基于支持向量回歸機(jī)的腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸功能動(dòng)態(tài)分析?

王秀鳳,張 磊,伍慶華，閔建新，張 琰，羅來成△

(1．廣東藥學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)院，廣州 510006； 2．江西中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，南昌 330006)

腎陽虛證與衰老以及諸多疾病關(guān)系密切，往往會(huì)導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生廣泛的病理生理變化[1～5]，下丘腦-垂體-靶腺軸多個(gè)激素指標(biāo)出現(xiàn)異常變化[6～8]，機(jī)體功能低下或紊亂。人們針對(duì)腎陽虛下丘腦-垂體-靶腺軸功能進(jìn)行了大量的研究，但多數(shù)研究僅得到腎陽虛生物學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性初步結(jié)論[9～11]。為進(jìn)一步揭示反映腎陽虛生物學(xué)指標(biāo)之間的相互作用，從生物分子網(wǎng)絡(luò)的角度探討腎陽虛證發(fā)病機(jī)制，需要引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)學(xué)分析方法。支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)是Vapnik等提出的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，由于其出色的學(xué)習(xí)性能，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。SVM最初應(yīng)用于分類問題，后來被推廣應(yīng)用到回歸問題中，形成了支持向量回歸機(jī)(support vector regression, SVR)理論。支持向量回歸機(jī)具有預(yù)測(cè)功能，因而可以利用支持向量回歸機(jī)建模預(yù)測(cè)輸入生物分子變化的時(shí)候輸出生物分子的變化，從而了解生物分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的相互調(diào)控關(guān)系。由課題組前期建立的因子分析模型發(fā)現(xiàn)，腎陽虛時(shí)垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸的生物分子關(guān)系密切，且2個(gè)軸上的5個(gè)生物分子構(gòu)成因子分析模型的第一主成分[13]，即垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸的生物分子之間的調(diào)控關(guān)系是腎陽虛的主調(diào)控因子，提示垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸之間的調(diào)控失衡可能是腎陽虛發(fā)生的重要環(huán)節(jié)之一。因此，本文建立了腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸生物分子與垂體-性腺軸生物分子之間的支持向量回歸機(jī)模型，進(jìn)一步探討腎陽虛過程中腎上腺與性腺功能的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物與飼料

SPF級(jí)Spague Dawla(SD)雄性大鼠，體質(zhì)量(200±20)g，由廣東省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供(許可證號(hào)SCXK(粵)2008-0002)?；A(chǔ)飼料由廣東省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。

1.2 藥物與試劑

0.9%氯化鈉注射液，藁城市四海藥業(yè)有限公司；氫化可的松注射液，山西晉新雙鶴藥業(yè)有限公司(國藥準(zhǔn)字H14020980);黃體生成素(LH)、促卵泡激素(FSH)、睪酮(T)、促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和皮質(zhì)醇 (CORT)放射免疫試劑藥盒，Siemens Medical Solutions Diagnostics。

1.3 方法

1.3.1 動(dòng)物分組 SPF級(jí)雄性SD大鼠60只，購進(jìn)后適應(yīng)環(huán)境5 d隨機(jī)分為正常對(duì)照組、腎陽虛模型組各30只。

1.3.2 動(dòng)物造模及處理[7]

①正常組：0.9%的生理鹽水0.3 ml后肢肌肉注射，每日1次，自由飲水、飲食，連續(xù)29 d；②腎陽虛大鼠模型復(fù)制：氫化可的松混懸液充分混勻。按2.5 mg/100 g后肢肌肉注射，每日1次，自由飲水、飲食,連續(xù)29 d； ③處理：為獲得動(dòng)態(tài)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)物采取平行處理，即2組動(dòng)物分別在第15天(10只)、第23天(10只)、第30天(10只)處死，取血清用放射免疫分析法檢測(cè)ACTH、CORT、LH、FSH、T。

1.4 支持向量回歸機(jī)模型

2 結(jié)果

2.1 模型測(cè)試

本研究利用MATLAB2012軟件自編程序，建立了預(yù)測(cè)垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的支持向量回歸機(jī)模型。首先對(duì)5個(gè)支持向量回歸機(jī)模型進(jìn)行了留一法檢驗(yàn)。對(duì)早、中、晚3個(gè)時(shí)期共30個(gè)樣本建立的支持向量回歸機(jī)模型，留一法檢驗(yàn)是先把第1個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)樣本，其余29個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，以此類推，每個(gè)模型總共得到30個(gè)預(yù)測(cè)誤差及30個(gè)預(yù)測(cè)復(fù)相關(guān)系數(shù)。結(jié)果30個(gè)預(yù)測(cè)誤差均小于10%，一定程度上說明模型的可行性。同時(shí)基于支持向量回歸機(jī)的腎陽虛生物分子網(wǎng)絡(luò)模型的30個(gè)復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于0.96，亦說明此模型預(yù)測(cè)效果較好，可靠程度較高。

2.2 模型預(yù)測(cè)

根據(jù)支持向量回歸機(jī)模型留一法檢驗(yàn)的復(fù)相關(guān)系數(shù)可知，這5個(gè)模型預(yù)測(cè)效果均較好，因此可以根據(jù)前3個(gè)模型預(yù)測(cè)腎陽虛早中晚3個(gè)時(shí)期垂體-腎上腺軸生物分子變化時(shí)，垂體-性腺軸生物分子的變化，從而得到腎陽虛時(shí)垂體-腎上腺軸對(duì)垂體-性腺軸的調(diào)控作用。同理，可以根據(jù)后2個(gè)模型預(yù)測(cè)腎陽虛早中晚3個(gè)時(shí)期垂體-性腺軸生物分子變化時(shí)，垂體-腎上腺軸生物分子的變化，從而得到腎陽虛時(shí)垂體-性腺軸生物分子對(duì)垂體-腎上腺軸生物分子的反饋?zhàn)饔谩?/p>

表1 垂體-腎上腺軸生物分子變化時(shí)垂體-性腺軸生物分子的相對(duì)變化率(%)

表2 垂體-性腺軸生物分子變化時(shí)垂體-腎上腺軸生物分子的相對(duì)變化率

表1顯示，腎陽虛早期ACTH減小會(huì)使垂體-性腺軸3個(gè)生物分子增大，CORT減小使得垂體-性腺軸3個(gè)生物分子減小。垂體-腎上腺軸2個(gè)生物分子均減小使得性腺軸3個(gè)生物分子減小；而在腎陽虛中期，垂體-腎上腺軸2個(gè)生物分子減小均使得LH、FSH減小， T增大。并且垂體-腎上腺軸2個(gè)生物分子同時(shí)減小時(shí)，垂體-性腺軸生物分子變化率比2個(gè)生物分子單獨(dú)減小時(shí)大，兩者表現(xiàn)出協(xié)同作用；腎陽虛晚期垂體-性腺軸3個(gè)生物分子的變化規(guī)律性不強(qiáng)，且總體變化率相對(duì)較小。表2顯示，腎陽虛早期垂體-性腺軸生物分子逐一變化：LH減小時(shí)，垂體-腎上腺軸生物分子ACTH及CORT變化較大，其中ACTH增大，CORT減?。籉SH及T各自減小時(shí)引起垂體-腎上腺軸生物分子的變化較??；FSH和T分別與LH同時(shí)減小以及LH、FSH和T 3個(gè)生物分子同時(shí)減小時(shí)均使得ACTH增大，CORT減小，說明LH與FSH、LH與T以及LH、FSH和T均有協(xié)同作用。腎陽虛中期，F(xiàn)SH、T逐漸發(fā)揮作用，但三者單一作用均不是很明顯，垂體-性腺軸3個(gè)生物分子兩兩減小及3個(gè)都減小時(shí)均使得垂體-腎上腺軸2個(gè)生物分子減小，亦顯示3個(gè)生物分子之間具有協(xié)同作用。腎陽虛晚期垂體-腎上腺軸2個(gè)生物分子相對(duì)變化率較小。

3 討論

表1、2顯示，腎陽虛晚期2個(gè)軸的5個(gè)生物分子變化率均相對(duì)較小，一方面可能與晚期造模時(shí)間過長、藥物毒性作用有關(guān)，同時(shí)也提示隨著腎陽虛程度的加重，生物分子之間的調(diào)控逐漸變?nèi)?。可見，在腎陽虛的發(fā)生發(fā)展過程中，垂體-性腺軸生物分子與垂體-腎上腺軸生物分子之間的相互調(diào)控失衡是腎陽虛的發(fā)病機(jī)制之一。這符合以往對(duì)腎陽虛的研究結(jié)果[13，14]。同時(shí)本研究結(jié)果也提示，腎陽虛時(shí)垂體-靶腺軸的生物分子之間不是獨(dú)立的，它們相互關(guān)聯(lián)，具有復(fù)雜的交互作用，這符合人們近年來對(duì)生物機(jī)體功能網(wǎng)絡(luò)調(diào)控關(guān)系的新認(rèn)識(shí)[15～17]。本研究從生物分子網(wǎng)絡(luò)角度，采用支持向量回歸機(jī)建模對(duì)腎陽虛大鼠垂體-腎上腺軸與垂體-性腺軸之間的非線性關(guān)系進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，對(duì)揭示腎陽虛本質(zhì)及發(fā)生發(fā)展機(jī)制有一定的意義。同時(shí)證實(shí)，支持向量回歸機(jī)模型可以很好地?cái)M合神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)中的非線性關(guān)系，如果納入更多的生物分子可以對(duì)腎陽虛有更全面清晰的認(rèn)識(shí)。

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