生酮饮食对部分慢性疾病的作用机制研究进展

扶晓菲,游春苹

(乳业生物技术国家重点实验室,上海乳业生物工程技术研究中心, 光明乳业股份有限公司乳业研究院,上海 200436)

20世纪20年代,用于治疗癫痫疾病的药物十分匮乏,幸运的是,以脂肪替代葡萄糖作为能量来源,引起体内脂肪优先分解产生酮体(Ketone bodies)的饮食方式,被发现可通过模拟禁食引起的代谢变化来治疗难治性癫痫,由此在治疗难治性癫痫方面被较广泛认可[1-2]。这种通过减少碳水化合物摄入(通常低于50 g/d),并相应增加脂肪和蛋白质摄入的饮食方式,被定义为生酮饮食(KD)[3]。经典的生酮饮食中,摄入的脂肪质量通常为蛋白质与碳水化合物质量之和的4倍[4]。此后,相关研究也发现生酮饮食对阿尔茨海默氏病[5]、帕金森病[6]等神经以及神经退行性疾病发挥潜在辅助治疗作用。此外,生酮饮食也在糖尿病、心血管疾病、肿瘤等慢性疾病的治疗中呈现出治疗潜力[7]。20世纪60年代,生酮减脂法开始适用于肥胖症治疗,并逐渐发展成为治疗肥胖症的重要工具之一[8]。近二十年来,生酮饮食使用频率急剧增长,相关研究在全球范围内逾40个国家近百所研究中心开展[9-10]。国际生酮饮食研究组也就生酮饮食临床管理等提出了实施建议[11]。我国对生酮饮食的研究起步较晚,直至2007年才有了生酮饮食临床应用的相关报道[12]。

表1 四类生酮饮食的比较Table 1 Comparison of four kinds of KD

既有报道多将生酮饮食归纳为以下4种类型:传统生酮饮食(CKD)、中链甘油三酯饮食(MCT)、改良阿特金斯饮食(MAD)以及低血糖指数饮食(LGIT)。经改良的后三种饮食方式,基于“高脂低碳水”的原则,适量放宽了蛋白质和碳水化合物的使用限值,同时丰富饮食的种类,拓展饮食疗法开展的地点,较经典生酮饮食具有更好的耐受性和可接受度。本文从生酮饮食在各类慢性疾病中的应用情况、作用机制、安全性等几个方面综述了生酮饮食对慢性疾病的改善作用。

1 生酮饮食与慢性疾病

慢性疾病是长期困扰全球居民健康状况且不容忽视的巨大威胁。最新《中国居民营养与慢性疾病状况报告(2015)》指出[21],我国有超过3亿的人口患有慢性疾病,慢性病死亡率占总死亡率的86.6%。据世界卫生组织(WHO)预测[22],截至2030年,全球将有超过5000万人死于慢性疾病,其中排名较为靠前的四大疾病分别是心血管疾病、癌症、慢性呼吸系统疾病以及糖尿病。诸如高糖、高盐、高脂等不健康的饮食方式是慢性疾病产生的关键诱因,因此,改善不良饮食习惯,开展行之有效的慢性疾病干预和管理措施迫在眉睫[23]。生酮饮食已被证明在治疗慢性疾病方面有一定成效,难治性癫痫是生酮饮食最经典的临床应用。此外,生酮饮食在治疗糖尿病及并发症、肥胖及相关疾病、肿瘤方面也有一定应用。

1.1 难治性癫痫

癫痫是一种常见的神经系统疾病,内科治疗(AEDs)、外科治疗(手术治疗)、其他治疗(如生酮饮食)是三大常见治疗途径。癫痫在儿童中的发病率远高于成人,但借助新型AEDs及外科治疗后,往往仍有20%～30%的癫痫患儿出现病情反复发作的情况,形成儿童难治性癫痫[24]。生酮饮食作为目前较为认同的儿童难治性癫痫治疗方法,在国内外均有被报道[16,24]。Song等[25]筛选和分析2011～2015年近4年的36例婴儿痉挛症的临床数据得出,干预1、3、6个月后生酮饮食的保留率分别是91.7%、88.9%、80.6%,生酮饮食对婴儿痉挛症的有效率达66.7%,验证了生酮饮食的有效性和安全性。Cinthya等[26]对48位难治性癫痫患儿开展长达9年的回顾性研究,通过对CKD、MCT、MAD的抗癫痫疗效比较得出,两年内35例(73%)患者癫痫发作减少50%～90%,并且MCT干预的副作用最低,3例(6%)患儿因癫痫得到充分控制而停止治疗,证实了这三种生酮饮食在癫痫发作控制方面的有效性。尚丽等[27]对19例成人难治性癫痫患者进行MAD治疗并辅以最多长达15个月的随访,借助癫痫发作频率及不良反应等数据发现,治疗6个月后的有效率为47%,保留率为47%,癫痫发作频率由治疗前的25次/月降为8次/月,提示了MAD治疗成人难治性癫痫的安全性及有效性,及排除禁忌症后应用MAD的可行性。需要注意的是,进行治疗期的护理与观察,也是减少不良反应和提高依从性,从而提高生酮饮食疗效的可行途径之一[28]。

1.2 糖尿病及并发症

糖尿病作为一组以高血糖为特征的代谢性疾病,现已逐渐发展成为全球三大导致过早死亡的健康危害因素之一。针对363名超重或肥胖的参与者进行为期24周的一项饮食干预试验[29],通过对比传统低热量饮食,测定和分析体重、血糖水平、总胆固醇等代谢指标得出,限制碳水化合物摄入(20～30 g/d)的生酮饮食对血糖水平的降低有益。Zhang等[30]对2型糖尿病模型小鼠给予高脂饮食喂养后继续8周的生酮饮食干预发现,经高脂饮食和生酮饮食干预的小鼠,体重无明显变化,但后者的糖耐量和胰岛素耐量均有改善,实验在肯定了生酮饮食对血糖的控制作用的同时,也提示了要重视长期使用生酮饮食可能引起的肝脂质积累、肝脂肪变性等副作用。生酮饮食也对糖尿病肾病、糖尿病性神经病变等糖尿病并发症发挥潜在疗效[31]。强化胰岛素治疗和限制蛋白质摄入可减缓肾病的发展,但逆转肾病的干预措施十分少,白蛋白/肌酐比值(ACR)是糖尿病肾病发展的重要参考指标。一项分别给予1型和2型糖尿病模型小鼠高碳水化合物饮食(64%碳水化合物、23%蛋白质、11%脂肪)和生酮饮食(5%碳水化合物、8%蛋白质、87%脂肪)的对比研究,全程监测体重、血糖和血液酮水平,8周后收集小鼠尿液测定ACR,经短暂暴露于二氧化碳后处死,取肾脏进行基因表达分析得出,小鼠血糖水平降低,且肾脏应激和毒理相关基因表达被逆转,但病理组织学方面的证据尚不充分,强调了长期坚持生酮饮食对糖尿病肾病逆转的潜在保护作用[32]。

1.3 肥胖症及相关疾病

肥胖症与其伴生的代谢性疾病如心血管疾病等,日益发展成为当今社会面临的又一巨大挑战,肥胖症是除难治性癫痫外生酮饮食的另一应用热点,生酮减脂法的积极意义也在不断地被发掘[33]。一组随机对照试验的荟萃分析,对涵盖1415 名受试者进行12个月以上的随访,整体分析其体重、舒张压、高密度脂蛋白胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇等指标发现,全部纳入的研究(13项)都显示,相比一般的低脂饮食,限制碳水化合物摄入(低于50 g/d)的生酮饮食减肥效果更加显著,利于长期体重管理[34]。非酒精性脂肪肝(Nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)是一种与肥胖、胰岛素抵抗和血脂异常密切相关的新兴代谢性疾病,借助饮食和体育运动来减重是首选治疗途径。Zhang等[35]将2型糖尿病小鼠模型分为3组(对照组、生酮饮食组、生酮饮食加有氧运动组),通过饮食和运动干预,每周记录食物、水的摄入量、体重,结合胰岛素耐量和肝脏组织病理学试验,发现实验组小鼠的食物及水摄入量均减少,体重均低于对照组,提示了生酮饮食干预成效可能源于能量摄入的减少;此外,实验组中胰岛素敏感性显著提高;联合干预实验也显示了生酮饮食对肝脏糖异生关键限速酶(PCK1)活性的抑制,从而减少肝脏脂肪变性。Christophe等[36]基于现有证据归纳了生酮饮食对成人及啮齿类动物等不同个体中肥胖症、NAFLD等心血管危险因素的潜在作用得出,短期生酮饮食干预可通过增加能量消耗与降低食物摄入量来达到减肥目的,长期干预效果仍有待评估;部分生酮饮食干预NAFLD小鼠模型实验结果甚至是消极的,认为生酮饮食会诱导肝炎症和NAFLD,因此有必要进行深入研究,以客观评估KD对NAFLD的作用,从而为生酮饮食的深入研究与应用提供了理论依据。

1.4 肿瘤

肿瘤生酮疗法(Cancer ketogenic therapy,CKT)最典型的应用是脑胶质瘤,相关报道最早见于1995年。Warburg等[37]提出,肿瘤生酮疗法作为典型的高脂低糖的饮食模式,脂肪优于葡萄糖代谢并提供能量,具有理论上抑制肿瘤细胞生长的可行性(肿瘤细胞的生长以葡萄糖作为主要的能量来源)[38]。Woolf等[39]经综述既有报道得出,生酮饮食改变了恶性胶质瘤模型的代谢,导致血糖含量降低和血酮含量的增加,从而提高了试验模型的存活率。一项针对胰腺癌患者为期5周并结合放疗的联合疗法证实,生酮饮食增加了胰腺癌异种移植模型的辐射敏感性[40]。也有学者推测,生酮饮食的抗肿瘤作用可能是一个多因素作用的过程,且有望作为辅助手段,支持抗癌疗法[41]。

1.5 其他

随着研究的不断深入,生酮饮食的研究领域也在不断拓展。例如,Iacovides等[42]选取20名18～50岁的健康男女作为研究对象,给予两种等热量的饮食(高碳低脂饮食和生酮饮食),交叉干预各3周后评估睡眠质量,报道了生酮饮食对健康人群的睡眠质量具有一定的影响,但相关证据尚不充分。毛高峰等[43]以生酮饮食干预抑郁模型幼鼠,测量并记录体重、运动状态及血β-羟丁酸水平,实验组检测到血β-羟丁酸水平升高,提示了生酮饮食会是抗抑郁作用的良好选择。也有研究发现,生酮饮食在成为多种慢性疾病的潜在有效干预手段的同时,也可能伴随着腹泻、便秘、呕吐等不良反应,这些不良反应一般可在结束饮食干预后消除,或者通过预防和干预得以治愈[44]。总而言之,生酮饮食改善慢性疾病的潜在价值以及随之出现的副作用仍旧需要丰富的临床数据和行之有效的实验方法去证实和消除。

2 生酮饮食对部分慢性病的作用机制

近百年来,生酮饮食作用机制的研究方兴未艾,但具体机制尚未完全明确。相关机制研究多聚焦于生酮饮食的抗癫痫作用机制,一般归纳为以下4种[45]作用机制:脂肪酸氧化产生酮体，抑制兴奋性突触传递,线粒体氧化应激代谢激活三磷酸腺苷(ATP)敏感钾通道及抑制哺乳动物中雷帕霉素作用位点(Mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路。也有学者认为,生酮饮食通过包含上述四种机制在内的多种机制共同发挥作用。此外根据上述机理也推测,生酮饮食会对阿尔兹海默症[5]、抑郁症[44]、脑胶质瘤[54]等其他疾病的治疗存在改善作用。

2.1 脂肪酸氧化产生酮体

生酮饮食中,脂肪酸经氧化分解产生的乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮合称为酮体,它被认为是生酮饮食改善慢性疾病的关键机制。癫痫发作会改变血脑屏障(BBB),而β-羟基丁酸[46]作为一种很容易在BBB中运输的酮体,可能替代葡萄糖支持大脑能量需求来抵抗癫痫;由于脂肪酸优于葡萄糖代谢,生酮饮食降低了糖酵解过程,进而激活一种对ATP敏感的钾通道(KATP通道),在这一极端的代谢应激情况下,阻止了过度的神经元放电,从而达到治疗癫痫的作用[47];一项给予抑郁模型幼鼠7 d生酮饮食的干预实验,检测到血β-羟丁酸水平升高,而与“Na+-K+-ATP酶”活性无关,证实了酮体(血β-羟丁酸)水平的升高是潜在的抗抑郁机制[44]。

表2 生酮饮食在几种常见慢性疾病中的应用疗效Table 2 Effect of KD on several common chronic diseases

2.2 抑制兴奋性突触传递

酮体作为控制癫痫的核心机制这一观点,近年来也受到了挑战,不少学者认为降低神经细胞的兴奋性才是控制癫痫的关键所在,原因在于MCT中的中链脂肪酸可直接作用于谷氨酸受体(AMPA受体)进而抑制兴奋性神经递质,并借助线粒体生物生成改变细胞能量,已被证明可抑制癫痫的发作[48]。Naima等[49]通过监测大鼠海马体中生物分子的水平发现,生酮饮食干预后,谷氨酸水平未发生变化,而伽马氨基丁酸(GABA)水平显著增加,提示了生酮饮食会调节GABA、谷氨酸等相关递质及其水平,抑制兴奋性神经递质,抵抗癫痫疾病的发生。

2.3 线粒体氧化应激代谢

线粒体作为产生细胞ATP的细胞器,能够利用糖酵解过程中产生的丙酮酸产生ATP,并具有消除活性氧(ROS)的细胞功能,生酮饮食能够减弱糖酵解过程,并改变细胞代谢途径,是抗癫痫和抗癌的潜在机制之一[50]。癌细胞的葡萄糖及线粒体代谢较正常细胞明显增强,ROS水平显著升高,而经生酮饮食干预后的癌细胞因无法分解生酮饮食产生的酮体,被迫借助线粒体氧化代谢,并与正常细胞的代谢氧化应激,导致癌细胞自身的氧化损伤,提示了线粒体代谢作为辅助抗癌疗法的潜在价值[51-52]。

2.4 抑制mTOR信号通路

mTOR是一种蛋白激酶,作为AMPK的下游靶蛋白,既影响细胞生长和增殖,也是癫痫发生过程中指示细胞变化的重要调控因子,生酮饮食会导致细胞能量的缺乏,并增加肝脏AMPK信号通路,从而抑制mTOR信号,并减少细胞蛋白质的合成。研究发现,经生酮饮食喂养的大鼠,海马区和肝脏中的mTOR通路激活标志物pS6和pAkt表达降低,提示了mTOR信号通路降低,可能会对癫痫发生产生抵抗作用[53]。为期1个月的肺癌模型雌鼠生酮饮食干预,检测到肿瘤体积显著减小、mTOR 蛋白表达下降及AMPK 表达的增加,提出mTOR信号通路与AMPK信号通路的协同作用,是肺癌[54]治疗的潜在理论支持。田艳等[55]验证了AMPK/mTOR信号通路的抑癌机制,补充说明AMPK/mTOR信号通过影响癌细胞增殖细胞核抗原(Ki-67)基质金属蛋白酶(MMP9)和生长因子(VEGF,IGF-1)等,达到潜在抑制肿瘤生长的目的。

2.5 其他作用机制

此外,近年来的机制研究又有了些新发现,例如Olson等[56]指出,肠道微生物群对小鼠和海马区GABA和谷氨酸起调节作用,抑制兴奋性神经递质,介导了生酮饮食的抗癫痫作用。Boison[57]则提出一种新的饮食表观遗传机制,认为生酮饮食疗法也会影响DNA甲基化过程,结合多种经典机制为癫痫的治疗提供潜在益处。

表3 已报道的生酮饮食潜在应用机理Table 3 Reported potential application mechanism of KD

3 生酮饮食的安全性

生酮饮食作为一种非药物性的替代性饮食疗法应用于各类疾病的预防与改善中,应用安全性一直是不容忽视的焦点话题[58]。长期内科药物治疗往往不可避免地引发诸多不良反应,而外科治疗也可能会损害机体,生酮饮食相对而言较为安全。事实上它被认为是一种治疗儿童难治性癫痫安全有效的治疗方法,应用历史悠久且疗效显著[59]。甚至对于无法通过肠道吸收营养的患者,生酮肠外营养疗法也被证明是一种相对安全的方法,它通过短期持续的饮食干预来控制癫痫发作[60]。Mobbs等[32]发现,生酮饮食在有效控制糖尿病患者血糖的同时,未出现酮症等不良反应,而且依从性较好。一项针对20例肥胖患者为期4个月的生酮饮食干预发现,患者体重减轻的同时,血糖、血pH、阴离子间隙等指标均未见统计学改变,从酸碱平衡的角度来看,生酮饮食是治疗肥胖症的一种安全的营养干预手段[61]。与此同时,有学者指出了生酮饮食可能存在的弊端:短期生酮饮食会造成患儿腹痛、腹泻、恶心、呕吐、便秘等诸多不良反应[62];而对于长期的生酮饮食干预,国内有报道称其可能影响机体的骨代谢,使得骨密度降低,导致小鼠骨质疏松[63];也有学者认为,生酮饮食可能会影响难治性癫痫患儿的生长发育[64];其他一些报道则指出生酮饮食除对减肥有益外,也可能诱发炎症因子TNFα的表达,并参与肝脂肪变性导致血脂异常[65]。因此,实际应用中有必要权衡生酮饮食的利弊,更重要的是,在广泛开展生酮饮食研究的同时正确规避不良反应,完善相关的医疗监督管理机制,使之更好地应用于各类慢性疾病的预防、改善及治疗。

4 结语与展望

生酮饮食在治疗癫痫疾病方面的应用较为成熟,相关研究在国内外不同年龄段的不同个体中开展,也在改善糖尿病、肥胖症等慢性疾病的研究取得突破,此外,也参与到了肿瘤、癌症等疾病的辅助治疗中,也有学者开始探究生酮饮食对健康人群的积极作用,研究领域在不断拓展;与此同时,生酮饮食在慢性疾病中的应用局限性也需要被不断突破,提高耐受性和依从性是生酮饮食被广泛接受和应用的前提。基于四种常见的生酮饮食,开发出更易耐受和疗效更佳的生酮饮食疗法是重要的研究方向,结合治疗期间的观察、护理和监督来排除饮食干预的不良反应是提高生酮饮食疗效的正确选择;诸如KD-运动疗法(治疗肥胖症)、KD-放疗疗法(治疗癌症)等联合疗法的开发,在扩大生酮饮食应用范围的同时,也提高了其对慢性疾病的预防和控制效果,因此拓展新的生酮饮食联合疗法是有待继续探索和应用的潜在方向。