生酮饮食抗肿瘤治疗研究进展

张 凡，郭玉玮，刘广超，刘方芳，高淑清，*

(1．河北医科大学第四医院，河北 石家庄 050011；2．中国人民解放军联勤保障部队第980医院，河北 石家庄 050000)

1927年Otto Warburg观察到肿瘤细胞主要是利用糖酵解而不是氧化磷酸化产生ATP，这种现象后来被称为“Warburg效应”[1-2]。根据Warburg的理论，新出现的证据表明肿瘤是一种线粒体代谢性疾病[3]。Seyfried等[4]研究发现肿瘤起源于细胞质中线粒体的损伤，也提出了肿瘤是一种线粒体代谢性疾病。最近的研究表明生酮饮食(ketogenic diets，KD)可以改变细胞新陈代谢，可能会对肿瘤生长产生影响[5-6]。因此，KD在肿瘤治疗中的应用也逐渐引起了人们的关注。

1 KD概述

KD是一种由高比例脂肪、低碳水化合物以及适量蛋白质组成的饮食，以脂肪代谢产生的酮体作为机体的主要能量来源。我们熟知的KD有4种类型：经典生酮饮食(classic ketogenic diet，CKD)、改良Atkins饮食(modified Atkins diet，MAD)、低血糖生成指数饮食(low glycemic index treatment，LGIT)以及中链甘油三酯饮食(medium-chain triglyceride diet，MCTD)[7]。早在1921年Wilder RM教授提出生酮饮食能够治疗癫痫，降低癫痫患者的发作频率，被认为是一种安全有效的非药物治疗方式[8]。

2 肿瘤细胞的能量代谢特点

正常细胞在有氧条件下通过线粒体氧化磷酸化代谢产能，而肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下仍表现出较高的糖酵解速率，且肿瘤细胞消耗的葡萄糖比正常细胞多200倍。Warburg指出，有氧糖酵解是肿瘤细胞代谢的一个显著特征[9]。肿瘤细胞生长、繁殖速度快，而糖酵解产能特点为低效高速，采用糖酵解能够代谢更多的葡萄糖，以满足其生长需求。由于肿瘤细胞线粒体功能障碍和利用酮体所必需的酶的下调，不能利用酮体供能，这就使得肿瘤细胞对葡萄糖的依赖性更强[10-11]。因此，在肿瘤治疗中提供富含脂肪、低碳水化合物的饮食的基本原理是降低循环血糖水平并诱导酮症，使肿瘤细胞缺乏能量，而正常细胞调整其新陈代谢可以使用酮体并存活。

3 KD在抗肿瘤治疗中的作用机制

3.1 降低肿瘤细胞血糖和葡萄糖转运蛋白-1的表达水平

葡萄糖是恶性肿瘤生长的主要能量来源，肿瘤细胞通过加快糖酵解速率、提高葡萄糖转运速度等方式获得更多能量以满足其生长，这使得葡萄糖的消耗量大大增加[12]。Seyfried等[13]研究发现裸鼠移植瘤的生长速度直接依赖于血糖水平，葡萄糖水平越高，肿瘤生长越快。随着葡萄糖水平的下降，肿瘤的大小和生长率也会下降。他的这一研究结果在人类身上也得到了证实。Champ等[14]观察在多形性胶质母细胞瘤(GBM)放化疗期间，使用KD对患者血糖水平的影响。共有6名患者接受了KD，结果发现与接受标准饮食相比，接受KD患者的血糖水平显著下降。葡萄糖进入细胞主要依赖葡萄糖转运蛋白(glucose transporter，GLUT)的参与，GLUT-1是发现最早的也是最重要的葡萄糖转运蛋白[15]。有研究发现减少葡萄糖的供应，正常细胞GLUT-1的表达水平会升高，而肿瘤细胞则恰恰相反，因而肿瘤细胞必须与正常细胞竞争有限的葡萄糖，最终导致肿瘤细胞无法获得充足的能量维持生长[13]。

3.2 抑制胰岛素和胰岛素样生长因子的表达

流行病学研究发现血清胰岛素和胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)与某些癌症发病风险增加有关。胰岛素是由胰腺细胞产生，血糖水平越高，胰腺分泌的胰岛素也就越多。研究发现较高的胰岛素水平可能通过丝裂原激活蛋白激酶途径来刺激肿瘤生长[16]。Marsh等[17]发现IGF-1与特异性酪氨酸酶受体结合能够激活PI3K/Akt信号通路，从而促进肿瘤细胞增殖。IGF-1水平越高，肿瘤生长越快。Mavropoulos等[16]给予小鼠KD，发现血清胰岛素水平和IGF-1显著降低，小鼠生存时间延长，肿瘤体积减小。KD通过限制碳水化合物的摄入降低血糖，减少胰岛素的分泌和IGF-1的表达，以达到抑制肿瘤生长的目的。Freedland等[18]采用给予小鼠无碳水化合物生酮饮食，发现血清胰岛素和IGF-1水平下降，而促凋亡激素胰岛素生长因子结合因子3(insulin-like growth factor binding factor 3，IGFBP3)水平升高。高水平的IGFBP3被认为有抗癌作用[19]。

3.3 线粒体酮体代谢酶缺乏

KD是利用高比例脂肪经代谢产生的酮体作为机体的主要能量来源。肿瘤细胞能否利用酮体供能，对于细胞增殖至关重要。利用酮体作为能量能源主要需要2种酶：β-羟基丁酸脱氢酶1(β-hydroxybutyrate dehydrogenase 1，BDH1)和琥珀酰辅酶A：3酮酸辅酶A转运酶1(succiny1-CoA：3-oxoacid CoA transferase 1，OXCT1)。Zhang等[20]研究33种人肿瘤细胞系中BDH1和OXCT1在肿瘤中的表达以及异种移植瘤对KD的反应，结果发现来源于BDH1和OXCT1低表达水平的肿瘤细胞的异种移植瘤对KD治疗更敏感。研究表明BDH1和OXCT1酮体代谢酶的表达是决定KD治疗效果的主要因素之一，BDH1和OXCT1低表达的肿瘤可能比这些高表达的肿瘤对KD治疗的反应更好。Chang等[21]对22例恶性胶质瘤患者的酮体代谢关键酶表达进行了研究，他们发现这些BDH1和OXCT1低表达或极低表达的患者对KD治疗的反应更好。肿瘤细胞不能利用酮体，使用KD可能是治疗BDH1和OXCT1低表达肿瘤的有效方法。

3.4 增强氧化应激

线粒体是多数真核细胞产生活性氧(reactive oxidative species，ROS)的主要部位。正常情况下ROS维持在一个恒定的范围内，肿瘤细胞因线粒体的结构和功能发生改变，导致诸如O2和H2O2等ROS生成增多。因此，相对于正常细胞，肿瘤细胞被认为存在慢性代谢氧化应激状态。为了和正常细胞一样将ROS维持在稳态范围内，肿瘤细胞需要通过增加葡萄糖的代谢来抵消线粒体产生的O2和H2O2[22]。研究发现，酮体代谢通过减少ROS的产生和增强内源性抗氧化能力来保护正常细胞免受氧化刺激的损伤[23]。肿瘤细胞不能有效地代谢酮体，因此，酮体不会对肿瘤细胞起到同样的保护作用。相反，KD产生的酮症状态会加剧肿瘤细胞代谢中的氧化应激，进一步促进肿瘤细胞死亡。

3.5 抑制炎症反应

炎症在肿瘤发生和发展中所发挥的作用受到越来越多的人关注。很多临床和流行病学的研究已经表明，炎症是一个明确可以导致肿瘤的危险因素。环氧酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)在正常生理状态下表达较少，但在炎症或恶性肿瘤中表达很高。有文献指出COX-2在乳腺癌、胃癌、神经胶质瘤等多种恶性肿瘤中高度表达[24-25]。虽然COX-2导致肿瘤发生发展具体机制尚不确切，但研究已证实，COX-2能够增强炎症并且促进肿瘤细胞增殖[13]。Abdelwahab MG等[26]给动物喂食KD时，发现KD组COX-2的表达降低至非肿瘤水平。由此推断KD可以通过抑制炎症反应发挥抗肿瘤作用。

4 KD抗肿瘤相关研究

4.1 KD与脑恶性肿瘤

Nebeling等[27]使用KD治疗2例儿童神经胶质瘤患者，在整个饮食治疗期间患儿耐受性良好。KD治疗7d后患儿血糖低于正常水平，血酮体升高20～30倍，PET扫描结果显示，2例患儿肿瘤局部葡萄糖摄取量平均降低21.8%。经过2个月的治疗，肿瘤缩小，继续治疗12个月后，肿瘤没有进一步发展，10年后仍然存活。Zhou等[28]建立鼠CT-2A及人U87脑恶性肿瘤动物模型，分别给予未限制能量的标准饮食(SD-UR)、未限制能量的KD(KD-UR)和限制能量的KD(KD-R)。结果显示与SD-UR和KD-UR组相比，KD-R组肿瘤生长速度、血糖水平及微血管密度明显降低，存活时间显著延长，SD-UR组和KD-UR组之间无明显差异。KD-UR组的血酮水平比SD-UR组高2～3倍，而KD-R组的血酮水平是SD-UR组的5～9倍。这些发现表明，限制能量的KD可显著降低携带鼠CT-2A或人U87脑瘤小鼠的肿瘤生长和延长生存期，具有抗肿瘤和抗血管生成作用。Abdelwahab等[26]建立神经胶质瘤小鼠模型，并且联合颅内放疗处理。KD组小鼠血酮体水平升高，中位生存时间比SD组多了5 d。在11只接受KD联合放疗的小鼠中，其中9只无肿瘤复发迹象。这种联合方法随后也被应用于临床研究，2014年Champ等[14]报道了KD联合放化疗治疗6例Ⅲ～Ⅳ级多形性胶质母细胞瘤的研究，其中4例在14个月时仍存活。研究表明KD联合放疗增强了抗肿瘤效应。

4.2 KD与前列腺癌

前列腺癌在全球男性癌症发病率中排名第二，在癌症死亡率中排名第四[29]。现有的数据表明，在前列腺癌的整体治疗中，需要加入饮食干预措施[30]。Freedland等[18]建立前列腺癌小鼠模型，将其分为三组，无碳水化合物生酮饮食组(NCKD)、低脂肪组和西方饮食组。NCKD组的饮食比例为84%脂肪，16%蛋白质，0%碳水化合物；低脂肪组为12%脂肪，16%蛋白质，72%碳水化合物；西方饮食组为40%脂肪，16%蛋白质，44%碳水化合物。结果发现，NCKD组小鼠肿瘤体积明显小于西方饮食组，但和低脂肪组相比没有明显差异。NCKD组小鼠存活时间最长，其次为低脂肪组。低脂肪组和西方饮食组小鼠的存活时间没有显著差异。其中，NCKD组具有最少量的肝脏脂肪浸润，这可能是由于KD降低了甘油三酯水平并提高高密度脂蛋白胆固醇水平的缘故。为进一步验证KD抗前列腺癌作用，同时考虑到人类几乎不可能耐受NCKD，Masko等[31]观察到，含10%或20%碳水化合物的低碳水化合物饮食对小鼠前列腺癌显示出与NCKD相似的抗肿瘤效果和总体存活率。

4.3 KD与子宫内膜癌

王丽莉等[32]观察KD对人子宫内膜癌裸鼠皮下移植瘤生长的影响，将裸鼠分为SD组、KD组和NCKD组。7 d后，与SD组相比，KD组和NCKD组血糖降低40%，血酮升高3～5倍；30 d后KD组和NCKD组肿瘤体积及重量均小于SD组，但KD组与NCKD组无明显差异。研究表明KD在肿瘤发生早期即显示出明显的干预和抑制作用。

4.4 KD与结肠癌

郝光伟等[33]将人结肠癌裸鼠皮下移植瘤裸鼠分别给予SD及KD，两组均不限制总能量。与SD组相比，KD组裸鼠生长明显延缓，皮下移植瘤达到目标体积的时间大于SD组。KD组肿瘤坏死面积明显增大，微血管密度显著降低。KD可能是通过代谢方法降低肿瘤细胞的能量供应，使肿瘤新生血管数减少，进而促进其死亡。

4.5 KD与肺癌

Allen等[34]建立肺癌异种移植瘤动物模型，用KD联合放疗共同治疗。结果显示，与单独放疗相比，KD联合放疗导致肺癌异种移植瘤生长减慢。通过测量4-羟基-2-壬烯醛的蛋白表达，发现KD联合放疗组脂质过氧化介导的氧化损伤增加，KD可能通过增强氧化应激来增加肺癌异种移植物对放疗的敏感性，进而抑制肿瘤生长。

4.6 KD与胃癌

Otto等[35]观察富含ω-3多不饱和脂肪酸和MCT的KD对人胃癌裸鼠生长的影响。将裸鼠分为两组，一组富含ω-3多不饱和脂肪酸和MCT的KD，另一组接受SD。研究发现，KD组肿瘤生长较SD组明显延迟，达到目标肿瘤体积的时间为(34.2±8.5)d，而SD组仅为(23.3±3.9)d。KD组的肿瘤坏死面积增加，且比SD组具有较低的微血管密度。该研究还发现KD组血酮水平明显升高但血糖水平未发生明显改变。

4.7 KD与头颈部肿瘤

有氧糖酵解是肿瘤细胞能量供应的主要方式，这种代谢方式致使机体产生更多的乳酸。有研究发现高乳酸头颈部鳞状细胞癌(head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC)的预后比低乳酸HNSCC更差[36]。Schroeder等[37]对10名HNSCC患者实施KD，开始饮食3 d后，肿瘤组织中的乳酸浓度比正常组织中显示出更大程度地下降，而且显著提高了患者的健康状态和存活率。

5 KD脂肪酸的选择

KD抗肿瘤相关研究在近些年很受欢迎，脂肪酸种类的选择也变得多样化。采用富含饱和脂肪酸猪油的KD在限制热量或者不限制热量时均被证明对肿瘤生长有抑制作用[38-39]。采用富含ω-6多不饱和脂肪酸大豆油的KD在限制热量时可以抑制肿瘤生长，而在不限制热量时，它对肿瘤生长无抑制作用[26，28]。多项研究表明富含ω-3多不饱和脂肪酸的饮食可以抑制异种移植瘤的生长[40-42]。而采用富含ω-3多不饱和脂肪酸的KD在不限制热量时也被发现有抑制肿瘤生长的作用[35]。那么究竟是ω-3多不饱和脂肪酸的作用，还是酮体的作用，又或者是两者结合的协同作用。Hao等[39]研究发现KD中采用或不采用ω-3多不饱和脂肪酸都可以抑制人结肠癌裸鼠移植瘤生长，且两者之间的差异无统计学意义。因此我们认为酮体和ω-3多不饱和脂肪酸都发挥了抑制肿瘤生长的作用，但就目前的研究结果来看，还没有发现二者有协同作用。综上所述，不同种类脂肪酸的KD都表现出抑制肿瘤生长的作用。随着KD抗肿瘤研究的深入，KD中脂肪酸种类的选择也得到了优化，更多的研究采用了中链甘油三酯(medium-chain triglyceride，MCT)和ω-3多不饱和脂肪酸的KD。这是因为MCT比传统KD方案中所采用的长链脂肪酸具有独特的促进肝脏合成酮体的能力，生酮效果更快，可以减少饮食对碳水化合物的限制，耐受性较好，而ω-3多不饱和脂肪酸具有抗炎、抗肿瘤血管生成等作用，因此选择富含ω-3多不饱和脂肪酸和MCT的KD用于治疗肿瘤是一个很好的方向[8]。

6 KD的安全性

Schmidt等[43]对16例晚期转移性肿瘤患者进行为期3个月的生酮饮食研究发现，5名完成试验的患者除了暂时性便秘和疲劳外，没有发现其他不良反应，并且对胆固醇和血脂没有明显的影响，其他生活质量参数也都保持稳定。Caroline等[44]发现应用KD 12周后，患有卵巢癌或子宫内膜癌患者的身心健康、情绪和失眠问题得以改善，并减少了饥饿感和对甜食以及淀粉类食物的渴望。一项对35名总胆固醇升高的肥胖受试者进行56周KD发现，总胆固醇、甘油三酯以及低密度脂蛋白胆固醇水平降低，高密度脂蛋白胆固醇水平有所改善[45]。尽管KD在多项研究中被认为是安全的，可以改善生活质量。但是也有一些研究报道在KD早期(约4周内)容易造成维生素、矿物质及膳食纤维的缺乏，引起一些消化系统症状，如恶心、呕吐、腹痛、腹泻、便秘等。长期使用KD(约6个月后)还会造成低蛋白血症、高胆固醇血症、肾结石、骨代谢异常的发生[14，46-49]。所以我们在临床上应用KD应密切关注不良反应的发生，及时采取适当的措施对症处理。

7 KD的局限性

虽然KD抗肿瘤研究取得不错的效果，但大多都集中在动物实验上，临床研究的报道很少，主要是由于KD要求非常严格，并且需要高比例的脂肪，患者难以坚持这种饮食方案。另一方面KD可能引起恶心、呕吐、便秘等一些消化系统症状，导致依从性较差。另外，为了提高研究结果的可比性，KD方案的统一是很重要的。但是在临床试验中KD很可能会受到患者个人饮食偏好的影响，难以达到完全统一。由于KD的这种局限性，所以目前关于KD抗肿瘤的临床研究仍然缺乏大规模的随机对照试验。

8 结论与展望

传统的肿瘤治疗方法虽然在一定程度上可以控制肿瘤的发展，但是放化疗的副作用明显，许多肿瘤患者的预后仍然很差。Warburg效应为肿瘤治疗提供了一个新的方向。KD具有可操作性强、成本低、副作用小等优点，既可以单独使用，也能够与其他疗法联合使用。目前KD抗肿瘤治疗还处在初级阶段。已有大量的动物模型研究证实KD可以抑制肿瘤生长、延长生存时间、增强放化疗效果，但是临床试验的研究报道却很少。目前在美国临床试验注册网站上注册的KD治疗恶性肿瘤的临床试验共有28个，包括神经胶质瘤，前列腺癌，头颈部肿瘤，子宫内膜癌，胰腺癌，乳腺癌，非小细胞肺癌，卵巢癌。其中大多数处在募集患者期，为了能提高患者的依从性，提升治疗效果，建议开发一些多样化的生酮产品，如生酮面包、生酮饼干、生酮饮料等等，这样更容易被患者接受，有条件的话还可以将患者统一管理，提供一日三餐。关于生酮饮食对肿瘤进展的影响，还是需要足够数量的患者进行大样本研究。