Fysiom - et sæt af kroppens fysiologiske funktioner. Udtrykket kommer fra "fysio-" (natur) og "-ome" (generelt). Fysiomet beskriver den fysiologiske dynamik af en normal sund organisme baseret på information om dens struktur ( genom , proteom og morfom). [a 1] [a 2]
Fysiomet forstås som " en kvantitativ beskrivelse af en intakt organismes fysiologiske dynamik og funktionelle adfærd " [a 3] [a 2] , dvs. en fysiologisk beskrivelse af et individs tilstand eller en "gennemsnitsrepræsentant" for en biologisk art eller dets funktionelle adfærd. I bredeste forstand betegner dette udtryk relationer på forskellige niveauer af organisering af et biologisk væsen: fra genomet til hele organismen og fra funktionel adfærd til genregulering.
Videnskabelig forskning udvikles inden for rammerne af de internationale og flere nationale projekter "Phyziom".
Det Internationale Fysiomprojekt blev præsenteret for Rådet for International Union of Physiological Sciences (IUPS) ved den 32. verdenskongres i 1993. [a 4] Det startede officielt på et satellitsymposium af International Union of Physiological Sciences (IUPS) i St. Petersborg i 1997. [a 3]
Under "Phyziom"-projektet udføres der arbejde i mange højt udviklede lande. Et relateret forskningsprogram blev etableret i USA, hvor Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG) blev etableret i 2003, startende med en arbejdsgruppe bestående af ni National Institutes of Health (NIH) organisationer og tre sektioner af National Science Foundation ( NSF). Japan og nogle lande i Den Europæiske Union udvikler også deres egne nationale projekter "Phyziom".
Det russiske Physiom-projekt blev annonceret i slutningen af 2017; det bliver udviklet som en matematisk fysik af biologiske objekter. [en]
Physiom International Project har til formål at forklare, hvordan hver komponent i en organisme fungerer som en del af en integreret helhed " for at hjælpe med forståelsen af komplekse fysiologiske systemer gennem brug af biofysik-baserede matematiske modeller, der bygger relationer fra gener til hele organismer " [a 5] .
Følgende blev angivet som hovedopgaverne for Physiom-projektet: [2]
Et af formålene med Physiom-projektet er at skabe en database med matematiske modeller af levende organismers struktur og fysiologiske funktioner, fra proteiner til organer og individer. Som en del af IUPS Physiome-projektet omfatter denne opgave skabelsen af integrerede modeller af kropskomponenter såsom individuelle organer, væv eller celler , såvel som regulatoriske systemer ( endokrine og nervøse ) og de biokemiske og fysiske processer, der ligger til grund for dem.
Udfordringen for biovidenskaberne i det 21. århundrede er at integrere information om genomsekventering i en bedre forståelse af menneskets biologi, fysiologi og patologi. Sådanne forsøg på integration fører verden ind i en ny generation af biovidenskab og bioteknik, hvor biologisk, fysiologisk og patologisk information fra mennesker og andre levende dyr kan kvantificeres i silico på tværs af tids- og rumskalaer og gennem forskellige organisationshierarkier, fra molekyler til celler og organer, og derefter til hele den menneskelige organisme. [B:1]
Baseret på generaliseringen af tidligere års erfaringer med udviklingen af Physiom-projektet, blev følgende nye principper formuleret [a 5] [2] .
Integrativ tilgangSom et af hovedprincipperne i Physiom-projektet blev en integrerende tilgang angivet. Udtrykket "integrationisme" (engelsk: integrationism) blev foreslået i 2000 [a 3] for at betegne en integrativ tilgang, der kombinerer fordelene ved både reduktionisme og holisme . I 2018 blev det foreslået [3] at forstå den integrative tilgang ( integrativisme ) i biologiske objekters matematiske fysik som en rimelig kombination af fordelene ved reduktionisme og holisme til løsning af biologiske problemer ved hjælp af matematisk fysiks metoder. I begyndelsen af det 21. århundrede dukkede en ny videnskabelig tendens op, betegnet som integrativ fysiologi [a 3] [B: 2] - som forventes at blive " meget kvantitativ " (engelsk: "highly quantitative") og derfor en af de fleste edb-discipliner [a 2] .
Overvejelse på flere niveauerBehovet for " multi-level consideration " (eng. multiscale analyse) som et af de centrale principper i projektet "Fysiom". [a 2] Det er underforstået, at komplekse systemer, såsom hjertet , " uundgåeligt er sammensat af elementer af en anden karakter, rumligt arrangeret i en hierarkisk struktur ", hvilket kræver en kombination af forskellige typer modellering, der anvendes på forskellige organisationsniveauer af biosystemet, da " forsøg på at modellere på niveau med organer og systemer på samme måde som på molekylært og celleniveau er umuligt og ikke fører til forståelse ." " Top-down-analyse alene er ikke nok, og dette er derfor endnu en begrundelse for mellem-ud-tilgangen."
ModularitetEt andet vigtigt princip erklæret i Physiom-projektet er princippet om modularitet i biologiske systemer. [a 2] Modularitetsprincippet indebærer, at modulerne også skal være udskiftelige for at give et passende valg til et bestemt formål. For eksempel ved et hjerteanfald og udskiftning af et normalt myokardium med et ar, mister vævet sin evne til at skrumpe og fungerer derfor som et passivt elastisk materiale – og det vil kræve en lokal ændring i den matematiske model for at beskrive den nye situation. Derudover repræsenterer moduler på højere niveauer af hierarkiet (organ, væv) bestemt mere komplekse biologiske funktioner, så de er normalt forenklede i beregninger. Teknisk set kræves der en vis standardisering af design af biologiske systemer for at kunne interoperable moduler. Modularitetsprincippet giver anledning til opgaven med at automatisere udvælgelsen af en substitution i den overordnede modulmodel, der vil give et acceptabelt niveau af forenkling for den aktuelle opgave, og problemet med at bruge kunstig intelligens til at foretage sådanne substitutioner og vende tilbage til en ikke-reduceret, fuldt detaljeret form af modellen. En sådan automatisering er kritisk, når man bruger modeller i diagnostiske eller kliniske overvågningssituationer.
Ændring af begrebet kausalitetEn ændring i begrebet kausalitet er erklæret i Physiom-projektet : " I flerniveausystemer med sløjfer af omvendte og direkte forbindelser mellem niveauer af forskellige skalaer, kan et privilegeret kausalitetsniveau ikke eksistere ", fordi funktioner på højt niveau slet ikke eksisterer " opstår" direkte fra molekylære begivenheder, men udvikler som et resultat kontrolvirkningen af naturlig selektion, som bestemte deres betydning for systemet. "Systemegenskaber" bør udledes af beskrivelsen af hele systemet, ikke dets komponenter. [a 2]
Ved at udvikle dette koncept foreslog Denis Noble at betegne det som princippet om " biologisk relativitet ", hvilket kan ses som "en udvidelse af relativitetsprincippet, ved at undgå antagelsen om, at der er en privilegeret skala, hvori biologiske funktioner er defineret" . [a6]
For at øge effektiviteten af modelgenbrug og -udveksling blandt forskere, samt for at udvikle store modeller på flere niveauer, er der udviklet specielle sprog, der bruges til at beskrive beregningsmodeller inden for systembiologi og fysiologi, som f.eks. Biology Markup Language ( SBML ), CellML og Physiological Hierarchy Markup Language ( PHML ). Siden 2011 er den universelle platform PhysioDesigner [4] udviklet til multilevel modellering af fysiologiske systemer baseret på PHML og til udvikling af multilevel fysiologiske modeller. [a7]
Under genbrug af modeller skal de nogle gange modificeres, det vil sige udvides, rettes og forfines. Genbrugen af modeller fra BioModels databasen og lageret af modeller fra det internationale projekt "Phyziom" er stadig vanskelig på grund af manglende tillid og mangel på ordentlig dokumentation. [a 8]
Fysiomprojekteksempler