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我國科研團隊揭示代謝物如何影響人體健康
作者：程婷 來源：澎湃新聞
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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，介紹了該研究院統(tǒng)計團隊與代數(shù)拓?fù)鋱F隊近日在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表的最新研究進展——“復(fù)雜疾病的代謝物理學(xué)”（The metabolomic physics of complex diseases）。該項成果為解析復(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，沒有考慮到復(fù)雜疾病是多因素、動態(tài)、異質(zhì)和相互依賴的實際情況。對此，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)研究院副院長鄔榮領(lǐng)介紹，研究團隊結(jié)合了生態(tài)系統(tǒng)理論和進化博弈論原理，首創(chuàng)復(fù)雜疾病的統(tǒng)計物理模型，該模型實現(xiàn)了兩大創(chuàng)新。
一是，能夠分析和推斷系統(tǒng)內(nèi)部各個變量之間的因果關(guān)系，將所有代謝物整合為雙向、有符號和加權(quán)的交互網(wǎng)絡(luò)，并追蹤一個代謝物到另一個代謝物的信息流如何導(dǎo)致健康狀態(tài)的變化。“如此，通過網(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，而不再需要一一對應(yīng)地進行分析，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，研究團隊將代數(shù)拓?fù)渲械耐�調(diào)理論應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)解析。研究團隊使用數(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”來定量地對網(wǎng)絡(luò)進行解析。通過考察網(wǎng)絡(luò)中相互作用的強弱和類型，引入了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)演化過程，并使用持續(xù)GLMY同調(diào)理論來追蹤捕獲網(wǎng)絡(luò)中不同尺度結(jié)構(gòu)模式的拓?fù)渥兓��?guī)律。進一步地，對特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式，使用同調(diào)生成元來解析與之相關(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)展的機理。
“通過將這個模型應(yīng)用到真實數(shù)據(jù)，我們能夠識別出幾個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)補充指出，這一發(fā)現(xiàn)可以為我們提示如何利用代謝物來預(yù)測和預(yù)防疾病的風(fēng)險，也將為未來的藥物設(shè)計和治療方法提供有力指導(dǎo)。
研究團隊進一步將現(xiàn)有的研究均歸結(jié)為復(fù)雜系統(tǒng)。通過建立合適的算法，可以尋找影響復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，對微觀世界與宏觀世界層面的復(fù)雜運行調(diào)控規(guī)律進行深入定量分析。
鄔榮領(lǐng)介紹，隨著初步研究取得一定成果，未來研究團隊將對模型進行進一步深入的拓展，為理解、分析和預(yù)測復(fù)雜現(xiàn)象提供通用方法。同時，統(tǒng)計團隊將積極與代數(shù)拓?fù)浼捌鋺?yīng)用團隊、大數(shù)據(jù)與人工智能團隊、數(shù)字經(jīng)濟團隊以及更多團隊進行學(xué)科交叉與學(xué)科互補，共同合作對相關(guān)問題進行進一步深入探討，將該模型應(yīng)用于各相對的領(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)、中國科學(xué)院等數(shù)學(xué)學(xué)科優(yōu)勢資源單位，委托國際數(shù)學(xué)大師丘成桐牽頭籌建的新型研發(fā)機構(gòu)。作為北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院院長，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，理論的實踐化也非常關(guān)鍵。這意味著應(yīng)用數(shù)學(xué)不僅僅是理論研究，還需要與實際問題和產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，為社會提供解決方案。他還強調(diào)，在應(yīng)用數(shù)學(xué)發(fā)展中，既要汲取國際的經(jīng)驗和技術(shù)，也要注重本土化和創(chuàng)新，形成獨特的研究和應(yīng)用路徑。
（原標(biāo)題：北京雁棲湖應(yīng)用數(shù)學(xué)研究院研究團隊揭示代謝物如何影響人體健康）
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