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大数据与人工智能时代的中医药——访清华大学首都市中医药交叉研究所所长李梢

大数据与人(ren)工智能时代的(de)中医药(健康故事汇)

——访清华大学北京市中医药交叉研究所所长李梢

李梢出生于中医世家,父亲是(shi)首届“国医大师”李济仁,母亲张舜华是(shi)国家级非遗传承人(ren)。他(ta)从小就跟父母采草药、读医书、背汤头,接受了传统的(de)中医教育,本科就读于北京中医药大学,然后回来跟随父母抄方,在皖南医学院硕士毕业后考回北京中医药大学,师从王永炎院士攻读博士研究生。博士毕业后来到清华大学自动化系工作至今。今年7月13日,英国皇家化学学会发来贺信,祝贺李梢入选英国皇家化学学会会士。

中医药治病的(de)原理是(shi)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(de)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(de)奥秘,首次提出符合中医药整体特色的(de)“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(ren)问我(wo),什么是(shi)上火、清热?中医药治病的(de)道理究竟是(shi)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(hao)地治病?”李梢说,在求学过程中,这些问题一直萦绕在他(ta)的(de)脑海,但是(shi)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(shi)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(de)阐释。李梢指出,现代医学生命科学经常采用的(de)是(shi)还原论,即在局部研究得很深入,但对(dui)于患者整体规律的(de)理解还不够。将一个整体拆成一个个零件相对(dui)容易,而将一个个零件重新组合成一个整体,尤其是(shi)组合成人(ren)体这么复杂的(de)生物系统,则要困难得多。因此,探究中医治病的(de)原理,难以直接套用现成的(de)方法。

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

正是(shi)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(de)假说——中医药不是(shi)和单个生物分子有关,而是(shi)和生物分子相互作用的(de)网络、网络的(de)动态变化有关,这个网络有可能表征中医药的(de)整体。当时恰逢人(ren)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(ren)工智能)的(de)学科特点和中医药整体观、系统观的(de)思维很契合。

在清华大学生物信息学专家李衍达院士的(de)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(de)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(de)学科跨度很大,如何既守住中医药的(de)底蕴,又把握住信息科学的(de)原理,实现守正创新?

李梢介绍,打开中医药的(de)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(de)中医理论和现代基因、蛋白、细胞等微观因素存在的(de)关系,那就难以揭示中医药的(de)科学内涵;如果只采用目前医学常用的(de)单因素还原分析方法,则容易丢掉中医宝贵的(de)整体特色,难以“守正”;传统中医药积累了丰富的(de)经验,但在微观层次的(de)数据积累较为薄弱,如何从微观和系统角度阐释中医药的(de)“整体”特色,这对(dui)信息科学也提出了挑战。

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

经过多年的(de)探索,李梢和他(ta)的(de)团队(tuandui)(dui)建(jian)立了中西医药分子网络导航系统——UNIQ系统(基于网络靶标的(de)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(de)‘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(ren)类表型网络(人(ren)类疾病,包括中医证候的(de)临床表现)、生物分子网络(生物体内部的(de)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(de)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(tuandui)(dui)研制了中西医表型、生物分子网络、中西药物的(de)“关系推断”算法,实现同时期国际最高精度的(de)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(de)关联,在生物分子网络上实现了疾病和药物内在关系的(de)定位和导航。

“目前,我(wo)们(men)已经把中西医表型—细胞—分子—中西药物之间的(de)关系都进行了全局性的(de)预测,算法还在不断发展完善。”李梢说,这些算法的(de)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(de)大数据能为中医药所用,从一个全新的(de)角度阐释中医药科学原理,为大数据和人(ren)工智能时代中医药的(de)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(jian)立后取得了哪些新发现?

“借助于UNIQ系统,我(wo)们(men)以中医‘寒、热’诊疗概念为切入点,构建(jian)出中医‘寒证’‘热证’的(de)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(de)生物学基础,还发现了寒热相关疾病发生发展的(de)机制和清热、散寒药物的(de)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(de)关键技术突破,以UNIQ系统为核心的(de)系列专利技术还在30余个中药、标志物的(de)研发中转化实施。尤其值得一提的(de)是(shi),团队(tuandui)(dui)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(de)中西医精准诊疗系统。

中国胃癌发病率占全球的(de)44%,长期以来胃癌早诊率低于10%,成为危害人(ren)民生命健康的(de)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(de)、能够预警癌变发生的(de)阶段,找出这个阶段的(de)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(de)采集和检测,李梢带领团队(tuandui)(dui)发现了胃癌“极早期”这一全新的(de)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(shi)首次构建(jian)了胃炎癌转化的(de)单细胞网络,发现了与胃早癌细胞高度接近的(de)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(de)预判提前10个月,准确率达85%。探测出的(de)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(wo)国胃癌早诊率低的(de)难题提供突破口。

“中医强调‘治未病’,所以我(wo)们(men)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(de)中西医特征,团队(tuandui)(dui)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(jian)设(she)。

医学分中西,患者不分中西

在现代医学突飞猛进的(de)今天,中医药想要高质量发展,守正创新是(shi)必经之路。有人(ren)认为,中医药现代化实际上就是(shi)中医药西化。对(dui)此,李梢有不同的(de)见解。

“中医药现代化并不是(shi)西化。医学分中西,但是(shi)患者不分中西、科学技术也不分中西,攻克疾病、维护人(ren)类健康是(shi)中西医学的(de)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(jian)立符合中医药特色的(de)科技(keji)创新体系,揭示中医药的(de)科学原理,不断提升中医药解决疾病、维护健康的(de)能力,这是(shi)中医药现代化。”李梢强调,中医药与现代科学不是(shi)互斥的(de),而是(shi)能够相得益彰、共同发展的(de)。

在他(ta)看来,中医药诊疗思想和丰富经验中的(de)“整体”特色,有可能孕育着新的(de)医药研究模式,突破当前单因素还原论研究模式的(de)局限,建(jian)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(ren)工智能、大数据等技术的(de)中医药网络药理学等关键技术,有望建(jian)设(she)符合中医药整体特色的(de)自主创新体系,为揭示中医药奥秘、更好(hao)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(de)探索,在李梢看来,中医药科技(keji)创新不仅有望解读出中医药学的(de)奥秘,还有望促使中医药在疾病诊疗的(de)原理上、实践中发挥更大的(de)作用,“中医药现代化需要中医药工作者与现代科技(keji)工作者之间打破隔阂,增进理解,共同推进。希望有更多的(de)现代科学研究人(ren)员、青年学子能够成为中医药现代化的(de)建(jian)设(she)者”。

清华大学北京市中医药交叉研究所

2020年,依托清华大学自动化系、凝聚多院系力量,清华大学北京市中医药交叉研究所成立,这是(shi)清华第一个中医药交叉研究机构,也是(shi)国内外首个在综合性重点大学依托信息学科成立的(de)中医药交叉研究机构。

李梢的(de)团队(tuandui)(dui)汇集了来自自动化、计算机、中医药、生物学等不同专业背景的(de)研究生。团队(tuandui)(dui)在中医药交叉研究时,以问题为导向,多学科人(ren)才淡化各自专业的(de)界限,朝着共同的(de)问题和目标汇聚智慧和力量。

王美华 【编辑:陈文韬】

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