系统生物学方法在中医药研究中的运用.doc

系统生物学方法在中医药研究中的运用系统生物学方法在中医药研究中的运用【摘要】 系统生物学作为21世纪的一门新兴科学，其研究方法和研究思路与传统的中医学有很多相似之处。运用系统生物学方法有助于揭示中医证候的科学内涵和开展中药现代化研究。系统生物学的技术平台为组学，其中蛋白质组学为明确中医证候的本质和中药复方的作用提供了实验方法；相对于基因组学以及蛋白质组学等分子生物学手段来说，代谢组学更加直接、快速和简便，特别是为中医药防治肾脏疾病的研究提供了有效的方法。 【关键词】 系统生物学; 证候; 中医现代化; 蛋白质组学Abstract: Systems biology is a new science of the 21st century, which resembles traditional Chinese medicine (TCM) in many aspects such as study method and design. Adoption of systems biology approach would do much help for exploring the scientific connotation of TCM syndrome and the modernization of Chinese herbal medicine. Its technological platforms, such as genomics, proteomics and metabonomics, provide powerful tools for the study of the essence of TCM syndrome and the function of herbal compound recipe. Compared with other molecular biological methods, such as genomics and proteomics, metabonomics method is more direct and more concise, especially for providing an effective method for the study of TCM therapy in preventing and treating kidney diseases.Keywords: systems biology; syndrome complex; modernization (traditional Chinese medicine); proteomics21世纪中医药现代化研究面临新的挑战。随着人类基因组计划的完成和后基因组时代的到来，生命科学发生了本质的飞跃，为中医药现代化发展提供了新的契机。应运而生的系统生物学与中医药研究的思路和方法不谋而合，为复杂的中医证候学说和方药体系研究带来了希望。中医中药在我国已有二千多年的发展历史，形成了一套系统的理论体系，积累了丰富的诊疗经验，在广大人民群众中具有深刻影响。然而古老朴素的中医学长期以直观方法作为认识的主要手段，缺乏还原的分析方法，无法采集准确、客观且能够反映中医药最本质特点的定性定量指标，是制约中医药发展和中医中药国际化的瓶颈问题。 中医学有两大特点：一是整体观，强调人与自然界之间的联系，和人体作为一个有机整体，各脏腑器官之间在生理和病理状态下相互关联；二是辨证论治，由此产生“同病异治”和“异病同治”等思想。中医学对疾病的认识注意到整体和个别以及共性和个性的特点，从动态的角度去考虑问题，由此获得良好的治疗效果。然而，中医学这些精华，目前还没有用现代科学的语言加以诠释，并不能被西方所接受。系统生物学的理想就是要得到一个尽可能接近真正生物系统的理论模型，这些模型不仅可以模拟生物系统的行为，而且可以用来预测该系统受到干扰后未来的行为1。系统生物学体现了一种整合的思想以及传统生物学向“大生物学”过渡的一种趋势，是研究从“组成”到“功能”的升华2。这与中医学对人体生理病理的认识和治疗疾病的方法有“异曲同工”之处。系统生物学的诞生给中医学研究带来了希望，将有助于揭示中医学整体观和辨证论治思想的科学内涵。1 系统生物学将促进中医药学的发展 系统生物学（systems biology），又译为“系统集成生物学”或“系统综合生物学”，是近年来继人类基因组计划之后，科学界关注的又一个研究热点。2003年9月，美国哈佛大学医学院开设了20年来该院第一个新系，关注的焦点就是系统生物学3。2005年6月，中国科技大学与中国科学院合作成立了国内第一个基于理论科学和实验研究的系统生物学系，将生物学、数学和工程学整合起来融入医学研究领域。随着功能基因组时代的到来，系统生物学已成为医学研究的一个极其重要的工具4。它的技术平台为组学，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学和计算机生物学等5。1 系统生物学有助于揭示中医证候的科学内涵 目前中医证候研究的关键问题在于如何应用现代科学技术开辟一条新的途径，这一途径应既能符合“实体结构”原则，揭示证这一病理产物的物质实体，又能遵循“功能模拟”原则，探索其外在和潜在的表现规律6。近年来系统生物学及相关技术的快速发展，为我们从多学科、多视角进一步认识中医证的本质提供了重要的方法学基础和技术条件。通过基因组学研究，建立不同证候类型的基因变异及基因表达差异谱和功能基因调控网络；再通过不同证候类型的差异蛋白质组学和关键的功能蛋白质的鉴定及定量研究，结合中医理论，则有可能从多个层次阐明中医辨证论治的科学内涵，同时也可能发现与证候相对应的特异性基因和功能蛋白标志物，为临床辨证提供客观依据。 例如，王米渠等7用基因芯片方法研究中医寒证患者，发现寒证的基因表达谱有显着差异，在59条差异表达基因中，绝大多数与代谢（能量代谢、蛋白质代谢等）有关，说明寒证患者的代谢网络有别于常人，使寒证诊断客观化、现代化成为可能。Chen等8采用代谢组学研究发现，肾阳虚模型动物的代谢网络明显偏离正常动物，而用温阳中药干预后，模型动物的代谢谱回归至正常范围，呈现网络修复的结果。2 系统生物学有助于开展中药现代化研究 中药作为一个复合体系，多是配方使用，作用靶点多，涉及多个基因和细胞，从整体上调节人体的平衡和内环境的稳定。中药既需要研究单味药及复方中各化学成分的理化性质及生物活性，又需要研究化学成分间的反应规律及对人体的影响。西方医学对中药复方的研究方法往往是采用解剖麻雀的方法拆方试验，最终找出作用明确的活性成分，这样并不能反映中医药学君、臣、佐、使的配伍规律。因此，中药要想继续保持强大的生命力，既不能囿于“整体观”而拒绝发展，也不能仅停留在提取、提纯有效成分的水平上，而应该以中医药理论为指导，借助现代生物医学的先进研究方法，上升到对中药系统性的研究，建立一个全新的与现代学科同质的理论体系9。 系统生物学不同于以还原论为基础的生物学，仅关心个别的基因或蛋白质，抹煞各部分之间及部分与整体之间的作用和联系；也不同于控制论，仅研究输入与输出，而是在以往分子生物学提供的大量基因、蛋白质等系统构成信息的基础上将单个生物分子放在整体中加以研究10，并以了解整体层次的功能为最终目的。系统生物学的方法学和相关技术有助于提高中药复方研究的整体水平，揭示复方治病机制，从而为真正了解经典复方中各药配伍应用的精髓提供可能的方法和可利用的技术平台。近年来在生命科学领域快速发展起来一系列先进技术与手段，如基因表达连续分析法、基因芯片、蛋白质芯片与生物质谱、双向电泳、多维色谱/质谱联用、生物信息学与计算机技术等，为现阶段在系统生物学水平（基因组学、蛋白质组学和代谢组学等）上开展中药研究提供了可行的操作平台。2 蛋白质组学为明确中医证候的本质和中药复方的作用提供了实验方法 中医证候有4个特点。（1）整体性：主张天人合一，是对多因素的整体综合，追求阴阳平衡与协调；（2）时空性：随时间、状态和环境等因素发生变化，是机体即时性功能状态的反映，具有动态的概念；（3）传变性：相关证型间可以相互影响，并按照一定规律发生传变，表明证候复杂的相互关系；（4）个体差异性：同病异证和异病同证体现了机体先天禀赋及功能状态对各种环境和精神因素等的反应性，是多样性的基础。中医证候的这些特点可能牵扯到多种蛋白从含量到结构和功能的变化，因此用以往的生物化学和分子生物学方法逐个寻找分析证候相关蛋白质不仅费时费力，也使系统地理解证候本质成为空中楼阁。此外，中药成分复杂，不管是单味药还是复方，都是一个复杂的化学体系，药物的各个成分分别结合到自己的作用靶点发挥作用，使本来已经非常复杂的药理作用机制研究更加难以实施。运用以往的生物化学和分子生物学方法逐个分析蛋白质，无法从整体角度综合全面地考虑问题，因此无法解释药物与药物之间以及药物与多系统和多靶点间的相互作用机制。 蛋白质组是指由一个基因组以及一种生物、组织或细胞表达的全部蛋白质11，蛋白质组学是对某一研究对象所有蛋白质进行系统地鉴定、定量及功能研究的科学。蛋白质组学主要包括3个部分：表达蛋白质组学、结构蛋白质组学和功能蛋白质组学1315。表达蛋白质组学是指特定的细胞、组织或生物所产生全部蛋白质的鉴定。结构蛋白质组学是指对上述全部蛋白质精确三维结构的测定。功能蛋白质组学的任务是阐明上述全部蛋白质所形成的类似于电路的功能网络。蛋白质组学最大的特点是可以同时系统地分析大量蛋白质，这恰恰是中医药研究最急需解决的问题。我们可以利用功能蛋白质组学技术和策略，分析中医证侯及经单味药或复方药处理过的组织、细胞或体液表达的蛋白质组，并比较治疗前后蛋白质组的表达差异、蛋白质功能结构及相互作用的变化，系统地对证候本质和中药的多环节、多靶点调整作用机制进行研究，最终揭示证候的物质基础和中药单方及复方的作用机制和配伍规律。3 代谢组学为中医药防治肾脏疾病的研究提供了有效的方法 代谢组学作为一门新兴的技术，是通过考察生物体系受刺激或扰动（某个特定的基因变异或环境变化）后，所有低分子量代谢产物随时空变化的情况，来研究生物体系代谢途径的一种方法16。代谢组学整体系统的研究策略与中医药理论思想不谋而合，是从事中医药复杂理论体系研究的理想手段。因为，代谢组学研究的是反映机体状况的分子集合与其功能之间的关系，所有影响机体健康的因素均可反映在代谢组中，基因、环境、营养、药物（外源物）和时间（年龄）最终通过代谢组对表达施加影响，即代谢组学具有明显的整体反应性的特点。因此，我们认为代谢组学作为后基因组时代新的研究方法，最适合于中医中药多靶点、多系统的整体研究，最有可能反映中医证候“内实外虚”的本质特征。 在证候的研究上，引入代谢组学的平台技术也是一项非常有意义的工作。代谢组学与中医学在许多方面有相似的属性。代谢组学研究通过对某一病证相关特定组分的共性加以分析、判断，能够帮助人们更好地理解病变过程及机体内物质的代谢途径和代谢状况；同时，代谢组学还有助于早期发现疾病生物标志物而达到辅助临床诊断的目的。它能够通过检测不同时间患者的尿液或血液，对这些由疾病引起的代谢产物的响应进行分析，即代谢物组的分析。其准确性依赖于仪器的性能，可以提高诊治的科学性和定量化水平17，最有可能揭示中医证候的本质。