AI为中医药诊疗装上精准“导航”！清华大学李梢团队如何解密中医药机理？
发布时间：2024-07-08
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清华大学北京市中医药交叉研究所所长、欧洲科学与艺术院院士李梢研发的智能系统，为说明白、讲清楚中医药作用机理提供了全新范式——
如果将人体比喻为一个地图，中药进入人体产生的作用就像地图上一条条路线，这些路线能够被清晰呈现吗？如果把中医药对人体的宏观治疗比喻为一片森林，中医药对细胞、分子层面的作用就像森林中的树木，森林与树木的关系能够一目了然吗？
日前，清华大学北京市中医药交叉研究所所长、欧洲科学与艺术院院士李梢带领团队自主研发的“基于网络靶标的中西医药智能和定量分析技术与系统（简称UNIQ系统）”获得第49届日内瓦国际发明展最高级别的“评审团特别嘉许金奖”，该系统有望将上述设想变为现实。
“借助人工智能，该系统对疾病的发生、发展、药物的干预效果起到精准导航的作用，既体现出中医的整体观，又使中医药能够深入到微观层面，为中医药的传承发展提供生物机理上的支撑。”李梢说。
学科交叉 打开解密中医药机理之门
对于中医药诊疗疾病的原理，出生于中医世家的李梢在少年时代就有自己的洞见。他认为，中医药治病的原理是可以用现代科学的语言阐释的，中医药与现代科学并不互斥，二者能够相得益彰、共同发展。他的想法也得到了父亲——首届国医大师李济仁的肯定。
1999年，在北京中医药大学跟随中国工程院院士王永炎攻读博士期间，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。
在清华大学生物信息学专家、中国科学院院士李衍达的支持下，李梢于2001年进入清华大学自动化系（自动化系以“三论一智”为特点，“三论”指信息论、系统论、控制论；“一智”指人工智能，其学科特点和中医药整体观、系统观的思维很契合），进行“生物信息学与中医药现代化”的大跨度交叉学科研究，也开始了他20多年的解密中医药现代原理之路。
交叉学科可以探索，但如此大的跨度，怎样才能守住中医药的底蕴，巧妙地将现代科学融入其中，李梢面临三道难关。第一，讲不清中医药在机体内部如何发挥作用，中医药的科学内涵就无法被揭示；第二，如果采用现代医学常用的还原分析方法，很容易丢掉中医的整体特色，难以“守正”；第三，缺少中医药在微观层面的数据积累，从微观和系统的角度阐释中医药的“整体”特色亦是挑战。
经过反复思考，李梢提出了一个大胆的想法：把中医的整体思维用于微观的生物层面，在人体“黑箱”里建立一个“GPS（导航）系统”，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。
经过团队多年攻关，一个能够展现出中西医药与生物分子的关联的系统——“中西医药分子网络导航系统（UNIQ系统）”应运而生。
假设一名感染风寒后咳嗽的患者服用了某种中药进行治疗而后痊愈，这一过程中，症状、药物、人体细胞之间是如何发生联系的？这个系统如何呈现人类疾病、生物分子网络、中西药物之间的关联？
李梢打了一个简单的比方：“如果我想要通过微信朋友圈知道一个人与全世界所有人的关系，如何去筛选呢？只要用这个人的朋友圈和全世界所有人的朋友圈去做一个对比，如果两个人的朋友圈重合度很高，那么这两个人是朋友的可能性就越大。这种关联规律同样适合于建立宏观临床表型、微观生物实体、药物之间的多层次联系，什么病和证需要用什么药来治，大数据就可以帮忙得到答案。”
李梢介绍，UNIQ系统借鉴了中医整体观的“取象比类”思想，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。
“一张由疾病、药物和生物分子织成的网络就好比由无数道路组成的地图，找到编码规律才能获取揭秘人体‘黑箱’的钥匙。”李梢说。
基于这一规律，团队已经研制了中西医表型、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。
事实上，这一系统已经被应用在临床，在中医诊疗和中药研发上实现了规模化应用。一个典型范例是，利用UNIQ系统，结合大规模病例样本的采集和检测，李梢团队构建了胃炎癌转化的寒热证分子网络、舌苔菌群网络、胃组织单细胞网络，发现了本虚标实、寒热失衡促使胃炎癌转化的内在规律，尤其是在部分中医证候典型、病理诊断处于低级别异型增生阶段的患者胃组织上发现了一类“胃癌极早期细胞”，它与胃早癌细胞分子特征高度类似，可以表征胃癌癌变的萌芽阶段。围绕发现的胃癌极早期这一全新分期，李梢团队还研制了胃癌极早期中西医智能筛查系统、胃癌极早期生物标志物，以及精准防治中药，为解决我国胃癌早诊率低的难题提供了重要突破口。
“这一系统即让中医药思维能够在微观层次发现规律，又使现代医学生命科学积累的大数据能够为中医药所用，从一个全新的角度说明白、讲清楚中医药科学原理，为中医药精准诊疗奠定基础。”李梢说。
打破壁垒 破解中医药传承创新之题
“中医药发展过程中面临的困难可以成为中医药的发展机遇。”李梢说，在自己的科研之路上，最大的感触就是中医药不断在突破原有的研究模式，开拓创新，与时俱进。
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，建设符合中医药整体特色的自主创新体系，是李梢团队的目标。
为了跨越传统与现代之间的鸿沟，李梢牵头创立清华大学北京市中医药交叉研究所。2021年，研究所揭牌。研究所依托清华大学自动化系，联合清华大学医学院、药学院、生命科学学院、化学系、附属长庚和玉泉医院等多个院系的力量共同建设。聚焦中医药关键科技需求，以“医工结合、中西结合、交叉创新”为特色，真正实现了多学科交叉融合共建新模式。李梢作为所长，成为了“中医药+AI”领域的探路者。
李梢介绍，交叉研究所自成立以来，已率先制定并发布了网络药理学首个国际标准，促进了中医药科研方法走向国际前沿，积极推动中医药创新发展。
“用现代科学解读中医药原理，我们不能只做旁观者、批评者，要勇于做建设者、创造者，这是我们这一代研究者的使命。”李梢表示，在这条沟通传统医学与现代科技的道路上，团队还将持续攻坚。
如果将人体比喻为一个地图，中药进入人体产生的作用就像地图上一条条路线，这些路线能够被清晰呈现吗？如果把中医药对人体的宏观治疗比喻为一片森林，中医药对细胞、分子层面的作用就像森林中的树木，森林与树木的关系能够一目了然吗？
日前，清华大学北京市中医药交叉研究所所长、欧洲科学与艺术院院士李梢带领团队自主研发的“基于网络靶标的中西医药智能和定量分析技术与系统（简称UNIQ系统）”获得第49届日内瓦国际发明展最高级别的“评审团特别嘉许金奖”，该系统有望将上述设想变为现实。
“借助人工智能，该系统对疾病的发生、发展、药物的干预效果起到精准导航的作用，既体现出中医的整体观，又使中医药能够深入到微观层面，为中医药的传承发展提供生物机理上的支撑。”李梢说。
学科交叉 打开解密中医药机理之门
对于中医药诊疗疾病的原理，出生于中医世家的李梢在少年时代就有自己的洞见。他认为，中医药治病的原理是可以用现代科学的语言阐释的，中医药与现代科学并不互斥，二者能够相得益彰、共同发展。他的想法也得到了父亲——首届国医大师李济仁的肯定。
1999年，在北京中医药大学跟随中国工程院院士王永炎攻读博士期间，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。
在清华大学生物信息学专家、中国科学院院士李衍达的支持下，李梢于2001年进入清华大学自动化系（自动化系以“三论一智”为特点，“三论”指信息论、系统论、控制论；“一智”指人工智能，其学科特点和中医药整体观、系统观的思维很契合），进行“生物信息学与中医药现代化”的大跨度交叉学科研究，也开始了他20多年的解密中医药现代原理之路。
交叉学科可以探索，但如此大的跨度，怎样才能守住中医药的底蕴，巧妙地将现代科学融入其中，李梢面临三道难关。第一，讲不清中医药在机体内部如何发挥作用，中医药的科学内涵就无法被揭示；第二，如果采用现代医学常用的还原分析方法，很容易丢掉中医的整体特色，难以“守正”；第三，缺少中医药在微观层面的数据积累，从微观和系统的角度阐释中医药的“整体”特色亦是挑战。
经过反复思考，李梢提出了一个大胆的想法：把中医的整体思维用于微观的生物层面，在人体“黑箱”里建立一个“GPS（导航）系统”，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。
经过团队多年攻关，一个能够展现出中西医药与生物分子的关联的系统——“中西医药分子网络导航系统（UNIQ系统）”应运而生。
数据编码 掌握中医药精准诊疗之钥
假设一名感染风寒后咳嗽的患者服用了某种中药进行治疗而后痊愈，这一过程中，症状、药物、人体细胞之间是如何发生联系的？这个系统如何呈现人类疾病、生物分子网络、中西药物之间的关联？
李梢打了一个简单的比方：“如果我想要通过微信朋友圈知道一个人与全世界所有人的关系，如何去筛选呢？只要用这个人的朋友圈和全世界所有人的朋友圈去做一个对比，如果两个人的朋友圈重合度很高，那么这两个人是朋友的可能性就越大。这种关联规律同样适合于建立宏观临床表型、微观生物实体、药物之间的多层次联系，什么病和证需要用什么药来治，大数据就可以帮忙得到答案。”
李梢介绍，UNIQ系统借鉴了中医整体观的“取象比类”思想，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。
“一张由疾病、药物和生物分子织成的网络就好比由无数道路组成的地图，找到编码规律才能获取揭秘人体‘黑箱’的钥匙。”李梢说。
基于这一规律，团队已经研制了中西医表型、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。
事实上，这一系统已经被应用在临床，在中医诊疗和中药研发上实现了规模化应用。一个典型范例是，利用UNIQ系统，结合大规模病例样本的采集和检测，李梢团队构建了胃炎癌转化的寒热证分子网络、舌苔菌群网络、胃组织单细胞网络，发现了本虚标实、寒热失衡促使胃炎癌转化的内在规律，尤其是在部分中医证候典型、病理诊断处于低级别异型增生阶段的患者胃组织上发现了一类“胃癌极早期细胞”，它与胃早癌细胞分子特征高度类似，可以表征胃癌癌变的萌芽阶段。围绕发现的胃癌极早期这一全新分期，李梢团队还研制了胃癌极早期中西医智能筛查系统、胃癌极早期生物标志物，以及精准防治中药，为解决我国胃癌早诊率低的难题提供了重要突破口。
“这一系统即让中医药思维能够在微观层次发现规律，又使现代医学生命科学积累的大数据能够为中医药所用，从一个全新的角度说明白、讲清楚中医药科学原理，为中医药精准诊疗奠定基础。”李梢说。
打破壁垒 破解中医药传承创新之题
“中医药发展过程中面临的困难可以成为中医药的发展机遇。”李梢说，在自己的科研之路上，最大的感触就是中医药不断在突破原有的研究模式，开拓创新，与时俱进。
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，建设符合中医药整体特色的自主创新体系，是李梢团队的目标。
为了跨越传统与现代之间的鸿沟，李梢牵头创立清华大学北京市中医药交叉研究所。2021年，研究所揭牌。研究所依托清华大学自动化系，联合清华大学医学院、药学院、生命科学学院、化学系、附属长庚和玉泉医院等多个院系的力量共同建设。聚焦中医药关键科技需求，以“医工结合、中西结合、交叉创新”为特色，真正实现了多学科交叉融合共建新模式。李梢作为所长，成为了“中医药+AI”领域的探路者。
李梢介绍，交叉研究所自成立以来，已率先制定并发布了网络药理学首个国际标准，促进了中医药科研方法走向国际前沿，积极推动中医药创新发展。
2023年夏季，首位晋升瑞典卡罗林斯卡医学院终身教授的亚裔教授、欧洲科学与艺术院院士、中国工程院外籍院士、血管新生顶尖科学家曹义海访问清华大学中医药交叉研究所，看到李梢的研究成果后感到很振奋，认为其具有极大的开创性。在曹义海等专家的力荐下，经过评审，由于在网络药理学与传统医药研究上的开创性贡献，以及在胃癌极早期防治研究上的突破性成就，李梢当选为欧洲科学与艺术院院士。该院为国际科学院组织、中国科学院发起成立的“一带一路”国际科学组织联盟等权威机构收录的唯一欧洲科学院，也标志着该系统迈出了国际化的步伐。
“用现代科学解读中医药原理，我们不能只做旁观者、批评者，要勇于做建设者、创造者，这是我们这一代研究者的使命。”李梢表示，在这条沟通传统医学与现代科技的道路上，团队还将持续攻坚。
