生酮飲食與核因子相關(guān)因子2在顱腦損傷后神經(jīng)保護作用的相關(guān)性研究

鐘務(wù)招綜述，王漢東審校

0 引 言

創(chuàng)傷性腦損傷通過機械力作用在顱骨時對大腦造成的快速運動產(chǎn)生。這些生物力學(xué)力量導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放并破壞跨膜離子的平衡，隨即引發(fā)腦葡萄糖代謝的一過性升高，而后造成長期的葡萄糖代謝低下［1］。KD是一種高脂肪、低碳水化合物、低蛋白的飲食治療方案，機體主要依靠脂肪而不是碳水化合物來供應(yīng)能量，現(xiàn)已用于臨床抗癲癇的治療，其有效性和安全性已得到國際公認(rèn)。近來有報道證實，KD對腦外傷后細胞凋亡調(diào)控蛋白Bcl-2表達下降，從而延緩細胞凋亡，起到神經(jīng)保護作用，并能減輕腦水腫［2］。也有報道稱，在給予KD后的小鼠海馬及肝臟的Nrf2途徑被激活［3］。KD可作為腦外傷后治療的新途徑，并已成為國內(nèi)外研究的熱點，故進一步研究其作用機制將為腦外傷的治療提供新途徑。

1 酮的代謝

早期的研究表明，長期饑餓會導(dǎo)致人體血漿β羥丁酸(β-hydroxybutyric acid，β-OHB)水平增加，從而使呼吸商從1降到0.63［4］。腦對葡萄糖吸收下降伴隨著對β-OHB的吸收增加，這表明酮代謝可以提供人類大腦60%的新陳代謝需要。有報道稱，饑餓48 h后，酮代謝在成年大鼠對腦代謝的作用遠低于人類，分別為15%［5］和25%［6］。這反映了不同物種酮代謝能力的差異，但也可能由于對饑餓或酮癥的耐受不同而引起。主要在星形膠質(zhì)細胞中發(fā)現(xiàn)酮體的氧化代謝會增加［7］。成年大鼠給予KD后，分別給予1-13C標(biāo)記的葡萄糖和［1，2-13C］標(biāo)記的醋酸注射，核磁共振光譜顯示神經(jīng)元對葡萄糖的氧化代謝減少，而星形膠質(zhì)細胞對醋酸的新陳代謝增加。谷氨酰胺、γ-氨基丁酸以及丙酮酸羧化的成倍增加反映了星形膠質(zhì)細胞代謝的增加。這些結(jié)果均表明，無論是在發(fā)育還是饑餓時，大腦都具有對這些生理變化的適應(yīng)能力。這一基本的認(rèn)識為神經(jīng)病理疾病的治療提供一個新的潛在途徑。

2 酮體神經(jīng)保護機制

2.1 酮體降低谷氨酸興奮性毒性 在神經(jīng)病理條件下，由于腦血流量變化及線粒體功能的破壞使得大腦的能量需求和供應(yīng)紊亂。在這種情況下，葡萄糖的代謝作用發(fā)生了改變，大腦無法有效地適應(yīng)該變化。然而在急性期外源性提供酮體后，促進腦細胞對酮體的轉(zhuǎn)運和代謝可使腦代謝轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囃w。這種方法已成功地應(yīng)用于發(fā)展迅速的疾病、許多創(chuàng)傷性腦損傷及神經(jīng)退行性病變。已發(fā)現(xiàn)谷氨酸參與神經(jīng)退行性疾病和創(chuàng)傷性細胞死亡的級聯(lián)反應(yīng)。谷氨酸是一種重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，但當(dāng)過分表達超過激活的谷氨酸受體細胞時，將導(dǎo)致細胞內(nèi)鈣超載，生產(chǎn)自由基，脂質(zhì)過氧化和細胞死亡［8］。對由谷氨酸誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的嚙齒動物體內(nèi)外模型分別給予14 d的乙酰丙酮注射，結(jié)果顯示神經(jīng)損傷減少32%，病灶容積減小50%，并提高細胞內(nèi)三磷酸腺苷含量［9］。給予小鼠及培養(yǎng)的海馬細胞β-羥丁酸脫氫酶和乙酰丙酮后，均顯示抑制了海人酸誘導(dǎo)的細胞死亡［10－11］。在大鼠谷氨酸毒性前靜滴 β-羥丁酸脫氫酶，24 h可使病灶減小51%，脂質(zhì)過氧化降低32%［12］。最新研究表明，將1 mmol/L的β-OHB加入到谷氨酸的體外模型中，通過降低神經(jīng)元的去極化可提高神經(jīng)細胞的生存［13］。在谷氨酸興奮性毒性之前給予酮保護機制可減少自由基的產(chǎn)生。

2.2 酮體的抗氧化作用 缺氧損傷降低了氧氣的供應(yīng)能力，從而降低了氧化代謝葡萄糖機制，導(dǎo)致乳酸的產(chǎn)生增加。高度耐低氧能力與血漿酮水平的升高相關(guān)［14］。使用3周生酮飲食后發(fā)現(xiàn)體內(nèi)缺氧的耐受力明顯提高［15］。給缺氧海馬神經(jīng)元加入4 mmol/L β-OHB后減少了急性細胞死亡，降低細胞凋亡數(shù)量，維持線粒體膜電位，降低caspase-3的活化和聚二磷酸腺者-核糖聚合酶裂解［16］。盡管減少自由基的損傷和凋亡的級聯(lián)活化也可能參與其中，但缺氧后的神經(jīng)保護作用機制被認(rèn)為是酮新陳代謝的增加，從而減少乳酸的生成。在這些條件下，酮代謝被證明具有神經(jīng)保護作用。1，3丁二醇在細胞中容易轉(zhuǎn)換成β-OHB，大鼠使用1，3丁二醇后被證實可以改善神經(jīng)缺血，促進神經(jīng)功能恢復(fù)［17］。在禁食24 h血漿β-OHB升高后，由缺血引起的梗死面積減少約75%［18］。成年大鼠雙側(cè)頸內(nèi)及椎動脈閉塞在禁食48h后，病死率降低，創(chuàng)傷后癲癇發(fā)作和腦內(nèi)乳酸生成均減少［19］。KD由各類脂肪酸組成，并由肝臟分解從而增加血漿中酮含量。不同于酮體，脂肪酸不容易輸送到大腦(有一些例外)。在腦外傷之前，給予小鼠4周的ω-3脂肪酸膳食，認(rèn)知能力也能得到改善［20］。由于酮代謝的獨特性質(zhì)，可能使其成為一個不同神經(jīng)病理情況下更適合腦的供能物質(zhì)。首先，β-OHB轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A只要3種酶參與代謝;與此對比，葡萄糖進入三羧酸循環(huán)需要11個生化步驟。其次，酮體的存在提高了代謝效率，從根本上改變線粒體的代謝。據(jù)報道，酮體降低心臟耗氧量而增加心臟收縮［21］。再次，酮代謝也可通過減少輔酶Q的形成降低自由基的產(chǎn)生。KD也被證明使線粒體解偶聯(lián)蛋白2的表達增加了55%，而減少活性氧的產(chǎn)生［22］。盡管酮并沒有改變正常海馬脂質(zhì)過氧化程度，但總抗氧化能力增加50%。具體來說，維持KD的動物，大鼠海馬的谷胱甘肽過氧化酶活性增加了4 倍［23］。

2.3 KD抗癲癇作用 KD治療癲癇已有80多年的歷史，但近些年才得以推廣。研究表明，經(jīng)KD療法治療的兒童，其癲癇發(fā)作得到了明顯的控制，超過半數(shù)的患者癲癇發(fā)作的頻次降低＞50%［24］。給予Wistar大鼠6周的KD，然后腹腔注射戊四氮，結(jié)果顯示所有對照組大鼠均出現(xiàn)全身強直發(fā)作，而KD組大鼠發(fā)作嚴(yán)重程度明顯降低［25］。KD對慢性癇性發(fā)作形成也有明顯抑制作用。KD還能提高癲癇患者認(rèn)知能力［26］，這可能與發(fā)作及服藥減少有關(guān)。在家人及營養(yǎng)師的協(xié)助下，KD可以作為嬰兒痙攣、不定向性震顫等的一線治療藥物［27］。

3 Nrf2通路

氧化應(yīng)激會造成體內(nèi)細胞損傷，但同時也可以產(chǎn)生許多增強自我抵抗能力的內(nèi)源性蛋白分子，醌氧化還原酶就是其中一個重要的抗氧化、解毒蛋白［28］。Nrf2 是抗氧化反應(yīng)的一個主要調(diào)控器［29］。Nrf2對抗氧化應(yīng)激時誘導(dǎo)產(chǎn)生一些保護性基因，從而保護機體對抗各種氧化應(yīng)激反應(yīng)。在正常情況下，Nrf2與其分子伴侶Keap1結(jié)合于細胞質(zhì)中，并由Keap1將其帶入泛素化途徑進行降解，氧化應(yīng)激反應(yīng)時破壞了Keap1中重要的半胱氨酸殘基，造成了Nrf2在細胞質(zhì)中積聚［30］。隨后，未綁定的Nrf2進入到細胞核內(nèi)，在細胞核內(nèi)與上游的抗氧化基因的啟動區(qū)域ARE元件結(jié)合并開始轉(zhuǎn)錄及表達下游基因［31］。機體內(nèi)Nrf2-ARE信號路徑誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄可引起廣泛的細胞應(yīng)答，這些應(yīng)答可以增強組織抗氧化能力，降解毒性物質(zhì)，減輕炎性反應(yīng)，緩解氧化應(yīng)激及炎性等損傷引起的細胞壞死和凋亡［32］。人們將Nrf2誘導(dǎo)劑應(yīng)用于各種體內(nèi)、外實驗?zāi)Ｐ椭?，發(fā)現(xiàn)其可有效對抗肺、肝、神經(jīng)系統(tǒng)許多疾病引起的組織損傷，并驗證了Nrf2-ARE路徑激活后，體內(nèi)細胞許多內(nèi)源性保護蛋白(主要是醌氧化還原酶、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶等)的表達明顯增加，進而實現(xiàn)其對細胞的保護作用［33］。Nrf2的失活可能參與腫瘤、高血壓、動脈粥樣硬化、腎病等疾病的發(fā)生。近年來，又有文獻報道腦外傷后激活Nrf 2抗氧化途徑，Nrf2通路激活后可限制炎性因子的產(chǎn)生，從而保護腦神經(jīng)功能，并能有效地減輕腦水腫等并發(fā)癥［34－36］。粒細胞的激活過程伴隨著活性氧(reactive oxygen，ROS)的產(chǎn)生，ROS過剩時產(chǎn)生細胞毒性，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，從而激活Nrf2，參與細胞的抗氧化過程，這可能是抑制腫瘤生長的一個重要機制［37］。

4 結(jié) 語

各種證據(jù)表明，Nrf2是在應(yīng)激作用下被激活的一條抗氧化通路，活化的Nrf2可參與多種疾病的預(yù)防及治療。自20世紀(jì)20年代，KD就已用于兒童難治性癲癇的治療［38］。KD可以減少癲癇患者的發(fā)作，并能減緩神經(jīng)細胞的凋亡，因為年輕的大腦對酮體有更大的運輸和利用效能，故推測其對兒童更為有效［39］。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)其對腦神經(jīng)具有保護作用，可減少腦外傷后炎癥及腦水腫等并發(fā)癥的發(fā)生，目前國內(nèi)外對于KD對腦外傷作用的研究較少，其作用機制尚不清楚，是否與活化的Nrf2途徑有關(guān)還需進一步研究，研究KD的作用機制將為腦外傷的治療提供了一條新的治療途徑，對于KD藥丸的研發(fā)也具有吸引力。

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