中医药生物信息学-探索中医理论奥秘

3000多年的历史积淀，勿庸置疑的疗效和至今仍然难以解说的科学内涵，让中医始终披着一张神秘的面纱。目前对中医药的现代化研究中，单纯还原分析的研究方法始终有一种一叶障目似的尴尬，如何将以整体、动态、辨证的观点解释生命、把握疾病、用药遣方的中医理论，以全新的科学语言为基础加以验证和发展，是有志于中医药现代化的有识之士 的共同目标。随着生物信息学、系统生物学等研究的兴起，科学家们越来越清楚地认识到，只有以信息系统视角研究同样是系统的、复杂的中医药理论体系，在合理整合和充分利


    用各种数据资源的基础上，进行科学分析、特征提取和规律探索，才能逐步揭示其本质和内涵。
   
    清华大学生物信息学研究所的生物信息学教育部重点实验室是我国第一个生物信息学重点实验室，也是国内较早开展“生物信息学与中医药现代化”的研究机构。该实验室近期研究的重点方向之一就是中医药生物信息学。负责此项研究的李梢博士是国内率先进行中医药生物信息学研究的专家之一。在他看来，将目前生命科学中最前沿、最热点的研究与中医药联系在一起，以生物信息学的有关理论与方法为桥梁，在中医药学研究中发展相应的信息分析与整合手段，将有助于深入了解以整体观、辨证论治为核心的中医诊疗规律。而其中更深一层的含义是，以信息、系统的观点切入中医药学研究，将有助于推动目前生命科学、医学从“物质实体”向“关系实在”的研究模式的转变；一套行之有效的中医药生物信息分析方法，也将为从多层次信息中发掘中医药的科学内涵，在系统层次上加深对于复杂性疾病的理解提供新的途径。
   
    复杂系统意义下的中医药学
   
    随着疾病谱以及生物医学模式的改变，调整生物体自身功能的治疗方案成为科学家们关注的焦点之一。另一方面，以还原论、经验论及纯科学为基础的经典科学正逐步吸收系统论、理性论和人文精神，进而导致一个新兴的研究领域 ---复杂性研究的兴起。目前，从系统观、信息结构、复杂性的角度，探索生命现象与疾病的本质已成为国际生命科学领域的前沿和热点。在这样的科技背景下，李梢认为，以临床实效为生命力的中医药学，是具有重大的理论和应用价值的实际复杂系统。
   
    中医药研究中的复杂性问题
   
    中医学的特色是天人合一、整体协调、辨证论治，是天然药物通过君、臣、佐、使等配伍，达到方剂整体的综合效应。李梢认为，中医药学的构成中虽然包含有简单系统的性质，然而，目前中医药现代化研究应重视的是整体、关系、协调等中医学特色的发掘，重视脱离局部、拮抗的诊疗观念以及化学合成药物的框架与弊端，其中凸显出的证候机制研究中的复杂性问题、方剂配伍研究中的复杂性问题、中药药效物质研究中的复杂性问题就成为制约中医药现代化研究的瓶颈。
   
    李梢意识到，寻找证候的内在规律，进行证候客观化、定量化、规范化研究一直以来众说纷纭，随着研究的深入和复杂性的增加，摆在研究者面前的问题愈显尖锐。在机理研究中，研究者发现证候的特点难以用单一指标来表示，难以辨别某一微观指标的改变是证的特征性结果而不是病的普遍影响，以方对病的研究则难以体现证候特色，用于阐释基于辨证论治的方剂疗效机理也存在一定局限。证候的研究同时还受到动物模型等实验手段的限制，证候诊断标准、疗效评价体系也有待新思路的介入。另一方面，中药既是在传统中医学、中药学理论指导下的应用体系，又是一个复杂的化学体系。中药药性理论、气味学说等理论可看作是对中药复杂性的一种经验归纳。在中药方剂生物效应的研究中，方剂药物的化学组分(药效物质)如何与生物体内的细胞、离子通道、酶、受体、蛋白、基因等分子组成的生物分子网络相互作用，从而实现方剂的综合效应、整体功能；如何从饮片配伍中找到方剂复杂化学组分的有效组合，中药有效分子组合如何调节疾病功能基因网络等中医药生物信息与化学信息的关联问题则是研究的重点和难点。证候生物信息、中药化学信息及其生物效应的研究也涉及从宏观到微观，逐步深入又逐步融合的过程。
   
    中医药复杂性的来源
   
    鉴于中医学是以复杂的生命系统为研究对象，因此，李梢认为，中医证候、方剂等内涵的复杂性的来源，可以初步归纳为以下几方面：
   
    源于系统规模的复杂性。一种天然植物药一般含有100种以上的化合物，常用方剂的组成一般在十数味左右，且不同化合物含量悬殊，有的化合物活性成分还可能很低，足够的系统规模因此形成了复杂性，并带来分析和处理的困难。
   
    源于系统结构的复杂性。方剂、中药组成成分的多样性和差异性造成组分之间相互关系的多样性和差异性，涉及化学的原子、分子、分子聚集体等层次以及生命过程中的分子、细胞、器官、整体等复杂的层次，而等级层次是复杂性的主要根源之一，需要经过不同层次逐级整合才能最终形成系统整体。
   
    源于开放性的复杂性。开放于环境是系统复杂性的重要成因。中医学对人体、疾病以及药材的认识都置于环境的背景之下，注重从生命与环境的关系中提炼出整体的观念并应用于实践，环境因素已成为中医药学的有机构成成分，因此，形成了“异病同证”、“同病异证”、“异病同治”、“同病异治”等有别于现代医学体系的特色内涵。
   
    源于非线性的复杂性。相对于“结构决定功能”的观点，中医药学似乎更侧重于“关系决定功能”，即在重视各种因素作用的同时，更强调各因素在整体中的作用与联系。因此，中医药学的研究中更多是复杂的非线性现象。而元素之间、子系统之间的非线性相互作用，则是系统产生复杂性的重要内在机制。
   
    源于有限理性、非理性、不确定性的复杂性。在中医辨证过程中，会涉及到医生的经验、直觉、感悟等不完全理性(有限理性)因素的作用，以及对患者自我感觉、情绪、偏好、意志等非理性因素的观察与总结，因此，必然会带来难以精确描述的行为特征。
   
    李梢指出，中医药学这一复杂的大系统，需要放在一种全新的思维与方法中来研究的。同时，谈论中医药的复杂性不是目的，而是要建立起新的方法论和方法学。
   
    开启另一扇窗---生物信息学对中医药复杂性研究的意义
   
    生命科学、信息科学、计算机学、数学、物理学、医学、化学等学科的发展交叉孕育出了一门新的学科--- 生物信息学。生物信息学是以计算机为工具对生物信息进行储存、检索、分析、处理和综合利用的科学。李梢认为，将生物信息学的方法恰当地运用到中医药理论的研究当中，无异于换了一个更接近于本质的角度去透视中医药。
   
    生物信息学更适合中医药复杂性的研究
   
    “序列→结构→功能”的生物学观点曾是疾病机制研究的基础，即认为基因组本身包含蛋白质结构的所有必须信息。李梢认为，这种观点现在看来过于简单而且有过多还原论的色彩。由于生理-化学原理和生物学机制都不可避免地要涉及分子相互作用和反应的时空依赖性，当前从“相互作用→网络→功能”的模式出发，在转录组和蛋白质组层次研究基因调控网络、蛋白质相互作用网络的丰富信息已成为后基因组学、生物信息学的前沿和热点。同时，功能基因组研究也开始朝复杂系统的方向发展，这为复杂性疾病在大量已有数据资料的分析处理基础上，由局部朝向整体，由孤立朝向系统提供了可能。系统的观点适于阐发复杂疾病中遗传与环境的复杂关系，适于阐发复杂疾病中基因功能的特点，适于分析疾病基因型与表型之间的复杂关系。因此，以系统观为特点的生物信息学的研究策略与方法，有望突破单基因病分析方法在复杂疾病研究中的局限，并将在生物学和临床医学的诊断、治疗、药物开发等方面提供理论指导、设计与分析方法。
   
    李梢指出，利用生物信息学，可以建立一种特定的、可以检验的机制和方法，从而在中医方剂、证候等特色内涵与规律的发掘，以及在中医药学走向微观层次中起到强大的作用。
   
    把中医药的复杂性当作复杂性来处理
   
    目前单纯还原分析方法的研究，一方面致使以往复杂性疾病的研究难以迈进生命的“整体”与“系统”层次，另一方面也使这一思维下的中医药研究在证候整体内涵、方剂综合效应等特色内涵的研究上举足不前。李梢认为，复杂性研究需要简化，但简化路线的前提应是保留产生复杂性的根源，也就是说，把复杂性当作复杂性来处理，而不能把产生复杂性的因素当作非本质的东西排除掉。如果以系统、综合的观点，在分子水平和复杂系统理论的水平上去分析中医学证候、方剂的复杂体系，则会了解到，生物系统内部的调控机理是提取有关信息的关键步骤，而理解生物内分子网络的特性和调控方法，很可能有助于对中医理论的理解以及对中药作用机理的分析。
   
    在动态中把握中医药的复杂性
   
    在研究中李梢认为，对中医药复杂性的研究应在动态中去把握。因为在生物体这样一个具有深度负反馈的、高度稳定的系统中，任何因素的作用也都不是孤立和静止的。与化学药物相比，中药的生物活性相对缓和(“微效”)，成分较为复杂，且具有不同的组合形式(“多因”)。中药方剂可能是通过对复杂性疾病的功能基因网络的影响，在干预疾病 有关生物分子及相关基因表达、基因组合上发挥“多因微效”的整体调节作用。方剂的疗效、复杂性疾病及其证候的形成，则可能是在微小变动的基础上，系统“涌现”的结果。因此有必要在计算与实验相结合的基础上，运用系统学方法以及计算机仿真、系统建模等有关技术，综合探讨系统“涌现”的机制及相应的整体特性。
   
    中医药与复杂性疾病研究相辅相成
   
    复杂性疾病的特点往往是由多个中效、微效基因共同决定疾病的复杂性状，仅一个基因的改变对疾病的发生、发展以及对药物作用的影响不大，其中某一或某些基因位点仅对应于该疾病的某个亚型、某个症状或体征。中医药在治疗上注重功能调节，可以在调控疾病的相关(易感) 基因的表达及表达产物上发挥重要作用，如影响一些细胞因子、组织损 伤酶的比例、动态变化等。中药的这种作用具有多因微效基础上的突现特点，在一定意义上也符合复杂性疾病的形成特征及治疗趋势。因此，李梢认为，基于芯片技术和生物信息分析的中药有效分子组合筛选，以及中药化学信息学，中药基因组学等相关研究，对于复杂性疾病的药物设计及防治具有较大价值。同时，确有疗效、成分明确的中药，可望开启复杂疾病机理研究中“以药测病”的思路，成为研究疾病分子机制的探针，而分析用药后的生物分子变化，则可能从新的角度扩充疾病相关的分子调控网络。

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