病毒感染與免疫系統(tǒng)協(xié)同響應(yīng)的定量動(dòng)力學(xué)模型和機(jī)制丨免疫復(fù)雜性讀書會(huì)第13期

導(dǎo)語

SARS-CoV-2感染個(gè)體后，人體免疫系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)一系列的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來抵抗和清除病毒，不同個(gè)體的免疫反應(yīng)存在很大的差異，導(dǎo)致了不同程度的感染和疾病結(jié)局。免疫系統(tǒng)包含多種細(xì)胞類型、細(xì)胞因子以及它們之間的復(fù)雜相互作用，且不同人群間的免疫響應(yīng)又存在顯著差異?；诙可飳W(xué)方法描述新冠病毒感染與免疫響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，如定量評(píng)估免疫響應(yīng)強(qiáng)度、定量分析免疫響應(yīng)與感染嚴(yán)重性、疫苗保護(hù)效果和突變株感染結(jié)局之間的關(guān)系，將會(huì)為臨床決策提供一個(gè)極有價(jià)值的量化參數(shù)。

本期讀書會(huì)為免疫復(fù)雜性讀書會(huì)第13期，北京大學(xué)物理學(xué)院李方廷副教授基于新冠患者的免疫響應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，提出了綜合評(píng)價(jià)宿主免疫系統(tǒng)對抗病毒感染強(qiáng)度的定量指標(biāo)——免疫效度 (immune efficacy, ε)，基于該指標(biāo)提出了定量評(píng)估癥狀嚴(yán)重性和預(yù)測疫苗保護(hù)率的方法，并通過新冠原始毒株和突變株的臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可靠性。

集智俱樂部聯(lián)合廣州市荔灣中心醫(yī)院秦健勇醫(yī)生、四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院敖平教授、天津工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院雷錦志教授、中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院張曉實(shí)教授以及中國科技大學(xué)生命科學(xué)院博士生秦曉玉共同發(fā)起，以免疫學(xué)為具體場景，以復(fù)雜科學(xué)為方法論，試圖整合范式轉(zhuǎn)型與理論構(gòu)建、機(jī)制研究與數(shù)理建模、藥物研發(fā)和臨床實(shí)踐以腫瘤免疫治療為核心問題探討21世紀(jì)生命科學(xué)認(rèn)知范式轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

自2026年4月13日啟動(dòng)，每周一晚19：30-21：30進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì)26周。歡迎對腫瘤免疫學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與數(shù)學(xué)生物學(xué)交叉領(lǐng)域感興趣的朋友加入！

報(bào)告簡介

基于新冠病毒感染-免疫響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，討論不同感染癥狀患者的免疫響應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征，提出了綜合評(píng)價(jià)宿主免疫系統(tǒng)對抗病毒感染強(qiáng)度的定量指標(biāo)——免疫效度 (immune efficacy)，基于該指標(biāo)提出了定量評(píng)估癥狀嚴(yán)重性和預(yù)測疫苗保護(hù)率的方法，通過新冠原始毒株和突變株的臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可靠性。

新冠病毒引起個(gè)體肺部免疫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的定量模型和數(shù)值模擬。(A)新冠病毒感染后，免疫響應(yīng)的細(xì)胞和細(xì)胞因子相互作用網(wǎng)絡(luò)；(B)新冠病毒感染后，人群中四類不同的免疫響應(yīng)模式；(C) 新冠病毒的感染過程可由免疫效度ε和病毒毒力γ的競爭描述。(D)人群中四種模式的免疫效度ε存在著差異；(E)臨床數(shù)據(jù)中，不同癥狀病人峰值IL-6水平和平均臨床免疫效度ε*的存在著負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

分享大綱

核心概念

人體宿主和感染病原體或癌癥克隆之間的互作可以看作是一個(gè)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS）：在此視野下，可以建模分析“宿主-病原體/癌克隆”共生網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)重構(gòu)。

1. 序參量：免疫效度 ? 與毒力γ 的競爭

將免疫系統(tǒng)視為一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的耗散結(jié)構(gòu)，其核心在于尋找一個(gè)能夠描述系統(tǒng)整體行為的序參量（Order Parameter）。

免疫效度 ?：這不僅是殺傷力，而是系統(tǒng)信息處理能力的度量。它表征了免疫系統(tǒng)識(shí)別、響應(yīng)并清除噪聲（病毒）的計(jì)算效率。?c（體液清除）與 ?k（細(xì)胞殺傷）的乘積，暗示了免疫效能的非線性疊加特征。

臨界相變（Phase Transition）：當(dāng) ? >γ（病毒復(fù)制率）時(shí)，系統(tǒng)收斂于健康穩(wěn)態(tài)；一旦 ? 跌落至閾值之下，系統(tǒng)發(fā)生相變（Mode 4），滑入慢性感染的亞穩(wěn)態(tài)，這揭示了疾病嚴(yán)重程度并非線性分布，而是存在動(dòng)力學(xué)斷點(diǎn)。

1. 粗粒化與宏觀涌現(xiàn)：臨床免疫效度 ?*

面對高維的微觀動(dòng)力學(xué)，SFI 方法論強(qiáng)調(diào)粗?；–oarse-graining）以捕捉宏觀規(guī)律。

作者利用血常規(guī)這一易測變量，構(gòu)建了低維投影 ?*。這證明了復(fù)雜的免疫表型可以通過少數(shù)幾個(gè)宏觀變量的組合（中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等占比的交互項(xiàng)）得以涌現(xiàn)。

這一簡化不僅具有臨床價(jià)值，更在理論上驗(yàn)證了“可觀測性”：即便無法追蹤每一個(gè)分子，我們依然可以通過合適的統(tǒng)計(jì)量掌握系統(tǒng)的演化趨勢。

1. 系統(tǒng)分型：免疫響應(yīng)的相空間拓?fù)?/strong>

研究并未局限于單一路徑，而是描繪了系統(tǒng)在四維相空間中的吸引子（Attractor）景觀。

Mode 1-4 對應(yīng)著不同的流形結(jié)構(gòu)：從快速的極限環(huán)（急性清除）到混沌邊緣的慢變動(dòng)力學(xué)（慢性炎癥）。

每一種模式都是免疫細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（B細(xì)胞、T細(xì)胞、先天免疫）之間反饋回路（Feedback Loops）相互作用所涌現(xiàn)出的集體行為。這提示治療不應(yīng)針對單一靶點(diǎn)，而應(yīng)擾動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1. 適應(yīng)性循環(huán)與疫苗保護(hù)率

疫苗的本質(zhì)，是在系統(tǒng)中預(yù)置“免疫記憶”這一信息結(jié)構(gòu)。

保護(hù)率被重新定義為：在病毒入侵的擾動(dòng)下，系統(tǒng)維持原有功能（不發(fā)病）的概率。

模型揭示了一個(gè)深刻的穩(wěn)健性（Robustness）原理：單純依賴中和抗體的“高維防御”是脆弱的，將細(xì)胞免疫與體液免疫形成的冗余回路（Redundancy），可能在病毒變異（環(huán)境變化）中維持系統(tǒng)的最佳適應(yīng)性。

1. 多尺度建模：微觀機(jī)制與宏觀表型的因果涌現(xiàn)

這項(xiàng)工作展屬于自下而上（Bottom-up）的生成式建模。

通過將病毒感染、固有免疫、細(xì)胞免疫等五個(gè)模塊耦合，模擬了從分子相互作用到臨床癥狀的因果涌現(xiàn)（Causal Emergence）。試圖回答：復(fù)雜的臨床結(jié)局是如何從無數(shù)免疫細(xì)胞局部的相互作用中自發(fā)展現(xiàn)出來？

從傳染病動(dòng)力學(xué)“流行病學(xué)統(tǒng)計(jì)”到“免疫計(jì)算建?！钡膰L試，顯示了對復(fù)雜系統(tǒng)定量研究的可能性。將人體類比復(fù)雜算法的生物計(jì)算機(jī)，先賢早已有之，本文中嘗試以免疫效度 ? 構(gòu)建衡量這臺(tái)機(jī)器算力是否足以應(yīng)對免疫應(yīng)激挑戰(zhàn)的指標(biāo)。

主講人介紹

主講人：李方廷，北京大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。1988年畢業(yè)于南開大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2000年北京師范大學(xué)物理系獲理學(xué)博士學(xué)位，導(dǎo)師：漆安慎教授和杜嬋英教授，理論生物學(xué)方向；2001年起，北京大學(xué)物理學(xué)院和理論生物學(xué)中心博士后，合作導(dǎo)師湯超教授和歐陽頎教授，開展酵母基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)的研究；2007年起，任北京大學(xué)物理學(xué)院副教授；2008年1月到2009年2月，美國加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）訪問學(xué)者。 近期工作集中在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和免疫系統(tǒng)的定量生物學(xué)研究上。 擔(dān)任物理學(xué)院“生物物理導(dǎo)論”（本研合上課程）和“普通物理”（醫(yī)學(xué)預(yù)科班）的教學(xué)工作。

申請國家發(fā)明專利3項(xiàng)，授權(quán)1項(xiàng)。免疫效度或臨床相對免疫效度在評(píng)價(jià)受試者的疫苗應(yīng)答強(qiáng)度中的應(yīng)用。李方廷; 李典杰; 李鍵瑋; 周正清 2023-11-3, 中國, CN202210667994.7.

本發(fā)明提供了免疫效度ε或臨床相對免疫效度ε在評(píng)價(jià)受試者的疫苗應(yīng)答強(qiáng)度中的應(yīng)用，屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明從免疫學(xué)原理出發(fā)，綜合考慮參與人體免疫反應(yīng)的核心信號(hào)通路、淋巴細(xì)胞、細(xì)胞因子的體內(nèi)循環(huán)，以及面對抗原宿主的先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)的抗感染動(dòng)態(tài)過程，選擇出能夠檢測免疫效度以及預(yù)測疫苗應(yīng)答強(qiáng)度的臨床指標(biāo)，并提出根據(jù)免疫效度ε或臨床相對免疫效度ε評(píng)價(jià)接種后的免疫力，所述免疫效度ε為免疫系統(tǒng)殺傷被感染細(xì)胞的免疫效度εk與免疫系統(tǒng)殺傷感染病毒的免疫效度εc的乘積。本發(fā)明還涉及利用該臨床指標(biāo)對受試者接種疫苗后免疫力進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法、系統(tǒng)和試劑盒。

酵母細(xì)胞周期布爾網(wǎng)絡(luò)模型的工作（PNAS 2004）引起國際生物物理界的重視，并被細(xì)胞生物學(xué)家認(rèn)可。截至2025年9月，Google Scholar 上的總引用次數(shù)約1200次。國際生物物理學(xué)教材Biophysics：searching for principle(W. S. Bialek 著，Princeton University Press 2012 ) ，以及教育部101教材《生物物理學(xué)》（施一公、湯超主編，高等教育出版社，2025）第11章“生物網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)”，都專門介紹了該項(xiàng)工作。

參考文獻(xiàn)

1. J. Hadjadj et al., Impaired type I interferon activity and inflammatory responses in severe COVID-19 patients. Science 369, 718-724 (2020).

2. B. Chatterjee, H. Singh Sandhu, N. M. Dixit, Modeling recapitulates the heterogeneous outcomes of SARS-CoV-2 infection and quantifies the differences in the innate immune and CD8 T-cell responses between patients experiencing mild and severe symptoms. PLOS Pathogens 18, e1010630 (2022).

3. D. S. Khoury et al., Neutralizing antibody levels are highly predictive of immune protection from symptomatic SARS-CoV-2 infection. Nature Medicine 27, 1205-1211 (2021).

4. Zhou Z, Li D, Zhao Z, Shi S, Wu J, et al. (2023) Dynamical modelling of viral infection and cooperative immune protection in COVID-19 patients. PLOS Computational Biology 19(9): e1011383. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1011383

5. Gao X, He J, Sun X, et al. Dynamically modeling the effective range of IL-2 dosage in the treatment of systemic lupus erythematosus[J]. Iscience, 2022, 25(9).

6. Li J, Wu J, Zhang J, Tang L, Mei H, Hu Y, Li F. A multicompartment mathematical model based on host immunity for dissecting COVID-19 heterogeneity. Heliyon. 2022 May;8(5):e09488. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e09488. https://mp.weixin.qq.com/s/PBxs1hbLKM1slX6Fx_zz-Q

讀書會(huì)在做什么

免疫復(fù)雜性讀書會(huì)，從2026年4月13日開始，每周一晚19：30，連續(xù)半年，聚焦免疫復(fù)雜性主題。

讀書會(huì)主題劃分為三個(gè)模塊：

【導(dǎo)言】生命科學(xué)范式漫談

由資深生命科學(xué)研究者朱景德教授激情暢談復(fù)雜系統(tǒng)范式對于生命科學(xué)研究的意義。

【機(jī)制解讀篇】

由中國學(xué)者敖平教授介紹基于普適的達(dá)爾文演化力學(xué)這個(gè)第一性原理發(fā)展起來內(nèi)源性網(wǎng)絡(luò)理論在理解復(fù)雜生命現(xiàn)象中的應(yīng)用；這部分的整體架構(gòu)是以EVO-DEV-ECO框架展開的，邀請國內(nèi)研究免疫機(jī)制演化和發(fā)育的頂尖團(tuán)隊(duì)，分享他們的研究成果。同時(shí)對免疫機(jī)制的核心問題如免疫代謝、T細(xì)胞功能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)-免疫的對話由長期關(guān)注此問題的資深學(xué)者展開探討。

范式轉(zhuǎn)換需以方法論為基礎(chǔ)，由在此領(lǐng)域深耕的青年才俊介紹干濕結(jié)合的生物學(xué)機(jī)制研究方法，免疫穩(wěn)態(tài)與免疫韌性是免疫健康的主旋律，我們也嘗試基于復(fù)雜科學(xué)視角嘗試對其進(jìn)行解讀……

【數(shù)理建模篇】

數(shù)學(xué)本質(zhì)上是一種對認(rèn)知進(jìn)行準(zhǔn)確描述和具有很強(qiáng)邏輯性的語言，由通用的數(shù)學(xué)符號(hào)體系建立起來的數(shù)學(xué)語言作為科學(xué)基礎(chǔ)的工具為人類深化對自然界的認(rèn)知起了不可或缺的作用，數(shù)學(xué)在不斷演化中發(fā)展，同時(shí)不斷拓展著人類的認(rèn)知邊疆。

不少物理學(xué)家都曾感嘆數(shù)學(xué)不可思議的有效性，數(shù)學(xué)，尤其是對稱性思想在構(gòu)建物理學(xué)宏偉大廈的過程中是不可缺少的工具。數(shù)學(xué)在科學(xué)發(fā)展史上的巨大作用，使得科學(xué)家們又嘗試以數(shù)學(xué)工具介入對生命現(xiàn)象的探索，但又難免惆悵：喟嘆其不可思議的無效性。

癌生物學(xué)家 Robert Weinberg 提出“數(shù)學(xué)能否幫助人們理解生物系統(tǒng)復(fù)雜行為的合理性”這樣一個(gè)極具挑戰(zhàn)的問題。應(yīng)用數(shù)學(xué)家林家翹先生提出“20世紀(jì)的應(yīng)用數(shù)學(xué)聚焦于物理學(xué)問題，21世紀(jì)的應(yīng)用數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)應(yīng)致力解決生物學(xué)問題”，預(yù)示了數(shù)學(xué)與生命科學(xué)交叉融合的重要性。在數(shù)理建模篇，將由國內(nèi)一流的數(shù)學(xué)生物學(xué)團(tuán)隊(duì)介紹他們在這一領(lǐng)域的探索，側(cè)重于腫瘤免疫相互作用的數(shù)學(xué)建模，嘗試通過機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的研究手段，采用微分方程組(隨機(jī)或確定性)并結(jié)合隨機(jī)模擬來描述腫瘤免疫響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)演變過程。

虛擬細(xì)胞在當(dāng)前AI高歌猛進(jìn)的時(shí)代背景下似乎成了時(shí)代的寵兒——2026年伊始，最小人造細(xì)胞JCVI-syn3A的數(shù)字克隆取得新的進(jìn)展——虛擬細(xì)胞精確復(fù)現(xiàn)了細(xì)胞分裂動(dòng)力學(xué)周期和關(guān)鍵事件。虛擬細(xì)胞是理解生命現(xiàn)象的前沿領(lǐng)域，被寄希望應(yīng)用于藥物研發(fā)和臨床藥理學(xué)領(lǐng)域。本次讀書會(huì)邀請到了首屆全球虛擬細(xì)胞大賽冠軍團(tuán)隊(duì)百圖生科技術(shù)副總監(jiān)郭玉成博士，他將對該次突破性虛擬細(xì)胞建模的技術(shù)路線進(jìn)行解讀，郭玉成博士目前已經(jīng)著手在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)此次虛擬細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)過程。

【工程技術(shù)篇】

這一模塊將從國藥之光康方生物雙抗類藥物的研發(fā)實(shí)踐開始，討論免疫調(diào)節(jié)工具研發(fā)的工程實(shí)踐，藥物的臨床驗(yàn)證和優(yōu)化使用情況。最后聚焦到臨床痛點(diǎn)，宿主治療響應(yīng)的評(píng)估與監(jiān)測，提高藥物有效率的聯(lián)合治療和系統(tǒng)管理策略。

模塊的設(shè)計(jì)初衷是希望通過系統(tǒng)回顧雙特異性抗體的研發(fā)邏輯、PD-1抑制劑的臨床藥理、免疫紊亂的抗炎治療、情緒應(yīng)激與免疫應(yīng)答之間的機(jī)制，結(jié)合幾個(gè)具體的典型案例，來討論：

宿主免疫對治療響應(yīng)的監(jiān)控與控制，

如何優(yōu)化腫瘤免疫聯(lián)合治療方案？

進(jìn)而在本模塊跨學(xué)科討論的基礎(chǔ)上回歸到第一性原理，探討新生物視角下臨床困境的出路和科學(xué)探索方向。

【總結(jié)】

由在腫瘤免疫學(xué)領(lǐng)域深耕20余年的張曉實(shí)教授主持討論，主題是“提高腫瘤免疫治療應(yīng)答率的聯(lián)合用藥策略和系統(tǒng)管理框架”。

時(shí)間信息

2026年7月13日（周一）晚19:30-21:30，騰訊會(huì)議線上進(jìn)行，感興趣的朋友掃碼報(bào)名加入免疫復(fù)雜性讀書會(huì)后，可進(jìn)入學(xué)員群進(jìn)行交流。

報(bào)名讀書會(huì)：

「免疫復(fù)雜性讀書會(huì)：范式、理論與工具」

，是一個(gè)以免疫現(xiàn)象為核心場景，以復(fù)雜科學(xué)為方法論，試圖整合機(jī)制研究、數(shù)理建模、研發(fā)和臨床實(shí)踐問題來思考21世紀(jì)生命科學(xué)認(rèn)知范式轉(zhuǎn)型的跨學(xué)科研討社群。

講者們來自各自領(lǐng)域的一線前沿，將基于自己長期的工作積淀與思考展開演講，同時(shí)提供精要的參考文獻(xiàn)。

本讀書會(huì)將圍繞一個(gè)臨床問題——如何優(yōu)化以免疫治療為中心的控瘤策略？——來展開討論。

試圖以范式思考與理論建模視角，回歸到第一性原理的起點(diǎn)，去重構(gòu)認(rèn)知框架，激發(fā)對話與洞見。

發(fā)起人團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，將免疫系統(tǒng)視為動(dòng)態(tài)復(fù)雜適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)，基于認(rèn)知范式思考腫瘤免疫治療的瓶頸——或能對當(dāng)前免疫治療的困境有所突破，構(gòu)建出一套有效的聯(lián)合治療原則性框架，為臨床實(shí)踐提供指引。

掃描海報(bào)中二維碼報(bào)名參加讀書會(huì)

報(bào)名方式

第一步：微信掃碼填寫報(bào)名信息。

第二步：填寫信息后，付費(fèi)報(bào)名。如需用支付寶支付，請?jiān)赑C端進(jìn)入讀書會(huì)頁面報(bào)名支付：

第三步：添加運(yùn)營助理微信，拉入對應(yīng)主題的讀書會(huì)社區(qū)（微信群）。

PS：

我們鼓勵(lì)圍繞系統(tǒng)腫瘤免疫學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與數(shù)學(xué)生物學(xué)及相關(guān)具體問題的深入探討。為保證討論質(zhì)量，請避免發(fā)表脫離本期讀書會(huì)主題、缺乏實(shí)證基礎(chǔ)或過于空泛的哲學(xué)思辨類內(nèi)容。

若討論內(nèi)容明顯偏離主題，經(jīng)主持人提醒后仍未調(diào)整，為維護(hù)整體學(xué)習(xí)環(huán)境，我們將不得不將該成員請出討論群，并根據(jù)其實(shí)際參與進(jìn)度，對未參與部分按比例辦理退費(fèi)。

感謝您的理解與配合，讓我們共同營造一個(gè)專注、深入、有收獲的共學(xué)空間。

加入社區(qū)可享核心資源

成為會(huì)員即可解鎖完整學(xué)習(xí)生態(tài)，包括：線上實(shí)時(shí)問答、全部課程錄播回看、獨(dú)家資料共享、高質(zhì)量社群交流、第一手信息同步，以及通過參與共創(chuàng)任務(wù)獲取積分等權(quán)益。

特色退費(fèi)與激勵(lì)機(jī)制

我們提供以下兩種途徑，讓您的投入獲得實(shí)際回饋：

1. 任務(wù)達(dá)標(biāo)退費(fèi)路徑
   

   認(rèn)領(lǐng)并合格完成任意三期字幕任務(wù)，即可退還全額報(bào)名費(fèi)，并額外獲得集智專屬周邊獎(jiǎng)勵(lì)。

2. 運(yùn)營成長激勵(lì)路徑
   

   合格完成一個(gè)字幕任務(wù)后，可申請成為運(yùn)營助理。在讀書會(huì)項(xiàng)目順利結(jié)項(xiàng)后，將退還學(xué)費(fèi)。表現(xiàn)優(yōu)異者，還有機(jī)會(huì)獲得額外的獎(jiǎng)學(xué)金。