雷錦志:從計算數學的角度研究癌症—新聞—科學網

2020-12-11 科學網

 

■本報記者 彭科峰

如果能通過我們的深入研究建立起對癌症演變過程更加完善的模型，我覺得對於癌症的早期診斷和治療還是會有幫助的。

談到治療和研究癌症，你會想到什麼？是醫生手中的手術刀？還是醫藥學家研發的特效藥？

很多人沒有想到的是，看似一門基礎學科的數學，其實對研究癌症的機理大有幫助。早在2007年，美國知名癌症學家羅伯特·溫伯格就提出了「用數學處理癌症問題」。在他看來，癌症的發生發展過程太過複雜，藉助數學模型可以幫助生物學家更好地了解影響癌症演變過程的各種調控作用之間的關係，並對複雜的生物現象提出更加合理的解釋。

清華大學周培源應用數學研究中心雷錦志副研究員，就是國內少有的沿著羅伯特·溫伯格的思路，從事計算系統生物學研究，用數學研究癌症的學者。在他看來，「國外的計算系統生物學研究已經如火如荼，國內亟待在這方面加強研究。」

從數學到生物

數學，科學研究中最基礎的一門學科。它是很多學科的基礎，是描述科學的語言，也和諸多學科有著千絲萬縷的聯繫。

最開始，雷錦志是一名純粹的數學工作者。彼時，他在北京航空航天大學從事應用數學研究獲得博士學位，然後在清華大學數學科學系做博士後。隨著研究的深入，他開始感覺有些困惑，「純數學的研究強調內在的邏輯關係，這種對邏輯的嚴格要求有時會阻礙數學作為科學語言在實際問題中的應用，而且也限制了純數學的研究範圍。我希望能把數學應用到更加具體的學科研究中。」

選擇系統生物學，與著名應用數學大家林家翹先生有關。系統生物學是研究生物系統組成成分的構成與相互關係的結構、動態與發生，以系統論、建模、實驗和計算方法等的整合研究來對生命科學問題進行研究的新興綜合學科。

2002年，林家翹回到母校清華大學，為了推進清華大學應用數學研究，林先生在清華主持創立了「周培源應用數學研究中心」，倡導蛋白質結構摺疊問題的理論研究。

「林先生說，二十世紀的應用數學研究物理，二十一世紀的應用數學應該研究生物。」雷錦志說，正是由於林家翹先生的號召，他決定走上數學和生物學相結合的道路。

數學研究癌症大有可為

那麼，數學到底和治療癌症有哪些關係呢？

「系統生物學的核心是生物學的系統論與計算生物學模型的建立。」雷錦志介紹，以往對癌症發生機制的研究主要是從生物學的角度來發現一些現象，缺乏對現象的總結和背後機理的研究。系統生物學就是要從癌症發生的機制方面進行深入研究，「我們不但要能發現癌症在諸多階段的一些現象，還要解釋現象背後的原因，根據我們所觀察到的離散的現象建立起動態的演變過程。這就需要定量和動態的思路來思考，需要很強的邏輯能力。」而邏輯和模型正是數學的特長。

「數學是一門非常強調邏輯和理論的學科，我們就是試圖建立各種計算模型，通過模型並結合實驗數據來研究和預測癌症發生發展的過程。」雷錦志說，癌症的發生原因很複雜，過去有很多發現從表面看上去很矛盾，但「如果用數學的思維，從更加深層次的角度去建立模型，或許就能獲得統一的解釋。」

「對我個人而言，我試圖從數學的角度，來理解癌症發生發展的全過程，這是一個相當複雜的工作，需要閱讀大量的癌症研究的論文和對數據進行綜合提煉，從中尋找其共性，建立合理的數學模型。」雷錦志指出，他的工作也往往遭遇別人的誤解。

「數學怎麼研究癌症？大家關注的是，你能不能幫助我治療癌症。我認為，癌症有其特異性，我畢竟不是醫生，現在還不能將自己的成果用於直接治療癌症。但是，如果能通過我們的深入研究建立起對癌症演變過程更加完善的模型，我覺得對於癌症的早期診斷和治療還是會有幫助的。」雷錦志說。

亟待更多支持

從數學轉到生物學，雷錦志已經在這條路上進行了七八年的深入研究。在國家自然科學基金的大力支持下，他也取得了一些令人矚目的成果。比如，2014年，他在成體幹細胞再生的基因與表觀遺傳調控交叉作用的數學模型研究方面取得的成果得到國內外學者的高度評價。

成體幹細胞存在於人體內各種可以自我更新的組織器官中，通過自我增生、死亡和分化維持組織的正常生理功能，但是其調控機制還不清楚。

雷錦志和合作者提出，組織幹細胞在自我更新和分化調控中不僅要維持細胞數量的穩定，還要保證組織中不同幹細胞類型（表觀遺傳態）所佔比例（即表觀遺傳態的分布）的恆定。此外，雷錦志還提出局部最優假設，即假設經過進化過程的選擇所形成的機體調控機制使得對細胞的分裂、死亡和分化的調控可以保證組織的整體生理功能達到局部最優。根據這一觀點所建立的數學模型體現了幹細胞再生調控中基因型與表觀遺傳型調控之間的交叉耦合，體現了生物過程中局部與整體、短期與長期目標之間的相互關聯。此外，通過這個數學模型的研究也體現了表觀遺傳調控對於維持體內微環境組分平衡的重要性。

這一理論框架為研究具體類型的幹細胞增殖與分化調控提出了新的研究思路。美國加州大學聖克魯茲分校的馬克·蒙哥教授認為，這一工作為應用數學家提出了新的生物系統的建模方向，並可能為生物學家對群體動力學和幹細胞的研究開創新的研究思路。

對於計算系統生物學未來的發展，雷錦志表示充滿信心。但他也指出，系統生物學在國外發展很熱，在國內發展還是相對滯後的。這有很多方面的原因。「比如認可度不夠、交叉學科的研究難度大、研究者過於分散、對學生的培養周期長等。」

他進一步指出，計算系統生物學的重點不在計算，而在於定量模型的建立。只有對生物問題進行合理定量化和建立模型，才知道要算什麼，才能很好地回答生物學問題。而為了建立好的數學模型，只有數學物理知識或者只有生物學知識是不夠的，必須同時掌握生物學和定量科學的知識，通過跨學科的合作來進行科學研究。只有這樣才能準確地提出生物學的問題，並且很好地把生物學問題轉化成定量的計算（或者分析）的問題。因此，國內需要加大在該領域人才的培養，「在精準醫療的時代，系統生物學的研究應該得到更大的重視和更多的支持。」

《中國科學報》 (2017-02-27 第6版 基金)

相關焦點

  • 兒童發展性計算障礙研究進展
    愛思唯爾期刊《實驗兒童心理學雜誌》（Journal of Experimental Child Psychology）最近刊登了加拿大西安大略大學的一項最新研究。研究人員通過功能性磁共振成像，研究了具有發展性計算障礙的兒童，結果發現，這些兒童的大腦頂葉區域活動不正常。 發展性計算障礙作為一種特異性學習障礙，影響兒童的數學成就與數學學習觀念，因而引起了多學科研究的關注和重視。發展性計算障礙的發生率大約為5％-6％，有些國家更高。患有發展性計算障礙的兒童在學習、生活和今後的工作中都會遇到很多的困難。
  • 癌症研究通過可重複性實驗—新聞—科學網
    圖片來源：Adva/Flickr (CC BY-NC 2.0) 一個旨在檢測癌症生物學可重複性的項目近日公布了第二批驗證結果，這一次它帶來的是好消息：兩篇重要癌症論文的絕大多數實驗可以被重複 最新可重複性研究於6月27日發表於開放獲取在線生命科學期刊eLife，它們緊隨今年1月對5篇論文進行可重複性驗證之後。此前就高影響力癌症研究能否被重複的驗證產生了矛盾的信息。 但在此次的兩項新重複性實驗中，仍有一個重要小鼠實驗未能重複，《癌症生物學》可重複性項目負責人之一表示，這表明動物研究可重複性當前面臨的問題。
  • 上海交大與復旦攜手組建上海國家應用數學中心—新聞—科學網
    根據上海市科委發布的最新信息，上海應用數學中心（以下簡稱中心）由復旦大學和上海交通大學組建，在兩校各設分中心，並聯合上海乃至長三角地區相關高校和代表性企業進行組建
  • 新研究證實有出生缺陷的試管嬰兒更易患癌—新聞—科學網
    更高的患癌風險 該研究選取了美國紐約州、德克薩斯州、麻薩諸塞州和北卡羅來納州的兒童數據，對自然生產的兒童和試管嬰兒就出生缺陷和癌症進行了隊列研究，其中包括1000639名孕婦自然生產的兒童和52776名通過體外受精技術生產的兒童。
  • 「中文版癌症綜合信息庫網站」上線—新聞—科學網
    6月29日，「中文版癌症綜合信息庫（Physician Data Query）網站」（簡稱「中文版PDQ網站」）（網址：http://pdq.cicams.ac.cn）新聞發布會在中國醫學科學院腫瘤醫院召開
  • 果蠅繁殖與衰老的關係獲揭示—新聞—科學網
    Carey等人合作，運用統計學方法，從時間年齡和死亡年齡兩個角度分析了果蠅繁殖與衰老的關係。相關研究近日發表於Experimental Gerontology。 對死亡時間的準確預測在生物醫學中很重要，可以讓患者更好地考慮自己的未來，也讓醫生能更準確地做出醫療判斷，並讓家庭成員有更現實的期望。
  • 在危機中探求生命科學發展機遇—新聞—科學網
    10月19日-23日，由北京市科學技術委員會指導，美國科學促進會
  • 中國科大首次實現千萬核並行第一性原理計算模擬—新聞—科學網
    近日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）針對大尺度數萬原子分子固體體系的第一性原理計算模擬
  • 施一公院士Cancer cell發表癌症研究新文章—新聞—科學網
  • 「小學生研究癌症論文」一等獎被撤銷！其父致歉
    近日，一項名為《C10orf67 在結直腸癌發生發展中的功能與機制研究》的獲獎作品引發人們關注和質疑。該項目獲第34屆全國青少年科技創新大賽三等獎、第34屆雲南省青少年科技創新大賽青少年科技創新成果競賽項目一等獎，唯一研究者是雲南省昆明市盤龍區某小學六年級學生陳某某。（此前報導可戳連結→小學生研究癌症獲大獎？最怕「一個敢比，一個敢評」！）
  • 英特爾將神經擬態研究系統擴展至1億個神經元—新聞—科學網
    英特爾表示，將向包括美國哈佛大學、康奈爾大學等在內的英特爾神經擬態研究社區（INRC）的成員提供這一基於雲的系統，以擴展其神經擬態工作來解決更大規模且更複雜的問題。 神經擬態計算是英特爾為應對計算領域非結構化、有噪聲數據日益增加等挑戰而研發的新的計算機架構。其目標是應用神經科學的最新見解，來創造作用方式更類似於人腦的晶片而非傳統計算機的晶片。
  • 高級激發態發光研究獲進展—新聞—科學網
    近日，中國科學院理化技術研究所超分子光化學研究中心吳驪珠團隊研究了一類基於雜原子取代類剛性二苯乙烯特有分子骨架，在室溫單一組分固體條件下表現明亮的多色發光。激發波長依賴的螢光發射、發光光譜與激發光譜的鏡像關係、時間分辨的發光行為等證明雙重螢光和雙重磷光分別源於單重激發態和三重激發態的高/低能級。
  • 小學生研究癌症獲獎，大賽組委會：撤消所獲獎項，收回獎牌和證書
    7月15日，針對孩子陳某某參加全國青少年科技創新大賽獲獎項目「C10orf67在結直腸癌發生發展中的功能與機制研究」一事，當事人父親陳勇彬在科學網（科學網由中國科學院、中國工程院、國家自然科學基金委員會和中國科學技術協會主管）發表書面情況說明稱，「由於我的疏忽與過錯，給大賽組委會、工作單位和家人造成了極大的傷害，造成了不好的社會影響。在此，我鄭重道歉。
  • 上交大AI研究院設數學研究中心,研究量子計算中的人工智慧
    12月29日，上海交通大學人工智慧研究院數學基礎研究中心正式成立，聘任上海交通大學自然科學研究院院長金石為研究中心主任。據上海交通大學介紹，該研究中心依託自然科學研究院和數學科學學院等單位成立。研究中心將圍繞醫學圖像處理和基於輻射輸運方程的放療設計、基於人腦的新一代人工智慧網絡設計、機器學習算法在統計物理和量子力學中的應用、基於數據隱私保護的機器學習理論和方法、高維非凸函數隨機優化計算方法、量子計算中的人工智慧算法研究等方向開展科學研究。上海交通大學公開資料顯示，數學基礎研究中心主任金石現為上海交通大學自然科學研究院院長。
  • 循環細菌DNA有望成為結直腸癌早期診斷標誌物—新聞—科學網
    近日，浙江大學醫學院附屬第二醫院大腸外科教授丁克峰團隊在腫瘤學期刊Cancer Letters發表研究論文。研究報導了結直腸癌患者與健康人群之間循環細菌DNA的差異性改變，探索了循環細菌DNA作為結直腸癌早期診斷新型生物標誌物的潛力。
  • 科學家對癌症時間療法充滿希望—新聞—科學網
    這種策略對於癌症治療來說是不切實際的。化療座位和電影一樣，都要提前預約。「下午4點的座位十分搶手，因為有太多的病人需要從那個時間開始。」Grothey說。 儘管如此，Lévi和其他一些人還是樂觀的。他認為，這些努力可以幫助闡明臨床試驗的不一致性，並使時間療法更加可行。作為世界上最大的癌症研究基金，美國國家癌症研究所（NCI）也呼籲研究晝夜過程如何影響疾病的進展和對治療的反應。
  • 康樂當選歐洲科學院院士 —新聞—科學網
    康樂長期從事生態基因組學研究，是生態基因學研究的著名科學家，在飛蝗基因組學、表型可塑性和行為遺傳和表觀遺傳調控領域取得了突出成績。他帶領團隊發現了一種蝗蟲群聚信息素分子，成功揭示了蝗蟲聚群成災的奧秘。這一成果近日在《自然》發表，被認為蝗蟲學研究的重要裡程碑，引起了廣泛關注與反響。
  • 孫斌勇:「做數學要慢一點」—新聞—科學網
    是著名數學家、中國科學院院士勵建書把他引入了這樣一個數學世界，勵建書是孫斌勇在香港科技大學的博士生導師。 「導師給了我『最合適』的研究問題。」孫斌勇說，博士期間，導師相繼給了他幾個比較有挑戰性的問題，包括自守形式與李群表示理論、Howe對偶猜想、L-函數等朗蘭茲綱領的關鍵問題。
  • 科學網—癌症研究通過可重複性實驗
    研究人員已經成功複製了癌症研究結果，但與小鼠有關的實驗是很難被重複的。圖片來源：Adva 一個旨在檢測癌症生物學可重複性的項目近日公布了第二批驗證結果，這一次它帶來的是好消息：兩篇重要癌症論文的絕大多數實驗可以被重複。 最新可重複性研究6月27日發表於開放獲取在線生命科學期刊eLife，它們緊隨今年1月對5篇論文進行可重複性驗證之後。此前就高影響力癌症研究能否被重複的驗證研究產生了矛盾的結果。
  • 研究揭秘拉丁美洲番茄馴化史—新聞—科學網
    之前的研究已經提出，馴化的野生醋慄番茄在南美洲產生了聖女果。   研究人員表示，番茄馴化歷史通常被描述為一個「兩步」過程，從藍莓大小的栽培番茄近緣物種（SP）到一般櫻桃大小的小果型番茄（SLC），再到各地食用的普通大果型栽培番茄（SLL）。