生酮饮食与阿尔茨海默病

何本进 何丽艳 陈川 陈誉文 杨云飞 黎华 秦娇琴 吕渊 周博锋

(广西壮族自治区江滨医院 1检验科，广西 南宁 530021；2神经内科)

阿尔茨海默病(AD)是老年痴呆的主要原因，是一种慢性神经退行性疾病。据国际阿尔茨海默病协会(ADI)公布的数据，全球每3秒将增加1例痴呆病例，2018年痴呆病例人数已达5 000万，预计到2050年该数字将增至1.52亿〔1〕。2016年我国AD患者人数已超过900万，预计2050年将达2 700万以上〔2〕。2002～2012年，413个AD新药物的临床试验中，99.6%的新药无明显疗效〔3〕。因此，探索预防与治疗AD的方法刻不容缓。目前AD的具体致病机制仍不明确，但尸检结果发现AD患者大脑β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块和神经纤维缠结大量聚积〔4〕，并与神经元细胞死亡、突触丢失相关，故认为Aβ斑块和神经纤维缠结在AD进展过程中发挥重要作用。一直以来，许多研究的方向主要集中在如何减少或阻止Aβ斑块聚积、神经纤维缠结形成上。证据表明神经代谢问题如胰岛素抵抗、大脑葡萄糖代谢减退等，可能是影响Aβ斑块与神经纤维缠结形成并最终进展为AD的潜在原因〔5〕。为了解决这些代谢问题，研究人员对AD患者饮食干预，即生酮饮食(KD)进行了探索〔6,7〕。本文主要探讨KD在AD治疗及预防中的作用机制。

1 KD

1921年Russell Wilder医生首次报道KD对癫痫患儿有较好疗效。KD是一种高脂肪、低碳水化合物和适当蛋白质的饮食，其目标是建立一种酮症状态，酮症是由于体内碳水化合物供应不足，导致脂肪过度分解而产生和累积酮类物质，即酮体〔β-羟丁酸(βHB)占78%、乙酰乙酸占20%和丙酮占2%〕，可在血液、尿液和呼吸中被检测。从本质上讲，KD使体内主要燃料来源从葡萄糖转变为酮体。高脂肪意味着可提供更多的底物直接转化为酮体，限制碳水化合物摄入意味着可通过减少糖酵解满足能量的需求、降低胰岛素信号及增加对酮体的需求以满足生物能量的要求。传统KD中，大部分脂肪是长链三酰甘油(LCT)，常见于肉类、鱼类、乳制品及蛋类。但由于碳水化合物的诱惑及需要精确测量食物等原因，使用者难以坚持使用。棕榈油、椰子油及哺乳动物的奶中含有中链脂肪酸(MCFA)。人乳中约10%的能量来自MCFA，后者可在婴儿体内诱导持续轻微的酮症，以支持能量代谢和大脑发育。改良KD包括MCFA经酯化而制成的生酮产品——含中链三酰甘油(MCT)的补充剂，如Axona、AC-1202和AC-1204等〔6,8,9〕及外源性酮类，如酮单酯、酮酯及酮盐。目前外源性酮类产品主要是酮单酯，因为生酮作用和耐受性比酮盐更高〔10〕。少数MCT摄入者可引起胃肠道症状，医生需根据使用者的耐受性适当调整MCT比例〔11〕。与传统KD相比，改良KD对碳水化合物和蛋白质的限制更低，生酮作用更强。不同KD中脂肪、碳水化合物和蛋白质的配方比例各异(表1)。

表1 不同KD中三大营养物质的配方比例〔12〕

2 酮体的分子生物学机制

2.1酮体的合成 哺乳动物在长时间处于饥饿状态下可发生酮症，此时由于碳水化合物摄入减少而导致血中胰岛素分泌减低、胰高血糖素增高。受上述激素的影响，肝内启动糖原分解和糖异生作用以维持血糖正常。胰岛素减少也可促进脂肪分解，从而增加脂肪酸循环和β-氧化。脂肪酸β-氧化发生在肝细胞线粒体内，产生高浓度的乙酰辅酶(Co)A，一旦超过三羧酸循环的降解能力，将转向其他所需，如胆固醇或酮体合成。在酮体合成过程中，两分子乙酰CoA被硫解酶催化生成乙酰乙酰CoA。后者与第3个乙酰CoA分子结合后，由β-羟基-β-甲基戊二酰(HMG)-CoA合成酶催化生成HMG-CoA，其中HMG-CoA合成酶的催化反应是酮体合成途径的限速酶。HMG-CoA被HMG-CoA裂解酶裂解后生成乙酰CoA和乙酰乙酸。乙酰乙酸就是该途径中合成的第一个酮体。乙酰乙酸在βHB脱氢酶(BHD)1的催化下，被烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)还原生成βHB，该反应可逆。此步骤生成了大量的βHB。HMG-CoA裂解酶发生缺乏时可阻止酮体合成，因此禁食后可导致低酮低血糖的病理状态。另外，一小部分乙酰乙酸经过脱羧酶催化脱羧生成丙酮，聚积体内形成高浓度的丙酮是具有毒性的，可通过甲基乙二醛途径在肝脏转化。丙酮极具挥发性，当其生成速率超过转化率时，很容易被肺排出，故禁食或营养性酮症状态，丙酮水平增高不明显。

2.2酮体的分解利用 肝脏生成酮体后，一元羧酸转运体(MCTs)就会介导其释放至血液中，在肝外组织如大脑、心脏和肌肉被分解代谢及产生能量。酮体通过血脑屏障后，在星形胶质细胞和神经元中分别经MCT1和MCT2转运穿过细胞膜〔13〕，然后通过细胞质进入线粒体被分解代谢。酮体分解代谢通常是以酮体合成的逆反应为特点，第一步是βHB被氧化为乙酰乙酸，同时还原辅酶Ⅰ(NAD+)为NADH。乙酰乙酸被琥珀酰CoA，也称为3-酮酸CoA转移酶(SCOT)转化为乙酰乙酰CoA，后者经过加工生成两分子乙酰CoA，最后进入三羧酸循环。值得注意的是，肝脏缺乏SCOT，因此只能合成酮体，不能分解利用酮体。酮体向三羧酸循环提供碳原子，通过多种方式影响细胞生理功能。三羧酸循环正向生成高能电子载体NADH和黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH)2，它们作为电子传递链的底物，为氧化磷酸化过程中二磷酸腺苷(ADP)转为三磷酸腺苷(ATP)所必需。这样可使神经系统具有更大的生物能量可塑性，因为它减少了对葡萄糖的依赖，而使细胞转向有氧呼吸。

3 AD中葡萄糖与酮体代谢

动物实验表明，乳酸不能作为替代燃料向大脑提供能量，而在使用酮体作为替代燃料前，转基因AD小鼠的葡萄糖代谢已出现下降〔14〕。临床研究发现，AD患者出现认知障碍前，大脑已存在葡萄糖调节异常〔15〕，与健康人群相比，AD风险增加的无症状者、轻度认知障碍(MCI)和AD患者大脑都出现葡萄糖代谢减低〔16,17〕。AD大脑内葡萄糖的稳态异常可能在临床症状出现前就已发生，故糖酵解流量减少所引起的葡萄糖代谢受损可能是导致AD发病的一种内在机制〔15〕。随着AD不断进展，大脑特定区域的葡萄糖代谢率减低，这种低糖状态对神经元是有害的，可能导致痴呆。有学者认为AD属于“3型糖尿病”〔18,19〕，因为AD患者体内存在胰岛素抵抗及胰岛素信号受损，与2型糖尿病的致病机制有相似性。该假说认为，由于胰岛素信号机制发生紊乱，导致AD患者大脑利用葡萄糖减少，反过来又降低中枢神经系统编码胰岛素及其受体的基因表达〔20〕。尽管大脑葡萄糖转运缺陷、糖酵解发生改变等参与了AD的进展过程，但葡萄糖代谢减低的具体机制仍不清楚。葡萄糖代谢受损是AD大脑出现最早的特征之一，通过代谢干预手段可能有效预防或阻止AD进展。多项研究发现，由KD生成的酮体可绕过葡萄糖代谢不足而向AD大脑提供替代燃料，增加线粒体效率、提高认知功能〔7,8,14〕。与对照组相比，给予酮酯喂食的转基因AD小鼠海马体βHB水平增高〔21〕，经KD喂食的小鼠尽管血糖水平和体重下降，但是酮体水平增高，罹患AD风险降低〔22〕。临床上AD患者口服10～70 g MCT时，其剂量与血浆βHB水平呈正相关〔23〕。健康成人服用MCT后，能成倍增加血浆酮体水平〔24〕，AD或MCI患者在使用MCT后，记忆能力不但得到了改善〔11〕，而且改善程度与血浆βHB水平直接相关〔7,25〕。研究认为随着血浆βHB浓度升高，大鼠小脑和额叶皮层的葡萄糖代谢被抑制〔26〕。而最新研究显示，服用MCT后，MCI或AD患者血酮体、大脑酮体水平均增高，且大脑能有效代谢之，而大脑葡萄糖代谢并未受影响〔7,27〕。故AD患者体内酮体水平增高是否影响大脑葡萄糖代谢，仍需更多研究证实。

4 酮体对Aβ斑块的影响

AD核心的分子病理机制为大脑Aβ聚积形成寡聚体、纤维及斑块〔28〕。酮体除了改变细胞代谢外，还可减少或阻止与AD相关的毒性Aβ斑块的产生，这对于改善MCI或延缓AD的进展可能具有重要意义。实验表明，转基因AD小鼠大脑葡萄糖供应减少可引起Aβ生成增多。Aβ被远端轴突吸收后，聚积到细胞体的线粒体，并进一步转移到邻近的神经元。细胞内聚积的Aβ通过与线粒体蛋白结合而损伤线粒体功能，甚至引起线粒体衰竭。而线粒体功能障碍又能增加活性氧的形成，使氧化应激与AD存在关联。Van der Auwera等〔29〕对AD小鼠给予43 d KD后，与对照组比较，发现血清βHB水平升高，总Aβ水平显著减少。Yin等〔30〕发现酮体有一种新的神经保护机制，即能阻止Aβ42进入神经元，通过抑制Aβ42在细胞内聚积，保护线粒体复合物I活性，减少氧化应激，改善突触的可塑性，从而提高Aβ诱导的AD小鼠的认知功能。研究人员用Aβ、βHB及两者联合分别处理培养中的大鼠海马细胞时，发现单独用Aβ处理可显著增加细胞死亡，减少神经突起数量及长度，证实了海马神经元Aβ的毒性；加入βHB后，其逆转了Aβ毒性，使存活细胞的数量增加了一倍，表明βHB能修复神经元现存的损伤〔31〕。此外，尸检结果发现，AD患者大脑组织βHB水平减低与Aβ生成具有相关性〔32〕。因此，酮体对抗Aβ而具有神经保护作用可能成为预防或治疗AD的另一种复杂机制。

5 KD对不同载脂蛋白(APO)E基因型AD患者的影响

Torosyan等〔33〕研究表明，服用MCT后APOEε4(-)AD患者大脑特定区域血流量增加，而APOEε4(+)AD患者无明显改变。Henderson等〔9〕研究显示，与安慰剂对照相比，服用AC-1202患者血清βHB水平显著升高，APOEε4(-)者评估量表-认知部分(ADAS-cog)评分显著增加，而APOEε4(+)者的评分无明显差异。这说明APOEε4基因型可能影响KD的干预效果，但也有不同的研究结果。Ohnuma等〔8〕发现轻至中度AD患者服用MCT后，2例简易精神状态检查(MMSE)量表基线≥14分的APOEε4(-)者认知功能有所提高，但1例MMSE基线≥14分的APOEε4(+)者和1例MMSE基线≤14分的APOEε4(-)者认知功能持续下降；还发现1例ADAS-cog基线相对较低的APOEε4(-)者和1例APOEε4(+)者认知功能有改善，而2例ADAS-cog基线相对较高的APOEε4(-)者认知功能持续降低。Henderson等〔6〕发现，与安慰剂对照组比较， APOEε4(+)患者服用AC-1204后生命质量测评量表(Qol-AD)(患者版)得分升高；而APOEε4(-)患者MMSE得分却下降。Fortier等〔7〕报道，MCI患者使用MCT后大脑酮体摄入增加，认知功能有部分改善，但酮症状态或认知结果与APOEε4无明显相关性。可见，KD能否改善不同APOE基因型AD患者的认知功能及其内在机制如何，还需研究。

综上，葡萄糖代谢减退是AD大脑早期出现的一个特征，使用KD能提高AD患者血液酮体水平，后者为大脑提供替代能量来源，改善部分AD患者的认知功能，这给临床医师预防或治疗AD提供了新的视角。然而，传统KD与改良KD都存在一个关键问题，即脂肪摄入增加，可引起低密度脂蛋白-胆固醇和三酰甘油升高，导致动脉粥样硬化和心血管疾病，同样会成为AD进展的危险因素，这似乎与KD生成酮体带来的益处相互矛盾。因此，使用KD预防或治疗AD患者，还需长期的、高质量的临床研究对其最适剂量、副作用及在不同APOE基因型AD患者中的疗效等方面进行探索。