生物过程周期性的结构特性及药物递送系统最优周期控制的研究

Biological processes exhibit complex dynamic characteristics, such as self-organization, self-adaptation, pattern generation, and collaboration, which inspire us to study biological processes from a systematic point of view. The emergence of system biology in recent years has attempted to understand biology at a system level, but it is more biology oriented, and can be considered as a bottom-to-top process; while we are trying tackle the problem in the other way around, i.e. exploring the internal information of biological processes through the structural characteristics of a system..In this proposal, a coupled non-linear system is employed to simulate and analyze the characteristics of a bio-system, and to explain its periodical behavior. A drug delivery system is then studied in terms of system structure. Specifically, the relation between optimal periodical control and close loop system is studied based on the interaction between feedback/feedforward system and periodical system structure. The bang-singular-bang structure of a drug delivery system can be further investigated analytically, and its optimal periodical control can be implemented both online and offline. The result can provide a starting point to design a control release module for the drug delivery, including the design of functional capsule material, with which a self-organized and self-adapted bio-system can be formulated with sub-bio-system or organ together to replace the currently dominated extracorporeal control loop. As a typical dissipative structural system, the periodic structure will also extend its theoretical framework to far-away- equilibrium, and nonlinear thermodynamics.

生物过程表现出复杂的自组织、模式生成和协同等系统动态特性，这启发我们用系统的观点去研究生物过程。近年兴起的系统生物学试图从系统层面理解生物学，但其侧重点在生物学方面，是从底到顶的过程；本申请拟从结构化系统出发，从顶到底研究的过程，即，通过系统结构特性探索生物过程内部的信息。研究拟用耦合的非线性系统来分析生物系统的结构化特征和周期性表现，并进一步解构药物递送系统。即通过研究生物过程的前馈/反馈机制与周期性结构的关系，建立最优周期性控制与闭环系统的关系；进而解析分析药物递送系统bang-singular-bang结构，建立药物递送系统线上/线下最优周期控制回路。以期由周期性结构设计缓释药物模块（包括药物缓释包覆材料），与生物体自身形成自组织和自适应的仿生系统，取代传统药物缓释中所采用的体外控制回路。周期性结构作为一类典型的耗散结系统，对其的研究也将拓展远离平衡态、非线性热力学的理论构建。

随着传统理论不再适用于包括生物过程在内的复杂系统，生物-化工技术的过程系统集成优化问题逐渐突出，用结构化系统的观点看待过程最优控制问题，尤其是周期性生物过程最优控制问题是解决问题的思路之一。因此，本研究以结构化系统的角度，通过系统结构特性来探索具有周期性结构的复杂系统的内部信息。.基于现有的建模方法、图像识别方法以及分岔理论，首先探讨了几个具有周期性结构特征的案例（自振荡发酵过程、Belousov-Zhabotinsky反应-扩散体系、传染病的周期性发生、晶体自组织形貌），通过对上述案例的模拟分析，研究了这些系统产生自组织、协同及形态发生等特性的数学条件，包括其耗散结构特征，探索了更适合研究周期性生物过程系统的模拟研究方法，为进一步研究一般周期性结构系统提供理论和研究素材；在此基础上，基于Laplace-Borel变换的分析研究了振荡非线性过程，又基于机器学习算法研究了最优关键参数选取的思路，根据最优周期性控制理论探讨了具有周期性结构系统的数值离散方法，应用于一个具有耐药性的药物递送系统求解最优给药周期的问题；并且根据上述研究结果探索了缓释药物模块（包括药物缓释包覆材料）与生物体自身形成自组织和自适应的仿生系统的设计思路，为最优周期控制/给药技术运用到实际过程提供理论支持。.该研究为周期振荡生物过程识别、建模及分析提供模型框架，也为研究其他类型复杂生物过程提供思路和借鉴，为新兴生物过程技术的运用提供数学及算法支撑。