基于线粒体探讨间歇性禁食改善神经退行性疾病的可能机制

王芳芳，崔艳如，李加钰，庞日朝，张安仁

据相关统计，2020年全球65岁及以上人口已达7.27亿，预计在未来30年中全球老年人数量将增加1倍以上[1]。这种人口结构的变化带来了新的问题，老年人寿命的延长以不良的健康状况和残疾的增加为代价。事实上，慢性退行性疾病的发展已成为影响老年人生活质量的主要影响因素，其中神经退行性疾病最为常见。神经退行性疾病是以中枢神经系统内神经元的选择性丧失引起的运动和/或认知功能进行性衰退为特征的疾病，阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷顿舞蹈症（HD）、多发性硬化症（MS）等较为常见[2]。在中枢神经系统中，神经元存活和兴奋所需要的充足能量供应主要依赖于线粒体，故线粒体功能异常更容易引起神经元的损伤或死亡[3]。多项研究证实了线粒体功能障碍是神经退行性变的主要特征之一，其在神经退行性疾病发生和进展中发挥关键作用[4-5]。

目前临床治疗神经退行性疾病以对症治疗为主，许多临床试验药物并未能预防或阻止疾病进展。间歇性禁食（IF）是一种正常能量和能量限制周期性交替进行的膳食模式，临床确切证据显示其对人类认知功能有潜在改善作用[6]，并且多项临床前期研究显示，IF通过调节代谢途径发挥神经保护作用，可预防和减缓衰老和神经退行性疾病带来的损害，但其具体机制仍在研究阶段，尚不明确[7-8]。线粒体是参与细胞代谢的关键途径，而IF可以增强神经元线粒体功能和细胞抗应激能力，通过调节或增强线粒体生物能量学来改变大脑的代谢能力[9]。这些证据提示IF、线粒体与神经退行性疾病三者之间可能存在密切关系。因此，本文依据现有的临床及临床前证据，从IF对神经退行性疾病的改善作用、线粒体在神经退行性疾病中发挥重要作用、IF对线粒体功能调节的可能机制以及过量热量摄入对神经元及线粒体的影响4个方面、正反角度进行分析综述，试图从线粒体功能角度探讨IF预防和延缓神经退行性疾病的可能机制，以期为研究IF改善神经退行性疾病的具体机制提供新的思路。

本文文献检索策略：以“mitochondria，intermittent fasting，alternate day fasting，time-restricted feeding，neurodegenerative diseases，Alzheimer's disease，Parkinson disease”为英文关键词检索PubMed、Medline、Web of Science、SCI-hub；以“线粒体、间歇性禁食、隔日禁食、限时禁食、神经退行性疾病、阿尔茨海默病、帕金森病”为中文关键词检索中国知网、万方数据知识服务平台、维普网以及中国生物医学文献服务系统，检索时间为建库至2022-05-25。纳入标准：已发表的文献；排除标准：数据信息少、重复发表、无法获得全文或者质量差的文献。

1 IF对神经退行性疾病的改善作用

营养摄入对衰老、健康和寿命的影响已得到大众认可，而IF实则源于生物进化过程。为了能够在食物短缺或匮乏的时期得以生存，并将对身体的损伤降到最低，动物必须进化出适应性的行为和代谢途径[10]。隔日禁食（ADF）和限时禁食（TRF）是IF的两种主要类型，其中ADF定义为36 h内不摄入能量，然后在随后的12 h内随意进食，相对不严格的ADF方案允许在禁食日摄入正常情况下25%的卡路里[11]；TRF是将每日食物摄入时间限制在8～10 h或者更短的时间窗口内[12]。

在IF干预的相关临床研究中，MINDIKOGLU等[13]研究结果显示，IF干预4周后受试者血清蛋白中β淀粉样前体蛋白基因表达较前显著下降，该蛋白在AD患者脑血管中会大量沉积，因此认为IF可能对AD患者有保护作用。OOI等[6]在观察为期3年的IF对老年轻度认知障碍患者认知功能影响的研究中发现，长期IF的患者其认知功能较对照组提高，并在36个月的随访中恢复到更好的认知功能。相似地，在意大利开展的一项关于老年营养干预的研究指出，TRF与认知功能的改善呈正相关关系[14]。另外，关于IF干预神经退行性疾病动物模型的临床前研究也有许多。在AD和PD的动物模型实验中表明，隔日断食可延缓疾病的发生和进展，且有相关报道指出，使用营养强化剂和调整喂养时间等饮食干预措施可以降低神经病变的风险[15]。在去卵巢AD（AD OVX）大鼠模型中，IF干预4周可以缓解雌激素缺乏大鼠的认知功能恶化、能量代谢受损和血脂异常，其结果表明，IF可以通过增强海马胰岛素信号传导来改善记忆功能，进而抑制AD OVX大鼠β淀粉样蛋白（Aβ）的沉积[16]。相似地，在其他类型的饮食限制模式中，例如3个周期的模拟禁食饮食（FMD）可以完全逆转诱导的MS小鼠的疾病进展[17]。神经退行性疾病还可能与神经元的能量代谢密切相关，在小鼠实验中，热量限制（CR）早期干预可以提高小鼠大脑代谢效率并且在较长时间内维持该水平，小鼠脑代谢变化可能起着关键神经保护作用[18]。

综上所述，IF及其相关饮食限制模式可以有效改善多种神经退行性疾病的病理变化，提高脑组织代谢效率，进而能够缓解其相应功能障碍。

2 线粒体在神经退行性疾病中发挥重要作用

最常见的神经退行性疾病包括AD、PD、HD和MS等，与线粒体形态结构和功能改变息息相关。

2.1 AD AD是世界上普遍的神经退行性疾病之一，由于前脑和其他脑区神经元的进行性和选择性丧失，患者主要症状表现为认知和记忆功能的恶化，并且随着时间进展，AD患者可能会发生严重残疾[19]。AD的病理特征包括：（1）光学显微镜下可见脑神经元外出现Aβ沉积形成的老年斑（SP），细胞内Tau蛋白异常磷酸化及由此引发的神经元纤维缠结（NFTs）；（2）海马、内嗅觉皮质、额叶皮质以及与认知有关的相关结构中的神经元退化，同样受到影响的还有涉及情绪行为的大脑区域，包括杏仁核、前额叶皮质、下丘脑等[20]。研究表明AD患者大脑中存在广泛的线粒体异常，这与AD临床观察得到的能量代谢受损结果一致，线粒体功能障碍已被确认为疾病的早期突出特征[19]。

临床研究发现，AD患者早期额叶、颞叶的顶叶皮质的氧代谢率显著降低，这与AD的痴呆症状严重程度显著相关[21]。另有研究发现，AD患者线粒体代谢减少；丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶和细胞色素氧化酶活性受损；线粒体形态结构改变等[22]；这意味着线粒体功能障碍可能是AD的最初触发因素。SWERDLOW[22]最早提出AD线粒体级联假说，即线粒体功能障碍的存在可能独立于Aβ，或位于Aβ沉积的上游，其至少介导甚至可能启动AD中病理分子级联反应。PRADEEPKIRAN等[23]则认为，在早发和迟发的AD中，有缺陷的线粒体自噬通过触发Aβ和磷酸化Tau蛋白（p-Tau）积累而导致突触功能障碍和认知缺陷，并且提出可以通过在临床前动物模型中测试使用目前可用的线粒体自噬增强剂，来寻找未来可能治疗AD的方法。

综合以上证据，AD的发生发展过程与神经元线粒体的形态结构改变和功能障碍密切相关，并且可能是启动AD病理分子级联反应的关键因素。

2.2 PD PD是一种无法治愈的慢性退行性疾病，影响了近2%的“50岁以上”中老年人群，PD的特征为大脑黑质中多巴胺能神经元优先丧失，导致进行性运动系统功能障碍，其病理学仍未知，但绝大部分病例分析结果显示，PD患者存在路易体神经元内错误的蛋白质折叠，形成蛋白质聚集体，其主要成分为α-突触核蛋白（α-Synuclein）[24]。有证据表明，α-Synuclein是一种亲脂性蛋白，定位于线粒体并通过线粒体相关膜连接到内质网上；PD患者α-Synuclein的过表达可以抑制黑质纹状体神经元的线粒体膜锚定呼吸链复合物的正常功能[25]。此外，LUTH等[26]认为，线粒体中α-Synuclein的过表达可引起神经元内Ca2+水平紊乱，从而导致线粒体膜电位改变和NADH氧化。在PD现有研究中，线粒体功能障碍无疑是PD发病机制中的参与者，其可以由基因突变和环境因素介导。

有研究调查发现PD患者的线粒体呼吸链存在缺陷。MONZIO COMPAGNONI等[27]发现PD患者黑质、骨骼肌、血小板和白细胞中线粒体复合物Ⅰ（MCⅠ）的功能受损。最新报道显示，选择性破坏小鼠多巴胺能神经元中MCⅠ功能发现，MCⅠ功能障碍足以导致进行性的帕金森相关运动缺陷，且不同类型的运动功能损伤（粗大运动和精细运动）与不同部位（纹状体和黑质）多巴胺释放具有相关性[28]。PD发病机制中，线粒体基因突变也是重要的影响因素。PD是由编码与线粒体功能和质量控制密切相关蛋白质基因的显性或隐性突变引起的，其中磷酸酶和张力蛋白同源基因诱导激酶1（PINK1）和E3泛素连接酶（Parkin）二者共同作用为保证线粒体质量控制的分子调控途径奠定了基础；在PD疾病发展过程中会引起PINK1和Parkin等相关蛋白突变，影响α-Synuclein清除途径，从而导致α-Synuclein在细胞中以路易小体形式聚积，最终可能造成黑质的选择性神经变性[27]。

综上所述，线粒体在PD中的作用可能更为显著，呼吸链的活动特别是MCⅠ的受损以及与线粒体功能直接相关的基因（PINK1和Parkin）的突变导致线粒体功能障碍，线粒体的功能障碍与病理产物α-Synuclein的累积密切相关。

迄今为止确定的神经退行性疾病的病理机制中虽然包含线粒体功能障碍，但其可能只是导致神经元退化或死亡复杂网络中的一部分，具体机制仍需进一步探究。

3 IF对线粒体功能的调节作用

IF及其相关饮食限制模式干预可以有效改善多种神经退行性疾病的病理变化，而在神经退行性疾病中，线粒体的结构破坏和功能障碍是其重要的病理机制，反之，正常的线粒体代谢不仅能够维持神经元活动，还能通过减少氧化损伤来保护神经元。有趣的是，研究表明IF能够通过干扰线粒体动力学、呼吸链和相关的氧化应激来调节线粒体功能[29]。那么，IF是否通过调节线粒体功能改善神经退行性变？

3.1 IF对线粒体能量代谢的影响 有研究显示，禁食期间线粒体脂肪酸氧化的主要调节因子肉毒碱棕榈酰转移酶（CPT-1）表达增加；相应地，内源性脂肪酸合成增加、氧化期延长，这可能使得在空腹代谢状态时，从葡萄糖代谢转化为脂肪代谢，使用游离脂肪酸，并产生酮体[30-31]。β-羟基丁酸（β-OHB）作为一种主要的酮体，其可以恢复受损的线粒体呼吸和神经元代谢障碍。更为重要的是，β-OHB的浓度是重要的影响因素，比如高浓度时，β-OHB可以抑制糖代谢；低浓度时，β-OHB通过调节NAD的氧化和还原形式比例来减少活性氧的产生，并提高线粒体代谢效率，从而改善线粒体功能[32]。并且，有证据表明，生酮疗法具有神经保护作用，增强线粒体功能，抑制促炎细胞因子释放和Aβ沉积等[33]；具体来说，β-OHB还可以与G蛋白偶联受体109a结合，保护海马区线粒体呼吸功能免受Aβ毒性的影响。

另一方面，ADF可以降低肥胖患者的胰岛素抵抗，而胰岛素抵抗又是AD患者的早期症状之一，且伴有Aβ累积加重以及葡萄糖转运功能障碍。胰岛素抵抗与机体代谢功能紊乱密切相关，主要是由于线粒体功能障碍。SHIN等[16]报道，IF可以调节大鼠机体能量代谢，并能够通过增强海马胰岛素传导信号，减少Aβ沉积来改善大鼠记忆功能。因此推测ADF等饮食限制模式干预可能通过改善AD患者胰岛素抵抗，促进线粒体功能恢复，从而改善AD患者的病理状态。

综上所述，IF可能通过增加β-OHB水平、改善胰岛素抵抗来影响线粒体代谢和生物能量代谢水平，从而对神经退行性疾病的能量代谢障碍产生有益影响。

3.2 IF对线粒体氧化损伤的影响 线粒体产生的氧化剂和自由基在生理情况下参与细胞信号传递，然而在病理情况下，神经元中活性氧过量产生会破坏线粒体DNA（mtDNA）、降低线粒体生物能量，导致线粒体功能障碍[34]。氧化应激也被认为是许多神经退行性疾病发病机制之一，致使病理产物堆积和突触功能障碍。WEGMAN等[35]研究发现，在为期10周的双交叉临床试验中，IF干预可以导致SIRT3（定位于线粒体，被认为是主要的线粒体蛋白去乙酰酶）轻度升高，而SIRT3在防止氧化应激方面具有积极效应。另有研究表明，IF不同于其他限制性饮食干预方式，其对于促进线粒体生物能量学和组织氧化还原状态存在着复杂性和组织特异性：IF可改善部分老年大鼠大脑抗氧化酶的活性，减少病理产物的堆积；相反地，短期的IF干预则导致大鼠大脑中蛋白质羰基信号（蛋白质氧化）增加，这与线粒体生物能量变化无关；对于心脏组织而言，IF干预可以对心脏氧化还原状态产生影响，防止谷胱甘肽氧化以及蛋白质羰基化[36]。

mtDNA在线粒体中靠近氧化剂产生的位置，但缺乏保护性蛋白，因此在线粒体内稳态失衡伴随神经元炎性反应中氧化损伤加剧；反之，mtDNA损伤又影响呼吸链功能，增强氧化应激和炎性反应，诱导细胞凋亡，导致进一步的细胞功能障碍和组织损伤，从而形成恶性反馈回路[37]。LIU等[38]研究发现，IF干预认知障碍小鼠模型后可以改善线粒体生物能量代谢水平，提高海马体mtDNA的水平以增加线粒体质量；并且经IF干预后的肠道微生物代谢物如5-羟色胺（5-HT）水平增加，其可以防止多巴胺诱导的线粒体和突触体的氧化损伤。综上所述，IF可通过提升SIRT3含量调节线粒体相关酶活性，并抑制mtDNA损伤来减少氧化应激损伤，从而改善神经退行性疾病症状。

3.3 IF对线粒体质量控制的影响 神经元线粒体的质量控制需要线粒体生命周期4个阶段的全程参与，即生物发生、融合、裂变和自噬。线粒体生物发生是为适应细胞增加的能量需求而触发，其过程需要核DNA和mtDNA的共同表达，以及转录因子A（TFAM）、核呼吸因子1和2（NRF1和NRF2）、蛋白过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）、沉默信息调节因子（sirtuins）和单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）等共同参与，其中PGC-1α和AMPK是线粒体生物发生的重要调节因子，其活性随年龄的增长而降低[39]。SERRANO等[40]证明禁食过程可以触发AMPK激活以及上调PGC-1α蛋白含量，即通过AMPK/PGC-1α途径上调线粒体生物发生，从而提高线粒体供能效率。

在线粒体合成后，其可能通过发生、融合和/或裂变来维持相对平衡，单一性促进或抑制线粒体的融合或裂变并不能改善线粒体功能障碍，也不能适应细胞波动的能量需求。动力相关蛋白1（DRP1）和线粒体分裂蛋白1（FIS1）来自线粒体外膜，是线粒体裂变的必需物质。有研究表明，AD、PD等神经系统疾病存在血-脑脊液屏障损伤，其可能依赖于DRP1-FIS1介导的线粒体动力学的紊乱[41]。有趣的是，KHRAIWESH等[42]研究显示，在接受6个月40%CR干预后，小鼠肝细胞线粒体中的超微结构发生变化，并且裂变/融合标志物显示以及线粒体裂变相关的蛋白质（FIS1和DRP1）随着CR的延续而增加，但3种线粒体融合蛋白（MFN1，MFN2和OPA1）没有表现出变化。

线粒体自噬是健康细胞的生理过程之一，其选择性地去除受损或功能失调的线粒体，这些受损的线粒体可能通过产生过量活性氧或释放促凋亡信号来破坏细胞[43]。HOOD等[44]发现，饮食能量限制和运动协同可以抑制mTOR通路激活并刺激线粒体自噬，从而改善脑功能，并增加神经元对氧化应激的抵抗性。

综上可以推测，IF可能通过维持线粒体质量控制系统平衡以及重塑线粒体内环境稳态网络而对神经退行性疾病起积极作用。

4 过量的热量摄入对神经元以及线粒体的影响

以上研究均表明在神经退行性疾病中，IF的改善作用可能通过调节线粒体能量代谢，减少线粒体氧化应激损伤，促进线粒体生物发生、平衡线粒体融合分裂的稳定性以及促进线粒体自噬等来实现。反之，过量的热量摄入对神经系统的不利影响也可能由于其干扰线粒体的正常结构和功能导致。

过度营养的饮食生活方式还可能会损害细胞的抗应激能力和神经可塑性，从而对大脑神经元产生不利影响。CARNEIRO等[45]认为，长期暴露于高脂肪饮食（HDF）的人群在各种测试中存在认知降低的表现，这些测试包括工作和空间记忆、情绪等；同样，高蔗糖饮食也会对认知产生负面影响。相关动物研究也表明，HDF引起的高血糖症和肥胖症会加剧AD转基因小鼠淀粉样蛋白病理反应和认知障碍[46]。

相应地，饮食摄入不平衡以及热量过剩已被证明能导致线粒体能量学的改变。EMELYANOVA等[47]发现，与标准饮食小鼠相比较，饲喂以猪油为基础饮食的小鼠心脏NADH脱氢酶（MCⅠ）和细胞色素b-c1（MCⅢ）的功能活性降低，线粒体相关的超氧化物产生增加，并且导致心肌细胞的氧化应激损伤。另外，来自临床和临床前研究的大量证据表明，长期过量饮酒会增强氧化应激并改变线粒体功能，其通过抑制蛋白质复合物如MCⅠ、MCⅢ、细胞色素氧化酶（MCⅣ）或F1F0-ATP合酶（MCⅤ）的翻译来限制线粒体氧化磷酸化[48]。

综上所述，过量的高热量饮食摄入方式会对认知功能以及神经可塑性产生有害作用，其可能是通过增强线粒体氧化应激损伤且导致线粒体功能障碍引起的。

5 小结与展望

线粒体功能障碍是神经退行性疾病的重要特征，IF可以调节线粒体功能，而过量热量摄入可损伤神经元及线粒体功能，进而说明IF可能通过调节线粒体功能改善神经退行性疾病。但IF对于神经系统以及线粒体的影响可能是多因素的，本文未详细分析，例如能量代谢感受器、具体信号传导通路以及如何抑制细胞凋亡、氧化应激和炎性反应等，在之后的研究中需不断细化。

在神经退行性疾病发病率日渐攀升且医疗成本不断上涨的今日，IF作为一种低成本、简便实施、有效的饮食疗法，其临床推广具有重要意义。但考虑到神经退行性疾病患者多为老年人，据统计12.6%～59.8%的AD患者、17.2%～40.0%的PD患者在出现神经系统症状的同时可能存在营养不良的风险[49-50]。因此，笔者认为在IF作为一种临床辅助疗法应用前，需制定完善的实施标准，并对患者营养状况进行全面评估，在符合标准后方可为其制定个性化禁食方案，这样更能够提高IF安全性，且更加符合伦理要求。除此之外，IF严苛的CR摄入，其临床依从性也是一大难题。笔者认为未来需要进一步深入研究IF改善神经退行性疾病的具体机制及其对神经系统代谢转变的具体信号通路，进而判断最佳干预时间，开发更有靶向性的药物替代疗法，这样无需大幅度改变当前饮食习惯，从而更有助于此种干预方式的临床转化。未来研究不仅需要从更多的临床试验和动物实验中探索IF的个性化推广方案；还需要从具体机制角度深入研究，探索IF替代性靶点治疗，模拟其效果，克服患者依从性较差这一缺点。

作者贡献：王芳芳提出研究选题方向，进行论文的构思与设计、文献及资料的整理，并撰写论文初稿；李加钰负责检索和汇总文献及资料；崔艳如对初稿进行修订；庞日朝、张安仁负责论文的质量控制及审校，对论文整体负责；所有作者确认了论文的最终稿。

本文无利益冲突。