卡路里摄入限制的研究进展

王雨濛 韩明志 杨治国 张颖博 黄淑红

(山东大学医学院神经生物研究所，山东 济南 250012)

卡路里摄入限制(CR)概念是美国康奈尔大学Mary Crowell等人在1934年提出的,可以作为一种延长机体寿命的方法。在维持大鼠微量营养素的同时降低其卡路里的供应，与没有限制卡路里摄入的大鼠相比，这些大鼠寿命延长了近一倍。CR的研究被广泛地应用到大鼠、小鼠等啮齿动物中，研究结果均证实其对动物寿命的延长作用。近年，CR受到越来越多的关注，实验模型从啮齿动物转向了灵长类动物甚至人类本身，研究范围从单纯的寿命拓展到年龄相关性疾病、记忆甚至神经退行性疾病中。本文就现阶段CR的研究范围和进展做一综述。

1 CR与寿命

过去的几十年中，威斯康星州国立灵长类动物研究中心(WNPRC)和NIH动物研究中心(NIA)一直对长寿命的灵长类动物进行CR的相关研究〔1，2〕。WNPRC的实验从1989年开始，选定30只7～14岁的雄性恒河猴，结果显示降低30%卡路里摄入量的实验组在25岁之后的自然存活率显著上升；与自然老化联系密切的疾病(如糖尿病、恶性肿瘤、心血管疾病及脑萎缩等)的发病率呈显著下降的趋势〔1〕。此外，有研究证实在啮齿动物内，CR可显著提升大鼠的寿命〔3〕。与WNPRC的结果不同的是，NIA发现CR虽然可以降低恒河猴年龄相关性疾病的发病率，但无法延长其寿命〔2〕。两项研究的结果显示，CR的具体方法在这个过程中起了非常重要的作用。

1.1食物来源 由于自然界的食物在营养成分的组成和卡路里含量方面具有较大的不确定性，因此相对于天然食物，经过特殊处理的食物有更为精确的营养成分对比及卡路里含量，对于卡路里摄入量的控制更为准确；另外，食物碳水化合物的含量高低以及蔗糖的含量也发挥着重要的作用。

1.2矿物质及维生素 虽然在一定程度上，机体可根据卡路里摄入量的不同调节自身对能量的需求，但对矿物质和维生素的需求不会随之改变。相反的，尤其在CR的过程中，保证机体矿物质和维生素的摄入对延长寿命及降低年龄相关性疾病的发病率起着巨大的作用。

1.3CR量 虽然CR可以起到延长寿命、降低年龄相关性疾病发病率等作用，CR量非常重要，既不能降低过少导致无法发挥作用，又不能降低过多导致机体出现其他问题，只有寻找到最佳的限制程度才能发挥其最大的作用。根据WNPRC与NIA的研究结果，30%左右的CR，以及18%的体重下降对于寿命的延长及健康的改善最为有效。

日本冲绳县人口的研究显示，因居民普遍保持低卡路里饮食，平均寿命较长且存在异常多的逾百岁老人〔4〕。由此可见，CR可以延长人类寿命。Anisimov等〔5〕深入探索了CR延长寿命的机制，研究结果表明与胰岛素和胰岛素样生长因子(IGF)-1的减少，以及胰岛素敏感性的降低密切相关。

2 CR与记忆

Witte等〔6〕发现，CR可以显著提升老年人的记忆能力。该研究小组选取50名50～80岁的健康人作为实验对象，在对其进行记忆力测试后分为3组：限制30%卡路里摄入的20人实验组、给予非饱和脂肪酸(UFA)的20人实验组及10人的对照组。经过3个月的观察，CR的老年人的记忆跟3个月前相比显著提升(约30%)，另外两组并无统计学差异。除此之外，实验证实记忆水平的提升与CR的时间呈正相关的趋势。

CR后，机体的胰岛素敏感性显著升高，同时大量抗炎保护性分子被激活，这些分子水平的变化改变了神经元内的信号通路，增强了神经营养因子〔如IGF-1，脑源性神经生长因子(BDNF)〕的活性。而神经营养因子对神经元正常功能的维持以及突触可塑性具有极其重要的保护作用，其活性的增强对于记忆力的改善可能发挥着重要的作用〔7〕。

另外一项研究则从大脑内DNA的甲基化水平对CR进行了探讨〔8〕。DNA的甲基化随着年龄的增加在脑内积累，达到一定程度后会引发大脑的一系列疾病。作者以5-甲基胞苷(DNA甲基化的标志物)作为指示物，检测了小鼠脑内DNA甲基化随年龄变化的趋势。在对12个月的小鼠进行CR一年之后，与对照组相比，CR组的小鼠脑内DNA甲基化明显下降，提示CR在机体老化中起到了一定的保护作用。

除此之外，Veyrat-Durebex等〔9〕发现，长期的CR可通过调节大鼠脑内的神经肽Y受体亚型的密度影响大鼠的记忆。神经肽Y是一种广泛存在于中枢和外周神经系统并维持内环境稳态的抑制性激素，影响情绪和记忆。该研究以神经肽Y各亚型的放射性配体指示密度，给予20个月雄性大鼠40% CR一年，与对照组相比，神经肽Y受体的不同亚型在相应的脑区均有明显降低，提示CR对情绪、记忆等神经回路具有保护作用。

3 CR与阿尔茨海默病(AD)

AD的发病机制，目前的研究主要认为是脑内淀粉样蛋白β(Aβ)斑块的沉积，神经纤维缠结(NFT)以及线粒体功能受损等造成〔10，11〕。CR在老年性痴呆中的保护作用主要基于其对于Aβ斑块以及线粒体功能的影响。

3.1CR可降低小鼠脑内Aβ斑块的含量 美国Mount Sinai大学的Wang等〔12〕发现在AD小鼠模型中，CR可以显著降低脑内的Aβ斑块。该实验选取AD的小鼠模型作为研究对象，在3个月时给予30%的CR，在其9个月时检测大脑皮层及海马脑区的Aβ斑块的含量。

研究结果显示，相比对照组，CR组脑内的Aβ斑块显著降低，揭示CR对于AD的发病起到一定的抑制作用。以往的研究〔13〕发现，Aβ的形成主要是由于其前体APP的游离形式即sAPP在β分泌酶及γ分泌酶的作用下分解，而α分泌酶可以阻止β分泌酶的形成。ADAM10作为调节α分泌酶活性的重要蛋白质，在CR的作用下表达量显著增加，相应的增强了α分泌酶的活性，从而降低了Aβ在大脑及海马的沉积，对于AD的延缓有着显著的增强。小鼠3个月时开展实验，该时间点小鼠脑内并无Aβ的产生，因此，CR是否可以降解已经产生的Aβ斑块仍然是个疑问。另外，CR在灵长类动物尤其是人类中能否起到同样的作用，也需要进一步的研究。

3.2CR可以改善脑内线粒体的功能 大量研究证实，线粒体功能的缺失是导致AD发病的重要原因〔14〕。

Picca等〔15〕研究主要针对大鼠脑内线粒体DNA与线粒体转录因子A(TFAM)在CR后的含量变化。该实验选取6个月的大鼠进行实验，实验组给予30%的CR。26个月时，对照组大鼠的TFAM含量上升70%而线粒体DNA下降25%。通过实时定量PCR的方法，该研究小组发现与6个月的大鼠相比，TFAM结合的线粒体DNA降低了60%～70%，这对线粒体蛋白质的表达影响巨大，从而严重影响了线粒体的正常功能。而CR实验组虽然也有所降低，但降低幅度相比对照组并不显著。

另一方面，线粒体的动态平衡及膜内外电势差等对线粒体的功能十分重要，CR能否对这些方面产生影响，仍然需要进一步的研究。大量的研究证实，30%CR对于延长寿命、改善记忆以及降低糖尿病、恶性肿瘤、心脑血管疾病和脑萎缩方面有着显著的作用。此外，最新研究结果表明，CR可以升高芳香酶水平，从而控制肥胖相关的乳腺炎〔16〕。

4 参考文献

1Colman RJ，Anderson RM，Johnson SC，etal.Caloric restriction delays disease onset and mortality in rhesus monkeys〔J〕.Science,2009；325(5937):201-4.

2Mattison JA，Roth GS，Beasley TM，Harris RJ,etal.Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study〔J〕. Nature，2012；489(7415):318-21.

3Murtagh-Mark CM，Reiser KM，Harris R Jr,etal.McDonald RB：Source of dietary carbohydrate affects life span of Fischer 344 rats independent of caloric restriction〔J〕.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，1995；50(3):B148-54.

4Willcox DC，Willcox BJ，Todoriki H,etal.Caloric restriction and human longevity：what can we learn from the Okinawans〔J〕.Biogerontology，2006;7(3):173-7.

5Anisimov VN，Bartke A.The key role of growth hormone-insulin-IGF-1 signaling in aging and cancer〔J〕.Crit Rev Oncol Hematol，2013;87(3):201-23.

6Witte AV，Fobker M，Gellner R，etal.Caloric restriction improves memory in elderly humans〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A，2009；106(4):1255-60.

7Chao MV.Neurotrophins and their receptors：a convergence point for many signalling pathways〔J〕.Nat Rev Neurosci 2003；4(4):299-309.

8Querfurth HW，LaFerla FM.Alzheimer′s disease〔J〕.N Engl J Med，2010；362(4):329-44.

9Veyrat-Durebex C，Quirion R，Ferland G，etal.Aging and long-term caloric restriction regulate neuropeptide Y receptor subtype densities in the rat brain〔J〕.Neuropeptides，2013;47(3):163-9.

10Chouliaras L，van den Hove DL，Kenis G，etal.Prevention of age-related changes in hippocampal levels of 5-methylcytidine by caloric restriction〔J〕.Neurobiol Aging，2012；33(8):1672-81.

11Hirai K，Aliev G，Nunomura A，etal.Mitochondrial abnormalities in Alzheimer′s disease〔J〕.J Neurosci，2001；21(9):3017-23.

12Wang J,Hol,Qin W,etal.Caloiric attenuates beta-amyloid neuropathlogy in a mouse model of Alzheimer's disease〔J〕.FASEB J,2005;19:659-61.

13Patel NV，Gordon MN，Connor KE，etal.Caloric restriction attenuates Abeta-deposition in Alzheimer transgenic models〔J〕.Neurobiol Aging，2005；26(7):995-1000.

14Bossy-Wetzel E，Barsoum MJ，Godzik A，etal.Mitochondrial fission in apoptosis，neurodegeneration and aging〔J〕.Curr Opin Cell Biol，2003；15(6):706-16.

15Picca A，Fracasso F，Pesce V，etal.Age- and calorie restriction-related changes in rat brain mitochondrial DNA and TFAM binding〔J〕.Age (Dordr)，2013;35(5):1607-20.

16Bhardwaj P，Du B，Zhou XK，etal.Caloric restriction reverses obesity induced mammary gland inflammation in mice〔J〕.Cancer Prev Res (Phila)，2013;6(4):282-9.