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大数据与人工智能时代的中医药

甘孜日报    2022年10月26日

◎王美华

中医药治病的原理是什么?怎么用现代科学手段进行验证?为了“说清楚、讲明白”中医药的科学原理,清华大学北京市中医药交叉研究所所长李梢教授潜心研究20余年,深入探索中医药复杂系统的奥秘,首次提出符合中医药整体特色的“生物网络、网络靶标”理论,开辟了中医药网络药理学方向。

做一名探路者可能比做医生更有意义

“学医过程中经常有人问我,什么是上火、清热?中医药治病的道理究竟是什么?中医强调‘治未病’,为什么肿瘤等病发现时就已经到晚期了?中医能否更好地治病?”李梢说,在求学过程中,这些问题一直萦绕在他的脑海,但是回答这些问题并不容易。

几千年来,中医通过望闻问切、中药方剂等手段诊治疾病,以整体观念和辨证论治为指导,但是患者体内具体究竟发生了什么,中医未能给出符合现代科学的阐释。李梢指出,现代医学生命科学经常采用的是还原论,即在局部研究得很深入,但对于患者整体规律的理解还不够。将一个整体拆成一个个零件相对容易,而将一个个零件重新组合成一个整体,尤其是组合成人体这么复杂的生物系统,则要困难得多。因此,探究中医治病的原理,难以直接套用现成的方法。

“怎样找到新方法?这是个艰巨的任务,探索很可能失败,但总得有人去尝试,因为中医药需要进行现代化转型发展。”李梢说,“对我来说,做一名探路者可能比做医生更有意义。”

正是抱着这种想法,1999年,在北京中医药大学读博士二年级时,李梢提出了中医药和生物分子网络相关的假说——中医药不是和单个生物分子有关,而是和生物分子相互作用的网络、网络的动态变化有关,这个网络有可能表征中医药的整体。当时恰逢人类基因组计划、生物信息学兴起,自动化系“三论一智”(“三论”指信息论、系统论、控制论,“一智”指人工智能)的学科特点和中医药整体观、系统观的思维很契合。

在清华大学生物信息学专家李衍达院士的支持下,2001年,李梢进入清华大学自动化系,开始了“生物信息学与中医药现代化”的大跨度交叉学科研究,开启了一段20多年中医药现代化探索之旅。

取宏观之象、比微观之类,力求守正创新

中医药、自动化的学科跨度很大,如何既守住中医药的底蕴,又把握住信息科学的原理,实现守正创新?

李梢介绍,打开中医药的运作机制谜题面临三道难关:如果不深入到机体内部,说不清传统的中医理论和现代基因、蛋白、细胞等微观因素存在的关系,那就难以揭示中医药的科学内涵;如果只采用目前医学常用的单因素还原分析方法,则容易丢掉中医宝贵的整体特色,难以“守正”;传统中医药积累了丰富的经验,但在微观层次的数据积累较为薄弱,如何从微观和系统角度阐释中医药的“整体”特色,这对信息科学也提出了挑战。

面对这些难题,李梢熬白了头。经过反复思考,他提出了一个大胆的想法——能不能把中医的整体思维用于微观的生物层次,相当于在人体“黑箱”里建立一个导航系统,进而全面计算出中西医药与生物分子的关联,用于支撑中医药的创新发展?

经过多年的探索,李梢和他的团队建立了中西医药分子网络导航系统——UNIQ系统(基于网络靶标的药物网络药理学智能和定量分析方法与系统)。“UNIQ系统借鉴了中医整体观的‘取象比类’思想,这种思想在《黄帝内经》中就有广泛运用。”李梢介绍,通过“取宏观之象、比微观之类”,从全局上看,人类表型网络(人类疾病,包括中医证候的临床表现)、生物分子网络(生物体内部的基因、蛋白之间)、中西药物网络之间存在着一种“宏微观模块化关联”关系。例如,临床表型越相似,相关的基因和基因产物在网络上越聚集。基于这一规律,李梢带领团队研制了中西医表型、生物分子网络、中西药物的“关系推断”算法,实现同时期国际最高精度的致病基因、药物靶标预测,通过计算,系统解析了疾病机制和药物作用的关联,在生物分子网络上实现了疾病和药物内在关系的定位和导航。

“目前,我们已经把中西医表型—细胞—分子—中西药物之间的关系都进行了全局性的预测,算法还在不断发展完善。”李梢说,这些算法的研制,既使得中医药思维能在微观层次发现规律,又使得现代医学生命科学积累的大数据能为中医药所用,从一个全新的角度阐释中医药科学原理,为大数据和人工智能时代中医药的传承发展提供了新支撑。

胃癌“治未病”系统发现胃癌“极早期”

UNIQ系统建立后取得了哪些新发现?

“借助于UNIQ系统,我们以中医‘寒、热’诊疗概念为切入点,构建出中医‘寒证’‘热证’的生物分子网络,初步揭示了中医寒热证与代谢—免疫失衡相关的生物学基础,还发现了寒热相关疾病发生发展的机制和清热、散寒药物的作用机理。”李梢说,通过融合宏微观信息,UNIQ系统帮助实现了中医药精准研发的关键技术突破,以UNIQ系统为核心的系列专利技术还在30余个中药、标志物的研发中转化实施。尤其值得一提的是,团队利用UNIQ系统研发了胃癌“智能早筛—极早诊断—精准早治”三位一体的中西医精准诊疗系统。

中国胃癌发病率占全球的44%,长期以来胃癌早诊率低于10%,成为危害人民生命健康的一个现实难题。中医强调“治未病”,《黄帝内经》也提出“脾胃之间,寒温不次……大聚乃起”。受中医经典理论启发,李梢认为在胃癌发生之前会有一个更早的、能够预警癌变发生的阶段,找出这个阶段的特征、提前阻断,有可能实现胃癌“治未病”。

利用UNIQ系统,结合大规模临床病例的采集和检测,李梢带领团队发现了胃癌“极早期”这一全新的阶段,中医上主要表现为本虚标实、寒热失衡。从中医典型病例中还发现寒、热舌苔菌群等新型标志物,尤其是首次构建了胃炎癌转化的单细胞网络,发现了与胃早癌细胞高度接近的胃癌极早期细胞。经2700余例胃炎癌转化序贯病例样本验证,发现该标志物能够使得胃癌发生的预判提前10个月,准确率达85%。探测出的胃癌极早期细胞如果处于萌芽期,进行中药干预就可能延缓甚至阻断其癌变,有望为解决我国胃癌早诊率低的难题提供突破口。

“中医强调‘治未病’,所以我们把胃癌‘智能早筛—极早诊断—精准早治’三位一体系统称为胃癌‘治未病’系统。”李梢称,围绕胃癌“极早期”的中西医特征,团队还研制出了智能中医管理系统,发现了精准预防中药,开展了胃病中成药机制解析,提升了胃炎癌转化中医药精准诊疗水平;该成果还应用于胃癌高发区,支撑了国家慢性病综合防控示范区建设。

医学分中西,患者不分中西

在现代医学突飞猛进的今天,中医药想要高质量发展,守正创新是必经之路。有人认为,中医药现代化实际上就是中医药西化。对此,李梢有不同的见解。

“中医药现代化并不是西化。医学分中西,但是患者不分中西、科学技术也不分中西,攻克疾病、维护人类健康是中西医学的共同目标。目前肿瘤等疾病高发,中医、西医都需要进一步发展。充分利用现代科学技术,建立符合中医药特色的科技创新体系,揭示中医药的科学原理,不断提升中医药解决疾病、维护健康的能力,这是中医药现代化。”李梢强调,中医药与现代科学不是互斥的,而是能够相得益彰、共同发展的。

在他看来,中医药诊疗思想和丰富经验中的“整体”特色,有可能孕育着新的医药研究模式,突破当前单因素还原论研究模式的局限,建立以中西医学和生物大数据为基础、以信息与系统为特点、融合人工智能、大数据等技术的中医药网络药理学等关键技术,有望建设符合中医药整体特色的自主创新体系,为揭示中医药奥秘、更好地维护健康、实现中医药守正创新提供一种新途径。

经过20余年的探索,在李梢看来,中医药科技创新不仅有望解读出中医药学的奥秘,还有望促使中医药在疾病诊疗的原理上、实践中发挥更大的作用,“中医药现代化需要中医药工作者与现代科技工作者之间打破隔阂,增进理解,共同推进。希望有更多的现代科学研究人员、青年学子能够成为中医药现代化的建设者”。

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