熱量限制與神經(jīng)保護(hù)作用

趙靜姝 王 蓉

(首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室，北京市老年病醫(yī)療研究中心，神經(jīng)變性病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053)

1 簡(jiǎn)介

熱量限制(caloric restriction，CR)是指一種有計(jì)劃地減少由食物提供的熱量的進(jìn)食方式，一般是指在生物體所攝入營(yíng)養(yǎng)成分保證其不發(fā)生營(yíng)養(yǎng)不良的情況下，將正常自由進(jìn)食(ad libitum，AL)所得熱量減去30%～50%。此概念最早由McCay C M等［1］于上世紀(jì)30年代提出，這種進(jìn)食方式可以延長(zhǎng)小鼠的平均壽命和最長(zhǎng)壽命。過(guò)去幾十年，CR的研究對(duì)象涵蓋了從酵母到人類(lèi)各個(gè)層面，CR的作用也已不再局限于延長(zhǎng)壽命，而且可以延緩和預(yù)防某些與衰老相關(guān)疾病的發(fā)生或發(fā)展。CR能夠提高神經(jīng)系統(tǒng)功能的理論可以追溯到20多年前，最近越來(lái)越多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究和流行病學(xué)數(shù)據(jù)也都表明CR幫助改善認(rèn)知，預(yù)防各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇等［2］。

之前有關(guān)CR對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和認(rèn)知功能的基礎(chǔ)研究多數(shù)集中于對(duì)大鼠的研究，現(xiàn)在各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的轉(zhuǎn)基因小鼠模型已經(jīng)成熟并被廣泛應(yīng)用。在前腦條件性PS1+PS2雙敲除(PS conditional knock out，cDKO)小鼠模型中，長(zhǎng)期CR可顯著降低tau蛋白高度磷酸化并且改善認(rèn)知功能［3］。對(duì)給予CR飲食的帕金森病靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物模型的正電子發(fā)射斷層顯像(positron emission tomography，PET)和病理分析后，發(fā)現(xiàn)CR對(duì)行為學(xué)改善和神經(jīng)保護(hù)作用是通過(guò)上調(diào)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的［4］。但是亦有研究［5］顯示通過(guò)對(duì)6-羥多巴胺造成的帕金森病(Parkinson disease，PD)模型小鼠進(jìn)行熱量限制并不能遏止黑質(zhì)紋狀體的退行性變。hexb基因敲除小鼠是Sandhoff病(SD)神經(jīng)退行性病的模型，表現(xiàn)為炎性作用引起的運(yùn)動(dòng)失調(diào)，在給予CR飲食后可以觀察到，與正常飲食組相比，轉(zhuǎn)棒疲勞實(shí)驗(yàn)(rotarod)顯著改善，壽命延長(zhǎng)［6］?？傊絹?lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)CR對(duì)多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的動(dòng)物模型具有改善作用。

2 神經(jīng)保護(hù)作用機(jī)制

CR對(duì)神經(jīng)的保護(hù)作用機(jī)制仍在研究中，這些研究機(jī)制包括改善線(xiàn)粒體功能，減少活性氧產(chǎn)生;提高代謝率，增加能量輸出;調(diào)節(jié)基因表達(dá)，提高沉默調(diào)節(jié)蛋白sirtuin活性;提高具有神經(jīng)保護(hù)作用因子的水平，如神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子;降低促凋亡因子和炎性因子活性。

2.1 抗氧化

在氧化磷酸化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生低濃度的超氧陰離子自由基，當(dāng)線(xiàn)粒體損傷后，如由于毒性損傷引起的細(xì)胞內(nèi)鈣離子超載，這時(shí)超氧陰離子自由基的水平就會(huì)上升;超氧化物隨之轉(zhuǎn)變成過(guò)氧化氫，對(duì)蛋白質(zhì)、脂肪和DNA造成氧化應(yīng)激損傷，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。中風(fēng)、腦外傷、腦缺氧或阿爾茨海默病等的病理中神經(jīng)元缺失大部分是由谷氨酸興奮毒性、鈣超載、線(xiàn)粒體失調(diào)及氧化應(yīng)激所導(dǎo)致的進(jìn)一步損傷引起。

CR條件下可以觀察到組織中過(guò)氧化脂質(zhì)及蛋白羰基濃度降低，細(xì)胞核和線(xiàn)粒體中DNA損傷堿基也減少，而且Dubey A等［7］發(fā)現(xiàn)CR與腦中蛋白質(zhì)氧化損傷有直接關(guān)系，這種損傷既可以誘導(dǎo)又可以恢復(fù)。關(guān)于CR的抗氧化作用有以下兩個(gè)機(jī)制:首先一些研究［8］顯示CR可以提高抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶，但也有與此相反的報(bào)道［9］;第二，CR時(shí)可觀察到線(xiàn)粒體的活性氧產(chǎn)量減少，尤其是在呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ中。新的研究發(fā)現(xiàn)熱量限制可以通過(guò)激活SIRT3，后者作為一種線(xiàn)粒體去乙?；缚蓪⒊趸锲缁干蟽蓚€(gè)關(guān)鍵的賴(lài)氨酸殘留物去乙?；?，從而降低活性氧水平，降低氧化損傷［10］。

CR減少線(xiàn)粒體中活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生的機(jī)制仍不明確，可能和解偶聯(lián)蛋白(uncoupling proteins，UCPs)相關(guān)，UCPs橫跨線(xiàn)粒體內(nèi)膜，使得膜內(nèi)的質(zhì)子流入基質(zhì)中，從而使電化學(xué)梯度與三磷酸腺苷(adenasine triphosphate，ATP)產(chǎn)生相分離。這種解偶聯(lián)可以減少 ROS的產(chǎn)生［11］。而且UCPs活性提高可延長(zhǎng)壽命并加強(qiáng)神經(jīng)元對(duì)缺血、毒性外傷和癲癇損傷的抵抗力［12-13］。

2.2 提高代謝率

CR動(dòng)物腦老化延緩最初被認(rèn)為是源于代謝活性降低，從而減少了氧化代謝副產(chǎn)物ROS產(chǎn)生。研究顯示熱量限制和能量?jī)?chǔ)存相關(guān)，從CR動(dòng)物中分離出的線(xiàn)粒體與自由進(jìn)食對(duì)照組相比，前者ATP產(chǎn)生減少，這和UCPs活性增高相一致［14］。但新近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［11］表明，與線(xiàn)粒體分離后的結(jié)果相反，在完整肌細(xì)胞或體內(nèi)試驗(yàn)時(shí)給予CR后ATP合成并沒(méi)有減少。

近來(lái)的研究［15-16］顯示，在整體水平上CR并沒(méi)有降低機(jī)體的代謝水平，CR通過(guò)上調(diào)SIRT1(silent mating type information regulation 2 homolog 1)去乙?；富钚源龠M(jìn)了線(xiàn)粒體增生，增加了呼吸鏈數(shù)量，線(xiàn)粒體活性增加，并促進(jìn)UCPs的表達(dá)，從而在呼吸作用增強(qiáng)的狀態(tài)下反而降低ROS的產(chǎn)生。

2.3 提高sirtuin活性

Sirtuin是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的一大家族酶。第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的sirtuin是酵母中的沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silence information regulator 2，Sir2)，屬于Ⅲ類(lèi)組蛋白去乙?；?，該基因在哺乳動(dòng)物中的同源基因?yàn)閟irt(1-7)，其中SIRT1與CR關(guān)系密切，CR可以提高腦組織中SIRT1的表達(dá)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)SIRT1激活具有神經(jīng)保護(hù)作用，如SIRT1可以減少小鼠腦內(nèi)的β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)產(chǎn)生，主要是通過(guò)增強(qiáng)解整合素樣金屬蛋白酶10(A disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10)基因的表達(dá)，該基因可促進(jìn)淀粉樣前體蛋白的α分泌酶的降解，而且ADAM10激活后還可以誘導(dǎo)Notch途徑，此途徑可以修復(fù)腦內(nèi)的神經(jīng)元損傷［17］，在體外實(shí)驗(yàn)中亦發(fā)現(xiàn)了“非ADAM10依賴(lài)途徑”，即通過(guò)提高NAD+/NAM+比率，從而促進(jìn)α分泌酶降解，從而降低Aβ產(chǎn)生［18］;提高SIRT1活性可以減緩華勒變性小鼠外周神經(jīng)損傷帶來(lái)的軸突變性［19］;SIRT1的天然激動(dòng)劑白藜蘆醇預(yù)處理后可以通過(guò)SIRT1-UCP2途徑保護(hù)腦缺血引起的損傷［20］，也可減少亨廷頓病線(xiàn)蟲(chóng)和小鼠模型中的神經(jīng)元失調(diào)和死亡，并對(duì)其周?chē)窠?jīng)的損害起到保護(hù)作用［21］。家族其他成員對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用則有所不同，如SIRT1可抵抗低鉀引起的神經(jīng)元凋亡，而SIRT2、SIRT3和SIRT6則誘導(dǎo)健康的小腦顆粒神經(jīng)元凋亡，而SIRT5則定位于該類(lèi)細(xì)胞的細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)，產(chǎn)生保護(hù)作用［22］。

SIRT1具有廣泛的去乙?；富钚?。其靶點(diǎn)包括:腫瘤抑制因子P53、叉頭轉(zhuǎn)錄因子FOXO(forkhead-type translation factors)、DNA修復(fù)蛋白Ku70、過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體PPARγ(peroxisome proliferator-activated receptor γ)以及核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor кB，NFкB)。SIRT1可以抑制成纖維細(xì)胞和腎小球系膜細(xì)胞因急性氧化應(yīng)激損傷或DNA損傷而激活的P53依賴(lài)性細(xì)胞凋亡過(guò)程，但是在神經(jīng)細(xì)胞中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SIRT1介導(dǎo)的P53去乙?；^(guò)程。在小腦顆粒細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞中，SIRT1均可去乙?；疐OXO3來(lái)抑制氧化應(yīng)激和DNA損傷［23］。此外，SIRT1可以通過(guò)去乙?；疜u70來(lái)抑制凋亡，使其與促凋亡因子 Bax分離［24］。

SIRT1介導(dǎo)PPARγ去乙酰化可延長(zhǎng)壽命，主要是通過(guò)抑制脂肪細(xì)胞形成和減少脂肪貯備。PPARγ激動(dòng)劑可降低局灶性腦缺血區(qū)基質(zhì)金屬蛋白酶-9活性以減輕神經(jīng)元損傷［25］;縮小中腦血管閉塞后的梗死面積［26］;提高輕度到中度阿爾茨海默病人的認(rèn)知功能［27］。

PPARγ最受關(guān)注的是其可以降低炎性因子表達(dá)的作用，這其中的抗炎作用就包括對(duì)抑制NFкB表達(dá)。但值得一提的是SIRT1也可以去乙?；疦FкB，因此SIRT1對(duì) NFкB的抑制作用可能正好與隨后SIRT1對(duì)PPARγ的抑制作用相抵消。但最終效果是否保護(hù)神經(jīng)尚不得知，因?yàn)橛醒芯勘砻鱊FкB激活可促進(jìn)神經(jīng)元存活［28］。

2.4 增強(qiáng)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子活性

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)可改善年齡相關(guān)性空間記憶力下降，抑制老年大腦內(nèi)過(guò)氧化氫的產(chǎn)生和Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡，促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)。而奇怪的是當(dāng)動(dòng)物和人體進(jìn)行CR后發(fā)現(xiàn)IGF-1水平下降，IGF-1信號(hào)通路抑制與壽命延長(zhǎng)相關(guān)［29-30］。

與對(duì)IGF-1的作用不同，CR可增強(qiáng)多個(gè)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)，包括腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白-3、膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，在海馬區(qū)最為明顯。BDNF可促進(jìn)CR動(dòng)物胚胎神經(jīng)元和成年海馬祖細(xì)胞分化，提高突觸可塑性及學(xué)習(xí)和記憶能力［31］。相反，富含精制糖和飽和脂肪酸的飲食則會(huì)降低海馬區(qū)BDNF的水平，損傷空間記憶力，BDNF信號(hào)水平下降會(huì)引起食欲過(guò)盛、肥胖［32］。而且研究［33］顯示 CR 可降低腦創(chuàng)傷大鼠模型的組織損傷及提高空間記憶力，主要與損傷周?chē)鷧^(qū)域和海馬區(qū)BDNF水平的提高顯著相關(guān)。另有研究［34］顯示，在脊髓損傷后給予“隔天禁食”的熱量限制方法，可觀察到在禁食當(dāng)天血中β-羥丁酸水平上升，BDNF受體在損傷區(qū)(損傷后5 d)和損傷區(qū)尾部(損傷后3周)水平上升2～6倍。

2.5 抗炎作用

衰老和各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病以多種炎性因子表達(dá)水平上調(diào)為特征，NFкB的激活是此炎性過(guò)程的重要分子。各種類(lèi)型的損傷可激活NFкB，如活性氧、活性氮、Aβ，進(jìn)而導(dǎo)致各個(gè)組織中白介素、腫瘤壞死因子、環(huán)氧合酶(cyclooxygenase-2，COX-2)和誘導(dǎo)性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)轉(zhuǎn)錄增多，包括腦組織。

CR降低動(dòng)物模型和人體NFкB表達(dá)水平，抑制白介素和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNFα)的合成，抑制COX-2和iNOS的活性［35］。在特定實(shí)驗(yàn)條件下，NFкB、白介素和TNF表現(xiàn)出神經(jīng)保護(hù)作用和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)特性，包括促進(jìn)神經(jīng)纖維生長(zhǎng)和祖細(xì)胞分化為神經(jīng)元，這其中包括提高bndf基因表達(dá)［36］。此外還對(duì)老年早期的人群進(jìn)行了CR研究，結(jié)果顯示進(jìn)行CR飲食的人群3個(gè)月后較之前言語(yǔ)記憶得分大幅度提高，這與高敏感性C反應(yīng)蛋白水平下降，降低了炎性反應(yīng)活性，提高了突觸可塑性相關(guān)［37］。

3 展望

經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)展，CR的研究對(duì)象從酵母擴(kuò)展到哺乳動(dòng)物，甚至還對(duì)人類(lèi)進(jìn)行了一些有關(guān)CR的研究，CR的有利作用也從最初延長(zhǎng)壽命的作用擴(kuò)大到預(yù)防各種代謝病和老齡相關(guān)性疾病，包括神經(jīng)系統(tǒng)疾病。隨著人口老齡化的發(fā)展，對(duì)一些老年病的關(guān)注也日益加強(qiáng)，研究揭示的CR對(duì)各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的有利作用也得到各方面的肯定，但是仍然存在一些矛盾之處，正確的機(jī)制還待進(jìn)一步研究求證，畢竟真正的體內(nèi)生理病理過(guò)程是十分復(fù)雜的。而且經(jīng)過(guò)20多年對(duì)恒河獼猴的研究，也驗(yàn)證了之前在嚙齒類(lèi)動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)的一些生理生化作用，至于對(duì)人類(lèi)的作用是否也是這樣，以及有無(wú)其他沒(méi)有預(yù)見(jiàn)的不良作用，還需要進(jìn)一步深入研究探討，這將對(duì)人類(lèi)生命和健康的發(fā)展有著重要的意義。

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