北京雁棲湖應用數學研究院研究團隊揭示代謝物如何影響人體健康

鄔榮領作研究成果相關介紹。澎湃新聞記者 程婷 圖

10月20日，北京雁棲湖應用數學研究院舉行科研成果發布會，介紹了該研究院統計團隊與代數拓撲團隊近日在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表的最新研究進展——“復雜疾病的代謝物理學”（The metabolomic physics of complex diseases）。該項成果為解析復雜疾病成因，指導復雜疾病治療及相關藥物設計提供了新思路。

目前研究表明，疾病的發生與代謝的改變息息相關。然而，現有方法只能描述單一關鍵代謝物，沒有考慮到復雜疾病是多因素、動態、異質和相互依賴的實際情況。對此，清華大學丘成桐數學科學中心曾思明講座教授、北京雁棲湖應用數學研究院副院長鄔榮領介紹，研究團隊結合了生態系統理論和進化博弈論原理，首創復雜疾病的統計物理模型，該模型實現了兩大創新。

一是，能夠分析和推斷系統內部各個變量之間的因果關系，將所有代謝物整合為雙向、有符號和加權的交互網絡，并追蹤一個代謝物到另一個代謝物的信息流如何導致健康狀態的變化。“如此，通過網絡方法，我們可以將所有代謝物在網絡中互相連接起來，而不再需要一一對應地進行分析，從而可以分析和理解代謝物之間的整體關系。”鄔榮領表示。

二是，研究團隊將代數拓撲中的同調理論應用于網絡解析。研究團隊使用數學家丘成桐及其合作者最近發展出的“GLMY同調理論”來定量地對網絡進行解析。通過考察網絡中相互作用的強弱和類型，引入了網絡的動態演化過程，并使用持續GLMY同調理論來追蹤捕獲網絡中不同尺度結構模式的拓撲變化規律。進一步地，對特定的拓撲結構模式，使用同調生成元來解析與之相關的網絡中的核心因子，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展的機理。

“通過將這個模型應用到真實數據，我們能夠識別出幾個中心代謝物及其交互網，這些代謝物在炎癥性腸病的形成中起到了關鍵作用。”以炎性腸疾病為例，鄔榮領補充指出，這一發現可以為我們提示如何利用代謝物來預測和預防疾病的風險，也將為未來的藥物設計和治療方法提供有力指導。

研究團隊進一步將現有的研究均歸結為復雜系統。通過建立合適的算法，可以尋找影響復雜系統的關鍵因素，對微觀世界與宏觀世界層面的復雜運行調控規律進行深入定量分析。

鄔榮領介紹，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、分析和預測復雜現象提供通用方法。同時，統計團隊將積極與代數拓撲及其應用團隊、大數據與人工智能團隊、數字經濟團隊以及更多團隊進行學科交叉與學科互補，共同合作對相關問題進行進一步深入探討，將該模型應用于各相對的領域，協同工作確保研究的全面性和深度，為前沿科學在各領域的應用提供解決方案。

北京雁棲湖應用數學研究院成立于2020年，是由北京市人民政府支持，依托清華大學、中國科學院等數學學科優勢資源單位，委托國際數學大師丘成桐牽頭籌建的新型研發機構。作為北京雁棲湖應用數學研究院院長，丘成桐表示，要從基礎科學出發，探索最前沿的科學和技術；同時，理論的實踐化也非常關鍵。這意味著應用數學不僅僅是理論研究，還需要與實際問題和產業緊密結合，為社會提供解決方案。他還強調，在應用數學發展中，既要汲取國際的經驗和技術，也要注重本土化和創新，形成獨特的研究和應用路徑。