劉春紅 靳 力 王正平 張 寧 張瑞巖 尹肖寒 王慶鵬
(聊城大學(xué) 生物制藥研究院,山東 聊城 252059)
經(jīng)典的生酮飲食是源于19世紀(jì)20年代,主要目的是模擬熱卡限制飲食時(shí)機(jī)體的生化改變,是一種高脂肪、低蛋白質(zhì)和低碳水化合物的一種飲食[1]. 這種限制碳水化合物攝入的高脂肪飲食使機(jī)體葡萄糖水平明顯減少,而酮體(乙酰乙酸、β-羥基丁酸、丙酮)及脂肪酸水平升高. 由于肝外組織缺乏糖異生的關(guān)鍵酶,外周組織和神經(jīng)系統(tǒng)必須通過酮體氧化供能,酮體成為機(jī)體的主要能量來源. 如今,生酮飲食應(yīng)用于臨床治療已有90余年,主要用于治療難治性癲癇[2],效果顯著,改善了患者的生活質(zhì)量. 傳統(tǒng)生酮飲食,脂肪與蛋白質(zhì)加碳水化合物的質(zhì)量比為4:1,為了使蛋白質(zhì)和碳水化合物的攝入量趨于正常,增加患者依從性,KD已從經(jīng)典生酮飲食(LKD),發(fā)展為富含中鏈甘油三酯(MCT)生酮飲食,改良阿特金斯飲食(MAD),低血糖指數(shù)治療型生酮飲食(LGIT)(見表1). 中鏈甘油三酯生酮飲食由于其易吸收,迅速供能,產(chǎn)酮率高,口感好等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于臨床治療[3].
臨床研究發(fā)現(xiàn)KD對神經(jīng)系統(tǒng)具有保護(hù)作用. 機(jī)體在“無糖”的條件下,增加腦內(nèi)γ-氨基丁酸的合成,限制了活性氧的產(chǎn)生,提高了神經(jīng)元的抗損傷能力[4]. 酮體替代葡萄糖作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的能量底物,為大腦提供能量,降低了由于線粒體損傷引起的供能不足. 此外,相關(guān)研究證實(shí),生酮飲食在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)因子、抑制氧化應(yīng)激和抗炎等方面也有重要作用,這些適應(yīng)性改變與多種能量代謝的改變共同調(diào)控神經(jīng)活動(dòng).
中鏈甘油三酯(Medium chain triglyceride,MCT)在胃和十二指腸內(nèi)被分解成甘油和中鏈脂肪酸(含6-12個(gè)碳). 這些中鏈脂肪酸相比長鏈脂肪酸,水溶性較好,不需膽汁的乳化,如癸酸(十碳酸)和辛酸(八碳酸)可直接在小腸毛細(xì)血管經(jīng)門靜脈進(jìn)入肝臟,通過β-氧化快速代謝[6]. MCT的特點(diǎn)是分子量小,吸收快,迅速供能. 中鏈甘油三酯代謝產(chǎn)物除酮體可以為大腦供能,其分解產(chǎn)生的中鏈脂肪酸也可以直接為大腦提供能量,MKD在體內(nèi)的代謝過程見圖1. 血漿中50%的脂肪酸可直接透過血腦屏障,為神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞提供能量[7, 8]. 不同碳鏈長度的中鏈脂肪酸代謝程度不同. Wlaz P等研究表明,在星形膠質(zhì)細(xì)胞中辛酸比癸酸易接受β-氧化,更易產(chǎn)生酮體[9]. Thevenet, J等研究證實(shí),癸酸優(yōu)先刺激糖酵解,促進(jìn)乳酸的產(chǎn)生,為大腦供能. 中鏈脂肪酸可通過調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的代謝,從而激活星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元間乳酸和酮體穿梭系統(tǒng),為鄰近的神經(jīng)元提供能量[10].
表1 四種生酮飲食的特點(diǎn)
注:MKD在小腸內(nèi)被代謝為中鏈脂肪酸,一部分中鏈脂肪酸(辛酸、癸酸)可經(jīng)肝臟分解成酮體(乙酰乙酸、
丙酮、β-羥基丁酸)直接為大腦供能;另一部分中鏈脂肪酸可直接透過血腦屏障為大腦提供能量.
圖1 MKD代謝過程
癲癇是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常的慢性疾病,以腦神經(jīng)元異常放電引起反復(fù)癇性發(fā)作為臨床特征,表現(xiàn)為突發(fā)意識障礙,四肢抽動(dòng),眼瞼上翻等癥狀,其特點(diǎn)為病程長、致殘率高,給患者造成巨大的生理負(fù)擔(dān)和心理負(fù)擔(dān),影響患者生活質(zhì)量. 腦神經(jīng)元的膜電位不穩(wěn)定,驚厥閾值下降是其主要病理改變. 早在1921年KD就應(yīng)用于癲癇的治療,并取得了肯定的療效. 近年來,MKD在治療難治性癲癇疾病中成為新的研究熱點(diǎn). MKD聯(lián)合抗癲癇藥物的使用,不僅可以降低其藥物帶來的不良反應(yīng)及副作用,而且更有效降低癲癇的發(fā)作頻率和強(qiáng)度. Danielle等研究證實(shí),對48名兒童和青少年癲癇患者以及成年癲癇患者進(jìn)行MKD治療,連續(xù)兩年隨訪發(fā)現(xiàn),大多數(shù)癲癇患者發(fā)作程度均有下降趨勢[11,12]. 可見,MKD不僅可以減少癲癇的發(fā)作頻率,還可以降低癲癇發(fā)作等級. 盡管生酮療法可減少癲癇發(fā)作頻率,且有充足的循證醫(yī)學(xué)證據(jù)支持,但其作用機(jī)制目前仍不明確. 目前,大量學(xué)者對MKD治療癲癇的機(jī)制進(jìn)行了探索,提出了不同假設(shè),以下幾個(gè)方面是MKD代謝產(chǎn)物可能對癲癇的作用機(jī)制.
2.1.1 酮體對癲癇的作用機(jī)制. (1) 酮體具有直接抗驚厥作用:乙酰乙酸和β-羥基丁酸均能阻斷谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體囊泡的形成,抑制谷氨酸在突觸間的傳遞,從而起到抗驚厥的作用. Huttenlocher, P. R.等通過一項(xiàng)臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí),血漿中的酮體有直接抗驚厥的作用[13]. (2) 通過線粒體代謝激活A(yù)TP敏感型鉀離子通道:三磷酸腺苷鉀離子通道開放的作用是降低動(dòng)作電位頻率、保護(hù)神經(jīng)元,起負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用. Yellen, G等研究發(fā)現(xiàn),ATP依賴的鉀離子通道的激活能夠保護(hù)神經(jīng)元免受損傷,從而減輕癲癇發(fā)作對大腦的損害[14]. 在進(jìn)行生酮飲食治療時(shí),因動(dòng)物體內(nèi)的糖酵解途徑受抑制,ATP/ADP減小,進(jìn)而使鉀離子通道開放,發(fā)揮腦保護(hù)作用,預(yù)防癲癇發(fā)作[15]. (3) 碳水化合物攝入減少的直接作用:葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT1)可以將葡萄糖從血液循環(huán)運(yùn)送到大腦,當(dāng)患者GLUT1發(fā)生突變時(shí),會(huì)導(dǎo)致大腦中的葡萄糖供應(yīng)不足,經(jīng)典生酮飲食和中鏈甘油三酯生酮飲食對有GLUT1突變的患者有積極的治療作用,被認(rèn)為是酮替代了葡萄糖為大腦提供能量[16]. 在小鼠癲癇模型中,碳水化合物的補(bǔ)充會(huì)降低生酮飲食抗驚厥的作用效果[17],說明高脂低糖對控制癲癇發(fā)作有重要作用.
2.1.2 中鏈脂肪酸對癲癇的直接作用. 盡管酮體具有一定的抗驚厥作用,但在對突觸傳遞和內(nèi)在神經(jīng)興奮性是直接或間接的影響仍有爭議. 在氨基丁酸受體拮抗劑戊四唑建立的大鼠癲癇模型中發(fā)現(xiàn),高濃度酮體與癲癇的發(fā)作頻率相關(guān)性較弱[15],最新研究發(fā)現(xiàn),MKD代謝產(chǎn)生的中鏈脂肪酸,如辛酸和癸酸對控制癲癇發(fā)作有直接的作用. Wlaz P等研究證實(shí),MKD中辛酸可以增大大鼠皮層的驚厥閾值,減少癲癇發(fā)作頻率[8].在6Hz刺激試驗(yàn)(耐藥癲癇的一種模型)和最大電擊試驗(yàn)(強(qiáng)直性陣攣發(fā)作模型)的動(dòng)物模型中證實(shí),癸酸可以降低癲癇發(fā)作的閾值,對癲癇控制起到直接作用. Tan, K. N. 等研究表明,MCT干預(yù)的癲癇患者中,癸酸攝入后可以很快的通過血腦屏障,在大腦中達(dá)到足夠的濃度后以減少興奮,從而減少癲癇發(fā)作頻率[18]. α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑受體(AMPA)介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞,其在突觸后膜的動(dòng)態(tài)表達(dá)與長時(shí)程增強(qiáng)、長時(shí)程抑制的誘發(fā)和維持有關(guān). Rogawski, M.A. 等人研究證明極低濃度的癸酸可以選擇性或直接地抑制AMPA受體,抑制興奮性突觸的傳遞[19]. 直接抑制AMPA受體活性已被證實(shí)與治療局灶性癲癇和廣泛性強(qiáng)直性陣攣性發(fā)作有關(guān),部分抗癲癇藥物是通過抑制AMPA受體來發(fā)揮療效,但作用靶點(diǎn)與癸酸不同[19,20].
多發(fā)性硬化癥是一種以腦、脊髓白質(zhì)脫髓鞘為特點(diǎn)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system ,CNS)自身免疫性疾病. MS多發(fā)生于中青年,女性患病率約為男性的3倍. 病理特征為CNS脫髓鞘,軸索腫脹,炎性細(xì)胞浸潤,星型膠質(zhì)瘢痕增生,病灶分布廣泛. 臨床表現(xiàn)為感覺異常、視覺障礙、肌肉無力、共濟(jì)失調(diào)、認(rèn)知障礙等. 目前,該疾病無法徹底治愈,藥物只能減緩疾病進(jìn)展,常規(guī)的治療藥物主要是基于:(1) 對免疫系統(tǒng)的調(diào)控,增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié);(2) 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù),改善神經(jīng)元的功能,進(jìn)而改善病程的進(jìn)展. 有研究證明MS的發(fā)生與線粒體功能損傷和炎性有關(guān).
William T.Regenold等研究顯示,MS患者CNS葡萄糖代謝的線粒體外途徑活性增加,這些能量代謝的改變可能與MS疾病進(jìn)展的發(fā)病機(jī)制直接或間接相關(guān). 可見,保護(hù)線粒體或促進(jìn)線粒體能量代謝有助于MS疾病的治療[21]. PGC-1α是線粒體功能的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子,調(diào)控機(jī)體能量代謝, PGC-1α在MS患者皮質(zhì)錐體神經(jīng)元中的表達(dá)顯著降低,導(dǎo)致ATP供應(yīng)不足[22]. 大量相關(guān)研究顯示,MKD在改善線粒體功能,抗炎等方面有重要的作用. Kirk Nylen等研究發(fā)現(xiàn),生酮飲食可以增強(qiáng)線粒體功能,促進(jìn)ATP生成,改善PGC-1α缺乏導(dǎo)致的ATP供應(yīng)不足[23]. 越來越多的研究證明,核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3 (Nucleotide- binding oligomerization domainlike receptors family pyrin domain containing 3, NLRP3)炎癥小體異?;罨瘏⑴cMS的發(fā)病過程. NLRP3最重要的功能是形成炎癥小體,并促進(jìn)IL-18 和IL-1β的成熟與分泌. 實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(簡稱EAE),是一種常見的模擬MS的動(dòng)物模型. 炎癥小體的產(chǎn)物Caspase-1、IL-11β及IL-18已被證實(shí)有助于EAE的發(fā)生發(fā)展. Caspase-1、IL-1β及IL-18的缺陷鼠表現(xiàn)出對EAE的抵抗耐受,同時(shí)也伴隨著IFN-r以及IL-17水平的降低. 有關(guān)報(bào)道指出,NLRP3缺陷鼠的EAE病情明顯緩解,同時(shí)炎性細(xì)胞的浸潤明顯減少,說明NLRP3通過IL-18調(diào)節(jié)EAE. Inoue等研究發(fā)現(xiàn),在MS患者中Caspase-1、IL-1β 和 IL-18 的表達(dá)顯著升高,表明NLRP3炎性小體與MS有關(guān)[24]. Goldberg, E. L等研究發(fā)現(xiàn),生酮飲食代謝產(chǎn)物β-羥基丁酸可以抑制NLRP3炎性小體,起到抗炎的作用,而MKD產(chǎn)酮率高,可更有效的控制MS疾病的進(jìn)展[25]. 此外,MCT在體內(nèi)消化代謝的速度與葡萄糖相當(dāng),且產(chǎn)生的能量高于葡萄糖產(chǎn)生能量的2倍,可改善MS患者腦能量供應(yīng)不足的情況.
阿爾茨海默癥是一種常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,臨床表現(xiàn)以記憶功能障礙、認(rèn)知障礙、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及以人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)為特征. 主要病理學(xué)改變包括:大腦皮質(zhì)彌散性萎縮,錯(cuò)誤折疊的β-淀粉樣蛋白(Aβ)在大腦中沉淀形成的淀粉樣蛋白斑塊,Tau蛋白過度磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)纖維纏結(jié),神經(jīng)元大量丟失等. 隨著人口老齡化加劇,阿爾茨海默癥的發(fā)病率逐年增高,給社會(huì)和家庭帶來沉重負(fù)擔(dān). 大多數(shù)藥物(如多奈哌齊、卡巴拉汀、加蘭他敏、美金剛等)治療僅能適度緩解癥狀,但不能改變疾病的進(jìn)展. 考慮到一些肝損傷患者代謝酶活性的下降,以及MKD對大腦的積極作用,結(jié)合阿爾茨海默病的多種病理特點(diǎn),使患者優(yōu)先考慮MKD進(jìn)行干預(yù)治療. MKD可以通過各種途徑有效的治療AD:(1) MKD能夠增強(qiáng)線粒體供能,改善糖代謝;(2) 代謝產(chǎn)物酮體,尤其是β-羥基丁酸可以防止β淀粉蛋白毒性對海馬神經(jīng)元造成損害;(3) 改善tau蛋白和β淀粉蛋白的病理狀態(tài).
谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性神經(jīng)遞質(zhì),谷氨酸受體的活化和Ga2+內(nèi)流對神經(jīng)元的形成及存活和腦發(fā)育時(shí)神經(jīng)細(xì)胞的遷移及突觸的形成有著至關(guān)重要的作用. 谷氨酸受體過度刺激,將導(dǎo)致Ga2+內(nèi)流,神經(jīng)細(xì)胞損傷. AMPA受體,是谷氨酸受體的一種亞型,AMPA受體介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞,導(dǎo)致鈣離子大量內(nèi)流,從而引起神經(jīng)毒性[26].此外,AMPA受體參與tau蛋白的異常磷酸化,與神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成有關(guān),可見,AMPA受體過度活躍促進(jìn)AD的神經(jīng)毒性. MKD代謝產(chǎn)物癸酸可抑制AMPA受體活性,從而減少神經(jīng)毒性,起到治療AD的作用. Yoshihiro Kashiwa等研究表明,β-羥基丁酸可以保護(hù)海馬神經(jīng)元不受β-淀粉樣蛋白毒性的損害[27]. Miho Ota等在20名輕度阿爾茨海默癥患者接受MKD治療后的第12周并對AD患者進(jìn)行數(shù)字符號測試和即時(shí)邏輯記憶測試發(fā)現(xiàn),AD患者的癥狀明顯改善[28]. 可見,MKD在治療輕度AD患者非文字記憶中起到積極的作用. 此外,MKD治療時(shí),AD患者可通過使用酮體作為大腦的能量補(bǔ)充來源,減少淀粉樣斑塊的沉積,逆轉(zhuǎn)淀粉樣毒性. 越來越多的證據(jù)證明,MKD可能通過多種代謝機(jī)制治療阿爾茨海默病如減少神經(jīng)炎癥、通過增強(qiáng)線粒體功能來加強(qiáng)代謝等,值得臨床廣泛研究.
帕金森是老年人常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,其臨床特征主要表現(xiàn)為視覺減退、頑固性便秘、睡眠障礙、情緒障礙、疼痛、疲勞、運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫、肌強(qiáng)直以及姿勢步態(tài)異常等癥狀[29]. 中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性、死亡或是缺失是其主要病理改變. 隨著老齡化社會(huì)的到來,其發(fā)病率呈上升趨勢. 近年來,臨床實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食可以降低帕金森患病的風(fēng)險(xiǎn). Vanltallie 等在一項(xiàng)臨床實(shí)驗(yàn)中,證明受試患者接受4周生酮飲食后,所有受試者的疲勞、步態(tài)和平衡障礙均有改善[30].
帕金森應(yīng)用比較廣泛的動(dòng)物模型是神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP).MPTP可引起多巴胺神經(jīng)元的退行病變,產(chǎn)生與帕金森相似的癥狀和病理改變. Kim Tieu等通過MPTP建立的小鼠帕金森模型,發(fā)現(xiàn)KD代謝產(chǎn)生的β -羥基丁酸能夠保護(hù)神經(jīng)元減少M(fèi)PTP誘導(dǎo)下多巴胺神經(jīng)元的退行性病變和改善帕金森病的運(yùn)動(dòng)障礙功能[31]. CHENG B等通過對小鼠MPTP模型觀察發(fā)現(xiàn),生酮飲食組在逆轉(zhuǎn)MPTP誘導(dǎo)下,細(xì)胞外谷氨酸鹽降低,增加紋狀體的谷氨酸鹽上較其它組均差異顯著,這種增加可能與丘腦-皮層-紋狀體通路活性增強(qiáng)有關(guān)[32]. Ilona Joniec-Maciejak等在MPTP誘導(dǎo)的小鼠PD模型中發(fā)現(xiàn),補(bǔ)充辛酸可以增加過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子-1α(PGC-1α)的表達(dá),從而顯著改善紋狀體多巴胺神經(jīng)傳遞的障礙[33]. 另一項(xiàng)研究顯示,在神經(jīng)毒共性6-羥多巴胺建立的帕金森模型中,MKD能夠上調(diào)黑質(zhì)和紋狀體區(qū)谷胱甘肽水平,增強(qiáng)線粒體抗氧化能力,防止線粒體DNA受氧化劑的損傷,保護(hù)多巴胺神經(jīng)元抵抗6-羥多巴胺的毒性作用[34].
有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)PD的進(jìn)程和炎性有關(guān),PD患者黑質(zhì)密部存在大量激活的小膠質(zhì)細(xì)胞. 激活的小膠質(zhì)細(xì)胞能夠釋放多種炎性因子,如IL-1,IL-6,TNF-a、干擾素(IFN)-r,巨噬細(xì)胞集落因子,趨化因子等,這些因子可增強(qiáng)谷氨酸能神經(jīng)元的傳遞,對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成明顯的興奮性神經(jīng)毒性作用. MKD的抗炎作用,其機(jī)制可能通過降低NF-kB表達(dá)水平,抑制白介素合成,抑制誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶的(iNOS)活性及抑制谷氨酸興奮性突觸的傳遞等方面,對PD起到治療的作用.
亨廷頓又稱慢性進(jìn)行性舞蹈癥,多發(fā)生于中老年人,起病隱匿,進(jìn)展緩慢. 其病理特征為,基底節(jié)區(qū)和大腦皮質(zhì)變性,神經(jīng)元死亡. 臨床癥狀主要表現(xiàn)為舞蹈樣不自主運(yùn)動(dòng)、精神障礙和進(jìn)行性癡呆. 非藥物飲食療法-MKD,可通過以酮體作為供能物質(zhì),改善線粒體損傷,從而減緩病程的發(fā)展. HD與其他神經(jīng)退行性疾病相似,與線粒體損傷和能量代謝缺陷有關(guān)[35]. Marta Balietti等研究發(fā)現(xiàn)MKD干預(yù)亨廷頓小鼠8周后,線粒體琥珀酸脫氫酶的活性高于對照組,說明MKD可以改善線粒體功能損傷,起到神經(jīng)保護(hù)的作用[36]. 在 HD 細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn),胰島素和 IGF-1 激活 AKT 后能改善細(xì)胞線粒體功能,抑制細(xì)胞凋亡[37]. David N.Ruskin等在亨廷頓病轉(zhuǎn)基因小鼠模型(R6/21J)中發(fā)現(xiàn),生酮飲食組減緩轉(zhuǎn)基因亨廷頓小鼠體重的下降,增強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)和協(xié)調(diào)能力[38]. 綜上所述,生酮飲食療法可以改善HD模型組線粒體損傷,增強(qiáng)機(jī)體的能量代謝.
MKD對多種神經(jīng)退行性疾病具有一定的治療效果,可明顯改善患者的臨床癥狀,社會(huì)行為,相較藥物更為安全,無毒副作用,具有廣闊的發(fā)展前景. 中鏈甘油三酯生酮飲食與其他類型生酮飲食相比不僅產(chǎn)酮率高而且代謝產(chǎn)生的中鏈脂肪酸還可直接為大腦供能,更有效地降低了由于供能不足引起的腦代謝障礙. MKD改變了傳統(tǒng)的飲食結(jié)構(gòu),脂肪酸成為主要的能量來源,因此,長期食用“生酮飲食”會(huì)引起胃腸道不適、進(jìn)行性骨鈣丟失,骨密度降低[39]. 在KD治療早期,需經(jīng)醫(yī)囑,客觀評價(jià)患者的胃腸道功能,檢查尿酸水平、電解質(zhì)及微量營養(yǎng)素等[40]. 目前,雖然MKD的作用機(jī)制目前尚未明確,但是MKD可以通過影響神經(jīng)元能量代謝,增強(qiáng)線粒體功能,改善抗氧化應(yīng)激,抗炎等方面,增強(qiáng)對神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù). 神經(jīng)系統(tǒng)疾病是多機(jī)制引起的,MKD可能從多個(gè)機(jī)制發(fā)揮作用,改善患者的生活質(zhì)量. MKD的潛力巨大,有待發(fā)掘.