系統(tǒng)生物學(xué)方法在中醫(yī)藥研究中的運(yùn)用

1、系統(tǒng)生物學(xué)方法在中醫(yī)藥研究中的運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)方法在中醫(yī)藥研究中的運(yùn)用【摘要】 系統(tǒng)生物學(xué)作為21世紀(jì)的一門新興科學(xué)，其研究方法和研究思路與傳統(tǒng)的中醫(yī)學(xué)有很多相似之處。運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)方法有助于揭示中醫(yī)證候的科學(xué)內(nèi)涵和開展中藥現(xiàn)代化研究。系統(tǒng)生物學(xué)的技術(shù)平臺(tái)為組學(xué)，其中蛋白質(zhì)組學(xué)為明確中醫(yī)證候的本質(zhì)和中藥復(fù)方的作用提供了實(shí)驗(yàn)方法；相對(duì)于基因組學(xué)以及蛋白質(zhì)組學(xué)等分子生物學(xué)手段來(lái)說(shuō)，代謝組學(xué)更加直接、快速和簡(jiǎn)便，特別是為中醫(yī)藥防治腎臟疾病的研究提供了有效的方法。 【關(guān)鍵詞】 系統(tǒng)生物學(xué); 證候; 中醫(yī)現(xiàn)代化; 蛋白質(zhì)組學(xué)abstract: systems biology is a new scienc

2、e 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 technologi

3、cal 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

4、 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世紀(jì)中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究面臨新的挑戰(zhàn)。隨著人類基因組計(jì)劃的完成和后基因組時(shí)代的到來(lái)，生命科學(xué)發(fā)生了本質(zhì)的飛躍，為中醫(yī)藥現(xiàn)代化發(fā)展提供了新的契機(jī)。

5、應(yīng)運(yùn)而生的系統(tǒng)生物學(xué)與中醫(yī)藥研究的思路和方法不謀而合，為復(fù)雜的中醫(yī)證候?qū)W說(shuō)和方藥體系研究帶來(lái)了希望。中醫(yī)中藥在我國(guó)已有二千多年的發(fā)展歷史，形成了一套系統(tǒng)的理論體系，積累了豐富的診療經(jīng)驗(yàn)，在廣大人民群眾中具有深刻影響。然而古老樸素的中醫(yī)學(xué)長(zhǎng)期以直觀方法作為認(rèn)識(shí)的主要手段，缺乏還原的分析方法，無(wú)法采集準(zhǔn)確、客觀且能夠反映中醫(yī)藥最本質(zhì)特點(diǎn)的定性定量指標(biāo)，是制約中醫(yī)藥發(fā)展和中醫(yī)中藥國(guó)際化的瓶頸問(wèn)題。 中醫(yī)學(xué)有兩大特點(diǎn)：一是整體觀，強(qiáng)調(diào)人與自然界之間的聯(lián)系，和人體作為一個(gè)有機(jī)整體，各臟腑器官之間在生理和病理狀態(tài)下相互關(guān)聯(lián)；二是辨證論治，由此產(chǎn)生“同病異治”和“異病同治”等思想。中醫(yī)學(xué)對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)注意到整

6、體和個(gè)別以及共性和個(gè)性的特點(diǎn)，從動(dòng)態(tài)的角度去考慮問(wèn)題，由此獲得良好的治療效果。然而，中醫(yī)學(xué)這些精華，目前還沒(méi)有用現(xiàn)代科學(xué)的語(yǔ)言加以詮釋，并不能被西方所接受。系統(tǒng)生物學(xué)的理想就是要得到一個(gè)盡可能接近真正生物系統(tǒng)的理論模型，這些模型不僅可以模擬生物系統(tǒng)的行為，而且可以用來(lái)預(yù)測(cè)該系統(tǒng)受到干擾后未來(lái)的行為1。系統(tǒng)生物學(xué)體現(xiàn)了一種整合的思想以及傳統(tǒng)生物學(xué)向“大生物學(xué)”過(guò)渡的一種趨勢(shì)，是研究從“組成”到“功能”的升華2。這與中醫(yī)學(xué)對(duì)人體生理病理的認(rèn)識(shí)和治療疾病的方法有“異曲同工”之處。系統(tǒng)生物學(xué)的誕生給中醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)了希望，將有助于揭示中醫(yī)學(xué)整體觀和辨證論治思想的科學(xué)內(nèi)涵。1 系統(tǒng)生物學(xué)將促進(jìn)中醫(yī)藥學(xué)的發(fā)

7、展 系統(tǒng)生物學(xué)（systems biology），又譯為“系統(tǒng)集成生物學(xué)”或“系統(tǒng)綜合生物學(xué)”，是近年來(lái)繼人類基因組計(jì)劃之后，科學(xué)界關(guān)注的又一個(gè)研究熱點(diǎn)。2003年9月，美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院開設(shè)了20年來(lái)該院第一個(gè)新系，關(guān)注的焦點(diǎn)就是系統(tǒng)生物學(xué)3。2005年6月，中國(guó)科技大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院合作成立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)基于理論科學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究的系統(tǒng)生物學(xué)系，將生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)整合起來(lái)融入醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。隨著功能基因組時(shí)代的到來(lái)，系統(tǒng)生物學(xué)已成為醫(yī)學(xué)研究的一個(gè)極其重要的工具4。它的技術(shù)平臺(tái)為組學(xué)，包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)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)等5。1 系統(tǒng)生物學(xué)有助于揭示中

8、醫(yī)證候的科學(xué)內(nèi)涵 目前中醫(yī)證候研究的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開辟一條新的途徑，這一途徑應(yīng)既能符合“實(shí)體結(jié)構(gòu)”原則，揭示證這一病理產(chǎn)物的物質(zhì)實(shí)體，又能遵循“功能模擬”原則，探索其外在和潛在的表現(xiàn)規(guī)律6。近年來(lái)系統(tǒng)生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，為我們從多學(xué)科、多視角進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中醫(yī)證的本質(zhì)提供了重要的方法學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。通過(guò)基因組學(xué)研究，建立不同證候類型的基因變異及基因表達(dá)差異譜和功能基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；再通過(guò)不同證候類型的差異蛋白質(zhì)組學(xué)和關(guān)鍵的功能蛋白質(zhì)的鑒定及定量研究，結(jié)合中醫(yī)理論，則有可能從多個(gè)層次闡明中醫(yī)辨證論治的科學(xué)內(nèi)涵，同時(shí)也可能發(fā)現(xiàn)與證候相對(duì)應(yīng)的特異性基因和功能蛋白標(biāo)志物，為臨床辨證

9、提供客觀依據(jù)。 例如，王米渠等7用基因芯片方法研究中醫(yī)寒證患者，發(fā)現(xiàn)寒證的基因表達(dá)譜有顯著差異，在59條差異表達(dá)基因中，絕大多數(shù)與代謝（能量代謝、蛋白質(zhì)代謝等）有關(guān)，說(shuō)明寒證患者的代謝網(wǎng)絡(luò)有別于常人，使寒證診斷客觀化、現(xiàn)代化成為可能。chen等8采用代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，腎陽(yáng)虛模型動(dòng)物的代謝網(wǎng)絡(luò)明顯偏離正常動(dòng)物，而用溫陽(yáng)中藥干預(yù)后，模型動(dòng)物的代謝譜回歸至正常范圍，呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)的結(jié)果。2 系統(tǒng)生物學(xué)有助于開展中藥現(xiàn)代化研究 中藥作為一個(gè)復(fù)合體系，多是配方使用，作用靶點(diǎn)多，涉及多個(gè)基因和細(xì)胞，從整體上調(diào)節(jié)人體的平衡和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。中藥既需要研究單味藥及復(fù)方中各化學(xué)成分的理化性質(zhì)及生物活性，又需要研究化

10、學(xué)成分間的反應(yīng)規(guī)律及對(duì)人體的影響。西方醫(yī)學(xué)對(duì)中藥復(fù)方的研究方法往往是采用解剖麻雀的方法拆方試驗(yàn)，最終找出作用明確的活性成分，這樣并不能反映中醫(yī)藥學(xué)君、臣、佐、使的配伍規(guī)律。因此，中藥要想繼續(xù)保持強(qiáng)大的生命力，既不能囿于“整體觀”而拒絕發(fā)展，也不能僅停留在提取、提純有效成分的水平上，而應(yīng)該以中醫(yī)藥理論為指導(dǎo)，借助現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的先進(jìn)研究方法，上升到對(duì)中藥系統(tǒng)性的研究，建立一個(gè)全新的與現(xiàn)代學(xué)科同質(zhì)的理論體系9。 系統(tǒng)生物學(xué)不同于以還原論為基礎(chǔ)的生物學(xué)，僅關(guān)心個(gè)別的基因或蛋白質(zhì)，抹煞各部分之間及部分與整體之間的作用和聯(lián)系；也不同于控制論，僅研究輸入與輸出，而是在以往分子生物學(xué)提供的大量基因、蛋白質(zhì)等系

11、統(tǒng)構(gòu)成信息的基礎(chǔ)上將單個(gè)生物分子放在整體中加以研究10，并以了解整體層次的功能為最終目的。系統(tǒng)生物學(xué)的方法學(xué)和相關(guān)技術(shù)有助于提高中藥復(fù)方研究的整體水平，揭示復(fù)方治病機(jī)制，從而為真正了解經(jīng)典復(fù)方中各藥配伍應(yīng)用的精髓提供可能的方法和可利用的技術(shù)平臺(tái)。近年來(lái)在生命科學(xué)領(lǐng)域快速發(fā)展起來(lái)一系列先進(jìn)技術(shù)與手段，如基因表達(dá)連續(xù)分析法、基因芯片、蛋白質(zhì)芯片與生物質(zhì)譜、雙向電泳、多維色譜/質(zhì)譜聯(lián)用、生物信息學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等，為現(xiàn)階段在系統(tǒng)生物學(xué)水平（基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等）上開展中藥研究提供了可行的操作平臺(tái)。2 蛋白質(zhì)組學(xué)為明確中醫(yī)證候的本質(zhì)和中藥復(fù)方的作用提供了實(shí)驗(yàn)方法 中醫(yī)證候有4個(gè)特點(diǎn)。（1）整

12、體性：主張?zhí)烊撕弦?，是?duì)多因素的整體綜合，追求陰陽(yáng)平衡與協(xié)調(diào)；（2）時(shí)空性：隨時(shí)間、狀態(tài)和環(huán)境等因素發(fā)生變化，是機(jī)體即時(shí)性功能狀態(tài)的反映，具有動(dòng)態(tài)的概念；（3）傳變性：相關(guān)證型間可以相互影響，并按照一定規(guī)律發(fā)生傳變，表明證候復(fù)雜的相互關(guān)系；（4）個(gè)體差異性：同病異證和異病同證體現(xiàn)了機(jī)體先天稟賦及功能狀態(tài)對(duì)各種環(huán)境和精神因素等的反應(yīng)性，是多樣性的基礎(chǔ)。中醫(yī)證候的這些特點(diǎn)可能牽扯到多種蛋白從含量到結(jié)構(gòu)和功能的變化，因此用以往的生物化學(xué)和分子生物學(xué)方法逐個(gè)尋找分析證候相關(guān)蛋白質(zhì)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也使系統(tǒng)地理解證候本質(zhì)成為空中樓閣。此外，中藥成分復(fù)雜，不管是單味藥還是復(fù)方，都是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)體系，藥物的各

13、個(gè)成分分別結(jié)合到自己的作用靶點(diǎn)發(fā)揮作用，使本來(lái)已經(jīng)非常復(fù)雜的藥理作用機(jī)制研究更加難以實(shí)施。運(yùn)用以往的生物化學(xué)和分子生物學(xué)方法逐個(gè)分析蛋白質(zhì)，無(wú)法從整體角度綜合全面地考慮問(wèn)題，因此無(wú)法解釋藥物與藥物之間以及藥物與多系統(tǒng)和多靶點(diǎn)間的相互作用機(jī)制。 蛋白質(zhì)組是指由一個(gè)基因組以及一種生物、組織或細(xì)胞表達(dá)的全部蛋白質(zhì)11，蛋白質(zhì)組學(xué)是對(duì)某一研究對(duì)象所有蛋白質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)地鑒定、定量及功能研究的科學(xué)。蛋白質(zhì)組學(xué)主要包括3個(gè)部分：表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)和功能蛋白質(zhì)組學(xué)1315。表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)是指特定的細(xì)胞、組織或生物所產(chǎn)生全部蛋白質(zhì)的鑒定。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)是指對(duì)上述全部蛋白質(zhì)精確三維結(jié)構(gòu)的測(cè)定。功能蛋白質(zhì)

14、組學(xué)的任務(wù)是闡明上述全部蛋白質(zhì)所形成的類似于電路的功能網(wǎng)絡(luò)。蛋白質(zhì)組學(xué)最大的特點(diǎn)是可以同時(shí)系統(tǒng)地分析大量蛋白質(zhì)，這恰恰是中醫(yī)藥研究最急需解決的問(wèn)題。我們可以利用功能蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)和策略，分析中醫(yī)證侯及經(jīng)單味藥或復(fù)方藥處理過(guò)的組織、細(xì)胞或體液表達(dá)的蛋白質(zhì)組，并比較治療前后蛋白質(zhì)組的表達(dá)差異、蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)及相互作用的變化，系統(tǒng)地對(duì)證候本質(zhì)和中藥的多環(huán)節(jié)、多靶點(diǎn)調(diào)整作用機(jī)制進(jìn)行研究，最終揭示證候的物質(zhì)基礎(chǔ)和中藥單方及復(fù)方的作用機(jī)制和配伍規(guī)律。3 代謝組學(xué)為中醫(yī)藥防治腎臟疾病的研究提供了有效的方法 代謝組學(xué)作為一門新興的技術(shù)，是通過(guò)考察生物體系受刺激或擾動(dòng)（某個(gè)特定的基因變異或環(huán)境變化）后，所有低分子量代謝產(chǎn)物隨時(shí)空變化的情況，來(lái)研究生物體系代謝途徑的一種方法16。代謝組學(xué)整體系統(tǒng)的研究策略與中醫(yī)藥理論思想不謀而合，是從事中醫(yī)藥復(fù)雜理論體系研究的理想手段。因?yàn)?，代謝組學(xué)研究的是反映機(jī)體狀況的分子集合與其功能之間的關(guān)系，所有影響機(jī)體健康的因素均可反映在代謝組中，基因、環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)、藥物（外源物）和時(shí)間（年齡）最終通過(guò)代謝組對(duì)表達(dá)施加影響，即代謝組學(xué)具有明顯的整體反應(yīng)性的特點(diǎn)。因此，我們認(rèn)為代謝組學(xué)作為后基因組時(shí)代新的研究方法，最適合于中醫(yī)中藥多靶點(diǎn)、多系統(tǒng)的整體研究，最有可能反映中醫(yī)證候“內(nèi)實(shí)外虛”的本質(zhì)特征。 在證候的研究上，引入