肠道菌群介导生酮饮食治疗作用的研究进展

2021-12-02霖综述李惠林审校

医学研究生学报 2021年11期

曾霖综述，李惠林审校

0 引言

生酮饮食(ketogenic diet, KD)是一种含低碳水化合物、高脂肪和低蛋白的饮食结构。近年来，KD被证明可有效治疗神经系统疾病、肿瘤、代谢性疾病、炎症性肠病等，随着对肠道菌群的研究不断深入，人们发现饮食模式是肠道菌群变化的主要驱动因素，且肠道菌群介导KD的上述治疗作用。本文就肠道菌群介导KD治疗作用的研究进展作一综述，为KD广泛应用提供理论依据。

1 神经系统疾病

大量研究表明肠道菌群与神经系统关系密切，肠道菌群参与神经发育[1]，微生物-肠-脑轴功能失调与癫痫、阿尔茨海默症(Alzheimer′s disease, AD)、自闭症、多发性硬化(multiple sclerosis, MS)的发病相关[2]。

1.1癫痫KD是治疗癫痫的有效方法，研究证实酮体、γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)参与调节KD的神经效应作用[3]，但KD治疗癫痫的具体机制仍不得而知。微生物群与神经传递、宿主行为密切相关，Sutter等[4]研究发现抗生素的使用增加了癫痫患者发作的风险，提示肠道菌群紊乱可能参与癫痫发作。

2017年，Xie等[5]首次进行了KD治疗难治性癫痫儿童的肠道微生态研究。菌群分析显示癫痫组拟杆菌、放线菌所占比例明显低于健康儿童组，而厚壁菌、变形菌、Cronobacter sakazakii(阪崎肠杆菌)的比例明显高于健康儿童组。经KD干预后，拟杆菌等有益菌的比例增加，阪崎肠杆菌等有害菌的比例减少。而后Zhang等[6]进行的一项前瞻性研究表明为期6个月的KD治疗使难治性癫痫患儿厚壁菌门显著减少，拟杆菌门增加，且对KD响应较好与响应较差的患者肠道菌群在治疗前后均存在明显差异。Lindefeldt等[7]于2019年报道了经生酮饮食治疗后，12例难治性癫痫儿童的双歧杆菌、E.rectale的相对丰度明显降低，而大肠杆菌相对丰富度增加。上述研究证实肠道微生物群可能介导KD的抗癫痫作用。

Hsiao等[8]研究发现KD(脂肪 ∶ 蛋白质=6 ∶ 1)能够提高6-Hz诱导的难治性癫痫发作模型小鼠的癫痫发作阈值，且KD使小鼠肠道微生物群的组成发生了迅速而显著的改变，最典型改变为增加A.muciniphila和Parabacteroides的相对丰度。后续作者进行了无菌小鼠以及喂食抗生素(由氨苄青霉素、万古霉素、新霉素、甲硝唑组成)小鼠实验，同时将A.muciniphila和Parabacteroides选为KD富集程度最高的类群，用上述两种细菌定植抗生素处理的SPF小鼠，经KD干预后，结果发现经定值A.muciniphila和Parabacteroides后，KD可在经抗生素处理的小鼠中发挥癫痫发作保护作用，而单独定植A.muciniphila或Parabacteroides则不能恢复KD的保护作用，表明以上两种菌群都是KD的抗癫痫作用所必需的。同时作者发现无论是定植A.muciniphila和Parabacteroides两种菌群或移植生酮饮食小鼠菌群均可对正常饮食小鼠产生癫痫保护作用。基于上述研究结果，作者假设微生物饮食代谢调节影响癫痫发作易感性的次级代谢产物。利用代谢组学分析发现，KD降低γ-谷氨酰化氨基酸亚组的含量，同时升高了海马区GABA/glutamate的比率，降低宿主癫痫敏感性，提高小鼠抗癫痫能力。

综上所述，目前相关研究表明生酮饮食可通过调节难治性癫痫患儿以及小鼠模型的肠道菌群，尤其增加A.muciniphila和Parabacteroides的丰度，发挥抗癫痫作用。

1.2ADAD是一种呈进行性发展的神经退行性疾病，tau蛋白和淀粉样蛋白(amyloid-β-peptides, Aβ)是AD的关键驱动因素。15%～20%的AD患者伴有轻微的认知障碍(mild cognitive impairment, MCI)，且MCI是AD恶化的标志。研究表明肠道菌群及其代谢产物参与维持正常脑血管功能，在决定认知功能方面起到重要作用。

Ma等[9]研究发现经KD干预后，A.muciniphila和Lactobacillus丰度升高，Desulfovibrio和Turicibacter丰度降低，同时KD显著增加小鼠脑血流量，加速血脑屏障上的P-糖蛋白转运体增加，促进β淀粉样蛋白清除，降低AD风险。Nagpal等[10]研究发现正常认知(cognitively normal, CN)和MCI的AD患者，其肠道菌群α和β多样性无显著差异，但在门水平，MCI患者Firmicutes和Tenericutes丰度稍升高，Proteobacteria丰度明显升高，Bacteroidetes和Verrucomicrobia丰度稍降低；在属水平，MCI患者Enterobacteriaceae与Mogibacteriaceae丰度明显升高。作者进一步分析了肠道菌群类别与AD患者脑脊液标志物的联系，结果发现Firmicutes丰度与tau-p181呈正相关，Proteobacteria丰度与CN患者Aβ42水平呈负相关，与MCI患者Aβ42/Aβ40比率呈正相关，Enterobacteriaceae丰度与tau-p181水平及tau-p181/Aβ42比率呈正相关，Mogibacteriaceae丰度与Aβ42/Aβ40呈正相关。改良的地中海-生酮饮食(modified Mediterranean-ketogenic diet, MMKD)可升高Enterobacteriaceae、Akkermansia、Slackia、Christensenellaceae、Erysipelotriaceae的丰度，降低Bifidobacterium、Lachnobacterium的丰度，降低AD标志物水平。基于上述研究成果，该课题组后续研究[11]发现伴MCI的AD患者的肠道真菌群结构具有高度相似性，且不同饮食可通过调控真菌-细菌共调节网络改变肠道真菌结构，尤其经MMKD干预后，肠道内念珠菌属生长受到抑制，缓解肠道炎症，为肠道炎症与AD关联性提供了有力依据。

1.3自闭症研究显示自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)患者易并发胃肠道功能障碍[12]，越来越多的证据表明肠道菌群与ASD密切相关[13]，临床研究亦证实菌群移植可改善ASD症状[14]。

鉴于癫痫和ASD存在共同的发病机制，学者尝试将KD用于治疗ASD，Ruskin等[15]研究表明表明KD可改善BTBR小鼠的ASD症状，为明确生酮饮食是否通过调节肠道菌群治疗ASD，Newell等[16]以BTBR小鼠为研究对象，经KD喂食10-14 d后，研究发现KD可显著升高BTBR小鼠A.muciniphila的丰度，进一步为KD治疗ASD提供了理论依据。

1.4GLUT1缺陷综合征葡萄糖转运体1缺陷综合征(glucose transporter type 1 deficiency syndrome, GLUT1-DS )是血脑屏障上GLUT1表达减少而导致大脑利用葡萄糖受阻的神经系统疾病，其主要表现为癫痫、发作性运动障碍、精神运动发育迟缓。KD为GLUT1-DS的有效治疗方法，其产生的酮体可替代葡萄糖为大脑功能。一项多中心临床研究表明生酮饮食可减少大脑痫样放电，改善运动障碍及认知水平等[17]。Tagliabue等[18]研究发现短期KD可升高GLUT1-DS患者肠道Desulfovibrio丰度，加速肠道黏膜炎症恶化，与先前动物实验结果一致[19]，在一定程度阐释了短期KD发生不良反应的机制。

1.5MSMS是一种以中枢神经系统炎症和髓鞘损害为特征的自身免疫性疾病，多项研究表明MS存在肠道菌群失调，主要表现为A.muciniphila丰度升高[20]，Parabacteroides丰度减低[21]，肠道菌群通过调节外周免疫细胞的分化控制中枢神经系统炎症，部分菌群代谢产物可调节神经胶质细胞的活性[22]。Bock等[23]研究表明KD可抑制促炎性花生酸合成过程中关键酶的表达，缓解髓鞘炎症，改善MS患者生活质量。Alexander等[24]发现MS患者结肠菌群总浓度和多样性显著下降，短期KD可使细菌的多样性下降，6个月后使结肠菌群正常化。

2 肿瘤

动物实验已证实KD可增强放化疗效果，后续临床研究表明KD可延长脑胶质母细胞癌患者生存时间。人类癌症常出现PI3KCA突变，通过靶向抑制PI3KCA编码的酶p110α可抑制肿瘤生长，但靶向抑制p110α会破坏多种组织中的葡萄糖代谢，导致短暂的高血糖症，引发全身性葡萄糖-胰岛素反馈，进而激活肿瘤中的PI3K-mTOR信号通路[25]，进而抵消抗癌药物的效果。有研究发现生酮饮食可通过抑制葡萄糖-胰岛素反馈的紊乱，提高PI3K抑制剂的药效[26]。

免疫检查点抑制剂如程序性死亡蛋白-1(programmed cell death protein 1, PD-1)、细毒T淋巴细胞相关抗原4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA-4)抑制剂已成为多种肿瘤的有效方法，但适用范围小、不良反应多限制了其临床应用[27]。限制卡路里摄入可有效降低肿瘤风险[28]，多项研究也表明KD具有一定的抗肿瘤作用。Dai等[29]研究表明KD可通过激活AMPK，促进程序性死亡配体1(programmed death-ligand 1,PD-L1)的Ser283磷酸化，加速PD-L1降解，进而降低PD-L1水平，增强抗CTLA-4免疫治疗疗效，提高肿瘤小鼠的总生存率。Ferrere等[30]研究表明3-羟丁酸盐(3-hydroxybutyrate, 3HB)增强PD-1、CTLA-4抑制剂的抗肿瘤作用，而补充蔗糖可抑制3HB产生，可抵消生酮饮食的抗肿瘤作用，KD可升高Eisenbergiella massiliensis的丰度，后者与3HB浓度呈正相关，进而发挥抗肿瘤作用。

3 代谢性疾病

肠道菌群与代谢性疾病关系密切[31]，但KD对于代谢性疾病如肥胖或2型糖尿病的治疗作用尚无定论，一项临床研究发现KD可有效抑制受试者的食欲，减轻受试者体重，改善胰岛素抵抗[32]，荟萃分析亦表明KD有效降低肥胖或2型糖尿病患者的体脂比[33]。动物研究显示短期KD可降低小鼠血糖水平，且通过促进γδ T细胞的扩增抑制脂肪组织炎症反应，而长期KD则增加升高脂肪组织巨噬细胞水平，从而降低γδ T细胞水平，导致脂肪组织炎症反应加重[34]。KD对于肠道菌群分布的影响缺少研究或证据矛盾，Aleman等[35]研究显示KD可升高肥胖个体Christensenellenaceae丰度，降低Roseburia丰度，拟杆菌门/厚壁菌门比值无明显改变，而Gutiérrez-Repiso等[36]研究提示KD对肥胖个体肠道菌群分布无明显影响。不同的KD方案对肠道菌群和糖脂代谢存在不同的影响，Li等[37]研究发现KDR(89.5%脂肪、0.1碳水化合物、10.4%蛋白质)可升高Bacteroides丰度，导致小鼠血糖稳态受损，KDH(91.3%脂肪、1%碳水化合物、7.7%蛋白质)可升高Lachnospiraceae丰度，促进脂质累积。

4 肠道炎症

肠道菌群失调是肠道炎症主要的发病因素，宏基因组研究显示炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)患者肠道菌群与正常人存在差异，其显著特征为缺少某些具有抗炎作用的菌群[38]，如柔嫩梭菌可促进IL-10的分泌[39]，发挥抗炎作用，而在IBD肠道中柔嫩梭菌丰度减少[40]。其次，肠道菌群相关代谢产物亦参与肠道屏障受损的过程[41]。

Turnbaugh研究团队发现肥胖志愿者经标准饮食转换为生酮饮食后，其肠道微生物组成发生了显著变化，主要特征为双歧杆菌丰度明显降低，从而降低肠道中促炎Th17细胞水平，缓解肠道炎症。动物实验发现小鼠经口服酮体后肠道菌群出现了类似变化，由此证明KD产生的酮体抑制了双歧杆菌生长[42]。Kong等[43]以葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium, DSS)诱导的结肠炎小鼠模型为研究对象，研究发现KD可保护肠道黏膜屏障，并降低DSS诱导的小鼠结肠炎症因子水平，菌群分析显示Akkermansia丰度升高，Escherichia和Shigella丰度降低，将喂食KD的模型小鼠的粪菌移植给无菌小鼠，可缓解DSS诱导的肠道炎症。