生酮飲食抗腫瘤治療研究進(jìn)展

張 凡，郭玉瑋，劉廣超，劉方芳，高淑清，*

(1．河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院，河北 石家莊 050011；2．中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第980醫(yī)院，河北 石家莊 050000)

1927年Otto Warburg觀察到腫瘤細(xì)胞主要是利用糖酵解而不是氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，這種現(xiàn)象后來被稱為“Warburg效應(yīng)”[1-2]。根據(jù)Warburg的理論，新出現(xiàn)的證據(jù)表明腫瘤是一種線粒體代謝性疾病[3]。Seyfried等[4]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤起源于細(xì)胞質(zhì)中線粒體的損傷，也提出了腫瘤是一種線粒體代謝性疾病。最近的研究表明生酮飲食(ketogenic diets，KD)可以改變細(xì)胞新陳代謝，可能會(huì)對(duì)腫瘤生長產(chǎn)生影響[5-6]。因此，KD在腫瘤治療中的應(yīng)用也逐漸引起了人們的關(guān)注。

1 KD概述

KD是一種由高比例脂肪、低碳水化合物以及適量蛋白質(zhì)組成的飲食，以脂肪代謝產(chǎn)生的酮體作為機(jī)體的主要能量來源。我們熟知的KD有4種類型：經(jīng)典生酮飲食(classic ketogenic diet，CKD)、改良Atkins飲食(modified Atkins diet，MAD)、低血糖生成指數(shù)飲食(low glycemic index treatment，LGIT)以及中鏈甘油三酯飲食(medium-chain triglyceride diet，MCTD)[7]。早在1921年Wilder RM教授提出生酮飲食能夠治療癲癇，降低癲癇患者的發(fā)作頻率，被認(rèn)為是一種安全有效的非藥物治療方式[8]。

2 腫瘤細(xì)胞的能量代謝特點(diǎn)

正常細(xì)胞在有氧條件下通過線粒體氧化磷酸化代謝產(chǎn)能，而腫瘤細(xì)胞即使在氧氣充足的條件下仍表現(xiàn)出較高的糖酵解速率，且腫瘤細(xì)胞消耗的葡萄糖比正常細(xì)胞多200倍。Warburg指出，有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞代謝的一個(gè)顯著特征[9]。腫瘤細(xì)胞生長、繁殖速度快，而糖酵解產(chǎn)能特點(diǎn)為低效高速，采用糖酵解能夠代謝更多的葡萄糖，以滿足其生長需求。由于腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙和利用酮體所必需的酶的下調(diào)，不能利用酮體供能，這就使得腫瘤細(xì)胞對(duì)葡萄糖的依賴性更強(qiáng)[10-11]。因此，在腫瘤治療中提供富含脂肪、低碳水化合物的飲食的基本原理是降低循環(huán)血糖水平并誘導(dǎo)酮癥，使腫瘤細(xì)胞缺乏能量，而正常細(xì)胞調(diào)整其新陳代謝可以使用酮體并存活。

3 KD在抗腫瘤治療中的作用機(jī)制

3.1 降低腫瘤細(xì)胞血糖和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1的表達(dá)水平

葡萄糖是惡性腫瘤生長的主要能量來源，腫瘤細(xì)胞通過加快糖酵解速率、提高葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)速度等方式獲得更多能量以滿足其生長，這使得葡萄糖的消耗量大大增加[12]。Seyfried等[13]研究發(fā)現(xiàn)裸鼠移植瘤的生長速度直接依賴于血糖水平，葡萄糖水平越高，腫瘤生長越快。隨著葡萄糖水平的下降，腫瘤的大小和生長率也會(huì)下降。他的這一研究結(jié)果在人類身上也得到了證實(shí)。Champ等[14]觀察在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)放化療期間，使用KD對(duì)患者血糖水平的影響。共有6名患者接受了KD，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與接受標(biāo)準(zhǔn)飲食相比，接受KD患者的血糖水平顯著下降。葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞主要依賴葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter，GLUT)的參與，GLUT-1是發(fā)現(xiàn)最早的也是最重要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[15]。有研究發(fā)現(xiàn)減少葡萄糖的供應(yīng)，正常細(xì)胞GLUT-1的表達(dá)水平會(huì)升高，而腫瘤細(xì)胞則恰恰相反，因而腫瘤細(xì)胞必須與正常細(xì)胞競爭有限的葡萄糖，最終導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞無法獲得充足的能量維持生長[13]。

3.2 抑制胰島素和胰島素樣生長因子的表達(dá)

流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)血清胰島素和胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)與某些癌癥發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。胰島素是由胰腺細(xì)胞產(chǎn)生，血糖水平越高，胰腺分泌的胰島素也就越多。研究發(fā)現(xiàn)較高的胰島素水平可能通過絲裂原激活蛋白激酶途徑來刺激腫瘤生長[16]。Marsh等[17]發(fā)現(xiàn)IGF-1與特異性酪氨酸酶受體結(jié)合能夠激活PI3K/Akt信號(hào)通路，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。IGF-1水平越高，腫瘤生長越快。Mavropoulos等[16]給予小鼠KD，發(fā)現(xiàn)血清胰島素水平和IGF-1顯著降低，小鼠生存時(shí)間延長，腫瘤體積減小。KD通過限制碳水化合物的攝入降低血糖，減少胰島素的分泌和IGF-1的表達(dá)，以達(dá)到抑制腫瘤生長的目的。Freedland等[18]采用給予小鼠無碳水化合物生酮飲食，發(fā)現(xiàn)血清胰島素和IGF-1水平下降，而促凋亡激素胰島素生長因子結(jié)合因子3(insulin-like growth factor binding factor 3，IGFBP3)水平升高。高水平的IGFBP3被認(rèn)為有抗癌作用[19]。

3.3 線粒體酮體代謝酶缺乏

KD是利用高比例脂肪經(jīng)代謝產(chǎn)生的酮體作為機(jī)體的主要能量來源。腫瘤細(xì)胞能否利用酮體供能，對(duì)于細(xì)胞增殖至關(guān)重要。利用酮體作為能量能源主要需要2種酶：β-羥基丁酸脫氫酶1(β-hydroxybutyrate dehydrogenase 1，BDH1)和琥珀酰輔酶A：3酮酸輔酶A轉(zhuǎn)運(yùn)酶1(succiny1-CoA：3-oxoacid CoA transferase 1，OXCT1)。Zhang等[20]研究33種人腫瘤細(xì)胞系中BDH1和OXCT1在腫瘤中的表達(dá)以及異種移植瘤對(duì)KD的反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來源于BDH1和OXCT1低表達(dá)水平的腫瘤細(xì)胞的異種移植瘤對(duì)KD治療更敏感。研究表明BDH1和OXCT1酮體代謝酶的表達(dá)是決定KD治療效果的主要因素之一，BDH1和OXCT1低表達(dá)的腫瘤可能比這些高表達(dá)的腫瘤對(duì)KD治療的反應(yīng)更好。Chang等[21]對(duì)22例惡性膠質(zhì)瘤患者的酮體代謝關(guān)鍵酶表達(dá)進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)這些BDH1和OXCT1低表達(dá)或極低表達(dá)的患者對(duì)KD治療的反應(yīng)更好。腫瘤細(xì)胞不能利用酮體，使用KD可能是治療BDH1和OXCT1低表達(dá)腫瘤的有效方法。

3.4 增強(qiáng)氧化應(yīng)激

線粒體是多數(shù)真核細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(reactive oxidative species，ROS)的主要部位。正常情況下ROS維持在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，腫瘤細(xì)胞因線粒體的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，導(dǎo)致諸如O2和H2O2等ROS生成增多。因此，相對(duì)于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞被認(rèn)為存在慢性代謝氧化應(yīng)激狀態(tài)。為了和正常細(xì)胞一樣將ROS維持在穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)，腫瘤細(xì)胞需要通過增加葡萄糖的代謝來抵消線粒體產(chǎn)生的O2和H2O2[22]。研究發(fā)現(xiàn)，酮體代謝通過減少ROS的產(chǎn)生和增強(qiáng)內(nèi)源性抗氧化能力來保護(hù)正常細(xì)胞免受氧化刺激的損傷[23]。腫瘤細(xì)胞不能有效地代謝酮體，因此，酮體不會(huì)對(duì)腫瘤細(xì)胞起到同樣的保護(hù)作用。相反，KD產(chǎn)生的酮癥狀態(tài)會(huì)加劇腫瘤細(xì)胞代謝中的氧化應(yīng)激，進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡。

3.5 抑制炎癥反應(yīng)

炎癥在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中所發(fā)揮的作用受到越來越多的人關(guān)注。很多臨床和流行病學(xué)的研究已經(jīng)表明，炎癥是一個(gè)明確可以導(dǎo)致腫瘤的危險(xiǎn)因素。環(huán)氧酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)在正常生理狀態(tài)下表達(dá)較少，但在炎癥或惡性腫瘤中表達(dá)很高。有文獻(xiàn)指出COX-2在乳腺癌、胃癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等多種惡性腫瘤中高度表達(dá)[24-25]。雖然COX-2導(dǎo)致腫瘤發(fā)生發(fā)展具體機(jī)制尚不確切，但研究已證實(shí)，COX-2能夠增強(qiáng)炎癥并且促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[13]。Abdelwahab MG等[26]給動(dòng)物喂食KD時(shí)，發(fā)現(xiàn)KD組COX-2的表達(dá)降低至非腫瘤水平。由此推斷KD可以通過抑制炎癥反應(yīng)發(fā)揮抗腫瘤作用。

4 KD抗腫瘤相關(guān)研究

4.1 KD與腦惡性腫瘤

Nebeling等[27]使用KD治療2例兒童神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者，在整個(gè)飲食治療期間患兒耐受性良好。KD治療7d后患兒血糖低于正常水平，血酮體升高20～30倍，PET掃描結(jié)果顯示，2例患兒腫瘤局部葡萄糖攝取量平均降低21.8%。經(jīng)過2個(gè)月的治療，腫瘤縮小，繼續(xù)治療12個(gè)月后，腫瘤沒有進(jìn)一步發(fā)展，10年后仍然存活。Zhou等[28]建立鼠CT-2A及人U87腦惡性腫瘤動(dòng)物模型，分別給予未限制能量的標(biāo)準(zhǔn)飲食(SD-UR)、未限制能量的KD(KD-UR)和限制能量的KD(KD-R)。結(jié)果顯示與SD-UR和KD-UR組相比，KD-R組腫瘤生長速度、血糖水平及微血管密度明顯降低，存活時(shí)間顯著延長，SD-UR組和KD-UR組之間無明顯差異。KD-UR組的血酮水平比SD-UR組高2～3倍，而KD-R組的血酮水平是SD-UR組的5～9倍。這些發(fā)現(xiàn)表明，限制能量的KD可顯著降低攜帶鼠CT-2A或人U87腦瘤小鼠的腫瘤生長和延長生存期，具有抗腫瘤和抗血管生成作用。Abdelwahab等[26]建立神經(jīng)膠質(zhì)瘤小鼠模型，并且聯(lián)合顱內(nèi)放療處理。KD組小鼠血酮體水平升高，中位生存時(shí)間比SD組多了5 d。在11只接受KD聯(lián)合放療的小鼠中，其中9只無腫瘤復(fù)發(fā)跡象。這種聯(lián)合方法隨后也被應(yīng)用于臨床研究，2014年Champ等[14]報(bào)道了KD聯(lián)合放化療治療6例Ⅲ～Ⅳ級(jí)多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的研究，其中4例在14個(gè)月時(shí)仍存活。研究表明KD聯(lián)合放療增強(qiáng)了抗腫瘤效應(yīng)。

4.2 KD與前列腺癌

前列腺癌在全球男性癌癥發(fā)病率中排名第二，在癌癥死亡率中排名第四[29]?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明，在前列腺癌的整體治療中，需要加入飲食干預(yù)措施[30]。Freedland等[18]建立前列腺癌小鼠模型，將其分為三組，無碳水化合物生酮飲食組(NCKD)、低脂肪組和西方飲食組。NCKD組的飲食比例為84%脂肪，16%蛋白質(zhì)，0%碳水化合物；低脂肪組為12%脂肪，16%蛋白質(zhì)，72%碳水化合物；西方飲食組為40%脂肪，16%蛋白質(zhì)，44%碳水化合物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NCKD組小鼠腫瘤體積明顯小于西方飲食組，但和低脂肪組相比沒有明顯差異。NCKD組小鼠存活時(shí)間最長，其次為低脂肪組。低脂肪組和西方飲食組小鼠的存活時(shí)間沒有顯著差異。其中，NCKD組具有最少量的肝臟脂肪浸潤，這可能是由于KD降低了甘油三酯水平并提高高密度脂蛋白膽固醇水平的緣故。為進(jìn)一步驗(yàn)證KD抗前列腺癌作用，同時(shí)考慮到人類幾乎不可能耐受NCKD，Masko等[31]觀察到，含10%或20%碳水化合物的低碳水化合物飲食對(duì)小鼠前列腺癌顯示出與NCKD相似的抗腫瘤效果和總體存活率。

4.3 KD與子宮內(nèi)膜癌

王麗莉等[32]觀察KD對(duì)人子宮內(nèi)膜癌裸鼠皮下移植瘤生長的影響，將裸鼠分為SD組、KD組和NCKD組。7 d后，與SD組相比，KD組和NCKD組血糖降低40%，血酮升高3～5倍；30 d后KD組和NCKD組腫瘤體積及重量均小于SD組，但KD組與NCKD組無明顯差異。研究表明KD在腫瘤發(fā)生早期即顯示出明顯的干預(yù)和抑制作用。

4.4 KD與結(jié)腸癌

郝光偉等[33]將人結(jié)腸癌裸鼠皮下移植瘤裸鼠分別給予SD及KD，兩組均不限制總能量。與SD組相比，KD組裸鼠生長明顯延緩，皮下移植瘤達(dá)到目標(biāo)體積的時(shí)間大于SD組。KD組腫瘤壞死面積明顯增大，微血管密度顯著降低。KD可能是通過代謝方法降低腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)，使腫瘤新生血管數(shù)減少，進(jìn)而促進(jìn)其死亡。

4.5 KD與肺癌

Allen等[34]建立肺癌異種移植瘤動(dòng)物模型，用KD聯(lián)合放療共同治療。結(jié)果顯示，與單獨(dú)放療相比，KD聯(lián)合放療導(dǎo)致肺癌異種移植瘤生長減慢。通過測量4-羥基-2-壬烯醛的蛋白表達(dá)，發(fā)現(xiàn)KD聯(lián)合放療組脂質(zhì)過氧化介導(dǎo)的氧化損傷增加，KD可能通過增強(qiáng)氧化應(yīng)激來增加肺癌異種移植物對(duì)放療的敏感性，進(jìn)而抑制腫瘤生長。

4.6 KD與胃癌

Otto等[35]觀察富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD對(duì)人胃癌裸鼠生長的影響。將裸鼠分為兩組，一組富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD，另一組接受SD。研究發(fā)現(xiàn)，KD組腫瘤生長較SD組明顯延遲，達(dá)到目標(biāo)腫瘤體積的時(shí)間為(34.2±8.5)d，而SD組僅為(23.3±3.9)d。KD組的腫瘤壞死面積增加，且比SD組具有較低的微血管密度。該研究還發(fā)現(xiàn)KD組血酮水平明顯升高但血糖水平未發(fā)生明顯改變。

4.7 KD與頭頸部腫瘤

有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞能量供應(yīng)的主要方式，這種代謝方式致使機(jī)體產(chǎn)生更多的乳酸。有研究發(fā)現(xiàn)高乳酸頭頸部鱗狀細(xì)胞癌(head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC)的預(yù)后比低乳酸HNSCC更差[36]。Schroeder等[37]對(duì)10名HNSCC患者實(shí)施KD，開始飲食3 d后，腫瘤組織中的乳酸濃度比正常組織中顯示出更大程度地下降，而且顯著提高了患者的健康狀態(tài)和存活率。

5 KD脂肪酸的選擇

KD抗腫瘤相關(guān)研究在近些年很受歡迎，脂肪酸種類的選擇也變得多樣化。采用富含飽和脂肪酸豬油的KD在限制熱量或者不限制熱量時(shí)均被證明對(duì)腫瘤生長有抑制作用[38-39]。采用富含ω-6多不飽和脂肪酸大豆油的KD在限制熱量時(shí)可以抑制腫瘤生長，而在不限制熱量時(shí)，它對(duì)腫瘤生長無抑制作用[26，28]。多項(xiàng)研究表明富含ω-3多不飽和脂肪酸的飲食可以抑制異種移植瘤的生長[40-42]。而采用富含ω-3多不飽和脂肪酸的KD在不限制熱量時(shí)也被發(fā)現(xiàn)有抑制腫瘤生長的作用[35]。那么究竟是ω-3多不飽和脂肪酸的作用，還是酮體的作用，又或者是兩者結(jié)合的協(xié)同作用。Hao等[39]研究發(fā)現(xiàn)KD中采用或不采用ω-3多不飽和脂肪酸都可以抑制人結(jié)腸癌裸鼠移植瘤生長，且兩者之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此我們認(rèn)為酮體和ω-3多不飽和脂肪酸都發(fā)揮了抑制腫瘤生長的作用，但就目前的研究結(jié)果來看，還沒有發(fā)現(xiàn)二者有協(xié)同作用。綜上所述，不同種類脂肪酸的KD都表現(xiàn)出抑制腫瘤生長的作用。隨著KD抗腫瘤研究的深入，KD中脂肪酸種類的選擇也得到了優(yōu)化，更多的研究采用了中鏈甘油三酯(medium-chain triglyceride，MCT)和ω-3多不飽和脂肪酸的KD。這是因?yàn)镸CT比傳統(tǒng)KD方案中所采用的長鏈脂肪酸具有獨(dú)特的促進(jìn)肝臟合成酮體的能力，生酮效果更快，可以減少飲食對(duì)碳水化合物的限制，耐受性較好，而ω-3多不飽和脂肪酸具有抗炎、抗腫瘤血管生成等作用，因此選擇富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD用于治療腫瘤是一個(gè)很好的方向[8]。

6 KD的安全性

Schmidt等[43]對(duì)16例晚期轉(zhuǎn)移性腫瘤患者進(jìn)行為期3個(gè)月的生酮飲食研究發(fā)現(xiàn)，5名完成試驗(yàn)的患者除了暫時(shí)性便秘和疲勞外，沒有發(fā)現(xiàn)其他不良反應(yīng)，并且對(duì)膽固醇和血脂沒有明顯的影響，其他生活質(zhì)量參數(shù)也都保持穩(wěn)定。Caroline等[44]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用KD 12周后，患有卵巢癌或子宮內(nèi)膜癌患者的身心健康、情緒和失眠問題得以改善，并減少了饑餓感和對(duì)甜食以及淀粉類食物的渴望。一項(xiàng)對(duì)35名總膽固醇升高的肥胖受試者進(jìn)行56周KD發(fā)現(xiàn)，總膽固醇、甘油三酯以及低密度脂蛋白膽固醇水平降低，高密度脂蛋白膽固醇水平有所改善[45]。盡管KD在多項(xiàng)研究中被認(rèn)為是安全的，可以改善生活質(zhì)量。但是也有一些研究報(bào)道在KD早期(約4周內(nèi))容易造成維生素、礦物質(zhì)及膳食纖維的缺乏，引起一些消化系統(tǒng)癥狀，如惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、便秘等。長期使用KD(約6個(gè)月后)還會(huì)造成低蛋白血癥、高膽固醇血癥、腎結(jié)石、骨代謝異常的發(fā)生[14，46-49]。所以我們?cè)谂R床上應(yīng)用KD應(yīng)密切關(guān)注不良反應(yīng)的發(fā)生，及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)癥處理。

7 KD的局限性

雖然KD抗腫瘤研究取得不錯(cuò)的效果，但大多都集中在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，臨床研究的報(bào)道很少，主要是由于KD要求非常嚴(yán)格，并且需要高比例的脂肪，患者難以堅(jiān)持這種飲食方案。另一方面KD可能引起惡心、嘔吐、便秘等一些消化系統(tǒng)癥狀，導(dǎo)致依從性較差。另外，為了提高研究結(jié)果的可比性，KD方案的統(tǒng)一是很重要的。但是在臨床試驗(yàn)中KD很可能會(huì)受到患者個(gè)人飲食偏好的影響，難以達(dá)到完全統(tǒng)一。由于KD的這種局限性，所以目前關(guān)于KD抗腫瘤的臨床研究仍然缺乏大規(guī)模的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。

8 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)的腫瘤治療方法雖然在一定程度上可以控制腫瘤的發(fā)展，但是放化療的副作用明顯，許多腫瘤患者的預(yù)后仍然很差。Warburg效應(yīng)為腫瘤治療提供了一個(gè)新的方向。KD具有可操作性強(qiáng)、成本低、副作用小等優(yōu)點(diǎn)，既可以單獨(dú)使用，也能夠與其他療法聯(lián)合使用。目前KD抗腫瘤治療還處在初級(jí)階段。已有大量的動(dòng)物模型研究證實(shí)KD可以抑制腫瘤生長、延長生存時(shí)間、增強(qiáng)放化療效果，但是臨床試驗(yàn)的研究報(bào)道卻很少。目前在美國臨床試驗(yàn)注冊(cè)網(wǎng)站上注冊(cè)的KD治療惡性腫瘤的臨床試驗(yàn)共有28個(gè)，包括神經(jīng)膠質(zhì)瘤，前列腺癌，頭頸部腫瘤，子宮內(nèi)膜癌，胰腺癌，乳腺癌，非小細(xì)胞肺癌，卵巢癌。其中大多數(shù)處在募集患者期，為了能提高患者的依從性，提升治療效果，建議開發(fā)一些多樣化的生酮產(chǎn)品，如生酮面包、生酮餅干、生酮飲料等等，這樣更容易被患者接受，有條件的話還可以將患者統(tǒng)一管理，提供一日三餐。關(guān)于生酮飲食對(duì)腫瘤進(jìn)展的影響，還是需要足夠數(shù)量的患者進(jìn)行大樣本研究。