馬麗娜*，龐廣昌*，孫 勇，崔振富

基于細胞間的有向加權(quán)通信網(wǎng)絡(luò)定量評價蛹蟲草對人體的調(diào)節(jié)作用

馬麗娜1,2,*，龐廣昌3,*，孫 勇4，崔振富5

（1.天津商業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300134；2.中央財經(jīng)大學(xué)中國精算研究院，北京 100081；
3.天津商業(yè)大學(xué)生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院，天津 300134；4.北京食品科學(xué)研究院，北京 100050；5.北京東方計量測試研究所，北京 100086）

基于有向加權(quán)圖構(gòu)建食用低、中、高劑量蛹蟲草誘導(dǎo)機體所產(chǎn)生的3 個細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)模型，并借助各種統(tǒng)計量對其進行定量化系統(tǒng)分析，驗證這些參數(shù)是否能夠從不同的角度定量刻畫網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。結(jié)果表明：服用不同劑量的蛹蟲草誘導(dǎo)機體產(chǎn)生的無線通信網(wǎng)絡(luò)具有層次結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出一定的穩(wěn)健性。同時，不同蛹蟲草服用劑量能夠改變細胞在通信中的重要性和扮演的角色。蛹蟲草主要發(fā)揮下調(diào)機體細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的功能，說明它對于過敏反應(yīng)、過度營養(yǎng)所造成的現(xiàn)代代謝綜合征、心腦血管疾病等可能具有很好的保健和抗炎癥功能。中劑量蛹蟲草的平均作用強度最大，當(dāng)進一步增加蛹蟲草劑量時作用強度反而下降，這表明不同劑量的蛹蟲草對于機體的免疫和生理內(nèi)分泌具有非線性和雙向調(diào)節(jié)功能。

有向加權(quán)圖；細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)；蛹蟲草；細胞因子；度；權(quán)重

網(wǎng)絡(luò)研究方法的應(yīng)用幾乎在整個生命科學(xué)領(lǐng)域中都產(chǎn)生了深刻變革。生物大分子（DNA、RNA、蛋白質(zhì)如轉(zhuǎn)錄因子）之間互作網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果正在甚至已經(jīng)改變了生命科學(xué)諸多領(lǐng)域，特別是分子生物學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家的思維方式、技術(shù)路線和研究思路[1-3]。但是，生命活動的基本單位并不是這些大分子本身，而是細胞[4]。所有的生物活性分子都必須通過細胞發(fā)揮其生物學(xué)功能。遺憾的是，雖然科學(xué)家早就意識到高等動物除存在著一個以腦為中心的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它控制著機體的運動和神經(jīng)活動以外，一定還存在著一個控制代謝、內(nèi)分泌和免疫防御系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，但是到目前為止，對這個網(wǎng)絡(luò)的研究還處于一般的文字表述水平。

現(xiàn)有的生物網(wǎng)絡(luò)研究方法主要是通過構(gòu)建無向無權(quán)網(wǎng)絡(luò)（如：代謝網(wǎng)絡(luò)[5-6]、蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)[7-12]、疾病網(wǎng)絡(luò)[13]）和有向無權(quán)網(wǎng)絡(luò)（如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、淡水食物網(wǎng)絡(luò)[14]）來模擬和分析生物復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展和演化規(guī)律。然而，在生物學(xué)各領(lǐng)域中普遍存在著的卻是有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，如：代謝網(wǎng)絡(luò)[15]、群體之間所形成的食物鏈、微生態(tài)系統(tǒng)所形成的群落等。很少有研究同時考慮權(quán)重和方向（即基于有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)開展研究），原因之一就是已有數(shù)據(jù)不支持構(gòu)建有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)來模擬和分析生物復(fù)雜系統(tǒng)。

越來越多的研究證明，食品及其功能性成分在免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮十分重要的作用。日益泛濫的現(xiàn)代文明病既是代謝性疾病，也是免疫紊亂造成的。如何定量化描述食品及其功能性成分，甚至藥物的免疫調(diào)節(jié)功能已經(jīng)成為其功能和效果評價的關(guān)鍵性難題。本課題組經(jīng)過多年研究，已經(jīng)通過實驗動物、細胞培養(yǎng)和志愿者建立并完善了構(gòu)建細胞間有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的方法[16-20]。

蛹蟲草具有重要的免疫調(diào)節(jié)功能，Sun Yong等[21]已經(jīng)利用志愿者食用實驗，驗證了食用不同劑量的蛹蟲草可以顯著改變機體內(nèi)多種細胞因子的合成與分泌，并對機體免疫發(fā)揮下調(diào)作用。本研究是對于前期研究的深化和拓展，主要內(nèi)容包括：1）介紹有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)及其常用統(tǒng)計量，并闡述其實際意義；2）構(gòu)建食用蛹蟲草誘導(dǎo)機體產(chǎn)生的細胞間有向加權(quán)無線通信網(wǎng)絡(luò)；3）計算服用低、中、高劑量蛹蟲草所形成的有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的度和權(quán)重等統(tǒng)計量，分析網(wǎng)絡(luò)的拓撲性質(zhì)，剖析蛹蟲草對人體產(chǎn)生的生物功效。

1 材料與方法

1.1 有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的常用統(tǒng)計量

圖DWG=（V,E,W），其中V={v1,v2,..., vn}為節(jié)點集，節(jié)點數(shù)為n，E={（v1,v2）}，（i,j=1,2,..., n）為邊集，邊數(shù)為m，（vi,vj）表示從節(jié)點vi發(fā)出的指向節(jié)點vj的邊，每條邊都有V中的一對節(jié)點與之相對應(yīng)，W={wij}，（i,j=1,2,..., n）為邊權(quán)集，wij表示邊（vi,vj）上的權(quán)值。如果任意兩點vi和vj（vi≠vj）對應(yīng)的邊（vi,vj）和（vj,vi）不同，則稱之為有向加權(quán)圖。

有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)可以抽象成有向加權(quán)圖，根據(jù)各個節(jié)點屬性，按照一定的規(guī)則對連接強度進行賦值，權(quán)值wij和wji不一定相等。下面介紹本研究中涉及的有向加權(quán)通信網(wǎng)絡(luò)的常用統(tǒng)計量，主要包括：

1.1.1 度

1.1.1.1 節(jié)點的度

節(jié)點的度定量刻畫了按照一定的規(guī)則與該節(jié)點直接通信的通信路徑數(shù)，也刻畫了與該節(jié)點直接作用的節(jié)點（即鄰接點）的個數(shù)，特別地，若節(jié)點到其自身有連邊，則其也是其自己的鄰接點。節(jié)點vi的度有出、入度之分，需要分別考慮節(jié)點vi與鄰接點之間相互作用的方向性。節(jié)點vi的出度為節(jié)點vi作為源節(jié)點通過發(fā)送信號作用于其他節(jié)點的總計通信路徑數(shù)；節(jié)點vi的入度為節(jié)點vi作為終節(jié)點能夠接收信號的總計通信路徑數(shù)；節(jié)點vi的總度為節(jié)點vi作為源節(jié)點（或終節(jié)點）發(fā)送（或接收）信號的總計通信路徑數(shù)。節(jié)點vi的出度kout（i）、入度kin（i）和總度ktotal（i）分別定義為：

1.1.1.2 網(wǎng)絡(luò)的度

網(wǎng)絡(luò)的度knetwork為網(wǎng)絡(luò)中存在的有向邊的條數(shù)，顯然有：

1.1.1.3 網(wǎng)絡(luò)的平均度

網(wǎng)絡(luò)的平均度為網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點擁有的與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點可進行直接通信的平均路徑數(shù)，即：

該統(tǒng)計量是度量網(wǎng)絡(luò)中任意兩點之間通信途徑可選性的指標(biāo)之一，也是刻畫網(wǎng)絡(luò)魯棒性的指標(biāo)之一，其值越大，表明從平均的意義上來說網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點與其他節(jié)點通信的可選途徑越多，選擇性越大，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性越強。

1.1.2 權(quán)重

權(quán)重定量刻畫了網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間交互作用強度的差異性，是系統(tǒng)中的各種非線性行為和自組織行為產(chǎn)生的重要原因之一。

1.1.2.1 節(jié)點的權(quán)重

在有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的強度有出、入強度之分，可分為節(jié)點的出權(quán)重、入權(quán)重和總權(quán)重。節(jié)點vi的出權(quán)重Sout（i）為從節(jié)點vi發(fā)出的所有邊上所承載的權(quán)重之和；節(jié)點vi的入權(quán)重Sin（i）為所有到達節(jié)點vi的邊上所承載的權(quán)重之和；節(jié)點vi的總權(quán)重Stotal（i）為節(jié)點vi的出、入權(quán)重之和，分別定義如下：

1.1.2.2 網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重

網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重Snetwork為整個網(wǎng)絡(luò)的所有連邊上承載的權(quán)重（即通信的信號強度）之和，即：

1.1.2.3 網(wǎng)絡(luò)的平均權(quán)重

網(wǎng)絡(luò)的平均權(quán)重是整個網(wǎng)絡(luò)承載的平均權(quán)重的量化指標(biāo)之一，包括邊平均權(quán)重和點平均權(quán)重。

網(wǎng)絡(luò)的邊平均權(quán)重為網(wǎng)絡(luò)中所有連邊承載的權(quán)重之和與網(wǎng)絡(luò)中有向連邊數(shù)的比值，即：

該統(tǒng)計量刻畫了有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的每條邊上所承載的平均信號強度的大小，定量描述了網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點通過一條通信途徑所產(chǎn)生的平均作用強度的大?。葱盘枏姸鹊拇笮。?。

網(wǎng)絡(luò)的點平均權(quán)重為網(wǎng)絡(luò)中所有連邊承載的權(quán)重之和與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)的比值，即：

該統(tǒng)計量刻畫了每個節(jié)點平均發(fā)出或接收的信號強度的大小。

1.2 構(gòu)建有向加權(quán)的無線通信網(wǎng)絡(luò)

細胞通過自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌來產(chǎn)生細胞因子，并將這些細胞因子通過循環(huán)系統(tǒng)進行近、中和長距離傳遞，實現(xiàn)細胞間的局部和整個機體的通信。通過測定外周血中這些信號分子的濃度變化可以定量描述機體內(nèi)細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的運轉(zhuǎn)和細胞活性調(diào)控情況。文獻[21]闡釋了具體的實驗方法和數(shù)據(jù)來源，本研究根據(jù)文獻[21]中的數(shù)據(jù)提出一種基于有向加權(quán)圖來構(gòu)建細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的方法，關(guān)鍵步驟如下：

1）分別取3 mL食用高（3 g）、中（1.5 g）、低劑量（0.5 g）的蛹蟲草細粉之前和之后的志愿者的外周血，測定其中的細胞因子濃度，進行成對數(shù)據(jù)的t檢驗，在顯著性水平為0.1下挖掘具有顯著性變化的細胞因子，這些細胞因子就是本研究所構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸信號。

食用低、中、高劑量蛹蟲草促使機體內(nèi)產(chǎn)生顯著變化的細胞因子集合分別為{嗜酸性粒細胞趨化因子, 成纖維細胞生長因子-2, 腫瘤生長相關(guān)因子, 單核細胞趨化蛋白-1}，{腫瘤生長相關(guān)因子, 可溶性CD40配體, 腫瘤壞死因子-α}，{白細胞介素-12（p70）, 干擾素誘導(dǎo)蛋白-10, 單核細胞趨化蛋白-1, 巨噬細胞炎癥蛋白-1β}[21]。

2）基于當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫（細胞因子在線百科全書：http://www.copewithcytokines.de/cope.cgi）搜集具有顯著性變化的細胞因子的分泌細胞及其作用的靶細胞，這些細胞就是本研究構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，而通過區(qū)別分泌細胞和靶細胞，便得到了網(wǎng)絡(luò)中連邊的方向，從分泌細胞指向靶細胞。

3）計算血液中顯著變化的細胞因子的相對變化率，并將第i個細胞通過分泌細胞因子作用于第j個細胞的全部細胞因子的相對變化率求和，該和即為從第i個細胞到第j個細胞連邊上的權(quán)重wij，即：

式中：ncyt為發(fā)生顯著變化的細胞因子的個數(shù)；ρk為第k（k=1,2,..., ncyt）種細胞因子濃度的相對變化率，分別表示食用實驗食品前、后血液中第k種細胞因子的濃度。且細胞i分泌細胞醫(yī)子k且細胞i通過細胞醫(yī)子k作用于細胞j其他。

4）通過本課題組研發(fā)的軟件畫出有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)圖。食用低、中、高劑量蛹蟲草細粉對應(yīng)的細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 食用5、10、15 g蛹蟲草的細胞間的有向加權(quán)通信網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Intercellular directed weighted communication networks in response to ingestion of 5, 10 and 15 g of Cordyceps militaries

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)具有層次性

在不考慮節(jié)點到其自身連邊的情況下，若節(jié)點的出度非0而入度為0，則該節(jié)點在整個通信網(wǎng)絡(luò)中屬于信號的發(fā)送端（扮演通信的指揮者角色），節(jié)點的出度越大，表明其在指揮集團中地位越重要，作為指揮者與其他節(jié)點的通信越頻繁；若節(jié)點的入度非0而出度為0，則該節(jié)點屬于信號的接收終端（扮演行動的實施者角色），節(jié)點的入度越大，表明其在實施集團中的地位越重要，作為執(zhí)行者與其他節(jié)點的通信越頻繁；若節(jié)點的出度和入度均非0，則該節(jié)點屬于信號的中轉(zhuǎn)層（扮演行動的傳遞者，也可能主動行使一些指揮功能），節(jié)點的總度越大，表明其傳遞能力越強，對整個通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸起到越重要的作用。

借助于出度和入度的概念，無論是食用哪種劑量的蛹蟲草所誘導(dǎo)產(chǎn)生的無線通信網(wǎng)絡(luò)均可以被清晰地劃分為3 個互不相容且完備的層次（圖1）：發(fā)送信號端、中轉(zhuǎn)信號層和接受（效應(yīng)）信號端，表明這3 個網(wǎng)絡(luò)均具有層次性，進一步表明蛹蟲草對機體的調(diào)節(jié)作用是通過在機體內(nèi)構(gòu)建具有發(fā)送、中轉(zhuǎn)和執(zhí)行功能的細胞間的無線通信層次網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。

2.2 網(wǎng)絡(luò)具有一定的穩(wěn)健性

低、中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)分別為18、16、20，三者相差不多。這3 個網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點（即細胞）存在差異，它們擁有7 個共同的節(jié)點，包括：成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、嗜中性粒細胞、單核細胞、NK細胞、滑膜細胞和平滑肌細胞，分別占低中高網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點的比例為7/18、7/16、7/20，其余節(jié)點不盡相同，低、中劑量蛹蟲草有9 個相同節(jié)點，低、高劑量蛹蟲草有10 個相同節(jié)點，中、高劑量蛹蟲草有10 個相同節(jié)點。這表明服用不同劑量的蛹蟲草會中等程度地改變無線通信網(wǎng)絡(luò)中的通信主體（即細胞），但保持生物系統(tǒng)的主要生理、免疫和代謝內(nèi)分泌功能處于一個相對穩(wěn)定和內(nèi)平衡狀態(tài)。

圖2 低（a）、中（b）、高（c）劑量蛹蟲草的細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的度Fig.2 Degrees of the intercellular wireless communication networks under the low (a), medium (b) and high doses (c) of Cordyceps militaries

如圖2所示，低、中、高劑量蛹蟲草的無線通信網(wǎng)絡(luò)的平均度分別為2.556、6.375、3.5，與以往的研究相比，任意節(jié)點的平均通信路徑數(shù)并不少，當(dāng)隨機破壞掉個別通信路徑時，網(wǎng)絡(luò)的通信并不會癱瘓，網(wǎng)絡(luò)也不會解體，網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出一定的穩(wěn)健性。

圖3 低（a）、中（b）、高（c）劑量蛹蟲草的細胞間的無線通信網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重Fig.3 Weights of the intercellular wireless communication networks under the low (a), medium (b) and high (c) doses of Cordyceps militaries

如圖3所示，低、中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的邊平均權(quán)重分別為－0.375、－0.381和－0.339，三者相差不多。這表明服用不同劑量的蛹蟲草對于體內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)中每條通信途徑（即有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的邊）上承載的平均信號強度的大小影響甚微，進而表明對于不同劑量的蛹蟲草誘導(dǎo)機體內(nèi)產(chǎn)生的細胞間的無線通信網(wǎng)絡(luò)在任意兩個細胞間的作用強度方面呈現(xiàn)出一定的穩(wěn)健性，亦充分說明了實現(xiàn)相同強度的生物調(diào)節(jié)功能，具有多條可選擇途徑。

2.3 蛹蟲草具有下調(diào)機體免疫內(nèi)分泌代謝網(wǎng)絡(luò)的作用

低、中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中每條通信途徑（即網(wǎng)絡(luò)的邊）上承載的信號強度均為負數(shù)（圖2），低、中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的總權(quán)重也是負數(shù)，分別為－17.23、－38.91和－23.72，表明無論服用哪種劑量的蛹蟲草都會對機體的免疫內(nèi)分泌活動發(fā)揮下調(diào)作用。

2.4 不同劑量的蛹蟲草具有雙向調(diào)節(jié)作用

服用不同劑量的蛹蟲草的確可以顯著改變體內(nèi)細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的邊數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)是刻畫網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的指標(biāo)，該值越大，說明網(wǎng)絡(luò)越龐大。低、中、高劑量蛹蟲草無線通信網(wǎng)絡(luò)圖的節(jié)點數(shù)分別為18、16、20，相差不多，但是邊數(shù)分別為46、102、70，相差非常大，綜合兩個指標(biāo)考慮，可以認(rèn)為服用中劑量蛹蟲草的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模最大，高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)規(guī)模次之，低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)規(guī)模最小。

服用不同劑量的蛹蟲草可以顯著改變體內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)承載的總信號強度。低、中、高劑量水平蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的總權(quán)重分別為－17.23、－38.91和－23.72，中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的信號強度最強，高劑量蛹蟲草次之，低劑量蛹蟲草最弱。

服用不同劑量的蛹蟲草也可以改變體內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。低、中、高劑量蛹蟲草無線通信網(wǎng)絡(luò)的平均度分別為2.556、6.375、3.5，這表明從平均意義上來說，中劑量蛹蟲草的無線通信網(wǎng)絡(luò)中任意兩類細胞的通信路徑最多，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性最強，其次為高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)，低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的通信途徑的選擇性最小，抗毀性最差。

服用不同劑量的蛹蟲草能夠改變體內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)中細胞（即有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點）所發(fā)出或接收的平均信號強度的大小。網(wǎng)絡(luò)的點平均權(quán)重定量刻畫了每類細胞平均權(quán)重的大小，低、中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)的點平均權(quán)重分別為－0.957、－2.432和－1.186，中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中每類細胞平均發(fā)送或接收的信號強度最強，高劑量蛹蟲草次之，低劑量蛹蟲草最弱。

以上結(jié)果均表明中劑量蛹蟲草對機體的調(diào)節(jié)作用最強，高劑量蛹蟲草次之，低劑量蛹蟲草最差，說明不同劑量蛹蟲草具有雙向調(diào)節(jié)功效，要使其發(fā)揮更大功能需要找到其最佳服用劑量。

2.5 不同劑量蛹蟲草能夠改變細胞在通信網(wǎng)絡(luò)中的重要性

服用不同劑量的蛹蟲草能夠改變細胞所發(fā)送和接收信號的總強度，從而改變其在通信網(wǎng)絡(luò)中的重要性。例如：內(nèi)皮細胞在低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中最重要（在低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)皮細胞總權(quán)重的絕對值最大），在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)較重要（在中劑量網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)皮細胞總權(quán)重的絕對值排序為4（從高到低）），在高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中只有中等重要程度（在高劑量網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)皮細胞總權(quán)重的絕對值排序為10，恰好位于序的中間）。單核細胞在低、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中都非常重要，而在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中只有中等重要程度（單核細胞總權(quán)重的絕對值在低、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中的排序分別為2和1，在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中的排序位于中間為7）。

服用不同劑量的蛹蟲草還會改變某些細胞在通信網(wǎng)絡(luò)中的重要性，即使這些細胞在3 個劑量的蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中都處于相同的通信端。例如：成纖維細胞在3 個網(wǎng)絡(luò)中均處于信號的中轉(zhuǎn)層，但是它們在傳遞信號中的重要程度并不相同，在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中它最重要（此時成纖維細胞的總度為22，總權(quán)重的絕對值為10.254，總度和總權(quán)重的絕對值均最大），在低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中具有中等重要性（在低劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中，成纖維細胞的總度為5，排序居中，總權(quán)重絕對值為2.144，排序靠前（從高到低）；在高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中總度為7，排序偏低，總權(quán)重絕對值為2.356，排序居中）。

2.6 不同劑量蛹蟲草能夠改變細胞在通信網(wǎng)絡(luò)中的角色

服用不同劑量的蛹蟲草會改變某些細胞在執(zhí)行生物功能時的角色，例如NK細胞在3 個通信網(wǎng)絡(luò)中都出現(xiàn)了，但是功能卻不盡相同，在低、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中它屬于接受信號端，是主要的效應(yīng)細胞（在低、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中，NK細胞的入度分別為6、15，在兩個網(wǎng)絡(luò)的接收端細胞中入度均最大）；在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中，它屬于發(fā)送信號端，主要是通過發(fā)送信號發(fā)揮啟動和指揮功能（此時NK細胞的出度為9，在發(fā)送端細胞中出度最大）?；ぜ毎? 個劑量的蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中也均出現(xiàn)了，在低、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中，它屬于信號的發(fā)送端，在兩個網(wǎng)絡(luò)中出度分別為5和9，在發(fā)送端的細胞中出度均最大，說明它們主要通過信號分子發(fā)揮調(diào)動和指揮功能，而在中劑量網(wǎng)絡(luò)中滑膜細胞屬于接受端，在接受端的細胞中入度最大（入度為10），主要通過接受內(nèi)皮（胃腸道、血管內(nèi)皮等）的信號發(fā)揮生物功能，是主要的效應(yīng)細胞。B細胞在中、高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中都出現(xiàn)了，在高劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中B細胞屬于信號的傳遞層，既具有發(fā)送信號也具有接收信號功能，而在中劑量蛹蟲草網(wǎng)絡(luò)中B細胞屬于接收端，只具有接收信號功能而不具有發(fā)送信號的功能，由此可推測在服用中劑量蛹蟲草時，其在體液免疫啟動和調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用。

3 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)機體的免疫內(nèi)分泌和代謝系統(tǒng)通過細胞因子、趨化因子和激素等信號分子構(gòu)成復(fù)雜的細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)可以通過測定血液循環(huán)中（外周血）信號分子的變化，在其分泌細胞和靶細胞之間構(gòu)建有向加權(quán)無線通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以借助各種參數(shù)定量化評價食品、藥物和各種環(huán)境變化對機體內(nèi)細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的作用情況。從而為定量化評價免疫調(diào)節(jié)作用提供了一種基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的新方法，亦提出了一種系統(tǒng)性研究視角。

本研究對服用低、中、高劑量蛹蟲草誘導(dǎo)機體所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)變化進行了系統(tǒng)性分析，驗證了這些參數(shù)能夠從不同的角度定量刻畫網(wǎng)絡(luò)（機體）的狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。分析結(jié)果表明，服用不同劑量的蛹蟲草誘導(dǎo)機體產(chǎn)生的無線通信網(wǎng)絡(luò)具有層次結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出一定的穩(wěn)健性。同時，不同劑量蛹蟲草能夠改變不同細胞在通信網(wǎng)絡(luò)中的重要性和扮演的角色。分析結(jié)果表明，服用蛹蟲草主要發(fā)揮下調(diào)機體內(nèi)細胞間無線通信網(wǎng)絡(luò)的作用，其中中劑量蛹蟲草的平均作用強度最大，當(dāng)進一 步增加劑量時，其作用強度反而下降，而且低劑量的蛹蟲草主要是激發(fā)發(fā)出信號細胞的活性，啟動其網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)作用；當(dāng)超過一定的限度時（最大調(diào)節(jié)作用劑量）就會更多地表現(xiàn)在增加對接收信號細胞和效應(yīng)細胞的作用。這表明不同劑量的蛹蟲草對于機體的免疫功能具有非線性和雙向調(diào)節(jié)功能。值得強調(diào)的是，隨著過度營養(yǎng)問題的不斷蔓延，現(xiàn)如今肥胖、高血脂、高血壓、糖尿病和心腦血管疾病已經(jīng)成為致病、致癌甚至死亡的主要病因，免疫、內(nèi)分泌和代謝網(wǎng)絡(luò)活性過強的問題日益凸顯，蛹蟲草的這種下調(diào)細胞通信網(wǎng)絡(luò)和明顯的抗炎癥、抑制過度的免疫應(yīng)答作用證明了它的保健功能和應(yīng)用開發(fā)前景。

[1] VIDAL M, CUSICK M E, BARABASI A L. Interactome networks and human disease[J]. Cell, 2011, 144(6): 986-998. DOI:10.1016/ j.cell.2011.02.016.

[2] RYAN C J, CIMERMAN?I? P, SZPIECH Z A, et al. High-resolution network biology: connecting sequence with function[J]. Nature Reviews Genetics, 2013, 14(12): 865-879. DOI:10.1038/nrg3574.

[3] COSTANZO M, BARYSHNIKOVA A, BELLAY J, et al. The genetic landscape of a cell[J]. Science, 2010, 327: 425-431. DOI:10.1126/ science.1180823.

[4] BRENNER S. Sequences and consequences[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2010, 365: 207-212. DOI:10.1098/rstb.2009.0221.

[5] WATTS D J, STROGATZ S H. Collective dynamics of ‘small-world’networks[J]. Nature, 1998, 393: 440-442. DOI:10.1038/30918.

[6] JEONG H, TOMBOR B, ALBERT R, et al. The large-scale organization of metabolic networks[J]. Nature, 2000, 407: 651-654. DOI:10.1038/35036627.

[7] JEONG H, MASON S P, BARABáSI A L, et al. Lethality and centrality in protein networks[J]. Nature, 2001, 411: 41-42. DOI:10.1038/35075138.

[8] UETZ P, GIOT L, CAGNEY G, et al. A comprehensive analysis of protein-protein interactions in Saccharomyces cerevisiae[J]. Nature, 2000, 403: 623-627. DOI:10.1038/35001009.

[9] HAKES L, PINNEY J W, ROBERTSON D L, et al. Protein-protein interaction networks and biology: what’s the connection?[J]. Nature Biotechnology, 2008, 26(1): 69-72. DOI:10.1038/nbt0108-69.

[10] HASE T, TANAKA H, SUZUKI Y, et al. Structure of protein interaction networks and their implications on drug design[J]. PLoS Computational Biology, 2009, 5(10): e1000550. DOI:10.1371/journal. pcbi.1000550.

[11] MILO R, ITZKOVITZ S, KASHTAN N, et al. Superfamilies of evolved and designed networks[J]. Science, 2004, 303: 1538-1542. DOI:10.1126/science.1089167.

[12] SARDIU M E, WASHBURN M P. Building protein-protein interaction networks with proteomics and informatics tools[J]. Journal of Biological Chemistry, 2011, 286(27): 23645-23651. DOI:10.1074/ jbc.R110.174052.

[13] FURLONG L I. Human diseases through the lens of network biology[J]. Trends in Genetics, 2013, 29(3): 150-159. DOI:10.1016/ j.tig.2012.11.004.

[14] MARTINEZ N D. Artifacts or attributes? Effects of resolution on the Little Rock Lake food web[J]. Ecological Monographs, 1991: 367-392. DOI:10.2307/2937047.

[15] ALMAAS E, KOVACS B, VICSEK T, et al. Global organization of metabolic fluxes in the bacterium Escherichia coli[J]. Nature, 2004, 427: 839-843. DOI:10.1038/nature02289.

[16] 龐廣昌, 陳慶森, 胡志和, 等. 食品與機體中的移動通訊網(wǎng)絡(luò)[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(21): 1-9.

[17] 滑艷君, 龐廣昌, 郭麗. 口服酪蛋白復(fù)合肽對細胞通訊網(wǎng)絡(luò)的作用[J].食品科學(xué), 2010, 31(17): 310-317.

[18] HUA Y J, PANG G C. Cellular communication network modeling method based on cytokines[C]//Network Computing and Information Security (NCIS), 2011 International Conference on IEEE, 2011: 441-445. DOI:10.1109/NCIS.2011.96.

[19] 喬冬, 龐廣昌, 李楊. γ-亞麻酸對小鼠免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用[J]. 食品科學(xué), 2011, 32(21): 247-252.

[20] LI H, LIU X, LI Y, et al. Effects of the polysaccharide from Pholiota nameko on human cytokine network in serum[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2012, 50(1): 164-170. DOI:10.1016/ j.ijbiomac.2011.10.015.

[21] SUN Y, SHAO Y, ZHANG Z, et al. Regulation of human cytokines by Cordyceps militaris[J]. Journal of Food and Drug Analysis, 2014, 22(4): 463-467. DOI:10.1016/j.jfda.2014.01.025.

Quantitative Evaluation of the Regulatory Effect of Cordyceps militaris on Human Body with the Intercellular Directed Weighted Communication Networks

MA Lina1,2,*, PANG Guangchang3,*, SUN Yong4, CUI Zhenfu5
(1. School of Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2. China Institute for Actuarial Science, Central University of Finance and Economics, Beijing 100081, China; 3. College of Biotechnology and Food Science, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 4. Beijing Academy of Food Sciences, Beijing 100050, China; 5. Beijing Oriental Institute of Measurement and Testing, Beijing 100086, China)

Based on the directed weighted graph, three intercellular wireless communication networks are constructed, which are generated in young and healthy volunteers consuming Cordyceps militaris at low, medium and high doses. The quantitative analyses on three intercellular networks are conducted by means of statistics. It is proved that these parameters can quantitatively describe the conditions, properties, structures and functions of networks from different perspectives. These wireless communication networks have a hierarchical structure, and demonstrate a certain robustness. Meanwhile, different doses of Cordyceps militaris can change the importance and role of the cells during the wireless communications. The consumption of Cordyceps militaris mainly plays a role in down-regulating the intercellular wireless communication network in vivo. Therefore, Cordyceps militaris has good health protection and anti-inflammatory effect on metabolic syndrome (MS) and cardiovascular or cerebrovascular diseases caused by allergic reaction and overnutrition. The middle dose exerts the greatest effect from an average viewpoint. When further increasing the dose, the functional strength is contrarily lowered down. This shows that Cordyceps militaris at various doses has nonlinear and dual-direction regulatory functions on organisms.

directed weighted graph; intercellular wireless communication networks; Cordyceps militaris; cytokines; degree; weight

10.7506/spkx1002-6630-201601027

R151.1

A

1002-6630（2016）01-0150-07

馬麗娜, 龐廣昌, 孫勇, 等. 基于細胞間的有向加權(quán)通信網(wǎng)絡(luò)定量評價蛹蟲草對人體的調(diào)節(jié)作用[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(1): 150-156. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201601027. http://www.spkx.net.cn

MA Lina, PANG Guangchang, SUN Yong, et al. Quantitative evaluation of the regulatory effect of Cordyceps militaris on human body with the intercellular directed weighted communication networks[J]. Food Science, 2016, 37(1): 150-156. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201601027. http://www.spkx.net.cn

2015-04-28

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（71401124）；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計劃項目（20131004）；

國家自然科學(xué)基金面上項目（31371773）

*通信作者：馬麗娜（1979—），女，副教授，博士，研究方向為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、數(shù)理統(tǒng)計、保險精算和金融衍生品定價。

E-mail：malinastat@163.com

龐廣昌（1964—），男，教授，博士，研究方向為食品免疫、細胞通訊網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)和生物傳感器。

E-mail：pangtjcu@163.com