北京数学科研团队创新建模型, 揭秘复杂疾病成因

北京日报客户端|记者刘苏雅

复杂疾病究竟是怎样形成的，应该如何有效防治？在这一研究领域，不仅有生物、医学的科研人员的探索，也有着数学家的身影。北京雁栖湖应用数学研究院研究员邬荣领、吴杰团队创新运用数学手段构建新模型，为解析复杂疾病成因、指导复杂疾病治疗及相关药物设计提供了新思路。10月20日，该研究院举行发布会，解读了这一科研成果。

在疾病发生发展的背后，往往有着错综复杂的影响因素，大量疾病的病因和发病机制尚未完全明确。“常见的研究方法是分析单个因子的作用，没有解析因子之间的作用。”邬荣领说，传统统计学理论仅能反映两因子间的连接关系，无法解析二者的因果关系、调控关系等。要揭秘复杂疾病的成因，必须创新研究手段，建构一套系统的解释理论。

为了攻破这一难题，科研团队开展探索，把数学理论引入了疾病研究领域。他们利用代数拓扑中的GLMY同调理论，整合了有向图论等数学理论，构建起统计物理学网络模型idopNetworks（爱豆网）。

炎症性肠病包括溃疡性结肠炎和克罗恩病两类，二者是否存在相通的代谢机理，尚未得到系统研究。于是，炎症性肠病就成了这套模型的第一个“试验田”，模型“跑”起来后，多个中心代谢物及其交互网浮现出来。例如，甲基咪唑乙酸便是典型代谢物之一，它在人体内参与组胺的合成，组胺则有着抑制肠道炎症反应的功能；再如亚麻酸盐，在炎症性肠病患者体内，其被抑制的程度加深。

“通过模型可以看到，改变代谢物之间的调控关系，会导致代谢物自身作用的改变。这些联系，用普通的研究方法很难被看见。”邬荣领说，模型还揭示出健康与疾病状态转化时，代谢物互作关系的变化，这将为药物研究提供新靶点。例如，找到增加人体内亚麻酸盐产量的药物，炎症性肠病就有望得到治疗。

至此，复杂疾病的代谢物理学被提出，相关研究成果近日发表在《美国国家科学院院刊》。“这套模型就像是一棵大树，数学是根，为模型提供了坚实的理论基础和计算工具。每个分支又能延展到不同领域。枝条上的每片叶子，可以是代谢物、微生物，也可以是基本粒子、国内生产总值，乃至人际关系。”邬荣领表示。

目前，研究团队正在与北京协和医学院、中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心等单位开展深入合作，依托高质量的科研数据，探究传统方法“看不到”的复杂系统现象和规律。未来，这套模型不仅有望惠及人脑退化性疾病、癌症发病机理研究、衰老与寿命等医学领域研究，还可服务于药物研发、环境污染防治、新材料合成等诸多领域，为理解、分析和预测复杂现象提供通用的方法。与此同时，吴杰认为，应用导向的研究还能反哺基础数学，进一步探寻复杂网络的拓扑学基础。

“研究院成立的目标，就是探讨和寻找自然界和人类社会中存在的规律，并解决其中产生的问题。”雁栖湖数学院院长、中国科学院外籍院士丘成桐说，理论和方程是大自然表达自己的唯一方法，它们是所有应用科学的源泉，将能规划现代社会的网络。“研究院采取25%基础数学、75%应用数学的研究模式，目前已汇聚了百余名全职科研人员，未来科研人员预计将超300名。我们将通过有效、高效、前沿的桥接，让抽象数学与现实世界相连。”