北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)揭示代謝物如何影響人體健康

鄔榮領(lǐng)作研究成果相關(guān)介紹。澎湃新聞?dòng)浾?程婷 圖

10月20日，北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院舉行科研成果發(fā)布會(huì)，介紹了該研究院統(tǒng)計(jì)團(tuán)隊(duì)與代數(shù)拓?fù)鋱F(tuán)隊(duì)近日在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表的最新研究進(jìn)展——“復(fù)雜疾病的代謝物理學(xué)”（The metabolomic physics of complex diseases）。該項(xiàng)成果為解析復(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(jì)提供了新思路。

目前研究表明，疾病的發(fā)生與代謝的改變息息相關(guān)。然而，現(xiàn)有方法只能描述單一關(guān)鍵代謝物，沒(méi)有考慮到復(fù)雜疾病是多因素、動(dòng)態(tài)、異質(zhì)和相互依賴的實(shí)際情況。對(duì)此，清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心曾思明講座教授、北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院副院長(zhǎng)鄔榮領(lǐng)介紹，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了生態(tài)系統(tǒng)理論和進(jìn)化博弈論原理，首創(chuàng)復(fù)雜疾病的統(tǒng)計(jì)物理模型，該模型實(shí)現(xiàn)了兩大創(chuàng)新。

一是，能夠分析和推斷系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)變量之間的因果關(guān)系，將所有代謝物整合為雙向、有符號(hào)和加權(quán)的交互網(wǎng)絡(luò)，并追蹤一個(gè)代謝物到另一個(gè)代謝物的信息流如何導(dǎo)致健康狀態(tài)的變化?！叭绱?，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方法，我們可以將所有代謝物在網(wǎng)絡(luò)中互相連接起來(lái)，而不再需要一一對(duì)應(yīng)地進(jìn)行分析，從而可以分析和理解代謝物之間的整體關(guān)系。”鄔榮領(lǐng)表示。

二是，研究團(tuán)隊(duì)將代數(shù)拓?fù)渲械耐{(diào)理論應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)解析。研究團(tuán)隊(duì)使用數(shù)學(xué)家丘成桐及其合作者最近發(fā)展出的“GLMY同調(diào)理論”來(lái)定量地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解析。通過(guò)考察網(wǎng)絡(luò)中相互作用的強(qiáng)弱和類(lèi)型，引入了網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，并使用持續(xù)GLMY同調(diào)理論來(lái)追蹤捕獲網(wǎng)絡(luò)中不同尺度結(jié)構(gòu)模式的拓?fù)渥兓?guī)律。進(jìn)一步地，對(duì)特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式，使用同調(diào)生成元來(lái)解析與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)中的核心因子，不同因子間的相互作用以及信息傳遞路線，從而更深入地理解疾病發(fā)展的機(jī)理。

“通過(guò)將這個(gè)模型應(yīng)用到真實(shí)數(shù)據(jù)，我們能夠識(shí)別出幾個(gè)中心代謝物及其交互網(wǎng)，這些代謝物在炎癥性腸病的形成中起到了關(guān)鍵作用?！币匝仔阅c疾病為例，鄔榮領(lǐng)補(bǔ)充指出，這一發(fā)現(xiàn)可以為我們提示如何利用代謝物來(lái)預(yù)測(cè)和預(yù)防疾病的風(fēng)險(xiǎn)，也將為未來(lái)的藥物設(shè)計(jì)和治療方法提供有力指導(dǎo)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將現(xiàn)有的研究均歸結(jié)為復(fù)雜系統(tǒng)。通過(guò)建立合適的算法，可以尋找影響復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，對(duì)微觀世界與宏觀世界層面的復(fù)雜運(yùn)行調(diào)控規(guī)律進(jìn)行深入定量分析。

鄔榮領(lǐng)介紹，隨著初步研究取得一定成果，未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)將對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步深入的拓展，為理解、分析和預(yù)測(cè)復(fù)雜現(xiàn)象提供通用方法。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)團(tuán)隊(duì)將積極與代數(shù)拓?fù)浼捌鋺?yīng)用團(tuán)隊(duì)、大數(shù)據(jù)與人工智能團(tuán)隊(duì)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)團(tuán)隊(duì)以及更多團(tuán)隊(duì)進(jìn)行學(xué)科交叉與學(xué)科互補(bǔ)，共同合作對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步深入探討，將該模型應(yīng)用于各相對(duì)的領(lǐng)域，協(xié)同工作確保研究的全面性和深度，為前沿科學(xué)在各領(lǐng)域的應(yīng)用提供解決方案。

北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院成立于2020年，是由北京市人民政府支持，依托清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等數(shù)學(xué)學(xué)科優(yōu)勢(shì)資源單位，委托國(guó)際數(shù)學(xué)大師丘成桐牽頭籌建的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。作為北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院院長(zhǎng)，丘成桐表示，要從基礎(chǔ)科學(xué)出發(fā)，探索最前沿的科學(xué)和技術(shù)；同時(shí)，理論的實(shí)踐化也非常關(guān)鍵。這意味著應(yīng)用數(shù)學(xué)不僅僅是理論研究，還需要與實(shí)際問(wèn)題和產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，為社會(huì)提供解決方案。他還強(qiáng)調(diào)，在應(yīng)用數(shù)學(xué)發(fā)展中，既要汲取國(guó)際的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，也要注重本土化和創(chuàng)新，形成獨(dú)特的研究和應(yīng)用路徑。