Fyziom - soubor fyziologických funkcí těla. Termín pochází z "fyzio-" (příroda) a "-ome" (obecně). Fyziom popisuje fyziologickou dynamiku normálního zdravého organismu na základě informací o jeho struktuře ( genom , proteom a morfom). [a 1] [a 2]
Fyziom je chápán jako „ kvantitativní popis fyziologické dynamiky a funkčního chování intaktního organismu “ [a 3] [a 2] , tedy fyziologický popis stavu jedince nebo „průměrného zástupce“ biologického druhu. nebo jeho funkční chování. V nejširším slova smyslu tento pojem označuje vztahy na různých úrovních organizace biologické bytosti: od genomu k celému organismu a od funkčního chování ke genové regulaci.
Vědecký výzkum je rozvíjen v rámci mezinárodních a několika národních projektů "Phyziom".
Mezinárodní Physiome Project byl představen Radě Mezinárodní unie fyziologických věd (IUPS) na 32. světovém kongresu v roce 1993. [a 4] Oficiálně to začalo na satelitním sympoziu Mezinárodní unie fyziologických věd (IUPS) v Petrohradě v roce 1997. [a 3]
V rámci projektu „Phyziom“ se pracuje v mnoha vysoce rozvinutých zemích. Související výzkumný program byl založen ve Spojených státech, kde byla v roce 2003 založena Skupina pro modelování a analýzu mezi agenturami (IMAG), počínaje pracovní skupinou devíti organizací National Institutes of Health (NIH) a třemi sekcemi National Science Foundation ( NSF). Japonsko a některé země Evropské unie také rozvíjejí své vlastní národní projekty „Phyziom“.
Projekt Russian Physiom byl oznámen na konci roku 2017; je vyvíjen jako matematická fyzika biologických objektů. [jeden]
Mezinárodní projekt Physiom si klade za cíl vysvětlit, jak každá složka organismu funguje jako součást integrovaného celku , aby pomohl porozumět složitým fyziologickým systémům pomocí matematických modelů založených na biofyzice, které budují vztahy od genů po celé organismy . 5] .
Jako hlavní úkoly projektu Physiom byly označeny: [2]
Jedním z cílů projektu Physiom je vytvoření databáze matematických modelů struktury a fyziologických funkcí živých organismů, od bílkovin po orgány a jedince. V rámci projektu IUPS Physiome tento úkol zahrnuje tvorbu integrovaných modelů tělesných složek, jako jsou jednotlivé orgány, tkáně nebo buňky , ale i regulačních systémů ( endokrinních a nervových ) a biochemických a fyzikálních procesů, které jsou jejich základem.
Výzvou pro vědy o živé přírodě ve 21. století je integrovat informace o sekvenování genomu do lepšího pochopení lidské biologie, fyziologie a patologie. Takové pokusy o integraci vedou svět k nové generaci biologických věd a bioinženýrství, kde biologické, fyziologické a patologické informace od lidí a jiných živých zvířat mohou být kvantifikovány in silico napříč časovými a prostorovými měřítky a prostřednictvím různých hierarchií organizace, z molekul k buňkám a orgánům a následně k celému lidskému organismu. [B:1]
Na základě zobecnění zkušeností z předchozích let vývoje projektu Physiom byly formulovány následující nové principy [a 5] [2] .
Integrativní přístupJako jeden z hlavních principů projektu Physiom byl naznačen integrativní přístup. Termín „integrationism“ (anglicky: integrationism) byl navržen v roce 2000 [a 3] k označení integračního přístupu, který kombinuje výhody redukcionismu i holismu . V roce 2018 bylo navrženo [3] chápat integrativní přístup ( integrativismus ) v matematické fyzice biologických objektů jako rozumnou kombinaci výhod redukcionismu a holismu při řešení biologických problémů pomocí metod matematické fyziky. Na začátku 21. století se objevil nový vědecký trend, označený jako integrativní fyziologie [a 3] [B: 2] – od kterého se očekává, že se stane „ vysoce kvantitativní “ (anglicky: „vysoce kvantitativní“), a proto většiny počítačových oborů [a 2] .
Víceúrovňová úvahaPotřeba " víceúrovňové úvahy " (angl. multiscale analysis) jako jednoho z ústředních principů projektu "Physiom". [a 2] Rozumí se, že složité systémy, jako je srdce , „ jsou nevyhnutelně složeny z prvků různé povahy, prostorově uspořádaných v hierarchické struktuře “, což vyžaduje kombinaci různých typů modelování používaných na různých úrovních organizace. biosystému, protože „ pokusy modelovat na úrovni orgánů a systémů stejným způsobem jako na molekulární a buněčné úrovni jsou nemožné a nevedou k pochopení “. " Analýza shora dolů sama o sobě nestačí, a to je proto další ospravedlnění pro střední přístup."
ModularitaDalším důležitým principem deklarovaným v projektu Physiom je princip modularity v biologických systémech. [a 2] Zásada modularity znamená, že moduly musí být rovněž zaměnitelné, aby poskytovaly vhodnou volbu pro konkrétní účel. Například při infarktu a nahrazení normálního myokardu jizvou tkáň ztratí schopnost smršťování, a proto působí jako pasivní elastický materiál – a to bude vyžadovat lokální změnu matematického modelu pro popis nové situace. Navíc moduly na vyšších úrovních hierarchie (orgán, tkáň) jistě představují složitější biologické funkce, proto jsou ve výpočtech většinou zjednodušeny. Technicky je pro interoperabilitu modulů nutná určitá standardizace návrhu biologických systémů. Princip modularity vede k úkolu automatizovat výběr substituce do celkového modelu modulu, který poskytne přijatelnou úroveň zjednodušení pro aktuální úlohu, a k problému použití umělé inteligence k provádění takových substitucí a návratu k nezmenšená, plně detailní podoba modelu. Taková automatizace je kritická při použití modelů v diagnostických nebo klinických monitorovacích situacích.
Změna konceptu kauzalityZměna v konceptu kauzality je deklarována v projektu Physiom : „ Ve víceúrovňových systémech se smyčkami reverzních a přímých spojení mezi úrovněmi různých škál nemůže existovat privilegovaná úroveň kauzality “, protože funkce na vysoké úrovni vůbec neexistují“ vznikají“ přímo z molekulárních událostí, ale v důsledku toho rozvíjejí kontrolní působení přírodního výběru, které určilo jejich význam pro systém. "Vlastnosti systému" by měly být odvozeny z popisu celého systému, nikoli jeho součástí. [a 2]
Při rozvíjení tohoto konceptu navrhl Denis Noble označit jej jako princip „ biologické relativity “, na který lze pohlížet jako na „rozšíření principu relativity tím, že se vyhýbá předpokladu, že existuje privilegovaná škála, ve které jsou definovány biologické funkce“ . [a6]
Za účelem zvýšení efektivity opětovného použití a výměny modelů mezi výzkumnými pracovníky a také pro vývoj velkých, víceúrovňových modelů byly vyvinuty speciální jazyky používané k popisu výpočtových modelů v oblasti systémové biologie a fyziologie, jako jsou systémy Biology Markup Language ( SBML ), CellML a Physiological Hierarchy Markup Language ( PHML ). Od roku 2011 je vyvíjena univerzální platforma PhysioDesigner [4] pro víceúrovňové modelování fyziologických systémů na bázi PHML a pro vývoj víceúrovňových fyziologických modelů. [a7]
Při opětovném použití modelů je někdy nutné je upravit, tedy rozšířit, opravit a zpřesnit. Opětovné použití modelů z databáze BioModels a úložiště modelů mezinárodního projektu „Phyziom“ je stále obtížné kvůli nedostatku důvěry a nedostatku řádné dokumentace. [a 8]
Příklady projektů Physiome