构建单元概念
MoBi® 中的构建单元(Building Block, BB)概念为模型创建提供了极大的灵活性,并实现了模型组件的可复用性。构建单元概念聚焦于系统中各组件之间实际的物理相互作用——即一旦两种分子被定义为反应伙伴,只要它们在同一容器中同时存在,就可以在模型的任何容器中发生相互作用。而分子的可用性又取决于模型的结构组织——即两个容器是否通过所谓的"邻域关系"(neighborhood relation)连接,以及组件是否可以进行主动或被动运输。
因此,构建单元概念极大地支持了以下两者之间的结构性分离:由分子基本物理化学性质定义的化合物属性,以及由模型基本空间结构中生物体特有参数设定的生物体生理特性。
共有 8 种不同的构建单元类型,组织在模块中:
- 空间结构(Spatial Structure)
- 分子(Molecules)
- 反应(Reactions)
- 被动运输(Passive Transports)
- 观察器(Observers)
- 事件(Events)
- 初始条件(Initial Conditions)
- 参数值(Parameter Values)
此外,个体(Individuals)和表达谱(Expression Profiles)这两种构建单元类型单独组织,可在不同模块的模拟中使用。
以下各节对不同构建单元进行简要概述。每种构建单元的更详细信息可在各自独立的章节中找到。
构建单元的导出与导入
所有构建单元都可以保存为 *.pkml 文件,并从文件中导入到新模块中。
保存构建单元为 *.pkml 文件:
- 在模块浏览器中,右键单击目标构建单元,从上下文菜单中选择另存为(Save As)。
- 在打开的文件浏览窗口中选择保存位置,并输入文件名。
要从 *.pkml 文件将构建单元导入到尚无该 BB 类型的模块中,右键单击该模块并选择加载构建单元(Load Building Blocks)。需要注意的是,参数值和初始条件这两种构建单元类型可以导入到已包含这些 BB 类型的模块中。
此外,你可以使用任何已保存的构建单元来从中加载单个实体,例如单个分子、反应、被动运输或观察器。
空间结构(Spatial Structure)
空间结构构建单元定义了模型的结构组织。它包含容器(如器官、组织、血液隔室)及其邻域关系。因此,空间结构通过定义容器之间的邻域(neighborhoods)来确定模型的各个容器及其互连方式。
像小鼠和人类这样不同的物种,其空间结构不一定不同。(默认情况下,两者的空间结构甚至是相同的!)这两个物种的差异在于参数值,如器官大小、血流速率等。
分子(Molecules)
一般来说,分子可以是任何可计数的实体。大多数情况下,分子是化学或生物化合物,可以通过物质的量或浓度来量化。分子可以在模型的容器之间移动(通过被动或主动运输过程运输),也可以是静止的——即不能在容器之间运输。在后一种情况下,例如分子可能代表一种膜结合受体蛋白。
从 PK-Sim® 项目导入的非静止分子会自动关联其分布计算方法(如 PK-Sim® 标准、Rodgers and Rowland 等,参见分布)。分布方法的选择决定了描述化合物被动分布和向不同组织分配的参数的计算方式。
所有蛋白质、分子-蛋白质复合物和代谢物(以"汇"(sink)方式建模的,参见酶促过程中代谢物的定义)也作为静止分子出现在分子构建单元中。
作为转运体底物(与作为酶促反应底物不同)被视为药物属性。因此,主动运输在分子构建单元中归属于药物属性下。
反应(Reactions)
反应定义了模型中各种分子之间的因果相互作用。需要注意的是,反应不与特定位置或容器关联,而是系统中组件相互作用的物理规则。如果两种分子被定义为反应伙伴,只要所有反应物(以及所需的催化蛋白)在同一容器中可用,它们就会在模型的任何地方发生反应。反应在模拟结构中被创建的先决条件是所有反应伙伴都存在;反应真正发生的先决条件是相应伙伴的量不为零。
反应的定义独立于位置,在所有反应伙伴以非零量存在的任何地方都会发生。
这一概念对于同时关注多个分子的系统具有重要含义,即当多个分子同时包含在整体模型结构中时。
如果已知药物 A 和药物 B 都结合同一个结合伙伴,仅从结构上考虑这两个结合反应,当结合伙伴的可用性成为限制因素时,就会导致竞争性结合。
药物-药物相互作用,如 CYP3A4 的竞争性抑制,可以通过在反应构建单元中定义竞争性抑制来轻松描述。竞争性抑制在药物和蛋白质同时可用的容器中发生。
被动运输(Passive Transports)
"被动运输"构建单元定义了扩散、对流或沿管腔运输等运输过程。与主动运输不同,被动运输不需要转运体蛋白来介导运输。
被动运输(以及主动运输)只能在模型空间结构中通过邻域关系连接的容器之间进行。运输的目标和源容器的规则由容器条件(container criteria)定义为必要条件。
如果空间结构中已定义了这些容器之间的邻域关系,则可以用一个方程式建立所有器官的血浆和组织间液容器之间的被动运输。这种被动分布的动力学只需定义一次。
观察器(Observers)
观察器用于可视化特定的模拟结果,同时不干扰所考虑分子的质量平衡。观察器可以通过包含分子和参数的公式来推导。基本上有两种类型的观察器:分子观察器(跟踪单个分子的量或浓度)和容器观察器(描述定义了空间邻域关系的不同容器中分子的量或浓度)。容器观察器还可用于汇总容器中多个分子的总量。
MoBi® 内部以物质的量而非浓度进行计算。因此,MoBi® 项目中的所有浓度都定义为观察器或参数(即量除以容器体积)。
事件(Events)
事件描述模拟过程中的条件性变化,通常是值或公式的时间依赖性变化,但也包括复杂的条件变化,如给药、营养摄入或体育锻炼。MoBi® 允许通过 if then else 条件来描述任何类型的变化。
事件由包含 if 条件的布尔公式显式定义,该条件通常依赖于时间、特定参数或特定分子的量或浓度。
一个重要的区分是事件是仅发生一次还是在条件为真时反复发生。
初始条件(Initial Conditions)
此构建单元定义模型中分子的起始值(可以是常数值或公式)。此外,初始条件 BB 还定义了分子将在哪些容器中存在,以及其值是否可以为负值。
参数值(Parameter Values)
参数值(PV)构建单元定义模型中参数的值(常量或公式)。PV BB 中的值始终覆盖其他构建单元(如空间结构或分子构建单元)中定义的默认值。因此,PV BB 应仅包含与默认值不同的参数值。
个体(Individuals)
个体构建单元定义个体的生理特性。所引用的参数集仅限于 PK-Sim® 提供的参数。在 MoBi® 中可以像在 PK-Sim® 中一样创建新个体。
表达谱(Expression Profiles)
表达谱构建单元定义蛋白质的表达。从技术上讲,表达谱 BB 与参数值 BB 类似,包含定义蛋白质表达的所有参数,以及蛋白质量和位置的初始条件。在 MoBi® 中可以像在 PK-Sim® 中一样创建新的表达谱并从数据库中查询信息。
观测数据(Observed Data)
此构建单元包含导入的实验(观测)数据,可用于在图表中显示或用于参数识别。
导入过程的详细说明参见共享工具:观测数据的导入与编辑。