以系统生物信息学促进中医药特色健康管理的发展

用系统生物信息学促进中医药特色健康管理的发展深圳市赵红天心生物科技有限公司，汇恒集团摘要由于中医药在中国健康管理中的广泛社会应用，形成了具有中国特色的健康管理学科及相关产业。本文分析了在我国卫生管理发展中引入基于系统生物信息学的研发技术的必要性和可能性，并列举了目前的初步应用现状。关键词健康管理；亚健康；知识发现；系统生物信息学；中医证候1知识发现随着我国健康管理行业的发展，信息技术在健康管理中的应用越来越广泛和深入，如制定相应的行业信息技术标准1以及全面系统地加强体检中心与健康管理一体化运作的信息化，即设计和实施体检数据管理和在线评估干预系统2。此外，健康管理强调亚健康的预防和慢性非传染性疾病危险因素的管理与控制，这与中医传统的“治未病”思想不谋而合。因此，中国特色健康管理学科建设和产业发展应充分依托和发挥中医药优势。亚健康中医临床指南对中国特色的健康管理具有重要的指导意义，明确阐述了亚健康常见临床表现的分类和中医理论指导下的辨证调整，为全面建立相应的亚健康基础数据库和亚健康辨证分类及中医药干预效果评价数据管理通用技术的研究奠定了基础，为社区人群亚健康监测研究网络凸显中医药特色创造了条件3】。然而，基于上述信息环境的逐渐成熟，随着计算机应用和互联网在我国卫生管理领域的日益普及，“数据丰富与知识贫乏”的矛盾日益突出。健康管理从业者渴望从每天以惊人的速度积累的数据中得到他们想要的答案。这些答案不能直接从进口的“外国产品”中找到。他们只能将我们每天开展的具有中医特色的健康管理实践中的数据信息转化为知识。因此，知识发现，一种数据挖掘工具，应该被称为。知识发现是从数据集中识别有效的、新颖的、潜在有用的和最终可理解的模式的过程，这些模式可以在量化后传播(离散的或连续的)，即数据库中的数据库知识发现。2系统生物信息学2.1系统生物信息学介绍系统生物学是一门新的学科，它在细胞、组织、器官和生物体的整体水平上研究具有不同结构和功能的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学定量描述和预测生物功能、表型和行为4。根据美国国立卫生研究院(NIH)的定义，计算生物学是指发展和应用数据分析和理论方法、数学建模和计算机模拟技术，是一门用于生物学研究的学科5。生物信息学是通过从生命科学领域的数据库中存储、检索和分析生物信息来发现生物模式的科学6。因为它基于基因和蛋白质数据库，方法论的起点是微观还原论。21世纪后期，发展了研究生命科学的宏观系统理论和方法，包括系统论、非线性理论和控制论。在后基因组时代，功能基因组学一个接一个地出现，这使得生命科学界越来越意识到仅仅依靠还原论研究方法及其技术平台的局限性。在系统生物学的框架下，为了给生理和病理状态下的生命现象提供宏观和微观统一的基础，有必要正如西方生命科学正在通过生物信息学实现个体化的微观还原论、基因分型和蛋白质分型一样，中国传统医学在其发展过程中长期使用宏观系统理论，通过“看、嗅、向、切”四种诊断方法，实现对个体化内在生物模型“正”的观察和系统生物学表型模型的分类。不幸的是，这四种诊断方法难以客观量化，这使得难以标准化、科学地检测、存储、检索和分析“综合征”的重要生物表型模式的属性信息。因此，“证候”概念的量化必须通过一组内在的量化属性来表达，因此，提前确定一组观察到的量化指标应该是证候本质研究的先导。由于中医方法论的本质是系统论，所以“证候”的内在属性应从系统生物信息学的角度来选择。如果继续采用成本相对较高的基因芯片和蛋白质芯片等微采样系统的传统生物信息学研究方法和技术平台，系统生物信息学的大规模社会应用将不可避免地遇到一定的障碍。因此，对于系统生物信息学而言，从生物信息的样本获取开始，就应该采用经络信息和生活质量/症状等宏观生物信息，而不是基于传统生物信息学的还原论的基因决定论。随后对测量数据及其处理结果的分析初步证实了利用系统论的宏观生物信息，如经络信息和生活质量/症状(综合诊断和治疗)作为“证”的内在属性的可行性。2.2.2用经络和生活质量/症状信息量化“证候”的科学依据根据已知的证-病机(证素)-证名和辨证体系7，见下图1。图1根据1735例临床病例，包括原发性和继发性症状、经络数据和发病机理(证候要素)，作者领导的研究小组构建了神经网络模型，并在教学中进行机器学习。模型的比较分析在两种情况下进行：一种是只考虑症状对证候要素的预测作用，另一种是在症状的基础上引入经络数据来预测证候要素。结果证明，在模型中引入子午线数据可以明显提高模型预测的精度，如下图2所示。图2有无经络数据的中位率统计差异显著性分析组样本中检验元素平均数的标准差-不管经络(仅症状)4 0.9478 0.0187考虑经络(症状经络)4 0.9945 0.0064假设检验原始假设：平均值1=平均值2替代假设：意味着1=意味着2组间差异t统计Df Pr t-相等-4.721 6 0.0033不相等-4.721 3.68 0.0112上表中的Pr(测试水平)为0.05。因此，在这两种情况下中值率相等的最初假设被拒绝，并且认为有和没有子午线数据的模型的中值率存在显著的统计差异。从上述经络数据在证候要素预测中应用的实验结论可以看出，由经络和症状的连续和离散量化信息组成的两种诊断方法相结合，有望取代中医辨证过程中难以系统量化的“观察、听、问、切”四种诊断方法。上述实验结论不能认为是偶然的，因为根据国内外电生理实验的发现，如经络穴位中钙、铁元素和钙离子的富集，以及8-16对经络传导通路和经络穴位上更多线状三磷酸盐(三磷酸腺苷)的细胞聚集的积极结果，钙离子作为细胞基质中的第一信使和第二信使，参与细胞生长发育的重要过程，与三磷酸腺苷一样在人体生命过程中发挥重要作用。因此经络测量可能成为收集生命科学的重要手段“证候”量化的上述基本属性，即经络和生活质量/症状信息，只不过是以连续和离散形式表达的数据，正在取得巨大进展的快速变化的生物信息学计算生物学平台，可以提供丰富和系统的算法手段6来处理这些数据。通过上述基于系统生物信息学的知识发现技术，可以最终挖掘和理解在中医循证临床研究框架下观察和积累的具有中医特色的健康管理数据，量化后可通过互联网远程传播的知识(离散或连续)可以促进中国健康管理的发展。因此，用系统生物信息学的“他山之石”来量化“证据”是非常必要和可能的。此玉可通过中医信息化实现现代化，实现对中医特色健康管理的可靠支持和推广。3系统生物信息学在中医特色健康管理中的初步应用3.1获取健康信息如上所述，通过系统的生物信息学取样方法获得人类健康信息可以宏观地和非侵入性地进行。此外，相对经济且易于推广应用的健康信息也可以通过基于智能传感器原理的知识发现方法与血液生化指标相关联，如通过经络检测无创采集血糖值等。作者领导的研究团队利用多种机器学习算法建立了一个自学习动态优化模型，能够无创检测人体血液中的微量元素(包括8种铅、锌、铜、铁、钙、锰、镁和硒)是否异常。通过建立经络检测的一些主要穴位的皮肤表面电阻与人体内主要微量元素之间的相关性，可以准确判断人体内微量元素是否异常，基于该模型形成的便携式系统可以对人体内微量元素进行无创健康调查。如下图所示，通过实际试验中的血液检测对比，初步验证了该系统对一些主要微量元素具有较高的判断准确性，随着采集数据的积累，预计该系统的准确性和适用性将不断提高。以下是一些预测结果。锌的初步预测混淆矩阵(目标变量锌值为二进制变量，正常锌值为1，异常锌值为0)实际预测|0 |1 |总计-0 | 16 | 0 | 16| 20.51 | 0 | 20.51| 100 | 0| 100 | 0-1 | 0 | 62 | 62| 0 | 79.49 | 79.49| 0 | 100 | 0 | 100 |-共计16 62