系统生物学在哮喘研究中的应用进展
摘要：哮喘是一种以慢性气道炎症和气道高反应性和气道重塑为特征的异质性疾病。系统生物学的数据分析组学方法和数学建模方法在哮喘标志物筛选、病理机制研究中得到开展。本文就近年来系统生物学在哮喘研究中的进展及取得的成果进行综述。
关键词：系统生物学；哮喘；组学；数学模型
哮喘是一种炎症性慢性气道疾病，在世界范围内发病率很高，并呈上升趋势[1]。哮喘的复杂性和异质性使得其在临床上的诊断和治疗具有挑战性。哮喘的症状主要是气道炎症导致的气道高反应及气道阻塞，临床上的诊断和治疗主要基于对这些症状的评估和肺功能检查。然而哮喘人群暴露在各种环境和微生物条件下会造成不同程度的易感性，产生各种各样的疾病表型，治疗后的反应也不尽相同[2]。随着系统生物学研究的不断发展，将有助于解决区分不同的哮喘表型并有望在发病之前采取预防措施。
与传统的基于病理生理学概念进行诊断和治疗相比，系统生物学显示出较明显的优势。系统生物学旨在开发和使用有效算法进行数学建模，处理由各种组学方法得到的庞大的数据 [3]。本文就近几年国内外学者的研究，对系统生物学在哮喘研究中的应用进展进行综述。
- 哮喘
哮喘是一种以慢性气道炎症和气道高反应性和气道重塑为特征的异质性疾病，呈现出不同的临床、免疫和炎症表型。多种症状为各表型共有，包括气道堵塞，气道炎症及存在气道重塑等。临床表型也因呼吸系统生理、免疫、病理等个人差异而不同。
哮喘目前主要通过三类处方药治疗：吸入短效和长效beta;2激动剂、吸入和口服皮质类固醇和白三烯拮抗剂。虽然这些药物在大多数患者中显示出疗效，但不是对于所有患者都是有效的，在治疗反应中也显示出显著的个体间变异性[4]。
哮喘的传统诊断技术主要依据临床症状、肺功能检查等指标，而哮喘很多临床症状是非特异性的，并且肺功能检查灵敏度低。单纯凭借临床及肺功能检查容易将哮喘与其他喘息性疾病例如支气管炎等混淆，例如一些婴幼儿时期发病的哮喘最初症状是持续性咳嗽[5]，或在呼吸道病毒感染时伴有喘息，经常被误诊为支气管炎、过敏性鼻炎或肺炎，延误了给予抗哮喘药物治疗的时机。肺组织活检和支气管肺泡灌洗液中可以获得大量炎症细胞，能直接反映呼吸道内部情况，是调查气道炎症的“金标准”，但是采集过程是侵入性的，并且价格昂贵，不适合临床使用[6]；诱导痰可以在成人中进行，但是在儿童中则因为技术不足会导致儿童感到不适而无法普遍使用，且容易受唾液污染；呼出气冷凝液(exhaled breath condensate, EBC)技术简单，重复性好，并且也发现了一些生物标志物，例如白三烯等，但是EBC的收集和生物标志物的检测程序不够标准化。IgE水平在哮喘患者中升高，并与疾病严重程度有关。IgE对特定过敏原的存在是一种针对过敏性哮喘的生物标志物；FeNO是气道炎症可靠的诊断标志物，在哮喘患者水平升高，激素治疗后下降[7]。哮喘表型可以根据炎性细胞的数量和类型，例如嗜酸性粒细胞和嗜中性粒细胞进行定义[8]，嗜酸性粒细胞在哮喘患者体内水平通常升高[9]，被认为是气道炎症的关键效应细胞，中性粒细胞在急性严重哮喘恶化过程中的气道分泌物中表现突出，这可能是由于它们在发起和解决攻击过程中的作用[8]。外周血及痰嗜酸性粒细胞可以在一定程度上反映哮喘的情况，可作为哮喘对激素治疗反应的一个指示靶标[10]。
- 系统生物学的研究方法
系统生物学是理解生命系统的一种方法，其重点在于对不同类型的高维复杂相互作用进行建模，从而在多个尺度上对分子，细胞，组织，器官，有机体等有更全面的理解。建立系统生物学网络模型，可以了解哮喘中基因组，转录组，表观基因组，微生物组和代谢组之间的相互作用。目前研究系统生物学的方法包括两大类，数据分析的“组学”方法和数学建模方法。
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