间歇性禁食对肥胖个体代谢与免疫的影响及作用机制研究进展

张雪晴 吴斌

昆明医科大学第一附属医院内分泌科（昆明650032）

现代人的饮食频率倾向于每日较长的能量摄入期和较短的禁食期，高热量饮食及久坐不动等不良生活方式影响了机体代谢及免疫稳态，并促使当前全球肥胖和糖尿病的发病率逐年增高［1］。为此，研究者们开始探寻和摸索不同禁食策略对机体的影响，以期寻找适合改善肥胖的饮食干预方案。其中，间歇性禁食（intermittent fasting，IF）作为一种新型的饮食干预方式，禁食期要求被检测者不摄入任何含卡路里的食物，“间歇性”则突出禁食时间交替的特点，主要分为全日禁食和限时喂养（time-restricted feeding，TRF）。全日禁食是指随意饮食日与禁食日交替进行，常见的比例为1∶1、2∶1、4∶3 和5∶2。其中1∶1 的禁食方案又被称为隔日禁食（alternate day fasting，ADF），5∶2 与4∶3 禁食方案是指一周内任选非连续2 d 或3 d 为禁食日，其余时间随意饮食。比较而言，2∶1 禁食方案为禁食小鼠提供足够的时间来补偿禁食1 d后的能量摄入不足，被认为是等热量的IF。限时喂养是指将一天中的饮食时间限定在某个时间段，而其他时间严格禁食。斋月IF 是限时喂养的特殊类型，因在斋月节期间，宗教信徒严格的日间禁食行为符合IF 的定义而命名［2-3］。相较于持续性热量限制（caloric restriction，CR），IF 在随意饮食期不限制卡路里摄入，因此具有更好的依从性和耐受性。并且IF 有望在不改变总摄入能量的情况下，显示出与CR 相似的体质量减少、脂肪组织炎症改善、寿命延长等健康益处。这使得IF 可能替代CR 成为一种更容易控制的禁食策略，并在肥胖个体中产生积极的健康影响［4］。

1 IF 对肥胖个体糖代谢的影响

1.1 IF可改善肥胖人群葡萄糖稳态近年来，IF在肥胖及肥胖相关并发症的防治中逐渐被人们所认识，其在一定程度上可改善肥胖人群葡萄糖稳态。研究显示，肥胖成年人连续8 周的ADF 可导致其空腹血糖水平降低6.8%，胰岛素浓度降低22.6%［5］。在一项持续6个月的5∶2 IF 研究中，肥胖患者空腹血糖水平降低3.4%，空腹胰岛素浓度降低19.4%，胰岛素抵抗指数（homeostasis modol assessment of insulin resistence，HOMA-IR）值降低了25%，糖化血红蛋白（hemoglobinA1c，HbA1c）降低0.9%［6］。同样的，在一项针对超重或肥胖男性研究表明，持续5 周的TRF 可独立于体重减轻显著降低空腹胰岛素浓度3.4 mU/L，改善HOMA-IR 14 U/mg 并增强胰岛β细胞敏感性［2］。从上述研究可以看出，各类IF 对肥胖个体糖代谢的影响程度不一致，这取决于禁食窗口期、周期长短和受试者的基线特征。但总体上，各类型的IF 在改善胰岛素浓度、HbA1c及胰岛素敏感性方面均具有积极作用，有利于防治肥胖诱导的糖尿病。

1.2 IF 调控糖代谢的相关机制

1.2.1 IF 可改善肥胖小鼠胰岛β细胞功能胰岛β细胞功能障碍是2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的主要病理生理特征之一，伴随着胰岛β 细胞数量的减少与胰岛素分泌量的不足。ADF 被证实可以通过调整肥胖小鼠胰岛α细胞和β细胞的数量及比例，增加Akt（丝氨酸/苏氨酸）磷酸化来改善胰岛素信号传导并减少β细胞凋亡，从而改善饮食诱导的肥胖（dietary-induced obesity，DIO）小鼠胰岛的组织重塑与β细胞功能［7］。与随意喂养的肥胖小鼠相比，ADF 不仅可以显著增加肥胖小鼠胰岛β细胞面积，降低TUNEL 染色阳性的胰岛β细胞比例，同时还能恢复肥胖小鼠胰岛的β/α细胞比率和血清胰岛素含量，这些提示IF 对胰岛β细胞的凋亡、质量及功能改善有积极影响［8］。KIM 等［9］的研究发现，遗传性肥胖/糖尿病模型（ob/ob）小鼠接受等热量2∶1 的IF 后，胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）水平和葡萄糖刺激的胰岛素分泌增加，这表明即便是难治性的遗传性肥胖个体，在经历IF 后其胰岛β细胞功能也能得到改善。

1.2.2 IF 可通过自噬改善葡萄糖稳态自噬溶酶体途径被证实与T2DM 的发展有关，其对于维持正常的β细胞结构和胰岛素分泌至关重要［10］。近日，其被发现在IF 介导的糖代谢中发挥重要作用。在啮齿类动物模型实验中，TRF 可以促进肥胖小鼠糖酵解基因（Hk2、PFK 和PK）的表达，并能抑制糖异生基因（G6pc、Pck1 和Fbp1）的表达，从而促进外周组织摄取葡萄糖和抑制糖原异生，最终降低血糖水平。值得一提的是，敲除肥胖小鼠自噬基因Atg7 将显著降低上述TRF 介导的糖代谢益处，提示自噬在IF 调节葡萄糖稳态的过程中起重要作用［3］。患有肥胖症的糖尿病小鼠胰岛常表现出自噬通量受损和β细胞死亡增加，持续6 周的ADF 可通过促进胰腺再生标志核基因NEUROG3 的表达来恢复自噬通量，挽救肥胖诱导的糖尿病小鼠胰岛β细胞质量。最终增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌，改善肥胖小鼠葡萄糖耐量［8］。溶酶体膜蛋白、Lamp2 蛋白和Becn1/Beclin-1 蛋白是自噬溶酶体形成的关键蛋白［11］，其缺乏会导致肥胖小鼠的溶酶体功能障碍和自噬受损。分别敲除肥胖小鼠的Lamp2 和Benc1 蛋白后，ADF 均不能减轻肥胖小鼠的胰岛β细胞凋亡和诱导NEUROG3 基因表达，同时还加剧了胰岛素抵抗。这进一步说明完整的自噬-溶酶体途径对于IF 介导的葡萄糖稳态的有益作用是必需的。

1.2.3 IF 通过肠道菌群调节葡萄糖稳态生理条件下，肠道菌群作为宿主内的共生者，参与了人体的消化吸收、能量代谢和免疫调节等多项生理活动，其组成和重塑在肥胖及肥胖相关并发症的发生发展中起重要作用［12］。研究［13］表明长达7 个月的ADF可重塑肥胖小鼠宿主肠道菌群，主要表现为硬壁菌门的相对丰度增加，拟杆菌门、放线菌门和柔膜菌门相对丰度减少。LI 等［14］的研究同样发现ADF 可以通过增加DIO 小鼠硬壁菌门和拟杆菌门的比例，提高腹股沟白色脂肪组织（WAT）中Glut4 mRNA 表达和促进Akt 磷酸化，从而增加葡萄糖摄取。而在接受ADF 治疗的肠道菌群耗竭的DIO 小鼠中则不然，这表明IF 的代谢作用依赖于肠道菌群的重塑。此外，与对照组相比，肠道菌群耗竭的DIO 小鼠在接受ADF 组的肠道菌群移植后，其胰岛素敏感性同样得到了显著改善。这进一步提示肠道菌群可模仿IF 介导的糖代谢益处，同时为肥胖个体的肠道菌群治疗方案提供了新思路。

2 IF 对肥胖个体脂代谢的影响

2.1 IF可有效降低肥胖个体体质量并改善血脂IF 在肥胖的减重治疗中作用显著，其能有效降低肥胖小鼠体质量和体脂，而不影响肌肉质量［15-16］。研究［2-3］的结果表明，持续6 ～12 周的ADF 可以减少肥胖/糖尿病患者（BMI ＞28 kg/m2）体质量3.0 ～8.2 kg、体脂1.7 ～5.4 kg、腰围4.0 ～8.0 cm、总胆固醇26.0 ～37.0 mg/dL、甘油三脂22.0 ～48.0 mg/dL 和低密度脂蛋白16.0 ～34.0 mg/dL，同时增加高密度脂蛋白4.2 ～9.0 mg/dL。同样的，持续12 ～24 周的5∶2 IF 可减轻超重和肥胖受试者（BMI ＞28 kg/m2）体重3% ～9%、总胆固醇5% ～20%和甘油三酯17%～50%［17］。以上研究共同提示IF 在降低肥胖个体体重时亦能改善血脂，这与IF 禁食期肝糖原储备耗竭后，甘油三酯水解释放游离脂肪酸（free fatty acids，FFA）至肝细胞产生酮体供能有关［18］。此外，对小鼠肝组织的转录组学分析发现，TRF 和ADF 可影响小鼠总共4 876 个基因的差异性表达并调控代谢，其中参与脂肪酸氧化的Ehhadh 基因和Angptl4 基因在IF 后均被上调，前者通过与后者的增效作用来促进脂肪酸代谢［19］。MARTINEZLOPEZ 等［3］的研究发现，TRF 可以抑制脂肪生成基因Fas 的表达，并增加驱动脂肪氧化的Pgc1a、Ppara 和Ppara 靶标Fgf21 的表达来调节脂质稳态。因此，通过上述研究有理由认为IF 过程中代谢基因表达的改变与脂肪酸氧化增强是IF 介导的肥胖个体减脂减重的重要原因。

2.2 体质量减轻与IF 介导的WAT 棕色化增加能量消耗有关褐色脂肪组织在能量稳态和生热中起关键作用，其主要通过高表达解偶联蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1），促使线粒体氧化磷酸化产生的能量与ATP 合成解偶联，最终导致产生的能量以热量的形式释放，是肥胖个体减重的潜在机制［11］。近来多项研究已证实，除冷暴露和运动外，IF 具有促进肥胖小鼠WAT 褐变的潜力［14，19］。多叶脂肪细胞是米色脂肪细胞的典型特征，其表达的增加是WAT 褐变的有力证据。相较于随意饮食小鼠，IF 小鼠在禁食期表现出更低的呼吸商（respiratory quotien，QR）和全身呼吸交换率（respiratory exchange ratios，RER），约为0.7，并且其直肠昼夜核心温度更高，这些均暗示脂质利用增加是导致IF 小鼠能量消耗增加的重要原因，IF 小鼠有更高的脂肪生热潜力［14，20］。

LI 等［14］发现，经历了15 周ADF 的肥胖小鼠，其腹股沟WAT 中多叶脂肪细胞及产热基因（Ucp1、Pgc1a、Glut4 和Mct1）的mRNA 表达及能量消耗显著增加，体质量增加程度降低。该研究进一步将小鼠暴露于短期ADF 中，可观察到其腹股沟WAT 褐变，Ucp1mRNA 表达明显增加，但能量消耗和体质量暂无明显变化，这说明ADF 对能量消耗及体质量变化的影响出现在WAT 褐变之后。DIO 小鼠在经历16 周2∶1 IF 后，WAT 中米色/棕色脂肪标记（Ppargcla、Cidea 和Ucp1）水平显著增高，且进食期小鼠的O2消耗量增加与Ucp1表达的升高相一致。而在热中性条件下（30 ℃），IF 小鼠WAT中并未出现上述显著变化，且代谢指标改善程度明显降低［15］，表明脂肪生热在很大程度上促进了IF介导的代谢益处。此外，持续16 个月TRF 的肥胖小鼠的腹股沟WAT 中棕色脂肪基因（Ucp1、Zic1、Eva1 和Fbxo31）的表达增加，并伴随着小鼠脂肪细胞大小减少、O2消耗及能量消耗增加，这些均提示TRF 可增加脂肪利用度，促进WAT 褐变［3］。

从上述研究不难看出，各类型IF 均能通过提高产热基因的表达，促进WAT 褐变带来的生热作用，进而增加能量消耗，并最终有望逆转高脂饮食诱导的体重增加。

2.3 IF 通过多种途径促进WAT 褐变脂肪组织中的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）在WAT 褐变和维持脂肪组织的功能完整性方面起着关键作用［9］。KIM 等［15］的研究发现经历了2∶1 IF 的DIO 小鼠WAT 中的VEGF 表达显著增加，这与禁食期的长短有关。研究者通过构建VEGF 功能缺失的aP2-Cre 小鼠模型进行IF后，高脂饮食随意喂养组和高脂饮食IF 组间产热基因Ucp1 的表达无差异，再次证实WAT 褐变可归因于WAT 中VFGF 的表达增加。其可能的机制是通过增加IL-5 的分泌来激活Ⅱ型细胞信号转导，刺激M2 型巨噬细胞的极化，降低M1/M2 比例从而促进WAT 褐变。人类脂肪组织RNA-seq 数据分析同样证明了这一点，VEGFA 的表达与大部分M2型巨噬细胞基因（如IL1R1 和ABHD5）的表达以及米色/棕色脂肪细胞标记（如CIDEA 和NDUFS2）成正相关，而与大多数M1 型巨噬细胞基因（如NR3C2 和ITGB7）呈负相关。此外，在临床药物应用中，吉星等［21］认为钠-葡萄糖协同转运蛋白2 抑制剂可以通过激活M2 型巨噬细胞增加WAT 褐变，从而增强机体脂代谢过程，增加热量消耗并降低体重。这进一步说明M2 型巨噬细胞是WAT 褐变的重要参与者。

自噬途径不仅参与了IF 介导的糖代谢益处，还被发现参与了IF 介导的WAT 褐变。自噬基因Atg7 的缺乏会阻断TRF 介导的WAT 褐变，主要表现为产热基因Eva1 和Zic1 的表达减少。与这些变化相一致的是，Atg7 基因缺乏的肥胖小鼠在经历TRF 后且未能缩小脂肪细胞大小，其能量消耗也无明显变化［3］。

研究显示肥胖与硬壁菌门和拟杆菌门丰度相关，二者的比例不仅会影响碳水化合物的代谢，同时也会影响脂肪的利用［22］。LI 等［14］的研究表明，15 周的ADF 通过增加硬壁菌门和拟杆菌门的比例、小肠的长度及单羧酸盐转运蛋白-1（monocarboxylate transporter 1，Mct1）的表达来增加乙酸盐和乳酸的血清水平及代谢产物，最终选择性激活米色脂肪，增加产热。将高脂饮食喂养的IF 小鼠的肠道菌群移植给菌群耗竭组小鼠，可以上调腹股沟WAT 中Ucp1 mRNA 表达，这同样证明了IF 可通过肠道菌群及其代谢物来促进WAT 褐变。

3 IF 对肥胖个体免疫的影响

3.1 IF 可改善肥胖受试者全身的炎症状态研究指出，RIF 可以降低超重人群的外周血免疫细胞（白细胞、粒细胞、单核细胞和淋巴细胞总数）数量的14.1%～29.3%及血浆中促炎因子IL-6 和TNF-α水平的57% ～78%［23］。在另一项研究中持续8 周的TRF 可以分别降低肥胖人群IL-1β、IL-6 水平的0.12 ng/L 和0.25 ng/L［2］。这提示IF 对肥胖受试者全身炎症状态的改善有积极作用。

3.2 IF 可减轻肥胖小鼠脂肪组织炎症血浆FFA的升高对巨噬细胞是一种强烈的吞噬刺激，其促进脂肪组织的巨噬细胞浸润并释放促炎性脂肪因子，这是肥胖人群出现慢性低度炎症的主要原因之一［24］。在IF 早期常常会观察到FFA 的短暂升高，但在小鼠性腺周围脂肪组织中并未观察到促炎性CD11c+巨噬细胞的显著增加［18，25］，这表明IF早期介导的FFA 短暂增高不会促进脂肪组织脂毒性的发展。JORDAN 等［26］的研究发现，小鼠在经历IF 后脂肪组织中单核细胞数量显著减少，其机制与AMPK- Pparα-Ccl2 轴的激活，并最终减少骨髓释放至外周血及脂肪组织中的单核细胞数量有关。对肥胖小鼠的实验研究表明，其脂肪组织中促炎性M1 型巨噬细胞主要来源于前体单核细胞［27］。因此，有理由推测IF 时脂肪组织中促炎性M1 型巨噬细胞的减少可归因于单核细胞数目的减少。此外，DIO 小鼠在经历8 周4∶3 IF 后，性腺脂肪和腹股沟脂肪中促炎性M1 型巨噬细胞标志物Itgax 、泛巨噬细胞标记物Lgals3 及巨噬细胞募集标记物Ccl2 的mRNA 水平均降低，同时抗炎性M2 型巨噬细胞标志物Mrc1 和Arg1 mRNA 水平升高［16］。KIM 等［15］和MARTINEZ-LOPEZ 等［3］的研究指出，2∶1 IF 和TRF 可分别显著加肥胖小鼠性腺脂肪中抗炎性M2 型巨噬细胞标记基因Clec10a、II10 和Arg1、Ym1、IL-10 的表达。其中，M1 型巨噬细胞分泌的TNF-α与脂肪细胞来源的FFA 形成恶性循环，成为肥胖个体脂肪组织慢性低度炎症产生的主力军，而M2 型抗炎巨噬细胞具有一定的促脂解作用［24］。

综上所述，IF 一方面通过促进脂代谢、减少FFA 含量，以此减弱对巨噬细胞浸润的趋化作用；另一方面通过抑制骨髓释放单核细胞至外周，两者都减少了脂肪组织中的巨噬细胞浸润，并以M1型减少为主。M1/M2 型巨噬细胞的比例降低不仅参与肥胖个体WAT 褐变所带来的脂代谢益处，还强有力地证明IF 对肥胖个体的慢性低度炎症状态的改善有着积极作用。

3.3 IF 在抗感染中的作用虽然短期IF 会降低野生型小鼠外周血单核细胞数量，但其数值仍然维持在正常范围内，在面对急性感染和组织修复时并不影响单核细胞的紧急动员。因为IF 将CR限制在一天的一部分时间或每周的某些天进行，可以减弱由CR 引起的的免疫抑制和病毒感染的易感性［13］。CISSE 等［28］研究显示，相较于白天，小鼠夜间的TRF 似乎可以增强面对大肠杆菌内毒素时的抗感染能力。尽管目前缺乏评估肥胖个体在IF 时的抗感染能力以及长期坚持IF 是否会增加其患感染性疾病的风险的研究，但在健康个体中的研究可为后续研究提供基础依据和实验方向。

4 小结与展望

综上所述，IF 实现了肥胖个体从以葡萄糖代谢为主到以脂肪代谢为主的周期性转换。这种代谢转换增加了线粒体应激抗性、抗氧化防御和自噬，同时改善了空腹血糖与空腹胰岛素浓度。各种IF 方案均表现出对代谢及免疫有益的积极影响，通过调节糖脂代谢相关基因的表达、免疫细胞的重新分布及促进WAT 褐变，减轻体质量和肥胖诱导的慢性低度炎症状态。事实上，目前针对人类受试者的IF 研究较少，且IF 对肥胖人群糖脂代谢及免疫的影响受禁食方案、受试者的代谢状况、年龄、性别、依从性、脂肪组织褐变能力等因素的影响而表现出较大差异［9］。此外，对于肥胖人群长期坚持IF 是否能带来在小鼠实验中发现的代谢及免疫益处，以及是否会增加其他疾病的患病风险及不良事件的发生，仍需进行更多的研究评估不同IF 方案在不同肥胖人群中的有效性及安全性，以期实现个体化制定最佳IF 方案。与此同时，进一步探究IF 的其他代谢与免疫机制，将为IF 的疗效提供更深入的见解，使其能够在临床环境中开发最佳适应症。