疾病發(fā)生發(fā)展的影響因素往往錯綜復(fù)雜。如果從網(wǎng)絡(luò)角度，將每個因素看成一個個“節(jié)點”，將它們之間的聯(lián)系看作一條條“邊”，那么人類或許能夠從新的角度探究疾病形成的內(nèi)在機理。
10月21日，科技日報記者獲悉，北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學研究院教授鄔榮領(lǐng)及其帶領(lǐng)的統(tǒng)計團隊和北京林業(yè)大學博士研究生吳雙創(chuàng)新運用數(shù)學手段，構(gòu)建了統(tǒng)計物理學網(wǎng)絡(luò)模型idopNetworks，利用科學家丘成桐及其合作者發(fā)展出的GLMY同調(diào)理論，分析不同疾病的代謝網(wǎng)絡(luò)模型，探究各個因素及其相互作用對人類疾病的影響。該研究成果論文近日以“復(fù)雜疾病的代謝物理學”為題發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上，為解析復(fù)雜疾病成因、指導(dǎo)復(fù)雜疾病治療及相關(guān)藥物設(shè)計提供了嶄新思路。
不同于現(xiàn)有低維度網(wǎng)絡(luò)模型，該團隊構(gòu)建的統(tǒng)計物理網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)了兩大創(chuàng)新。首先，該團隊構(gòu)建了全面、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)模型，將疾病看成一個由許多因子（如代謝物質(zhì)）構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過引入進化博弈論原理，將系統(tǒng)中每一個因子的作用分解成兩個組成部分，包括該因子自身的作用，即獨立效應(yīng)，以及共存因子對它的影響，即依賴效應(yīng)。由此，可清晰地反映每個因子對系統(tǒng)的貢獻。隨后，團隊將獨立效應(yīng)作為“節(jié)點”，依賴效應(yīng)作為“邊”，構(gòu)建出一個全方位、個性化的網(wǎng)絡(luò)，并將其稱為idopNetworks。第二個創(chuàng)新點在于引入代數(shù)拓撲中的同調(diào)理論分析網(wǎng)絡(luò)。團隊利用GLMY同調(diào)理論，整合有向圖論等數(shù)學理論，分析網(wǎng)絡(luò)中一個因子向另一因子傳播信號的路線圖，從中分析系統(tǒng)狀態(tài)變化的拓撲規(guī)律，并追蹤網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)變化，從而更好地理解疾病發(fā)生發(fā)展的機理。
炎癥性腸病是一種特發(fā)性腸道炎癥性疾病，其病因和發(fā)病機制尚未完全明確。該項研究以炎癥性腸病為案例，利用現(xiàn)有臨床數(shù)據(jù)，團隊構(gòu)建出與炎癥性腸病相關(guān)的代謝互作網(wǎng)絡(luò)idopNetworks，獲得了不同代謝物的互作關(guān)系。傳統(tǒng)方法只能識別與炎癥性腸病顯著相關(guān)的單個代謝物，而idopNetworks發(fā)現(xiàn)這些單個代謝物發(fā)揮的作用并不來自其獨立效應(yīng)，而是源于其他代謝物的調(diào)控，即依賴效應(yīng)。而改變代謝物之間的調(diào)控關(guān)系會導(dǎo)致代謝物自身作用的改變。idopNetworks還揭示了患者從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)向炎癥性腸病，以及從炎癥性腸病轉(zhuǎn)向健康狀態(tài)時，代謝物互作關(guān)系的變化。
炎癥性腸病包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病兩種類型，這兩種疾病類型代謝機理的異同尚未被系統(tǒng)研究過。團隊利用GLMY同調(diào)理論分析二者的idopNetworks，發(fā)現(xiàn)了兩者細微的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)差異。這顯示了GLMY同調(diào)理論在復(fù)雜生物系統(tǒng)研究中具有巨大的應(yīng)用潛力。
