生酮飲食療法與膠質(zhì)瘤的治療研究

范菲艷，劉 楠，劉 輝，張鵬幸，涂艷陽(yáng) （空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院實(shí)驗(yàn)外科，陜西西安710038）

0 引言

腦膠質(zhì)瘤是一種常見的原發(fā)性腦內(nèi)惡性腫瘤。其中，多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）的長(zhǎng)期研究進(jìn)展甚微，被認(rèn)為是最致命的腦癌。被稱為“Warburg效應(yīng)”的能量代謝異常的糖酵解發(fā)生在許多腫瘤中，包括膠質(zhì)瘤。相比目前的其他療法，代謝療法是針對(duì)所有代謝疾病的腫瘤細(xì)胞（有氧發(fā)酵），而提高正常腦細(xì)胞和整個(gè)身體的健康與活力。生酮代謝療法（KMT），即生酮或低糖飲食的營(yíng)養(yǎng)干預(yù)，在神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者中已被提議作為一種抗腫瘤的策略，是一種抗血管生成、抗炎和抗腫瘤的代謝療法，降低腫瘤微環(huán)境中可發(fā)酵的能量。大量的臨床前研究表明KMT對(duì)惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型系統(tǒng)有較好的療效，并且安全性高。臨床研究也表明KMT具有良好的安全性和可行性。這些研究顯示KMT可以作為一種膠質(zhì)瘤治療的輔助手段，其最主要的方法是生酮飲食（ketogenic diet，KD），以下通過3個(gè)方面對(duì)生酮飲食療法與膠質(zhì)瘤治療研究作一概述。

1 概念

腦膠質(zhì)瘤是最常見的一種惡性腫瘤，大多具有惡性程度高和侵襲性強(qiáng)的特點(diǎn)。惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤是最常見的原發(fā)性腦腫瘤［1－2］。GBM是最常見和最激進(jìn)型的神經(jīng)膠質(zhì)瘤［3－4］，有異常的不良預(yù)后，惡性程度最高。因?yàn)槟z質(zhì)瘤無(wú)腫瘤邊界，且具有遺傳不穩(wěn)定性和高異質(zhì)性等特點(diǎn)，從診斷開始平均總生存期（over?all survival，OS）為12～15個(gè)月，即使對(duì) GBM患者作最全面的治療，其5年生存率仍小于5%［5］。

腫瘤細(xì)胞能量代謝通常是異常地轉(zhuǎn)向“有氧糖酵解”［6］。即使細(xì)胞有充足的氧，腫瘤細(xì)胞糖酵解同樣活躍，使丙酮酸發(fā)酵成乳酸，出現(xiàn)叫做“Warburg效應(yīng)”的現(xiàn)象。大多數(shù)惡性腦瘤不能通過氧化磷酸化產(chǎn)生足量的能量［7－9］。膠質(zhì)瘤細(xì)胞極度依賴葡萄糖為主要能源生存和維持它們的侵襲性［10］。像大多數(shù)癌癥一樣，膠質(zhì)瘤經(jīng)常有紊亂的線粒體特異表達(dá)，阻礙有效的三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化活動(dòng)，而這是有氧ATP生產(chǎn)所必需的［11］。這在人星形膠質(zhì)瘤和GBM細(xì)胞不僅反映在線粒體代謝和凋亡調(diào)控機(jī)制中的異常蛋白質(zhì)組的變化［12］，而且反映在豐富的線粒體超微結(jié)構(gòu)病理如嵴溶解和線粒體腫脹等。大多數(shù)腫瘤細(xì)胞主要依賴通過相對(duì)低效的胞質(zhì)糖酵解途徑而產(chǎn)生的ATP。作為一種補(bǔ)償方式，糖酵解的基因表達(dá)和相關(guān)的糖酵解率通常在膠質(zhì)瘤中上調(diào)［13］。臨床研究證實(shí)了這個(gè)引人注目的葡萄糖依賴關(guān)系［17］。臨床研究［14－16］發(fā)現(xiàn)高血糖癥可以作為GBM患者總生存期的負(fù)預(yù)測(cè)因子。

基于KD的KMT可用于治療膠質(zhì)瘤。KD由高脂肪、適度的低蛋白質(zhì)含量和非常低的碳水化合物組成，這迫使身體燃燒脂肪來代替葡萄糖合成ATP。一般來說，按重量比例是3∶1或4∶1的脂肪 ∶（碳水化合物＋蛋白質(zhì)）。KD的核心概念主要是由脂肪代替碳水化合物和較少的蛋白質(zhì)提供的熱量。與其他生酮代謝治療策略一樣，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)性變化是降低血糖水平和代謝轉(zhuǎn)變成生理狀態(tài)的系統(tǒng)性酮癥［18］。 在體外［19］和體內(nèi)［20］已被證明作為能量供應(yīng)的可用葡萄糖的減少會(huì)有選擇地餓死神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞。當(dāng)個(gè)體攝食生酮飲食，肝臟通過脂肪酸的氧化發(fā)生脂肪代謝，生成包括乙酰乙酸鹽、β?羥基丁酸（β?OHB）和丙酮的酮體。酮體從血液中運(yùn)輸?shù)浇M織中并轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，而乙酰輔酶A是三羧酸循環(huán)第一步的底物。低碳水化合物含量的生酮飲食可能適度降低血糖，整體更好地控制血糖，降低糖化血紅蛋白水平［21］。這種治療也可以刺激人類的糖異生來彌補(bǔ)血糖水平的下降［22］。生酮飲食的依從性和有效性可以通過測(cè)量血清和尿液β?羥基丁酸來檢測(cè)。

1995年，首次臨床應(yīng)用基于生酮飲食的生酮代謝療法成功治療惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤［23］。之后，嚙齒動(dòng)物在體研究［17］表明該飲食干預(yù)治療惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的有效性和安全性。而且，有臨床報(bào)告包括腫瘤消退或持久的腫瘤控制的案例報(bào)告顯示KMT在腦瘤患者中潛在的益處［24］，還有研究表明標(biāo)準(zhǔn)治療加上生酮代謝療法能延長(zhǎng)患者總生存期［25］。代謝療法使用葡萄糖水平較低的生酮飲食可以幫助延緩年輕和老年患者 GBM 的增長(zhǎng)［26］。

2 方法

2．1 生酮飲食療法 飲食構(gòu)成發(fā)生改變致使血酮體增加的生酮飲食療法，包括以下3種。

2．1．1 經(jīng)典的長(zhǎng)鏈脂肪酸飲食療法（the classic KD）患者的飲食主要是由長(zhǎng)鏈脂肪酸（long chain triglyceride，LCT）組成，脂肪 ∶（蛋白質(zhì)＋碳水化合物）可以高達(dá)4∶1，產(chǎn)生的飲食能量分布為8%來自蛋白質(zhì)，2%來自碳水化合物和90%來自脂肪。

2．1．2 中鏈脂肪飲食療法（medium?chain triglyceride diet，MCTD） 患者的飲食主要由中鏈甘油三酯（the medium chain triglyceride， MCT）組成，脂肪 ∶（蛋白質(zhì)＋碳水化合物）為1．5∶1，所產(chǎn)生的飲食能量有60%來自中鏈甘油三酯，與經(jīng)典方法相比，單位質(zhì)量的MCT可提供更多能量，碳水化合物和蛋白質(zhì)的比例可以適當(dāng)增多，在飲食搭配上更自由［27］。并且，中鏈脂肪飲食中的多不飽和脂肪酸具有抗炎、促凋亡和抗腫瘤的功效［28］。

2．1．3 Atkins 飲食療法（the modified Atkins diet，MAD） Atkins飲食方案是在1972年由美國(guó)的Rob?ert Atkins醫(yī)生提出的療法，患者的飲食主要由低碳水化合物飲食組成，主要核心是限制碳水化合物的構(gòu)成比例，特別是精制碳水化合物，如面粉和玉米的量。MAD不限制熱卡、液體和蛋白質(zhì)的構(gòu)成比例，并且兒童碳水化合物不得超過 10 g／d，成人不得超過20 g／d，飲食中多增加脂肪。

2．2 限制能量飲食療法（calorie restriction，CR）

對(duì)患者的飲食限制熱量的攝入，使熱量攝入低于正常飲食所提供的熱量，但不能導(dǎo)致患者營(yíng)養(yǎng)不良，這種療法可以防止一些動(dòng)物模型中由于自發(fā)性化學(xué)和放射性誘導(dǎo)的腫瘤發(fā)生［29］。

以上不同的方法中脂肪、碳水化合物和蛋白質(zhì)這三大營(yíng)養(yǎng)素的構(gòu)成比例不太相同，使機(jī)體升高酮體的能力也稍有差別，但其本質(zhì)都是通過飲食降低機(jī)體葡萄糖的水平，提高機(jī)體酮體的水平，使機(jī)體達(dá)到酮代謝的狀態(tài)，抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。而且不同種類的食譜搭配選擇可以為不同需求的人群提供更多可選性。

3 機(jī)制

對(duì)于生酮飲食治療的具體機(jī)制，仍不明了。但眾多研究結(jié)果主要可以總結(jié)為幾個(gè)方面。

3．1 活性氧自由基（the reactive oxygen species，ROS） Valko等［30］認(rèn)為ROS介導(dǎo)的DNA損傷在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中的作用是很重要的。線粒體為細(xì)胞供能，在機(jī)體中通過電子傳遞鏈生成水和CO2，是機(jī)體ROS的主要產(chǎn)生部位，線粒體DNA更易受ROS損傷，可能致使線粒體DNA突變［31］。突變的細(xì)胞通常有致癌基因生長(zhǎng)因子和酪氨酸激酶受體的高表達(dá)，可能有腫瘤形成和慢性缺氧的產(chǎn)生［32］。KD的治療價(jià)值可能超過血糖調(diào)節(jié)，因?yàn)橥w本身是具有神經(jīng)保護(hù)性質(zhì)［33］的活化信號(hào)代謝物［34］。 酮體β?OHB被認(rèn)為是參與氧化應(yīng)激保護(hù)的基因內(nèi)源性感應(yīng)器［35］。通過增加線粒體呼吸效率，酮體代謝可以促進(jìn)ROS的消除，保護(hù)健康的腦組織［36］。有研究［37］用膠質(zhì)瘤荷瘤鼠模型發(fā)現(xiàn)KD飲食減少了體內(nèi)腫瘤組織ROS的水平。因此，KMT可能會(huì)加強(qiáng)健康中樞神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)對(duì)惡性腫瘤轉(zhuǎn)化的保護(hù)和減少常規(guī)治療的細(xì)胞毒副作用［38］。雖然一些研究用KD在惡性腦組織中發(fā)現(xiàn)了類似的抗氧化作用［36］，但是其他動(dòng)物癌癥模型的研究也發(fā)現(xiàn)腫瘤ROS水平與KD有相關(guān)的增加［39］或無(wú)變化［40］。尚待確定氧化應(yīng)激是否僅僅由KD引起的葡萄糖剝奪引起的［10］，也許在惡性腦組織加強(qiáng)放化療介導(dǎo)的細(xì)胞毒性方面發(fā)揮更重要的作用［41］。進(jìn)一步研究KD對(duì)惡性腦組織中ROS產(chǎn)生的影響以及ROS水平本身對(duì)癌細(xì)胞行為的影響是有必要的。

3．2 與炎癥相關(guān)的改變 炎癥在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中有重要作用，它不僅可以使腫瘤發(fā)生，而且可以促使腫瘤惡化［42］。在GBM中，腫瘤組織除腫瘤細(xì)胞外還有一類名為腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（tumor?associated mac?rophages，TAM）的細(xì)胞群。這一細(xì)胞群會(huì)增加機(jī)體的前炎癥因子和前血管再生因子，誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)展［43］。再加上對(duì)膠質(zhì)瘤的放療、化療，可能會(huì)出現(xiàn)組織壞死和炎癥的現(xiàn)象，促使機(jī)體谷氨酸水平上升［44］。谷氨酸對(duì)腫瘤細(xì)胞提供能源，促進(jìn)其生長(zhǎng)［45］。轉(zhuǎn)錄因子核因子 κB（nuclear factor?κB， NF?κB）能夠使組織炎癥反應(yīng)嚴(yán)重，激活的NF?κB可以活化相關(guān)的炎癥因子，如腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor?α， TNF?α），基質(zhì)金屬蛋白酶?9 （matrix metallopeptidase?9，MMP?9），白介素?6（interleukin?6， IL?6） 和白介素?8（interleukin?8， IL?8）等［46］。 有實(shí)驗(yàn)研究［47］發(fā)現(xiàn)，CR飲食可以降低NF?κB的表達(dá)，相應(yīng)也降低了COX2的表達(dá)，并且使巨噬細(xì)胞炎癥蛋白2（macrophage in?flammatory protein?2， MIP?2） 的表達(dá)也有所降低。

3．3 胰島素相關(guān)信號(hào)通路 KMT引起血糖的降低提示減弱胰島素激活的Akt／mTOR和Ras／MAPK的信號(hào)通路與致癌作用有關(guān)［48］。可能會(huì)從KMT增加潛在的益處，由于高水平的胰島素相關(guān)信號(hào)分子（胰島素?、C?肽、 IGF?1， IGF?1R） 與增加的 患 癌風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)［49］。與高度選擇性藥物阻斷劑不同，KMT可能產(chǎn)生整體的胰島素相關(guān)信號(hào)的抑制，更具有效性和更少副作用。另一個(gè)假定的KMT機(jī)制是AMPK的激活［50］，一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的能量傳感器和mTOR信號(hào)的抑制劑［51］，在葡萄糖缺失的情況下在鼠標(biāo)星形細(xì)胞瘤模型中能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，同時(shí)保護(hù)正常腦細(xì)胞［52］。Marsh等［53］認(rèn)為，生酮飲食作用于腫瘤細(xì)胞的分子生物途徑主要與胰島素樣生長(zhǎng)因子相關(guān)的張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue， PTEN）／蛋白激酶 B（the protein kinase B， PKB or Akt）／結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合體 2（tuberous sclerosis complex 2， TSC2）通路（即PTEN／Akt／TSC2通路）有關(guān)。他們通過生酮飲食中的限制能量的方法飼養(yǎng) CT?2A荷瘤鼠，發(fā)現(xiàn)生酮療法能夠增加鼠的生存期，也證實(shí)了PTEN／AKT信號(hào)通路和 IGF?1通路與細(xì)胞前凋亡和星形膠質(zhì)瘤糖分解的表型相關(guān)。提出了抑制PKB?依賴的抗凋亡途徑與TSC2表達(dá)的降低和不斷升高的mTOR信號(hào)通路活動(dòng)相一致，是生酮療法抗膠質(zhì)瘤的可能機(jī)制，使這一治療方案具有更多的理論支持和依據(jù)。

3．4 其他相關(guān)研究 有關(guān)基因表達(dá)分析表明，KD可能至少部分通過抑制生長(zhǎng)因子通路減緩腫瘤生長(zhǎng)。惡性腦瘤的一個(gè)特點(diǎn)是血管生成的增加，通常認(rèn)為是由于血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的增加。Seyfried和同事報(bào)道，熱量限制減少了腫瘤血管生成，然而，在Scheck等［54］的研究中KD似乎并不顯著影響VEGF的RNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)水平。這可能是由于熱量限制與KD產(chǎn)生不同的酮癥效應(yīng)，或血管生成的抑制作用可能不依賴VEGF機(jī)制，需要作更加全面的研究。

KD代謝中酶的能力在神經(jīng)膠質(zhì)瘤和健康的腦組織時(shí)可能明顯不同，這可以部分解釋KD治療對(duì)膠質(zhì)瘤和健康的腦組織中基因表達(dá)和相關(guān)表型變化的不同影響［17］。有研究［55］發(fā)現(xiàn)表明這些影響可以由KD誘導(dǎo)的microRNA表達(dá)水平的變化調(diào)節(jié)。

在功能層面上，臨床前研究［56］證明KMT（尤其是KD治療和／或CR）誘發(fā)惡性腦組織的代謝轉(zhuǎn)變成前凋亡，抗血管生成，抗侵入和抗炎狀態(tài)，伴隨著體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)標(biāo)志物的顯著減少。使用GL261老鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型，Stafford等［37］證明KMT可有效治療敏感效應(yīng)。有研究［24］使用相同的老鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型發(fā)現(xiàn)基于KD的KMT可以促進(jìn)微環(huán)境中膠質(zhì)瘤反應(yīng)免疫應(yīng)答，從而可能部分作為免疫佐劑。

4 療效

Nebeling等［23］研究顯示，生酮飲食開始后2名星形膠質(zhì)瘤患兒的健康狀況得到改善，并且總生存期長(zhǎng)于最初預(yù)測(cè)時(shí)間。Zuccoli等［24］的研究中，堅(jiān)持用卡路里限制KD，成人GBM患者的生活質(zhì)量明顯改善，雖然這名患者在KD時(shí)做了輻射治療，但是飲食停止后腫瘤復(fù)發(fā)。在 Champ等［26］的研究中KD有助于GBM患者對(duì)護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答。從這些報(bào)告和臨床前研究結(jié)果得出KD可有效改善兒童和成人惡性腦瘤患者總體存活率和生活質(zhì)量。

KD可能會(huì)降低大腦谷氨酰胺水平，從而限制腫瘤生長(zhǎng)的能量代謝產(chǎn)物的可用性。KD治療在熱量限制時(shí)可能更有效，所以稱為能量限制生酮飲食（ener?gy restriction ketogenic diet， ERKD ）［57］。 Seyfried等［58］表明，在鼠星形細(xì)胞瘤模型中有效減少腫瘤的生長(zhǎng)作為自身熱量限制的結(jié)果，與血糖和IGF?1水平的降低有關(guān)。如果加上無(wú)毒的也促使糖酵解的藥物，如2?脫氧葡萄糖或 3?溴丙酮酸，二氯醋酸（DCA），ERKD除了降低腫瘤微環(huán)境下葡萄糖的可用性，可能更有治療性［59］。當(dāng)聯(lián)合抗人巨細(xì)胞病毒藥物纈更昔洛韋，ERKD還可能進(jìn)一步增加GBM患者的生存期。因此，CR融入飲食協(xié)議，使用組合方法如ERKD或KD和藥物，能夠更好的治療叫膠質(zhì)瘤。

Poff等［60］研究顯示 KD和高壓氧治療（HBO2T）顯示出協(xié)同交互作用。HBO2T增加腫瘤細(xì)胞的ROS，而酮體保護(hù)正常細(xì)胞免受ROS損傷和潛在的氧毒性［61］。葡萄糖剝奪將增強(qiáng)在腫瘤細(xì)胞的氧化應(yīng)激，同時(shí)增加氧氣可以降低腫瘤細(xì)胞增殖［62］。HBO2T被用作放射增敏劑可顯著改善對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的輻射［63］。與放射治療對(duì)比，也通過ROS的產(chǎn)生殺死腫瘤細(xì)胞［64］，KD＋HBO2T會(huì)殺死腫瘤細(xì)胞而不損害正常細(xì)胞有毒副作用。在腦腫瘤中，生酮飲食也可能提高放射治療的效果。Scheck也表明接受放療和KD的GBM大鼠比起僅接受放射治療的GBM大鼠生存率更高［17］。

盡管KD對(duì)膠質(zhì)瘤的治療有明顯效果，是安全的，但KD對(duì)膠質(zhì)瘤的治療實(shí)施中也有一些副作用和限制。KD主要核心是碳水化合物供能的限制以及脂肪供能的增加，但KD會(huì)導(dǎo)致人體維生素D的攝入缺乏［61－62］。有些患者實(shí)施KD后很難維持用以滿足血管生成和控制腫瘤生長(zhǎng)需要的血糖和酮體的有效范圍。相當(dāng)多的患者需要紀(jì)律的約束和一定的激勵(lì)方法來實(shí)施KD療法，否則會(huì)出現(xiàn)煩躁等情緒。酮酯誘導(dǎo)的酮癥可使機(jī)體更耐受持續(xù)低血糖，從而協(xié)助癌癥的代謝管理［65］。

5 結(jié)語(yǔ)

較多的臨床前研究表明KD治療惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的有效性和安全性。早期臨床研究表明KD治療腦癌患者是安全、可行的。此外，幾個(gè)正在進(jìn)行的臨床實(shí)驗(yàn)也支持KD是一種潛在的新的治療策略，可以與現(xiàn)有抗腫瘤方法結(jié)合起來治療惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤。

雖然KD有一些限制和副作用，不斷的研究將有助于闡明關(guān)于KD的安全性和有效性等重要的懸而未決的問題，在較小副作用的前提下，方法選擇和最佳劑量與其他抗癌治療的兼容性，道德和生活質(zhì)量方面等相關(guān)問題。我們希望使用KD協(xié)同藥物的代謝方法治療膠質(zhì)瘤，對(duì)常規(guī)治療的不足處起到彌補(bǔ)作用，并可以提供一個(gè)更好的機(jī)會(huì)來提高年輕和年長(zhǎng)的GBM患者的生活質(zhì)量和長(zhǎng)期生存能力。相信隨著相關(guān)研究的不斷進(jìn)行和發(fā)展，生酮代謝療法在膠質(zhì)瘤治療方面會(huì)起到重要作用。