雷錦志:從計算數學的角度研究癌症—新聞—科學網

2021-01-09 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)

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