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系统生物学的特点范文1
【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); proteomics
21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］。
1.1 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著差异，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。
1.2 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［12］。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。
代谢组学研究中药复方对肾病的治疗作用有其独特的优点。代谢组学的研究对象主要是各种生物体液，如尿液和血液等［18］。肾脏作为一个水液代谢器官，主要具有滤过、调节和稀释浓缩功能。对生物体液的研究，最有可能反映肾脏的生理病理特点。由于肾脏在人体代谢过程中的重要地位，肾脏疾病的代谢改变常常是很明显的［19］。系统地研究肾脏疾病发病过程中代谢物的变化，从中找出有代表性的标记物，通过代谢途径追溯更深层次的病理生理改变，将有助于更好地认识疾病，达到早期诊断和治疗的目的。相对于传统的诊断手法来说，代谢物的微小改变能够更加敏感地反映疾病的早期改变，而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。因此，我们相信代谢组学将有助于阐明“病、症、证”结构系统的内部结构，理解其内涵；为规范证的诊断标准，探索证候的动态内涵和演变规律以及揭示证与疾病疗效的相关性提供科学依据。
4 总结
系统生物学是生命科学中的一个新兴领域，代表21世纪生物医学的未来，在医药方面的应用具有无限的潜力，将对基础医学、临床研究及药物研发等产生重要影响。中医药的研究若能与系统生物学相结合，将有可能从系统的角度诠释中医证候学的本质及中医药多靶点、平衡调理和标本兼治的治病机制和分子机制，为中医药的研究提供新的思路。
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系统生物学的特点范文2
[关键词]组分结构中药；生物信息学；复杂体系
中药复方具有整体性和系统性的特征，通过君臣佐使的有机组合，协同发生功能上的改变，这种改变并非中药作用简单的线性相加，而是“整体大于部分之合”的结果。基于中医药整体观，本课题组提出了方药物质基础“组分结构理论”假说：中药及复方物质基础是多成分构成的，理化性质和药理活性相似的成分按照一定的比例构成了“组分”，组分与组分之间，组分内部成分与成分之间的这种量的比例也是一种“结构”[1]。中药与机体均是复杂体系，各组分/成分的药效活性和靶向性有所区别，又相互影响、相互作用，使得中药药效物质基础组分结构的研究就更加复杂。生物信息学（bioinformatics）综合运用数学、计算机科学和系统生物学等技术方法，从中药研究、复杂疾病治疗等生命科学的海量数据中，挖掘、发现、阐述其中所包含生物学意义[2]。本文拟从生物信息学的角度，综述组分中药与药效的关系、中药组分结构优化和组分中药多成分、多途径、多靶点的综合作用相关方面的研究思路与方法。
1生物信息学思路与方法是推动中药研究的新动力
生物信息学思路与方法为中药研究注入了新的动力。系统生物学、网络药理学等研究策略，基因组学、蛋白质组学、代谢组学、转录组学[3]等组学技术以及相关数据挖掘方法推动了中医药基本理论、中药资源以及成分鉴定、中药（复方）机制等多方面的发展。
系统生物学与网络药理学的结合是揭示中医药理论的物质基础以及单味药复杂作用本质的新策略。LiuJ等[4]基于系统生物学原理，采用数学建模和人工智能技术，结合网络药理学方法，建立补气补血分子预测模型，气血分子识别公式，揭示了气血的物质基础，阐明了人参等补气中药、当归等补血中药的分子基础和作用机制。同时对中药的补气补血理论研究提供了新方法。LiuH等[5]根据靶标与疾病相关关系，利用网络药理学研究方法，从系统水平阐明甘草治疗心血管、呼吸系统、胃肠道、肾脏疾病和恶性肿瘤的分子机制，也阐明了“除百毒调诸药”的本质和被称为“国老”的传统经验。
组学技术广泛应用于中药资源、药用植物分子鉴定[6]。陈士林等[7]提出针对具有重大经济价值和典型次生代谢途径的药用植物进行的全基因组测序和后基因组学研究的本草基因组计划，促进各种“组学”研究方法在药用植物研究领域中的应用，推动中国传统药学进入生命科学研究前沿领域。近年来，基于DNA分子标记的鉴定方法在单味中药材基源鉴别和真伪鉴别的研究中已日臻成熟。SunC等[8]结合了Real-timePCR实验和甲基茉莉酸诱导实验研究西洋参P.quinquefolius的转录组，确定了5个可能参与人参皂苷合成的候选基因，包括4个UDP-糖基和一个细胞色素P450转移酶基因。朱英杰等[9]对紫芝NRPS，PKS和TPS基因簇进行挖掘，还构建了药用植物基因组数据库和中药材DNA条形码网络鉴定系统，为数据的有效利用提供平台，促进中药现代化和全球化进程。
中药药性归经基本理论、中药复方作用机制研究依赖生物信息学的推动。胡亚楠等[10]运用决策树中C4.5算法方法，基于39个药理作用建立了20个药性预测模型，其中四气（寒，凉，平，温，热）建立一个模型，五味归经分别建立模型，所建立的模型用直观决策树图表示。并使用药性模型将中药复方血必净为例预测其药性，对其清热解毒功效给出药性理论方面的合理说明。利用决策树算法建立基于药理作用的中药药性理论中四气、五味、归经的预测模型，为组分中药的药性研究提供了一种新的思路与方法，对中药药性理论可描述的中药载体范围的扩大有重要的意义。Yang等[11]利用蛋白质组学技术考察了四物汤对于血虚证患者血清蛋白表达谱的影响，结果发现四物汤可能通过增加血红蛋白、提高免疫、减轻基因损伤等途径治疗血虚证。Wang等[12]运用UPLC-ESI-MS技术通过对大鼠尿液进行代谢组学分析，考察了茵陈汤对酒精肝的治疗作用，并成功地检测到与酒精肝毒性相关的3个潜在的生物标志物：TG，GSH和MDA。结果表明，使用茵陈汤对肝损伤大鼠进行干预治疗可以使大鼠体内上述3种标志物的水平趋于正常。
由此可见，生物信息学的研究内容和技术手段以及相关数据挖掘方法推动中药的各方面发展，结合生物信息学进一步研究中药的信息化、数字化是中药发展的必由之路。中药研究及生物信息学领域的科学家在中药信息化建设方面构建了大量中药数据库[13-14]，但大多只是对中药信息的收集和罗列，不能代表中药整体性的作用特点，缺乏中医理论指导。组分结构中药和生物信息学研究技术方法结合可以解决这方面的不足。“组分结构中药”认为中药是在继承中医药整体性和系统性的基础上和“组分结构”理论的指导下，明确组分内/组分间量比关系，能清晰揭示其药效作用机制的物质基础整体。二者相结合对中药知识的整合发现、趋势走向信息的预测甚至是组分中药数据库的构建有重要参考意义。
2生物信息学为解析组分中药与药效相互关系提供有效的数学工具
中药（复方）物质基础与药效研究要体现中药整体效应的特点，组分结构中药是基于复方研究提出的一个有序整体，具有中药整体性和系统性的特征。神经网络、灰色关联度等机器学习技术；聚类分析、主成分分析等统计方法在对中药药效之间的相关性分析方面的分析已有成功探索，结合组分中药可以继承并发扬中药（复方）物质基础的整体性、系统性理念，为科学的揭示作用机制奠定基础。
神经网络属于数据挖掘中机器学习的重要内容，不论在单味中药还是复方的物质基础与药效关系研究中均有所发展。侯恩广等[15]根据大量实验数据，针对黄芩运用BP神经网络进行回归和分类，建立了两味中药谱效结合评价系统，并进行参数训练。测试结果显示了模型的可靠性，其误差均在理想的范围之内，是中药药效评价的有效尝试。陈超等[16]采用正交设计法以加味生化汤的6个组分进行对抗雌激素的子宫增重实验，以药物对抗雌激素的子宫增重作用指数作为目标，建立基于RBF人工神经网络的药效模型，发现模型的预测值与实测值相关性较好。神经网络可以同时处理定量和定性知识，具有自适应性、容错性、非线性等特点，运用神经网络建立相应的复杂非线性药效模型，可以有效地解决中药与药效的非线性相关关系问题。
灰色关联分析是一种模式识别方法。根据灰关联矩阵，利用其优势分析原则，判断中药复杂成分与药效关系的紧密程度，可以得出各成分对药效影响的顺序，最终确定出各成分药效贡献度[17]。陈跃飞等[18]计算出该方各味药物对心肌收缩力的影响因子，利用灰色关联度来研究葶苈大枣桑白皮汤组方，并对复方中各药的药效贡献度进行分析。按照基本步骤与公式计算出苦葶苈、桑白皮、大枣对心肌收缩力的影响的两两灰关联度依次为r01=0.609，r02=0.573，r03=0.551，因素间的灰关联度为|r01|>|r02|>|r03|。得出苦葶苈对心肌收缩力的影响最大，其次为桑白皮和大枣。朱诗塔等[19]采用灰色关联度分析方法研究掌叶大黄不同炮制品水提取物的指纹图谱与其止血作用的谱效关系，确定了对止血作用贡献较大的色谱峰，从中药多成分、多组分的角度，为中药“谱效关联”的质控模式提供理论依据。相对于神经网络以及相似度等常用的数据挖掘方法，灰色关联分析对数据要求较低，计算量也较低；分析者可根据“最大匹配度”原则获取识别结果，在中药与药效关系的应用中具有很大的指导意义。
神经网络与灰色关联度相结合可以更好的将药效与中药多组分进行非线性、多变量相关性分析。许雯雯等[20]采用拉丁超立方法对气滞胃痛颗粒中6味药材随机采样成不同比例组，将药效信息与各组HPLC指纹图谱化学信息用灰色关联度分析得出各色谱峰对抗炎活性的影响程度，再用BP神经网络进行拟合，建立谱效关系。较好的拟合复方中复杂的非线性关系，是中药（复方）药效关系和寻找药效物质基础的有效途径。
聚类分析（clusteranalysis）是数据挖掘的一种统计分析方法，也称为群分析，以药效为指标，可以研究中药的不同品种、不同产地分类问题，是组分结构中药产地质量与药效关系的可靠分析方法。其具体实现算法又分为K-means算法、K-medoids算法、Clara算法等。封亮等[21]通过指纹图谱技术，获得化学成分信息，利用类间平均距离的聚类分析方法，为夏枯草属药材品种、产地药效筛选提供依据。除此之外，聚类分析与主成分分析的结合能进一步确定组分结构中药中的单体层面，为药效质量评价奠定基础。孙雪飞等[22]通过聚类分析、主成分分析将不同产地的余甘子药材和鞣质部位分别聚为3类。其中，聚类分析得到说明福建，广西，印度，云南产余甘子药材质量最好，与相似度计算得到的样品之间的相关性结果一致。主成分分析确定粘酸-2-O-没食子酸酯，柯里拉京等成分是为余甘子的主要指标成分。为余甘子药材质量评价和合理应用提供依据。聚类分析首先数据进行聚类，然后将聚类结果与药效指标进行对比分析，进而用以挖掘可能的药效活性成分。然而聚类分析不能评价各数据与药效指标的相关性大小和方向，也无法体现各色谱峰对应成分对药效的综合作用[23]。
生物信息学的数据挖掘方法在中药中的应用并未成熟，适用性及利弊还处于探索阶段。中药的临床应用具有整体性和系统性特点，其物质基础是由众多化学成分即多组分/成分构成。运用不同的生物信息学数据处理方法，将“组分结构理论”与药效关系研究相结合，不仅推动了组分结构中药与药效关系的发展，也为创新发展中医药物质基础研究提供了新视角。
3生物信息学方法为优化中药组分结构提供新技术手段
组分结构中药是由多组分/成分构成，特点在于这种构成不是简单的化合物堆积，而是结构和性质类似的最基本单元成分之间按照一定组成结构比构成亚组分以及组分。因此，组分内/组分间量比关系是发展组分结构中药必须解决的基础性问题。目前，组分结构中药结构优化方法主要有基线等比、均匀设计、偏最小二乘（PLSR）等分析设计方法。生物信息学技术手段可以在原有方法基础上推动组分中药结构优化和药理指标改进。
基线等比最初是作为小复方优选的方法[24]，优点是信息处理的空间大，不仅可以使用传统的假设检验，一些生物信息学分析方法（如聚类分析、模糊综合评判等）也可使用，是组分中药结构优化最常用且比较成熟的方法。顾俊菲等[25]采用基线等比增减法，设计赤芍总苷、川芎总酚酸组分不同组分组成结构对人脐静脉内皮细胞（HU-VEC）缺氧损伤模型的保护作用，结果显示赤芍总苷、川芎总酚酸组分组成结构比例为8∶2时，对缺氧损伤的内皮细胞保护作用最好。赵海平等[26]采用基线等比设计方法研究红管药总皂苷与总黄酮止咳效果的最优配比。结果显示在红管药总皂苷、总黄酮部位总量恒定的情况下，2类组分不同配比的祛痰作用具有总皂苷比例依赖性；而止咳作用却不完全取决于总黄酮的比例变化，可能两者在1∶1，1∶2时还存在协同增效的配伍关系。
均匀实验均匀设计（uniformdesign，UD）适用于多因素多水平实验研究，设计方法不会受因素数、因素水平的限制，在实验设计过程中仅考虑实验点的“均匀分散”性，实验次数可明显减少[27]。陈倩等[28]运用均匀设计法确定小半夏加茯苓汤的效用组分用量的优化配比，组方体现了一定的肿瘤抑制及免疫调节作用，便于对该方诱导肿瘤细胞凋亡的机制进行深入研究，有望用于肿瘤放化疗的辅助及预后治疗。杨鸿等[29]按照均匀试验设计-药效试验-数学建模（模型验证）-综合药效评价程序，进行甘草总黄酮、银杏叶提取物、羊藿总黄酮和黄芪总苷4个中药组分不同配伍剂量体外清除DPPH和多环芳烃的研究，得到中药组分配伍最佳剂量组合为甘草总黄酮-银杏叶提取物-羊藿总黄酮-黄芪总苷。且比例为1∶0.2545∶0.0076∶0.0115。
偏最小二乘（PLSR）是一种多元统计数据处理方法。中药属于复杂体系，复方配伍间各单味药、各组分存在多重相关[30]。偏最小二乘可实现回归建模、利用主成分分析简化数据结构及2组变量间相关分析，对于存在多重相关、模型样本少于自变量的情况较普通回归有明显优势[31]。实现了中药组效关系与药效相关主成分的拟合以及数学模型对药效结果的预测，可以根据预测得到组分的最佳配比。蒋海强等[32]钩藤总碱和莱菔子总碱有效组分的降血压效应为研究对象，以收缩压为指标，对数据进行极差分析、方差分析、多元回归分析和偏最小二乘回归分析，从组分配伍和药效结合层次说明钩藤总碱和莱菔子总碱的化学成分存在交互作用，明确了钩藤总碱和莱菔子总碱组分配伍的合理性，从而提出PLSR分析适用于中药从饮片层次配伍过渡到组分层次配伍的剂量配比优选。
将以上较为成熟的组分中药结构优化实验设计方法结合生物信息学的研究技术、数据挖掘手段，使组分中药结构优化研究更为全面。均匀设计与高通量筛选（uniformdesign-highthroughputscreeningUD-HTS）技术相结合，在中药配比研究中已经初步显示出其优势[33]。金灿等[34]通过均匀设计-高通量筛选（UD-HTS）技术，对丹参多种有效单体成分进行多因素多水平配伍组合样品抗氧化及海马神经细胞保护作用的筛选，得到A13，PA2个抗氧化及海马神经细胞保护作用最佳配伍组合样品，为多因素多水平配比的大规模药物筛选提供借鉴。宋志斌等[35]选取人参皂苷Re，Rb1，Rg1，Rg3和三七皂苷R1等5种皂苷单体6个水平进行均匀设计配伍组合，通过神经细胞血清剥夺损伤模型进行药效高通量筛选，得到的最佳组合样品，再通过小鼠脑缺血再灌注损伤模型相关酶测定，进行药效学评价。结果表明高通量筛选出的5种皂苷3个最佳配伍组合样品对脑缺血再灌注损伤具有保护作用，均匀设计-高通量筛选适用于中药及其复方有效成分大规模药效筛选。除此之外，传统方法结合机器学习进行数学建模也推动了组分结构优化的研究。李晓杰等[36]对大黄有效成分治疗缺血性脑中风的实验数据进行中药组方量效关系的多目标优化研究。采用均匀设计给药配比作为输入向量，药理指标的组内均值作为输出向量，分别使用RBF人工神经网络、支持向量机等方法建立有监督型灰度模型，比较了权重系数法、分式规划法以及改进的一些算法的优化效果，获得了可以权衡考虑各药理指标的全局优化的组方配伍，为中药组方研究及其现代化开发提供了方法学参考。王秀峰等[37]将中药碧血胶囊的4个成分按四因素六水平的均匀设计，对异丙肾上腺素诱导大鼠心肌细胞损伤模型进行了实验干预，通过灰色关联分析其成分配伍方的主次关系，优化了中药碧血胶囊成分配伍的组方。由此可见，生物信息学方法结合成熟的实验设计方法能够为中药复方研究中组方配伍的理论解析提供研究手段，同时也为组分中药结构优化提供新思路。
4生物信息学有助于阐明组分中药多成分、多途径、多靶点的综合作用
随着人们对复杂生物体与药物相互作用的深入认识，系统生物学的相关内容成为生物信息学研究发展的主要推动力。组分中药与生物体均是复杂体系，组分中药与机体的相互作用也具有系统性、整体性、网络性的特点。越来越多证据表明，组分中药通过多成分、多途径、多靶点的综合作用实现改善或恢复生物网络平衡的整体效应[38]。采用生物信息学这一双“解读生命天书的慧眼”来阐述这些问题是一个崭新的视角。
系统生物学作为生物信息学的主要研究对象，其“整体、层次、整合、动态”的特点则更能契合中医药整体性、复杂性[39]。自从“多成分，多途径，多靶点”的药物研究模式诞生以来，基于“疾病-基因-靶点-药物”的网络药理学应运而生[40]。系统生物学、网络药理学不可分割、相互融合，不断深化人们对生物体和药物相互作用的理解[41]。中药多种成分组合配伍所产生的药效是多指标的，利用系统生物学的研究模式构建药理作用网络，比如利用DrugBank数据库[42]，HIT（HerbalIngredients′TargetsDatabase）[43]，药物-靶点库（drug-targetnetwork）[44]，人类疾病库[45]等资源可以揭示中药复方或者组分之间配伍产生的生物活性及其复杂的分子机制。FangH等[46]在研究黄连解毒汤的抗类风湿机制时，通过搜索HIT，DrugBank数据库获得靶标信息，同时提取了FDA批准的对应西药32种，以及它们对应的相关靶标的信息作为黄连解毒汤的对照组。结果发现黄连解毒汤有5个靶蛋白与3类西药的靶蛋白一致，一定程度上解释了该复方的抗类风湿作用。YaoY等[47]利用系统网络药理学的方法以麻黄汤为例，构建药物-靶点-疾病网络模型，从分子水平证实麻黄、桂枝、杏仁、甘草这4味中药在复方中的角色地位，系统的阐明了君臣佐使丰富的科学内涵，对中药复方配伍机理的系统深入研究具有重要意义。吕燕妮等[48]采用系统生物学方法模拟丹参和红花的配伍机制，挖掘丹参、红花各自作用的蛋白，分别构建蛋白相互作用网络，结果显示丹参和红花配伍可能主要在RNA代谢，NF-κB级联反应以及细胞增殖、迁移和自噬等生物学途径上协同发挥防治疾病的作用。
随着组学技术的逐渐成熟，组学技术越来越成为发展系统生物学的关键[49]。利用组学技术对成分复杂的中药复方研究逐渐被认可，也取得一定成果，这给多成分、多组分配伍的中药作用机制研究带来希望[50]。陈竺、陈赛娟院士领导的团队采用蛋白质组学研究手段，较完美地诠释了中药复方黄黛片“君臣佐使”配伍规律，并在一定程度上揭示了其治疗急性早幼粒细胞性白血病多靶点协同作用的机制[51]。马增春等[52]通过前期研究发现了与四物汤补血密切相关的基因构成四物汤补血的信号分子组合。其主要物质基础为多糖、芍药苷、阿魏酸、川芎嗪等，进而应用基因组学技术设计和制备鼠造血相关基因表达谱分析寡核昔酸芯片，并在细胞和整体水平上分析了四物汤可能是通过调节细胞因子，提升正向造血调控因子和免疫因子表达，抑制负向调控因子表达，促进造血调控相关的信号转导因子分泌，影响整个造血调控网络而实现补血、造血作用。向丽等[53]采用代谢组学方法，结合先进的液质联用（LC-Q-TOF/MS）分析技术，系统研究麝香保心丸及其组分配伍对急性心肌梗死（acutemyocardialinfraction，AMI）大鼠长期治疗和预保护作用的机制及多成分协同作用特点；通过代谢组学方法共鉴定了28个相关生物标志物，发现AMI的主要发病机制与色氨酸代谢通路和嘧啶代谢通路的异常相关，并从偏最小二乘判别分析（PLS-DA）的得分图和对生物标志物的逆转个数及程度可以得出组分协同增效的优势。
从系统生物学研究的整体性特征来看，疾病的发生发展是多重因子参与的系统网络失衡的结果。传统中医药的防病治病原则也是从整体生物系统的角度系统调控这种失衡紊乱，将其调至正常水平或范围。组分结构中药继承了中医药整体性和系统性特点，在系统生物学背景下结合网络模型、组学技术来研究组分结构中药的多成分、多靶点的作用，能从宏观、微观的不同角度帮助我们从本质上了解中药的整体、辨证、协调的用药观点，揭示多组分结构中药调控疾病生物网络的机制，对创新发展组分结构中药起着积极的推动作用。
5结论与展望
组分结构中药继承中医药整体性和系统性的特点，具有层次、结构的独特优势，再结合生物信息学的研究内容和相关数据挖掘技术方法，丰富发展了组分结构中药和药效关系的深入解析、配伍配比结构的优化、组分结构中药作用机制等方面，给组分结构中药的数字化、信息化和中医药现代化提供新的契机和希望。随着生物信息学的研究深入，有很多新的技术方法不断更新，复杂的公式和软件的选择应用、跨学科和专业的学习对于中医药的研究人员在借鉴新方法和研究成果方面是一个很大的挑战。除此之外，组分结构中药数据库的建立更有助于生物信息学技术的高效应用，这还需要中医药科研人员的不断努力和相关技术人员的合作。有理由相信，组分结构中药结合生物信息学知识会给中医药研究带来一个新的突破口，会更好的传承、发展和创新中医药研究，使中医药的应用更加科学、标准，推动现代化和国际化进程。
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系统生物学的特点范文3
1 严重脓毒症免疫反应的复杂性和非线性
严重脓毒症免疫调节治疗的成功依赖于对脓毒症发病机理的正确理解和免疫状态的正确评估。传统观念认为，严重脓毒症是由炎症/抗炎症介质介导的一种失控的、持久性炎症反应。但随着临床上大量抗炎治疗脓毒症的失败和基础研究的进展，使人们逐渐认识到，在脓毒症的发病过程中，并非总是处于一成不变的炎症激活状态 （SIRS）。机体在炎症反应启动的同时，会生成大量的抗炎症介质抵消过度增强的炎症反应，如果抗炎症反应的过度增强即代偿性抗炎症反应综合征 （CARS），则处于免疫麻痹状态，主要表现为淋巴细胞增殖能力下降和凋亡。更为复杂的是有些脓毒症患者或脓毒症的某一阶段机体表现为SIRS和CARS并存，即混合抗炎症反应综合征 （MARS）[5-6]。1996年美国学者Bone[7]指出脓毒症患者的免疫功能状态呈现出动态性变化，即病程早期因促炎症反应占优势，因此呈现过度的炎症反应即免疫亢进；在病程中、后期则转化为抗炎症机制占优势而导致免疫麻痹。但有研究发现大部分严重脓毒症患者免疫反应变化没有明显的时效性。2007年Osuchowski等[8]研究发现大部分晚期脓毒症死亡大鼠炎症介质IL-6和TNF-α 的浓度明显升高，仅少部分大鼠炎症介质的浓度降低。也有研究发现即使严重脓毒症早期机体也不一定表现为SIRS，部分患者表现为MARS状态。临床上脓毒症患者的病情变化复杂，各种创伤性操作均可能影响患者的免疫反应。因此，如果没有监测和评估患者的免疫状态而进行免疫抑制或免疫增强治疗，很难改善患者的免疫功能紊乱。
2 严重脓毒症患者免疫反应的易质性
严重脓毒症患者免疫状态的复杂性与免疫反应的易质性相关。研究发现免疫反应的程度与年龄、伴随疾病、营养状态、致病病原体的种类、感染部位及遗传背景密切相关。老年或营养不良以及伴有慢性心、肺、肝脏和肾脏功能衰竭的脓毒症患者，机体的免疫功能下降，炎症介质生成减少，长期处于免疫麻痹状态[3]。有研究发现G+细菌感染的患者与G-细菌感染患者相比，外周血中CD4+、CD8+ 、NK细胞和T淋巴细胞数量明显减少，并且免疫功能的恢复也较慢。也有研究发现，患者免疫损伤与感染部位有关，肺部感染导致的严重脓毒症患者与腹部感染相比，外周血中CD4+、CD8+、NK细胞和B淋巴细胞明显减少[9]。近年来发现在感染性疾病发病的高危因素中基因变异具有重要的作用。基因变异在人群中普遍存在，位于基因功能区域的变异能够影响mRNA的表达和稳定。国内外学者相继发现一些编码炎症/抗炎症介质如IL-10、DEFB1、IL-1、TNF-α 和TOLLIP等基因的变异与严重脓毒症的易感性相关[10-12]。这些基因变异通过影响炎症介质的表达和生成，从而导致机体的免疫反应不同。
3 严重脓毒症免疫状态的监测和评估
脓毒症免疫调节治疗的关键在于正确监测和评估患者的免疫状态。近年来，脓毒症患者免疫状态的监测和评估成为研究的热点，也取得了一定的进展。
3.1 免疫状态监测和评估的传统方法
早期研究发现，脓毒症患者血清中炎症/抗炎症介质的浓度与患者的病情程度和预后相关。如果炎症介质如TNF-α 、IL-1、IL-6、IL-8、MIF、MCP-1和HMGB1等明显升高，则机体处于SIRS状态；如果抗炎症介质如IL-10、IL-4和IL-1Ra浓度明显升高，则诊断为CARS状态；如果炎症和抗炎症介质均明显升高则处于MARS状态[13]。Yang等[14]发现，CD4+、CD8+、NK细胞和B淋巴细胞数量及炎症细胞表面HLA-DR的表达与患者的免疫状态密切相关。但脓毒症时炎症介质的合成和释放具有明显的时效性，而且有数百种炎症/抗炎症介质或细胞因子参与了免疫发应[15]。因此，单独或静态分析某个炎症介质/因子的变化不能正确地评价严重感染患者的免疫状态。
3.2 运用系统生物学的理论监测和评估患者的免疫状态
随着基因组和蛋白组学技术平台的发展和完善，研究发现约数百种细胞因子/蛋白参与了严重脓毒症患者免疫反应的不同阶段，且它们表现为网络化、交互式、具有明显时效性的非线性模式[15-17]。进一步认识和整合这些细胞因子/蛋白，深入研究其功能以及与免疫状态的相关性，是正确监测和评估严重脓毒症患者免疫状态的关键。系统生物学的理论和技术可为我们提供新的策略。
系统生物学借助基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等平台，在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为[18]。有学者运用系统生物学理论，借助计算生物学方法，构建了两种用于脓毒症免疫状态评估和免疫反应监测的数学模型即基于Agent的模型 （agent-based modeling， ABM）和基于方程式的模型 （equation-based modeling， EBM）[19-21]。这些模型已经在创伤、休克和脓毒症中得到了进一步的验证，并且用于临床实验的设计和指导[22]。但所有的数学模型都存在着一定的缺点，距离运用到临床还有很长的路要走，尚需要不断地完善。
4 严重脓毒症免疫调节治疗的新策略：个体化治疗的探索
随着严重脓毒症患者免疫状态评估生物标志物的发现和不断完善，准确地进行免疫状态的评估，进行个体化的免疫调节治疗，将有可能改善脓毒症患者的预后。已有脓毒症免疫调节治疗个体化的研究报道。2009年，Meisel等[23]采用以mHLA-DR生物标志物为指导，对严重脓毒症患者进行GM-CSF免疫增强治疗取得了成功。研究者对严重脓毒症合并免疫麻痹状态的患者（mHLA-DR
总之，严重脓毒症的免疫反应是复杂的、非线性的，要利用总体、综合的理念即从系统生物学角度认识患者的免疫紊乱过程和特点；借助生物信息学和计算生物学的技术平台，进行精确地、动态地评估患者的免疫状态。在此基础上，根据患者的免疫状态进行个体化的调节治疗；然后再不断地评估治疗后的反应，给予最恰当的剂量和疗程。只有严格遵循危重病医学“评估-治疗-再评估和再治疗”和个体化的原则，才能改善严重脓毒症患者的预后。
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（收稿日期：2013-02-08）
DOI：10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2013.04.001
基金项目：国家自然科学基金 （81171837，81000023）
作者单位：200032 上海，复旦大学附属中山医院急诊科
系统生物学的特点范文4
【关键词】中西医结合;肾疾病;研究思路;方法
Abstract:Chronickidneydisease(CKD)isaglobalpublichealthproblemwithahighmortalityandcasefatality,andmultipliestheriskforcomplicationsofcardiovasculardiseaseandhugemedicalcosts.IntegratedtraditionalChineseandWesternmedicineiseffectiveinpreventingandtreatingCKDwithlessadverse,howevertherearealotofquestionsthatwedon''''tknowwell.StrategiesandapproachesoftheintegratedtraditionalChineseandWesternmedicineinpreventingandtreatingCKDare:(1)enhancethestudyofoptimizedschemeforsingleentity;(2)acceleratethestepofnewdrugexploitation;(3)augmentthestudyofactionmechanismoftraditionalChinesemedicineintreatingCKD;(4)strengthenthestudyofthemechanismofChinesecrudedrugwhichispoisonoustokidneyanditspreventionandcure;(5)utilizethesystemsbiologytostudytheessenceofkidney;(6)establishaguidelineforintegratedtraditionalChineseandWesternmedicineinpreventionandtreatmentofCKD;(7)preachupthegeneralknowledgeofCKD,payattentiontomassscreeningandearlypreventionofCKD.ItisexpectedtoimprovediagnosisandtreatmentofCKDwithintegratedtraditionalChineseandWesternmedicinebycarryingoutthesestrategiesandmethodsmentionedabove.
Keywords:integratedtraditionalChineseandWesternmedicine;kidneydiseases;researchdesign;methods
1慢性肾脏病的危害
美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth,NIH）的统计表明，慢性肾脏病（chronickidneydisease,CKD）占美国医疗人群的7%，却占医疗预算费用总额的24%；终末期肾脏病（endstagerenaldisease,ESRD）每人每年需要透析的费用为65000美元，预计2010年美国用于ESRD的费用将高达290亿美元［1］。目前我国尚无准确的CKD流行病学数据。据2005年北京市石景山地区40岁以上常住居民CKD的流行病学调查显示，CKD患病率为9.4%［2］。据此推算，我国CKD病人将超过1亿，ESRD病人超过300万。由于经济条件的限制，300万ESRD病人中仅有6万人接受肾脏替代治疗。据国家劳动和社会保障部医疗保险司统计，替代治疗每人每年费用10万～13万元人民币，仅这6万接受肾脏替代治疗的ESRD病人每年的医疗费用就高达60亿～78亿元人民币，若ESRD患者全部接受替代治疗，医疗费用将高达3000亿～3900亿元人民币。CKD患者血肌酐（serumcreatinine,SCr）超过150μmol/L时，死于心血管并发症者是普通人群的15倍，尿毒症患者死于心血管并发症是普通人群的35倍。ESRD给社会和家庭造成沉重的经济负担，给患者本人造成终身遗憾。虽然ESRD目前无法治愈，但CKD还未进展到ESRD时，运用中西医结合的方法去积极干预，具有十分重要的意义。
2中西医结合治疗CKD的优势与不足
中西医结合是中国特有的传统医学与西方医学自然渗透的产物，存在于我国中医院及相当一部分西医院的医疗实践中。许多肾脏病专家都在积极探索肾脏病治疗的中西医结合之路，如著名的肾脏病专家黎磊石院士开发研究中药提取物雷公藤多苷，为临床肾脏病的治疗提供有效的药物；陈香美院士获国家“十五”科技攻关项目“免疫球蛋白A（immunoglobulinA,IgA）型肾病中医证治规律研究”，为IgA型肾病的中医证治规律提供科学证据。他们是肾脏病领域中西医结合的典范。中西医结合在肾脏病领域有明显的优势并取得一定成绩，但也存在一些问题和困惑。
2.1中西医结合治疗CKD的优势
2.1.1提高临床疗效，减少副反应著名中西医结合肾脏病专家叶任高教授指出：“中西医结合要源于中医，而高于中医；源于西医，而高于西医。”这才是中西医结合的目标，也是中西医结合的优势所在。如难治性肾病综合征在使用泼尼松、细胞毒剂、血管紧张素转化酶抑制剂（angiotensionconvertingenzymeinhibitors,ACEI）、血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂（angiotensionⅡreceptorblocker,ARB）等治疗的同时，再结合雷公藤多苷、火把花根片或中药汤剂等中西医结合疗法，其疗效较单纯中医或西医疗法显著提高。中药还可明显减轻大剂量激素引起的医源性柯兴氏综合征副反应，减轻环磷酰胺（cyclophosphamide,CTX）引起的消化道反应及骨髓和性腺功能的抑制［3］。
2.1.2中西医结合一体化治疗中医、西医对疾病不同阶段的治疗，各有优势和劣势，中西医结合能取长补短，使病人得到一体化的治疗。如，IgA型肾病表现为单纯性血尿时，西医无特异性疗法，中医汤剂加火把花根或雷公藤多苷有比较好的疗效；在表现为中等蛋白尿和血尿时，以小剂量激素、ACEI加中药汤剂或雷公藤多苷有比较好的疗效；在大量蛋白尿时，则以大剂量激素、ACEI加中药汤剂、雷公藤多苷或火把花根治疗；出现细胞性新月体时，则以大剂量激素冲击治疗；出现慢性肾衰竭（chronicrenalfailure,CRF）1、2期时，以中药汤剂口服、中药保留灌肠及中药熏洗，同时配合减轻肾脏“高灌注、高滤过、高压”的ACEI和ARB等治疗；到尿毒症期以替代治疗为主，中药配合改善营养等中西医结合治疗为辅。中西医结合在疾病各个不同阶段切入，各施所长才能得到最佳的一体化治疗。
2.1.3辨病与辨证相结合，判断疾病预后，提高治疗敏感性例如，肾病综合征不同的病理类型都可以表现脾肾阳虚证型，而微小病变的脾肾阳虚证对治疗反应好，预后好，局灶节段硬化的脾肾阳虚证对治疗反应差，预后差。西医诊断下的中医辨证，提高了中医对肾病预后的认识。
2.2存在的问题和困惑
2.2.1中西医结合治疗CKD的方法还缺乏循证医学证据尽管中西医结合治疗各种肾脏病报道很多，但绝大部分都停留在专家个人的经验和各自单位的临床观察，没有进行多中心大样本随机双盲对照临床试验，其疗效的客观性很难确定。
2.2.2疗效机制不明中药的成分复杂，经过炮制、配伍、煎煮和体内代谢后，成分的变化更是不得而知。因此，中药很难用单一指标去考察其疗效，作用机制不明。在中药治疗的基础上，联合西药治疗，其疗效机制更是不清楚。因此，中西医结合治疗CKD的疗效机制只能用“黑箱理论”去解释。
2.2.3行业内尚无《中西医结合防治慢性肾脏病指南》中西医结合治疗CKD无规可循，中西医结合肾科医生临床诊疗缺乏权威的参考和指引，医患安全性差。
2.2.4基础理论研究较迷惘中医学的特点是辨证论治，其“证”的研究是中医基础理论的核心，是中医现代化的瓶颈。但目前对肾虚证等“证”的研究还没有找到特异性的客观指标，离揭示“证”的本质还有很大距离。
2.2.5还没有形成中西医结合医学理论目前中医临床是以“整体观念”为主导思想，以辨证论治为特色的系统论思想指导实践；西医是以“还原论”为主导思想，以逻辑思维为特征，以实验手段为主要研究方法，借助物理学、化学和生物学等手段来指导实践［4］。中医、西医都是在各自的理论指导下进行临床实践，还没有形成中西医结合医学理论，新理论的形成还有待漫长的时日。
3中西医结合防治CKD的思路与方法
3.1加强中西医结合治疗CKD单病种优化方案的研究中西医结合治疗肾病的报道很多，疗效也比较好，但现在还没有中西医结合治疗CKD的优化方案出台。国家“十一五”科技支撑计划已经开始资助中医肾病临床优化方案的研究，如杭州市中医院王永钧教授牵头的11家医院肾科参与的“CKD3期中医证治优化方案的示范研究”和上海中医药大学龙华医院陈以平教授牵头的“中医综合治疗膜性肾病多中心前瞻性临床研究”［5］。他们的研究方法和结果将为中西医结合治疗CKD优化方案的研究提供借鉴。另外，建议政府卫生行政部门、科技部门以及企业以各种形式支持中西医结合肾病优化方案的研究，为编写中西医结合防治肾病指南提供证据，为政府和卫生行政部门的决策提供依据，为行业诊治CKD提供最有效的方法，提高肾病的诊疗水平。研究优化方案时，需注意以下问题：（1）为使临床试验信息透明化，提高研究的社会公信度，请在临床试验开始前，在世界卫生组织的国际临床试验注册平台（WHOInternationalClinicalTrialRegistrationPlatform,WHOICTRP）认证的临床试验注册中心注册。（2）为优化出最佳的方案，请在做优化方案时，先将专家的经验在协作组内讨论，并在协作组外征求中医肾病专家、西医肾病专家、肾脏病理专家、免疫学专家、药理学专家、统计学专家、医学经济学专家、伦理委员会以及护理学专家的意见。优化方案制定后，进行多中心、大样本、随机盲法对照临床试验，客观评价其方案的疗效和安全性。第一次临床试验结果出来后，针对临床试验存在的问题，将方案再优化再试验直至优化出满意的方案。（3）CRF应按原发病进行单病种优化研究。CRF是多种病因引起的临床综合征，病因不同，其进展的机制和速度不一样，临床疗效和预后也存在差异。因此，CRF应按其原发病分类进行优化研究。另外，原发性肾病综合征和慢性肾小球肾炎也要按病理类型进行单病种优化方案的研究。
3.2加强确有疗效的新药开发研究目前已开发上市用于治疗肾病的中成药有雷公藤多苷片、肾炎康复片、尿毒清、肾炎四味片、黄葵胶囊等，但还不能满足临床的需要。为了丰富临床医生治疗肾病的手段，满足临床患者的需要，扩大中西医结合方法在国际肾病界的影响，则需加强确有疗效、安全的中药新药开发研究［6］。中药新药开发应注意以下问题：（1）临床疗效是新药的生命，只有疗效好且安全的药物才会在医疗市场生存周期长，经久不衰；（2）组方药味不要太多，最好在8味以下，4～6味最好。因为药味太多，工艺复杂，服药量大，不便于控制成本，使患者长期服用；（3）掌握新药的最新分类，因新药分类的不同，药学和毒理研究的要求不一样，请及时到国家食品药品监督管理局的网站上去查询；（4）组方的药物如果是没有质量标准的地方药材，要先制定该药的质量标准；（5）中药新药临床适应证必须为先确定西医病名下的中医证型，不能只有西医的病名，没有中医的证型；（6）药效学研究如果没有公认的动物模型，自创的动物模型要有相关专家论证；（7）临床试验方案要参照《中药新药临床试验的指导原则》，若是该原则没有的病种，临床试验方案要请相关专家论证；（8）对照药的选择，最好是同类最有效的中药，没有同类的中药要选择公认有效的西药，对照药是不同的剂型时要做双模拟。
3.3利用系统生物学的方法，探索中医肾本质的研究中医理论的核心是辨证论治，“证”本质的研究是中医现代化的突破口。自20世纪80年代以来，对肾阴虚证、肾阳虚证进行了环磷酸腺苷（cyclicadenosinemonophosphate,cAMP）、环磷酸鸟苷（cyclicguanosinemonophosphate,cGMP）、内分泌、免疫和基因等深入的研究，取得了很大成绩，但还没有找到中医肾虚证的特异指标。系统生物学是由基因组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学及生物信息学等组成，通过生物信息学把基因、蛋白质、代谢产物及表型等横向的研究结果整合起来，采用系统综合的思路和手段从整体水平上动态地对一个集合体的存在特征、活动规律和相互联系加以描述。中医传统理论最具特色的就是“整体观”和“辨证观”，与现代的系统生物学思路不谋而合［7］。以功能基因组学和蛋白质组学为核心的系统生物学方法，将为中医肾虚证本质的研究提供科学的手段。
3.4加强中医药治疗CKD作用机制的研究中医药治疗肾脏病的作用机制研究是目前的热点，许多肾病工作者研究了治肾病中药复方或单味药对肾脏病理和功能的改善作用，以及对细胞因子和基因的调节作用，为临床寻找有效的药物，做了大量有意义的工作。鉴于中药多成分、多靶点、多途径和多效应的特点，很难判断有效或无效成分，也很难用单一指标考察其疗效，对它的代谢途径不清楚，半衰期不明，其疗效机制还是用“黑箱理论”去解释。所有的汤剂都是每天服用2次，所有的中成药都是每天吃3次。鉴于目前的技术和方法所限，这种研究要延续很长一段时间。前面所述的系统生物学方法与中药多成分、多途径、多靶点和多效应的特征相吻合，但技术条件要求比较高，建议有条件的单位用系统生物学的方法去探讨中医药治疗肾病的疗效机制，为肾脏病领域的研究提供借鉴。
3.5加强马兜铃酸等有毒中药肾损害的机制研究1964年，吴松寒等［8］报道了2例服用含关木通的药物引起急性肾衰竭，随后也有报道，但例数少，未引起重视。1993年，Vanherweghem等［9］发现9名妇女食用含中药成分的减肥食品后出现肾间质纤维化，其中2例初诊时已为ESRD，经对其药物分析发现，减肥药物含马兜铃酸，引起医学界的重视。国内谌贻璞教授等［10］也做过较为深入的研究。含马兜铃酸的中药有马兜铃、天仙藤、青木香、关木通、广防己等。其他引起肾损害的中药还有苦参、补骨脂、土牛膝、川楝子、苍耳子、枳实、白头翁、夏枯草、昆明山海棠、厚朴、牵牛子、草乌、巴豆、使君子、土贝母等。肾损害表现为急、慢性肾衰竭及肾小管间质纤维化［11］。中药肾损害已引起世界范围内对中草药安全性的怀疑，甚至有的不敢用中药。其实这些药源性肾损害除药物本身药理效应外，与剂量过大、使用时间过长以及不是在中医理论指导下用药有关。因此，必须研究可能引起肾损害的中草药的产地、服药时间、剂量和配伍关系，禁止确有肾损害的药物如关木通、马兜铃等中药及其制剂在市场上流通，进一步研究可能引起肾损害的机制，寻找有效的防治方法，为临床提供治疗肾病安全有效的中药。
3.6组织编写《慢性肾脏病中西医结合防治指南》西医有美国组织编写的《慢性肾脏病及透析的临床实践指南》。2005年世界卫生组织已经开始组织中国中医药学界专家撰写《中医临床指南》，希望该临床指南既符合国际通用的疾病标准，又能体现辨证论治的中医药特色，成为标准化、国际化的中医临床实践指导性文件，该工作目前还在进行中。现在最大的问题是临床证据不足［12］。建议国家卫生行政部门及中国中西医结合肾脏病学会牵头，中华肾脏病学会、中华中医药学会肾病专业委员会等专业委员会的中西医结合肾病专家、中医肾病专家、西医肾病专家、肾脏病理专家、免疫学专家、医学经济学专家、统计学专家、流行病学专家、护理学专家以及卫生决策部门专家参与，对中西医结合治疗CKD比较成熟的病种，以病证结合的方式、公认的诊断标准和疗效评价标准对证据进行分级，为临床医生提供具有权威性、实用性和可操作性的中西医结合防治CKD指南。
3.7加大宣传，重视普查，早期预防CKD患病率和病死率高，合并心血管事件的危险性增加，医疗费用昂贵，但知晓率却不足10%。有的人一生都没有做过尿液检查，肾脏有没有问题一无所知。因此，2006年国际肾脏病学会（InternationalSocietyofNephrology,ISN）和国际肾脏基金联合会（InternationalFederationofKidneyFoundation,IFKF）联合倡议，将每年3月份的第2个星期四定为“世界肾脏日”，目的就是唤起全球各界人士对CKD的高度关注。中华医学会肾脏病分会已经在媒体开展宣传，举行讲座，组织普查，但还有待其他相关学会及政府部门积极行动起来，加大宣传，引起社会的广泛重视，并组织专业人士参与大规模尿常规普查。建议及早建立我国在临床广泛应用检测肾小球滤过率（glomerularfiltrationrate,GFR）的方法，对可能引起CKD的住院病人和体检者进行GFR评价；对高血压病、糖尿病、痛风等引起继发性肾脏病的因素及早进行预防；对已有肾脏病要积极干预治疗，防止肾损害的进展；对3、4、5期的CKD要防止心血管事件等并发症。
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系统生物学的特点范文5
关键词:进化生物学;教学实践;选修课
进化生物学是一门综合性较强的学科，对动物学、植物学、遗传学、分子生物学、行为生态学等学科都有所涉及。迈尔认为，进化论是生物学中最大的统一理论;杜布赞斯基认为，如果不借助于进化的观点，生物学上的事情就变得情理不通。由此可见，学习进化生物学有助于提高人们的认识，对学生认识事物的发展规律大有裨益。
一、进化生物学课程的特点
进化生物学的目的主要是推断生物过去的发展历史并解释生物进化的原因和机制。该课程特点包括:1)涉及学科门类多。该学科广泛吸收生物学各分支学科的成就，特别是将进化与生态学、分类学(系统生物学)、行为学、分子生物学等结合起来，研究有关的生命现象，涉及生物类群的范围和结构层次也十分广泛;除生物学方面的知识之外，还广泛涉及地质学、化学、物理学等学科的内容;除自然科学之外，还涉及到社会科学的许多内容［1］;2)内容比较抽象、讲述的故事古老，在现实中难以再现;3)不重视基本概念的阐述。进化生物学的学习需要以多个学科知识为基础，以进化的观点把各学科的知识串联起来，侧重生物学现象的起源和进化，也正因为这样，对有些基本概念、基本原理的阐述稍显简略。4)理论性较强、学派众多。进化生物学叙述的是生物学中的一般规律性问题，学习时要注意把握其精神实质，不要过多涉及功能生物学(包括形态学、生理学、遗传学、生物化学等实验性学科)方面的内容，从而忽略了从理论观点上的提高进化生物学;各个学派有不同的观点，学习时需分析比较各个学派的特点，取长补短［1］。
二、进化生物学课程在农学专业学生中开设所遇到的问题和解决办法
(一)遇到的问题
在本次教学实践，是在农学专业本科生中讲授进化生物学，并且该门课程作为选修课。教学过程中遇到了一些问题:1)授课对象的知识结构不完善。本次授课面向的学生专业为农学专业，该专业在专业设置上侧重对宏观生物学知识的学习，而对微观生物学知识了解得比较少，对微观生物学知识理解困难。农学专业学生学习的课程主要集中在动物学，植物学，生态学，生理学，行为学以及作为选修课的分子遗传学，所以在讲授微观知识时学生会感到抽象难懂，甚至完全听不进去。2)作为选修课，学生不重视。进化生物学这门课程只是作为一门基础选修课来开设，而基础选修课考核相对轻松，一般采取课程论文考核或开卷考试的方式。没有闭卷考试的压力，学生在心理上会比较放松，容易轻视对该课程的学习。甚至有的学生在课堂上做一些与课堂教学无关的事情，比如在课堂上写别的课程的作业。
(二)解决的办法
针对以上的问题，提出并实践了如下的办法:1．结合学生的知识结构特点选择合适的教材本次教学实践选用的教材是由沈银柱、黄占景编写，高等教育出版社出版的《进化生物学》(第3版)，该教材分成十二章，内容分别是:进化生物学的由来及现状，生命及其在地球上的起源，细胞的起源与进化，生物发展史，生物表型进化，生物的微观进化，物种的形成，生物的宏观进化，生物遗传系统的进化，分子进化与分子系统学，人类的起源与进化，生态系统的进化［2］。主要内容包括两个方面，即对生物的过去发展历史进行推断和对进化原因、机制的解释。该教材系统性、理论性和条理性较强，对问题的阐述简明扼要，系统地介绍了进化的知识，总体上侧重对宏观知识的讲述，对应授课对象的知识结构。2．合适教学内容的选择、正确教学手段的使用进化生物学的知识包括推断生物进化的历史，涉及到的知识比较古老，学生仅凭想象很难再现当时的情形，比如生命及其在地球上的起源、细胞的起源与进化、生物发展史等章节的内容，对于此类知识的讲授，可以选择增加一些与课程相关的纪录片、探索片等。这就需要教师课前收集有关生命起源与进化，生物发展史的读物与网络资源，借鉴国内外大型探索、科幻和纪录片，利用现代信息技术，用通俗易懂的语言、生动活泼的形式、图文并茂的内容，制作《进化生物学》系列多媒体课件［3］。这部分内容还可以采用翻转课堂的教学模式，让学生在课外学习，通过网络和教材自己去获取知识，在课堂上对所学到的知识进行探讨。而在阐述进化机制时需要介绍微观进化、遗传系统的进化、分子进化与分子系统学的知识，这部分内容因为学生的基础较薄弱，可以考虑对这三个章节的内容做适当压缩，侧重对基本概念的理解，对教材中阐述得不够详细的概念进行补充与扩展，同时通过播放一些小视频来对基本概念和普遍现象进行讲授，比如可以用视频、动画的形式来帮助学生理解什么是遗传物质，以及DNA的复制、转录和蛋白质翻译过程，以此降低学生学习的难度。3．设置与课程内容相关的有趣的问题进化生物学因其理论性较强而容易让学生学起来枯燥无味，对此，可以通过设置问题的形式把一些理论知识跟现实生活中的现象结合起来，让学生进行探讨，激发学生兴趣，活跃课堂气氛。设置的问题比如，从进化生物学的角度解释“爱国是文化使然还是生物本能”“为什么优雅、风趣的人更吸引异性”“从进化角度讨论人为什么要谈恋爱”。另外，还可以深入了解学生在以前的学习过程中，参加过哪些野外实习，接触到什么动物和植物，把进化知识与学生的野外实践经历联系起来。4．结合科研实例进行讲授教师可以选取当前进化生物学研究中比较有趣的研究论文来给学生进行讲授，或者结合教师自身的研究来举例，比如曾经做过哪些与进化有关的研究，想法如何产生，采用什么样的研究思路，得出什么研究结果，对结果如何解释，研究过程中遇到哪些有趣的故事，实践证明，通过将科研故事与进化生物学研究实例结合起来穿插在课堂教学中讲授，能对学生的兴趣提升起到比较好的效果，学生还会积极主动发表自己的看法，整个课堂气氛异常活跃。此外，通过带领学生参观进化生物学研究实验室，让学生对进化生物学的研究氛围有所体会也不失为一种好的办法。5．鼓励学生阅读文献，了解最新科研动态要学好一门课程，光靠教师在课堂上讲授是不够的。学生还应该在课外积极主动阅读相关的书籍或者是科研论文。关于阅读课外文献，教师可以事先准备好与本次课内容相关的一些经典文献，也就是对基本概念和基本原理的定义、来龙去脉阐述较为清楚的文献，在课堂上向学生推荐，也可以指导学生自己去查阅。另外，鼓励学生了解最新科研动态，让学生知道目前所学的知识在科研上有哪些研究方向，研究进展如何，以此激发学生的学习兴趣。生物学的研究发展较快，需要经常关注研究前沿，更新知识储备。所以，教师也可以向学生介绍本学科领域的权威刊物，并且要求学生网上订阅并浏览这些刊物，以便随时了解与本课程相关的研究领域最新发表的论文和最新的科研动态。总之，进化生物学作为选修课来开设，应体现出选修课灵活的特点，以学生现有的知识为基础，对一些理论性较强、学生理解较为困难的知识可以大胆取舍和压缩［4］，着重对学生整个知识框架的构建，激发学生的学习兴趣，指导学生如何学习，在知识框架搭建完成后，学生对自己特别感兴趣的知识可以在课外进行深入学习。
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系统生物学的特点范文6
关键词：合成生物学技术；研究进展；生物功能元件；DNA合成；DNA组装方法 文献标识码：A
中图分类号：Q81 文章编号：1009-2374（2016）14-0073-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.14.037
合成生物技术产业的不断更新发展为人类社会所存在的一些较为难以突破的问题寻求到解决的方案，并且起到实质性的作用。合成生物技术产业简而言之就是利用合成生物技术的产业化发展，合成生物技术的发展基础就是基因、细胞这些微小单位，在此基础上进行相应的研究，主要研究方向就是生物产业的设计化、工程化，将基因与计算机编程、网络等相结合，进行各种传感性研究以及细胞编程的定向进化等，其对于社会的进一步发展有较为重要的导向作用。但其发展中的问题层出不穷，对于社会伦理、社会环境而言都是巨大的挑战。我国对于合成生物技术产业发展制定了一套合理科学的战略方针，针对其出现的问题提出了相应的政策进行限制。
1 合成生物学技术
合成生物学技术主要包括生物能源、农业及医药等方面，合成生物学技术的发展可以促进我国生产技术的快速发展。现阶段合成生物学技术在发展过程中存在很多问题，对其快速发展产生了极大的影响。目前，合成生物学技术在发展过程中产生了一套适合其发展的模式，本文主要对以下三个方面进行分析：
1.1 发展合成生物学技术发展的原因
合成生物学技术需要快速发展的原因是为了有效地满足人们的精神及物质需求，就是在社会经济快速发展的现阶段有效地增强人们的寿命及身体健康和对精神的需求有所提高；采用或者引用新技术有效的改善现阶段环境的严重污染。在这样的背景下，合成生物学技术就必须快速发展，成为我国现阶段发展的重要领域，加上人们对动植物及人类本身的研究不断深入，合成生物学技术在研究过程中也在不断提升，使其研究范围也在不断扩大。在研究过程中可以发展各种生物的作用及意义，并且可以有效地发现其生理及生长原理，使合成生物学技术在我国发展过程中发挥着至关重要的作用。
1.2 合成生物学技术产业发展战略的前提
在我国现阶段，合成生物学技术发展的主要目标就是解决其在发展过程中存在的许多问题，其中存在问题的主要原因就是因为合成生物学技术严重影响了现阶段自然进化的绝对性，对生物进化产生了人为的影响。物种出现变异或者其发展方向出现偏差的主要原因就是因为人工生物体及生物实验等的出现，合成生物学技术的出现严重地违背了生命的进化法则及生物的自然生长规律，对目前环境的自然化发展产生了严重的影响。因为人们对自然生长规律进行了过度的改造，就会严重破坏生态平衡，所以必须对自然生长规律的研究方向及研究范围设置一定的方案，并且进行一定的限制，提出适应现阶段社会发展的战略目标。
1.3 我国合成生物学技术发展战略
现阶段，合成生物学技术发展的战略目标制定的基础就是自然繁衍规律、自然生长法则及我国环境的发展详情等情况，对产生制定发展目标的主要原因就是促进该产业的快速发展，使该产业在发展过程中存在的问题得到有效的解决，并具有促进该产业快速发展的作用。我国在发展该产业的过程中应该遵循的主要原则就是尊重自然、尊重科学、尊重资源的有效利用及人类发展规律等原则，在这些原则的制约下可以制定有效的发展战略目标，可以有效地促进我国现阶段能源、农业及工业的快速发展，有效地减少环境的污染，促进合成生物学技术的快速发展。
2 生物功能元件
2.1 生物功能元件的设计、合成和功能表征
众所周知，生命的形态呈现多样性，其可以合成现有的有机化合物为新的生命系统。目前，所谓的遗传信息具有编辑性的特点，为创造新的生命系统提供可靠的保证，合成生物学的基础就是生物功能元件，是一种最小的生物元件，并且具有特定的功能，是氨基酸与核苷酸序列进行不同组合，形成一种复杂的系统。在理论上，任何有机化合物和新种的合成可以通过生物功能组件的设计和组合来实现。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的开发，对遗传密码子表进行不断扩张，可以有效地扩大新品种的合成及化合物的使用范围。伴随着现阶段DNA合成技术的商业化及不断发展，基因原件的保真性及质量的不断提高，同时其成本也在不断降低，为合成大量的基因原件提供便利，而且通过使用高通量筛选技术可以有效地加强人员对基因原件的选择。
2.2 生物功能元件的标准化
目前，伴随着合成生物学的快速发展，人们需要对生物学的功能原件进行规划。1996年，Rebatchouk等通过克隆的方式有效地建立了基因元件库，但是当时这项工程并没有引起行业人员的注意。2003年，Kight在麻省理工学院提出了“生物砖”概念。现阶段，许多科研院也在开始使用规范的基因元件库进行生物系统和生物装置的监理。所谓的生物砖就是对生物功能组件的标准化进行不断尝试，简单而言就是单个的积木通过不同的方式进行排列组合，可以组成许多不同结构的形态，通常情况下，生物砖的基础元件主要包括调节序和编码序列，如核糖体结合位点、终止子及启动子。2003年，通过麻省理工学院建立了标准生物元件库，现阶段应该收集了3400多件基因元件有效的应用与组装生物系统和生物装置。这些标准化元件一般都来自于每年参加国际遗传工程机器设计竞赛、科学家个人和学术研究机构等团队。每个单独的元件都有自己的编码，其中还有建造者、使用者、序列及功能等资料，这些资料都是公开的，可以免费使用。
2.3 生物功能元件的组装
合成生物学技术的主要特点就是对基础元件进行重新的排列组合，得到不同的系统及相关的装置，但是因为人们发展研究的限制及生命系统的复杂性，合成生物学技术不能像建筑工程及其他学科的项目一样，对具有特定功能的元件进行排列组合，就可以得到应有的效果及功能，同时需要对各个元件、装置及设备之间进行不断优化及调试；同时最为主要的影响因素还有底盘、装置及元件，而在这个过程中，使用系统生物学分析方法和高通量的测试方法对其进行优化和试配。通过使用计算机辅助动态仿真技术，对构建的模型进行不断的预测，并对其进行优化，这样可以有效地降低模型的测试工作量，有效地加快模型的构建进度，对构建模型的过程中所产生的数据进行重新组合、预测其功能，可以有效地构建出接近自然生物系统的模型，最终得到最佳的施工方案。
3 DNA合成与组装技术
3.1 DNA合成
DNA化学合成的主要成分就是基因合成和寡核苷酸合成。寡核苷酸合成通常情况下是使用固相亚磷酸胺三酯法，原料为核苷酸单体，经过脱保护、偶联、封闭与氧化四个循环反应的过程进而得到的。这种方法通过一定的优化措施，以1/200的错误率最多可以有效地合成200～300nt的寡核苷酸序列。在20世纪90年代初期，促使实现寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技术。但是因为“边缘效应”及“脱嘌呤”现象的出现，对合成序列的正确性产生了一定的影响。由于CustomArray开发的通过半导体电化学酸合成与Agilent开发的通过喷墨打印技术的芯片合成后，有效地改善了出错率，与柱式的合成相当。但是这种方式的单次合成数量是柱式合成数量的100～10000倍，所以可以有效地降低DNA的合成成本。
3.2 不同尺度的DNA组装方法
为了对合成基因序列的可靠性进行控制，通常情况下DNA的合成长度不能超过5kb，而更大尺度的DNA分子可以通过最新的DNA组装方法实现。除了传统的克隆分类的方法，现阶段已经出现了体外DNA组装、聚合、连接或同源重组原理等多种体内的新方法。这些方法被大量使用，促使DNA组装不管是效率还是尺度都得到了快速的
发展。
2008年，Venter研究组有效地完成了580kb生殖道支原体的人工建立，并在2010年实现了人造生命的重头合成方式，有效地促进了现阶段合成生物学的快速发展。在这一发展过程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母体内拼接及Gibson组装的方法进行开发，通过这种方法，有效地实现多个片段的一次性无痕拼接，其现阶段组装尺度最大为580kb。
综上所述，现阶段，合成生物学技术出现及快速发展与人类认知及自然科学方法息息相关。自然科学方法主要是从细胞、个体、分子到群体等多个方面指导人们对自然的认识，有效地揭示规律、生命及机制，随着人们对自然认知的不断深入，人类的认知不能满足自然的传统描述，所以合成生物学就会逐渐出现。同时，合成生物学是工程实践的前提，是理解和分析自然生命系统的关键，对生物系统、装置的特征进行分析，从而出现简单的生物装置及元件的设计、组成标准化的规律及原则，然后指导人工生命生命系统的设计和施工。另外，属性合成生物学的设计和建设的“自下而上”的正向工程理念和“标准化”“复杂的系统脱钩”和“抽象”的理念，这与传统的生命科学研究存在一定的差异，而且合成生物学家的指导，导致设计和建造的城市标志性建筑的路标。同时组件、系统和寿命设计与施工可以系统地深入和了解生命的本质规律，从而可以有效地指导应用性及工程化的设计及建造，这是合成生物学的一个重要理论。
参考文献
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