物理生物学:大科学观下针灸学的突破
21世纪被称为生物学的时代, 随着生命科学研究的日益深入, 吸引了多学科与之交叉融合, 物理生物学正是这一背景下应运而生的一门[文]新兴前沿交叉学科。与生物物理学侧重于研[章]究生命物质的基本物理规律不同, 近年来物理生物学主要利用新近发展起来的[来]物理学先进概念和技术, 精确地测量和描述生物系统的结构、功能和[自]行为, 使生物学建立在定量的物理学基础之上[1[湖]]。针灸学是中医学下的二级学科, 以中医基础理论、尤以中医腧穴-经络-脏[南]腑及气血津液理论为指导, 研究针灸的治疗规律及其作用原理, 将针灸最有效地应用于预防、养生、保健和[长]治疗的一门学科[2]。针灸这一古老的治[沙]疗手段, 其本质上是一种外在的物理刺激。近现代针[中]灸学研究从针灸的疗效入手, 对针灸作用机制的认识越来越深入;物理生[医]物学研究内容也经历了从宏观上外界物理刺[康]激对生命活动的影响到生命活动的微观物理[复]学本质的变迁。在中医药复兴的大科学观下[理][3,4], 针灸的发展脱离不了多学科合作共同阐明科[疗]学问题的趋势。本文将物理生物学研究与针[培]灸学相比对, 论证针灸学与物理生物学衔接的可行性, 对学科融合做出推测。
物理生物学的研究趋势概述
以21世纪初为分界, 物理学对生物学科的探究经历了定性解释和[训]定量分析两个阶段。20世纪50年代至6[学]0年代, 生理学研究开始引入物理学概念, 包括某些器官和系统功能的物理基础, 以及暴露在某一特定物理学刺激下的生物体[习]各项生物学指标改变的情况[5,6];7[网]0年代末, 物理学研究进入到组织和细胞的层面, 声学系统[7]及生物热力学[8]的物理[文]学模型得以建立, 而且此时代的科研人员已对细胞内微环境和[章]亚细胞生理功能的物理学本质有所认识[9[来],10];90年代, 研究者开始注意到物理学因素对细胞和分子[自]间信息传导的重要性[11,12]。21[湖]世纪初, O’Reilly J J[13]提出将工程学、物理学与系统生[南]物学相融合, 这一领域的研究进入了定量的数学模型时期[长], 哈佛大学设立物理生物学专业, 生物物理学学科正式建立。2011年Co[沙]ok D L等[14,15]提出了生物学的物理本[中]体论, 即用物理学模型解构生物化学, 将细胞到细胞器细化到分子间相互作用以数[医]学形式呈现[16,17,18,19,2[康]0];2012年Keller R[21]在《Science》撰文指出[复]物理作用对组织形态发育造成影响[21][理], 此后的研究进入到微观分子的热力、动力学[疗]模型与宏观生物学现象关联的领域, 在此阶段, 癌症、神经形态形成以及单核生物运动都在[培]微观物理学方面有所突破, 先后有多篇文章从基因表型[22]、膜糖[训]蛋白[23]、细胞内部支架的三维结构[[学]24]以及肿瘤细胞的黏附与迁徙[25][习]等物理学特征方面解析肿瘤细胞转移的机制[网], Budday S等[26]阐释了物理力量在人脑发育过[文]程中发挥了重要作用。在工程学的支持下,[章] 近年来的物理生物学研究致力于构建细胞内[来]部各种细胞器和分子的热力学、动力学的三[自]维数学模型[27,28,29,30]。[湖]
物理生物学研究经历了从宏观到微观, 从定性到定量的发展过程。目前, 其研究特征在于用数学或工程学方法构建生[南]物功能乃至粒子运动的物理模型。
针灸学与物理生物学的共性
1.理论共通
Philips R等[31]在其所著《细胞的物理生物学[长]》中将物理生物学的研究划分为3个层次:[沙]其一, 从平衡态角度理解生命;其二, 从动力学角度理解生命;其三, 从信息的角度理解生命。针灸学的本质是生[中]命科学, 其与物理生物学在理论层面存在共性。
1.1从平衡态角度理解生命
活细胞服从质量和能量守恒定律。在实现物[医]质转化 (如高分子合成) 、做机械功 (如肌肉收缩) 乃至产生能量的过程中, 很多生化过程和力学系统可视为处于近平衡[康]态来处理。蛋白质折叠、结合反应、脂双层[复]的形成等各种基本问题, 在平衡态的假设下可以建立非常好的模型,[理] 这种平衡态模型是力学平衡[31]。在细[疗]胞尺度上, 大多数情形下, 可以把细胞的某个特定部分视为处于局部力[培]学或化学平衡态。前苏联学者巴乌埃尔指出[训]“生命系统靠自己的自由能不断地工作来打[学]破平衡”[32], 正是许多孤立的粒子系统不断地打破原有平[习]衡状态建立新平衡的进程, 满足了宏观态完成相应生物学功能的需求。[网]
“平衡态”精神贯穿于中医理论中。阴阳五[文]行用以描述各种力量相互作用和制衡。20[章]世纪90年代以来, 学者提出利用阴阳与五行理论表述平衡态并[来]建立数学模型[33,34,35,36,[自]37,38,39], 如赵喜新[33]以正负表阴阳属性, 以正弦性表阴阳消长平衡的转化, 陈秋瑞[35]论证“精”“气”“神”处[湖]在不同的平衡态下阴阳、五行的参数情况,[南] 并以此解释“补母泻子”等临床问题等。中[长]医典籍就外界环境与生物之间互动的“平衡[沙]态”也有大量的描述, 如《景岳全书》中有言:“天地阴阳之道和[中]平, 则气令调而万物生, 此造化生成之理也”, 是描述环境对生命体的良性影响的平衡态;[医]《素问·经脉别论篇》论道:“四时阴阳,[康] 生病起于过用”, 指环境人体之间平衡移动超过了一定的限度[复]导致疾病发生等。针灸作为一种物理刺激,[理] 通过调节阴阳、卫气营血偏盛偏虚的状态,[疗] 达到防病治病的目的, 其本质上是在不改变原有物质的基础上对平[培]衡做功而使平衡态发生移动。
1.2从动力学角度理解生命
生物体最显著的特性之一是定向而有目的的[训]运动。动力是建立并保持非平衡态的必要条[学]件, 生物体中的非平衡态包括细胞内液外液中的[习]离子含量差、胞吞胞吐、粗肌丝与细肌丝相[网]对运动等。这些进程动力是位于胞内和膜上[文]的分子马达, 它们能将化学能转化为机械能的同时为生物[章]系统提供定向运动的动力。在物理生物学领[来]域, 生命活动中流体力学、扩散力学、分子马达[自]动力学、电化学运动已有恰当而精确的数学[湖]模型[31]。
古人对于维持生命生生不息的动力早有认识[南], 动力学的理念也蕴含在中医理论中。《黄帝[长]内经》注重物质之间的感应, 强调阴阳的相互作用是推动事物发展变化的[沙]根本原因——“阴阳者, 天地之道也, 万物之纲纪, 变化之父母, 生杀之本始, 神明之府也” (《素问·阴阳应象大论篇》) 。阴阳的运动也是人体功能代谢和物质生成[中]的动力——“阳化气, 阴成形” (《素问·阴阳应象大论篇》) , 阳能让“形”转化为“气”, 阴则能让“气”凝聚成“形”;五行学说以[医]五行生克阐释事物之间的互动, 又以五行间的相乘相侮描述平衡被破坏后的[康]动力学模式。此外, 中医理论的多系统都蕴含着动力学模型, 如以圆运动解释六气、十二经、六经的生理[复]病理变化及辨证治疗[40]。针灸可以视[理]为机械能及热能向生物能的转化。经络气血[疗]不和, 通过刺激经络腧穴, 泻其有余, 补其不足, 达到阴阳平复。如孙思邈《备急千金要方·[培]明堂仰侧》所记:“血气雍滞不得宣通, 针以开导之, 灸以温暖之”。可见针灸是促进十二经脉的[训]气血循环, 疏通经络动力。
1.3从信息的角度理解生命
生物的传代、生长和发育离不开信息的传递[学], 物理生物学从DNA的构象, 胞浆核糖体和mRNA、tRNA浓度, 遗传信息传递效率, 启动子动力学、基因震荡, 反应扩散、受体配体结合的时空概率及细胞[习]内外信号传导等方面用数学和物理学的方法[网]揭示生物信息传递的规律。
中医对遗传信息的传递, 体质与疾病症候的信息的外现也有论证。传[文]统中医遗传学思想较为集中地体现在“肾为[章]先天之本”的理论中。《黄帝内经》有“肾[来]藏精”之说, 《医宗必读》认为肾乃遗传物质的本源 (天一之源) , 又主生殖过程 (先天之生) , 主管弗学而能的本能行为 (先天之用) , 还主宰个体一生的生长发育 (先天生身) 。王米渠[41]证实恐伤母鼠肾气后, 子代鼠同样出现肾虚表现。藏象是五脏信息[自]与外显性状之间联系的常用概念, 经络是能在体表反映脏腑生理病理信息的通[湖]路, 这些信息借助于气血津液通过经络流经全身[南]外显于体表。针灸刺激是一个信号, 经过经络由体表传递至内脏。
针灸学理论来源于中医基础理论, 在以上3个层次上与物理生物学共通。针灸[长]具有双向调节和自限调节的特点, 即机体的功能状态决定针灸刺激对体内某生[沙]化反应的作用方向, 效应在一定的限度之内, 符合平衡态特点;针灸对某功能活动产生动[中]力作用, 腧穴被称作针灸引起全身反应的“启动子”[医];针灸刺激也可看做信号, 在局部引起细胞内和细胞间的信号传导的级[康]联反应, 此信号被经络传导作用于脏腑, 对整体信息的大网络有调节作用。
2.研究切合
2.1研究对象相一致
外界的物理变化对生物的影响是物理生物学[复]的早期研究内容, 生命过程的理化特性作为物理生物学的研究[理]对象延续至今。
不论现象还是分子生物学机制, 近40年间不乏针灸对内分泌系统、神经系[疗]统、免疫系统、消化系统、循环系统、呼吸[培]系统、泌尿系统作用的研究, 这些研究属于物理生物学的范畴。
“脏腑-经络-腧穴”是人体所固有的机能[训]元件, 其本质和理化特性是现代针灸学中重要的议[学]题, 学者尝试分别从筋膜和生物力学、神经-内[习]分泌-免疫网络等概念重新定义针灸学的理[网]论模型。持筋膜生物力学观的学者认为, 筋膜以松散或紧密、有序或无序的排列来满[文]足人体内部结构的刚性和弹性的需要。连为[章]一体, 包绕在皮下组织、肌肉、内脏周围的浅筋膜[来]、深筋膜、内脏筋膜及其中分布的神经、血[自]管和淋巴管在全身起到传递信息、机械张力[湖]和能量的作用, 维持生命活动的平衡状态, 让人体的组织器官功能正常运行。筋肉的硬[南]块组织或条索状等病理现象会导致肌膜乳酸[长]废物的堆积, 神经受到压迫, 组织缺血、缺氧, 神经萎缩, 纤维骨化。筋膜的这种生理病理特性与经络[沙]的特点十分相似[42]。持神经-内分泌[中]-免疫观的学者则认为针灸是对局部的神经[医]、内分泌、免疫微环境产生影响, 从而完成对三大系统构成的复杂网络的调节[康]。神经、内分泌、免疫三大系统在整体条件[复]下是以较完整的环路为单位, 构成复杂的网络调节, 针灸通过神经节段性效应和整体性效应调节[理]神经递质、激素水平和免疫细胞来实现治疗[疗]作用[43]。无论从筋膜和生物力学还是[培]从神经-内分泌-免疫网络的概念解释经络[训], 这些探讨未尝不可视为将经络腧穴作为实体[学], 在生命科学的层次上进行的研究。
综上, 物理刺激对生命活动的影响以及生命活动的[习]物质基础是物理生物学与针灸学共同的研究[网]对象。
2.2研究趋势相对接
现代对经络腧穴物理特性的探究在监测声、[文]光、电、磁、热等物理参数之上结合非线性[章]函数统计方法, 如Li Y等[44]用支持向量机模型和模糊C均[来]值模型描述正常人体背部不同经脉之间的微[自]循环灌注差异。针灸作用机制的阐释在传统[湖]生理、病理学的内容之上研究层次已由组织[南]和细胞水平进入到亚细胞和分子水平。微观[长]化、定量化以及结合工程学、多学科融合已[沙]是21世纪针灸学研究的大势所趋, 这与物理生物学的研究趋势相合。在经络腧[中]穴实质研究方面, 李灿辉[45]在肌筋膜张力和离子通道的[医]基础上, 提出了张力敏感性通道机制的理论模型——[康]研究表明张力敏感性通道在外周感觉神经大[复]量表达, 直接感应组织局部张力并转换为神经动作电[理]位, 引起疼痛等躯体感觉, 针刺减低筋膜张力而缓解疼痛;在针灸作用[疗]机制方面复旦大学研究团队利用数学模型将[培]针刺后肥大细胞机械能受体激活, Ca2+内流导致肥大细胞CRAC通道 (细胞内一种储存-释放通道) 激活释放组胺作用于神经末梢受体开放膜N[训]a-K离子通道而兴奋神经的过程表述出来[学][46], 此研究范式与物理生物学无异。
针灸学与物理生物学学科间启示
而针灸学立足于传统中医理论, 阴阳、藏象学说均为宏观理念, 经络、腧穴及其与脏腑之间的关联也是跨组[习]织器官的概念。物理生物学研究对象越来越[网]囿于单一分子的运动, 针灸学科中的针灸效应机制及经络腧穴的理[文]化特性等内容可以为物理生物学提供议题,[章] 而从物理学视角出发的定量生物学模式也是[来]目前针灸学研究的盲点。
针灸能够导致局部组织的ATP及其产物A[自]DP、AMP、cAMP及腺苷等增高, 从物理学的角度这是机械能和热能转化为化[湖]学能的过程, 已有研究对腺苷作用于局部感觉神经A1受[南]体而发挥镇痛效应, 而其在生物体中的结合效率几何, 容易受何因素干扰或促进, ATP作为细胞内的供能物质如何在针刺启[长]动动力学中发挥其生物学功能, 而初始化学能如何作为生物信号传导至靶器[沙]官发挥治疗作用, 如何优化针灸对局部腧穴作功能使针灸的镇[中]痛作用达到最佳等一系列问题尚属未知, 可用物理生物学思路探讨。对经络腧穴的特[医]性研究存在外显的声光电磁热等物理性状与[康]内在生物化学机制分离的现象, 从物理生物学角度入手可能在此领域有所突[复]破。
小结
在大科学观深入人心的今天, 中医学无法故步自封。针灸学发展已达由分[理]子生物学领域向定量、模型化解释其深层机[疗]制的时机。针灸学与物理生物学在理论上共[培]通, 研究趋势一致。针灸学的很多议题可以从用[训]物理生物学的角度进行切入, 反之物理生物学也可以借鉴针灸学的整体思[学]想。二门学科的合作可能为彼此的发展提供[习]突破点。
来源：中华中医药杂志 作者：杨馥铭 徐枝芳 周丹
