我國數(shù)學(xué)家為復(fù)雜疾病研究提供新思路

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(jī)理。

10月21日,科技日報記者獲悉,北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院教授鄔榮領(lǐng)及其帶領(lǐng)的統(tǒng)計團(tuán)隊和北京林業(yè)大學(xué)博士研究生吳雙創(chuàng)新運(yùn)用數(shù)學(xué)手段,構(gòu)建了統(tǒng)計物理學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型idopNetworks,利用科學(xué)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(xué)”為題發(fā)表在《美國國家科學(xué)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(tuán)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(tuán)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(jìn)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(xiàn)。隨后,團(tuán)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?fù)渲械耐{(diào)理論分析網(wǎng)絡(luò)。團(tuán)隊利用GLMY同調(diào)理論,整合有向圖論等數(shù)學(xué)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?fù)湟?guī)律,并追蹤網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化,從而更好地理解疾病發(fā)生發(fā)展的機(jī)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(jī)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(tuán)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(jī)理的異同尚未被系統(tǒng)研究過。團(tuán)隊利用GLMY同調(diào)理論分析二者的idopNetworks,發(fā)現(xiàn)了兩者細(xì)微的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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。

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