的調(diào)節(jié)功能，定向調(diào)節(jié)人體某個(gè)組織、器官恢復(fù)平衡，實(shí)現(xiàn)自愈的生物信息材料，是解決該問題的關(guān)鍵?；窘鉀Q思路是：首先研制能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體單個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)從而恢復(fù)平衡的生物信息材料，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)出調(diào)節(jié)人體組織、器官所包含的各種結(jié)構(gòu)使之恢復(fù)平衡的生物信息材料。

1信息與物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化

宇宙由物質(zhì)、能量、信息構(gòu)成。物質(zhì)屬于具體結(jié)構(gòu)，能量則屬于抽象結(jié)構(gòu)，而信息屬于更加抽象的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的演化就是在動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上構(gòu)建新的動(dòng)態(tài)平衡，具體結(jié)構(gòu)和抽象結(jié)構(gòu)相互作用，構(gòu)成了動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有了自適應(yīng)、自組織、保持自身動(dòng)態(tài)平衡的功能［2］。生物信息材料學(xué)的目標(biāo)是研究通過生物自身的自適應(yīng)、自組織、構(gòu)建動(dòng)態(tài)平衡的功能，調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)的理論和方法，進(jìn)而研制可以恢復(fù)和維持生物健康的功能性材料。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的第一步是研制出能對(duì)人體單個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)的生物信息材料。

生物學(xué)認(rèn)為，生物是一種可以保持動(dòng)態(tài)平衡的化學(xué)系統(tǒng)，不但體內(nèi)自有的所有結(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而且還能生成調(diào)節(jié)外部結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。在生物自身的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，每個(gè)結(jié)構(gòu)的量是可以調(diào)節(jié)的，既可以升高也可以降低，具體是升高還是降低，要根據(jù)生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)維護(hù)動(dòng)態(tài)平衡的需要來決定。假設(shè)某個(gè)結(jié)構(gòu)a是生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)，那么就存在促進(jìn)它的結(jié)構(gòu)和制約它的結(jié)構(gòu)，a如果過高就需要制約的結(jié)構(gòu)來降低它，如果過低就需要促進(jìn)的結(jié)構(gòu)來提高它；而當(dāng)a是生物自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之外的結(jié)構(gòu)時(shí)，在生物識(shí)別了該結(jié)構(gòu)的信息后，如果生物自身并沒有制約它的結(jié)構(gòu)，那么為了維持其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，就會(huì)生成制約它的結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)人體識(shí)別滅活疫苗的結(jié)構(gòu)信息后，雖然滅活疫苗并不會(huì)攻擊人體，但因?yàn)闄C(jī)體不需要滅活疫苗這種結(jié)構(gòu)，就會(huì)生成相應(yīng)的制約性結(jié)構(gòu)——抗體，此后一旦這種結(jié)構(gòu)進(jìn)入人體，就可以通過抗體將其調(diào)節(jié)到最低，以維護(hù)機(jī)體的動(dòng)態(tài)平衡?？梢杂脭?shù)學(xué)公式來描述信息與物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系：r=f（ai）。其中f為基因表達(dá)，ai為結(jié)構(gòu)a的結(jié)構(gòu)信息，r是基因表達(dá)f合成的結(jié)構(gòu)，而f這個(gè)基因表達(dá)是由生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所具有的自適應(yīng)、自組織、保持動(dòng)態(tài)平衡的特性所決定，r與a的結(jié)構(gòu)相互作用而調(diào)節(jié)a的結(jié)構(gòu)，有助于保持機(jī)體的動(dòng)態(tài)平衡。因此，當(dāng)生物識(shí)別了大量a的結(jié)構(gòu)信息后，為了保持生物自身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡，就需要調(diào)高制約a結(jié)構(gòu)的基因表達(dá)，合成足夠可以制約a的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，在公式r=f（ai）中，r就是制約a的結(jié)構(gòu)。

a的結(jié)構(gòu)信息ai可以向物質(zhì)r轉(zhuǎn)化，而r的結(jié)構(gòu)信息也可以調(diào)節(jié)與r相互作用的其他結(jié)構(gòu)的合成，即信息與物質(zhì)之間可以相互轉(zhuǎn)化，也就是抽象結(jié)構(gòu)與具體結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化。因?yàn)樯锞哂凶赃m應(yīng)、自組織、保持動(dòng)態(tài)平衡的功能，所以能夠通過生物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，達(dá)到生物信息材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)生物本身也是在抽象結(jié)構(gòu)與具體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過程中，具有了自適應(yīng)、自組織、保持動(dòng)態(tài)平衡的特性。

2生物信息材料

根據(jù)不同的情況和用途，可以通過r=f（ai）揭示的信息與物質(zhì)轉(zhuǎn)化的原理，研制不同的生物信息材料。

2.1從疾病的角度研制生物信息材料

當(dāng)明確引起生物疾病的結(jié)構(gòu)x，而且只是研制治療x所引起疾病的生物信息材料時(shí)，如果x所引起的疾病是因?yàn)閤過多造成的，而且制約x的結(jié)構(gòu)是生物基因表達(dá)能夠合成的，則可以用x作為原料加工治療x所引起疾病的生物信息材料，這種情況下的x等同于r=f（ai）公式中的a；如果x所引起的疾病是因?yàn)閤過低造成的，而且x是可以由生物的基因表達(dá)合成，則用x所制約的結(jié)構(gòu)作為原料加工治療x所引起疾病的生物信息材料，這種情況下的x等同于r=f（ai）公式中的r。

下面以乳糖不耐受為例，來論述上述兩種情況下如何研制治療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瀉，又稱乳糖酶缺乏癥［3］。乳糖酶缺乏是廣泛存在的世界性問題，以乳汁為主要飲食的新生兒及嬰幼兒中常發(fā)生腹瀉等癥狀。母乳和牛乳中的糖類主要是乳糖，如果小腸尤其是空腸黏膜表面絨毛的頂端乳糖酶分泌量減少，就不能完全消化和分解乳汁中的乳糖，未被消化的乳糖進(jìn)入結(jié)腸后被腸菌群酵解成氫氣、甲烷和二氧化碳，以及短鏈脂肪酸等，大量氣體引起腹脹等癥狀，而未被消化的乳糖及其發(fā)酵產(chǎn)物使得腸道內(nèi)滲透壓升高，流入腸道的水分增加，引起腹瀉癥狀，稱為乳糖不耐受［45］。

如果從結(jié)構(gòu)過多引起生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失衡形成疾病的角度分析，生物體內(nèi)乳糖過多引起的生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失衡，形成了乳糖不耐受癥狀。如果讓人體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別大量的乳糖結(jié)構(gòu)信息，人體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為了保持動(dòng)態(tài)平衡，就需要更多能降低乳糖含量的結(jié)構(gòu)，也就是提高能降低乳糖含量結(jié)構(gòu)的基因表達(dá)，達(dá)到治療乳糖不耐受的目的，因此就用乳糖來加工治療乳糖不耐受的生物信息材料。

如果從結(jié)構(gòu)過低引起生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失衡形成疾病的角度分析，是生物體內(nèi)乳糖酶缺乏不能將攝入人體的乳糖完全消化和分解，從而形成了乳糖不耐受。乳糖酶所制約的結(jié)構(gòu)是乳糖，那么就讓人體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識(shí)別大量的乳糖酶所制約的結(jié)構(gòu)信息，也就是乳糖的結(jié)構(gòu)信息，人體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為了保持動(dòng)態(tài)平衡，就會(huì)調(diào)高制約乳糖結(jié)構(gòu)的基因表達(dá)，也就是合成乳糖酶的基因表達(dá)，達(dá)到治療乳糖不耐受的目的，因此就用乳糖來加工治療乳糖不耐受的生物信息材料。

綜上所述，公式r=f（ai）中r與a的關(guān)系是r制約a，對(duì)于生物而言，a過多引起生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失衡，是由于生物自身r不足造成的，解決方法是提高合成r的基因表達(dá)，即讓生物識(shí)別一定量a的結(jié)構(gòu)信息ai。

2.2從健康的角度研制生物信息材料

如果一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中存在多種結(jié)構(gòu)會(huì)引起生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失衡，比如牛奶中既包含可以引起消化系統(tǒng)疾?。ㄈ樘遣荒褪埽┑娜樘?，也包含幾十種可以引起免疫系統(tǒng)疾?。ㄟ^敏）的蛋白質(zhì)，而具體會(huì)引起哪種疾病又因人而異；再比如人體器官的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不同的結(jié)構(gòu)失衡會(huì)產(chǎn)生不同的疾病，那么如何在不知道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中具體哪些結(jié)構(gòu)引起失衡的情況下，研究出可以調(diào)節(jié)這個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)恢復(fù)平衡的生物信息材料？

如果把一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)稱之為全集，則這個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中引起疾病的結(jié)構(gòu)就是全集的子集，從全集的角度研制生物信息材料，就是從健康的角度研制生物信息材料。

針對(duì)人體外部結(jié)構(gòu)引起的疾病，仍以牛奶為例，不區(qū)分到底是牛奶中的什么具體結(jié)構(gòu)引起了人體失衡，而是讓人體識(shí)別牛奶所有結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)信息構(gòu)建平衡，即把全集作為機(jī)體識(shí)別結(jié)構(gòu)信息的對(duì)象，就不需要確定具體是牛奶的哪種結(jié)構(gòu)引起何種疾病了，也就無須考慮個(gè)體差異，使維護(hù)健康變得更加簡單。

針對(duì)人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)失衡引起的疾病，比如高血壓、糖尿病，甚至不清楚病因的各種疑難雜癥，如何在不清楚病因的前提下也能研制出恢復(fù)健康的生物信息材料？這首先需要利用中醫(yī)相生相克的理論結(jié)合數(shù)學(xué)為人體的各個(gè)組織、器官建立動(dòng)態(tài)平衡的健康模型。假設(shè)健康的組織或者器官所包含的結(jié)構(gòu)為全集，用R來表示，R包括的結(jié)構(gòu)用R（y1，y2，…，ym）來表示。將與全集R所包含的結(jié)構(gòu)具有生、克關(guān)系的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算出來，計(jì)算得到的這些結(jié)構(gòu)用Q來表示，Q包括的結(jié)構(gòu)用Q（x1，x2，…，xn）來表示，Q的特異性結(jié)構(gòu)信息為Qs。通過人體的自我調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)相應(yīng)的組織或者器官恢復(fù)平衡，則公式r=f（ai）轉(zhuǎn)化為R=F（Qs），F(xiàn)代表合成R的一組基因的表達(dá)。一個(gè)組織或者器官不同的結(jié)構(gòu)失衡，會(huì)產(chǎn)生不同的疾病，但所有失衡的結(jié)構(gòu)都是其全集的子集，從全集的角度研制生物信息材料，并用這種生物信息材料對(duì)機(jī)體進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以在不知道病因的情況下進(jìn)行有效治療，這就是從健康的角度恢復(fù)健康，從而建立研制用于大健康領(lǐng)域的生物信息材料的理論和方法。

3實(shí)踐應(yīng)用及總結(jié)

為了驗(yàn)證上述理論和方法的有效性，筆者針對(duì)肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS），使用從健康角度研制的生物信息材料，觀測(cè)該病患者神經(jīng)絲輕鏈蛋白（NfL）和臨床癥狀的改善效果。ALS是一類運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受到損害，進(jìn)行性出現(xiàn)變性壞死，從而造成人體運(yùn)動(dòng)功能喪失的疾病，包括說話困難、吞咽困難、嗆咳、呼吸困難等典型癥狀［6］。該疾病異質(zhì)性強(qiáng)，發(fā)病機(jī)制不明確，缺乏有效的治療藥物，患者通常在起病3～5年后死于呼吸肌麻痹、呼吸衰竭［7］。醫(yī)學(xué)研究表明，漸凍癥患者的神經(jīng)元生存環(huán)境惡化，導(dǎo)致神經(jīng)元失去正常死亡與修復(fù)的平衡，而正常的神經(jīng)細(xì)胞需要良好的環(huán)境才能存活［8］。NfL是評(píng)估神經(jīng)元損害的關(guān)鍵生物標(biāo)志物，其水平升高可反映神經(jīng)元的損傷和死亡，在肌萎縮側(cè)索硬化癥、阿爾茨海默病、帕金森病以及多發(fā)性硬化等神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病患者的外周血及腦脊液標(biāo)本中，該指標(biāo)水平均異常升高［910］。

南京師范大學(xué)國家健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)研究院成立了“漸凍癥中醫(yī)食療”課題組，從健康的角度研制中樞神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心、肝、脾、肺、腎、肌肉、腸、胃“以正扶正”的生物信息材料，對(duì)患者進(jìn)行綜合調(diào)理。課題組自2023年10月開始，第一批收集ALS患者28例；自2024年1月開始，第二批收集ALS患者54例并隨機(jī)分為兩組，其中免疫+中樞調(diào)理組26人，綜合調(diào)理組28人。課題組對(duì)兩批患者采用自身前后對(duì)照法，觀察食療扶正后，患者NfL指標(biāo)的變化和癥狀改善情況。結(jié)果表明：①第一批患者調(diào)理前NfL水平為（66.88±42.41）pg/mL，第1期綜合調(diào)理后NfL水平為（56.78±33.51）pg/mL，指標(biāo)顯著下降（Plt;0.05）。第2、3期停止調(diào)理中樞神經(jīng)系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)后，癥狀出現(xiàn)反復(fù)，但NfL水平為（51.31±28.02）pg/mL，持續(xù)下降（Plt;0.05）。第4期重新調(diào)理中樞神經(jīng)系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)，患者癥狀繼續(xù)改善。②第二批患者中，免疫+中樞調(diào)理組調(diào)理前NfL水平為（63.66±30.42）pg/mL，第1期調(diào)理后的NfL水平為（66.27±42.65）pg/mL，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。綜合調(diào)理組調(diào)理前NfL水平為（55.67±33.90）pg/mL，第1期調(diào)理后的NfL水平46.44±27.29為pg/mL，指標(biāo)顯著降低（Plt;0.05）。兩組患者在典型癥狀改善方面沒有明顯差異。

由此可得出結(jié)論，NfL水平與神經(jīng)元細(xì)胞的生存環(huán)境有關(guān)，綜合調(diào)理可以改善神經(jīng)元細(xì)胞的生存環(huán)境，降低中樞神經(jīng)系統(tǒng)軸突損傷，有效改善NfL指標(biāo)；漸凍癥典型癥狀和神經(jīng)元本身變性有關(guān)，通過針對(duì)中樞神經(jīng)研制的生物信息材料調(diào)理中樞神經(jīng)，可以改善漸凍癥典型癥狀。

以上概述了生物信息材料學(xué)的理論、方法和初步實(shí)踐應(yīng)用。生物信息材料可以用于醫(yī)藥、功能食品、化妝品等領(lǐng)域，未來還可以延伸至日用品方面，涉及人類生活的方方面面，可以有效地維護(hù)生命健康，從而為醫(yī)藥健康事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

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