間歇性禁食對肥胖個體代謝與免疫的影響及作用機(jī)制研究進(jìn)展

張雪晴 吳斌

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科（昆明650032）

現(xiàn)代人的飲食頻率傾向于每日較長的能量攝入期和較短的禁食期，高熱量飲食及久坐不動等不良生活方式影響了機(jī)體代謝及免疫穩(wěn)態(tài)，并促使當(dāng)前全球肥胖和糖尿病的發(fā)病率逐年增高［1］。為此，研究者們開始探尋和摸索不同禁食策略對機(jī)體的影響，以期尋找適合改善肥胖的飲食干預(yù)方案。其中，間歇性禁食（intermittent fasting，IF）作為一種新型的飲食干預(yù)方式，禁食期要求被檢測者不攝入任何含卡路里的食物，“間歇性”則突出禁食時間交替的特點(diǎn)，主要分為全日禁食和限時喂養(yǎng)（time-restricted feeding，TRF）。全日禁食是指隨意飲食日與禁食日交替進(jìn)行，常見的比例為1∶1、2∶1、4∶3 和5∶2。其中1∶1 的禁食方案又被稱為隔日禁食（alternate day fasting，ADF），5∶2 與4∶3 禁食方案是指一周內(nèi)任選非連續(xù)2 d 或3 d 為禁食日，其余時間隨意飲食。比較而言，2∶1 禁食方案為禁食小鼠提供足夠的時間來補(bǔ)償禁食1 d后的能量攝入不足，被認(rèn)為是等熱量的IF。限時喂養(yǎng)是指將一天中的飲食時間限定在某個時間段，而其他時間嚴(yán)格禁食。齋月IF 是限時喂養(yǎng)的特殊類型，因在齋月節(jié)期間，宗教信徒嚴(yán)格的日間禁食行為符合IF 的定義而命名［2-3］。相較于持續(xù)性熱量限制（caloric restriction，CR），IF 在隨意飲食期不限制卡路里攝入，因此具有更好的依從性和耐受性。并且IF 有望在不改變總攝入能量的情況下，顯示出與CR 相似的體質(zhì)量減少、脂肪組織炎癥改善、壽命延長等健康益處。這使得IF 可能替代CR 成為一種更容易控制的禁食策略，并在肥胖個體中產(chǎn)生積極的健康影響［4］。

1 IF 對肥胖個體糖代謝的影響

1.1 IF可改善肥胖人群葡萄糖穩(wěn)態(tài)近年來，IF在肥胖及肥胖相關(guān)并發(fā)癥的防治中逐漸被人們所認(rèn)識，其在一定程度上可改善肥胖人群葡萄糖穩(wěn)態(tài)。研究顯示，肥胖成年人連續(xù)8 周的ADF 可導(dǎo)致其空腹血糖水平降低6.8%，胰島素濃度降低22.6%［5］。在一項(xiàng)持續(xù)6個月的5∶2 IF 研究中，肥胖患者空腹血糖水平降低3.4%，空腹胰島素濃度降低19.4%，胰島素抵抗指數(shù)（homeostasis modol assessment of insulin resistence，HOMA-IR）值降低了25%，糖化血紅蛋白（hemoglobinA1c，HbA1c）降低0.9%［6］。同樣的，在一項(xiàng)針對超重或肥胖男性研究表明，持續(xù)5 周的TRF 可獨(dú)立于體重減輕顯著降低空腹胰島素濃度3.4 mU/L，改善HOMA-IR 14 U/mg 并增強(qiáng)胰島β細(xì)胞敏感性［2］。從上述研究可以看出，各類IF 對肥胖個體糖代謝的影響程度不一致，這取決于禁食窗口期、周期長短和受試者的基線特征。但總體上，各類型的IF 在改善胰島素濃度、HbA1c及胰島素敏感性方面均具有積極作用，有利于防治肥胖誘導(dǎo)的糖尿病。

1.2 IF 調(diào)控糖代謝的相關(guān)機(jī)制

1.2.1 IF 可改善肥胖小鼠胰島β細(xì)胞功能胰島β細(xì)胞功能障礙是2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的主要病理生理特征之一，伴隨著胰島β 細(xì)胞數(shù)量的減少與胰島素分泌量的不足。ADF 被證實(shí)可以通過調(diào)整肥胖小鼠胰島α細(xì)胞和β細(xì)胞的數(shù)量及比例，增加Akt（絲氨酸/蘇氨酸）磷酸化來改善胰島素信號傳導(dǎo)并減少β細(xì)胞凋亡，從而改善飲食誘導(dǎo)的肥胖（dietary-induced obesity，DIO）小鼠胰島的組織重塑與β細(xì)胞功能［7］。與隨意喂養(yǎng)的肥胖小鼠相比，ADF 不僅可以顯著增加肥胖小鼠胰島β細(xì)胞面積，降低TUNEL 染色陽性的胰島β細(xì)胞比例，同時還能恢復(fù)肥胖小鼠胰島的β/α細(xì)胞比率和血清胰島素含量，這些提示IF 對胰島β細(xì)胞的凋亡、質(zhì)量及功能改善有積極影響［8］。KIM 等［9］的研究發(fā)現(xiàn)，遺傳性肥胖/糖尿病模型（ob/ob）小鼠接受等熱量2∶1 的IF 后，胰高血糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）水平和葡萄糖刺激的胰島素分泌增加，這表明即便是難治性的遺傳性肥胖個體，在經(jīng)歷IF 后其胰島β細(xì)胞功能也能得到改善。

1.2.2 IF 可通過自噬改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)自噬溶酶體途徑被證實(shí)與T2DM 的發(fā)展有關(guān)，其對于維持正常的β細(xì)胞結(jié)構(gòu)和胰島素分泌至關(guān)重要［10］。近日，其被發(fā)現(xiàn)在IF 介導(dǎo)的糖代謝中發(fā)揮重要作用。在嚙齒類動物模型實(shí)驗(yàn)中，TRF 可以促進(jìn)肥胖小鼠糖酵解基因（Hk2、PFK 和PK）的表達(dá)，并能抑制糖異生基因（G6pc、Pck1 和Fbp1）的表達(dá)，從而促進(jìn)外周組織攝取葡萄糖和抑制糖原異生，最終降低血糖水平。值得一提的是，敲除肥胖小鼠自噬基因Atg7 將顯著降低上述TRF 介導(dǎo)的糖代謝益處，提示自噬在IF 調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的過程中起重要作用［3］?；加蟹逝职Y的糖尿病小鼠胰島常表現(xiàn)出自噬通量受損和β細(xì)胞死亡增加，持續(xù)6 周的ADF 可通過促進(jìn)胰腺再生標(biāo)志核基因NEUROG3 的表達(dá)來恢復(fù)自噬通量，挽救肥胖誘導(dǎo)的糖尿病小鼠胰島β細(xì)胞質(zhì)量。最終增強(qiáng)葡萄糖刺激的胰島素分泌，改善肥胖小鼠葡萄糖耐量［8］。溶酶體膜蛋白、Lamp2 蛋白和Becn1/Beclin-1 蛋白是自噬溶酶體形成的關(guān)鍵蛋白［11］，其缺乏會導(dǎo)致肥胖小鼠的溶酶體功能障礙和自噬受損。分別敲除肥胖小鼠的Lamp2 和Benc1 蛋白后，ADF 均不能減輕肥胖小鼠的胰島β細(xì)胞凋亡和誘導(dǎo)NEUROG3 基因表達(dá)，同時還加劇了胰島素抵抗。這進(jìn)一步說明完整的自噬-溶酶體途徑對于IF 介導(dǎo)的葡萄糖穩(wěn)態(tài)的有益作用是必需的。

1.2.3 IF 通過腸道菌群調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)生理?xiàng)l件下，腸道菌群作為宿主內(nèi)的共生者，參與了人體的消化吸收、能量代謝和免疫調(diào)節(jié)等多項(xiàng)生理活動，其組成和重塑在肥胖及肥胖相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展中起重要作用［12］。研究［13］表明長達(dá)7 個月的ADF可重塑肥胖小鼠宿主腸道菌群，主要表現(xiàn)為硬壁菌門的相對豐度增加，擬桿菌門、放線菌門和柔膜菌門相對豐度減少。LI 等［14］的研究同樣發(fā)現(xiàn)ADF 可以通過增加DIO 小鼠硬壁菌門和擬桿菌門的比例，提高腹股溝白色脂肪組織（WAT）中Glut4 mRNA 表達(dá)和促進(jìn)Akt 磷酸化，從而增加葡萄糖攝取。而在接受ADF 治療的腸道菌群耗竭的DIO 小鼠中則不然，這表明IF 的代謝作用依賴于腸道菌群的重塑。此外，與對照組相比，腸道菌群耗竭的DIO 小鼠在接受ADF 組的腸道菌群移植后，其胰島素敏感性同樣得到了顯著改善。這進(jìn)一步提示腸道菌群可模仿IF 介導(dǎo)的糖代謝益處，同時為肥胖個體的腸道菌群治療方案提供了新思路。

2 IF 對肥胖個體脂代謝的影響

2.1 IF可有效降低肥胖個體體質(zhì)量并改善血脂IF 在肥胖的減重治療中作用顯著，其能有效降低肥胖小鼠體質(zhì)量和體脂，而不影響肌肉質(zhì)量［15-16］。研究［2-3］的結(jié)果表明，持續(xù)6 ～12 周的ADF 可以減少肥胖/糖尿病患者（BMI ＞28 kg/m2）體質(zhì)量3.0 ～8.2 kg、體脂1.7 ～5.4 kg、腰圍4.0 ～8.0 cm、總膽固醇26.0 ～37.0 mg/dL、甘油三脂22.0 ～48.0 mg/dL 和低密度脂蛋白16.0 ～34.0 mg/dL，同時增加高密度脂蛋白4.2 ～9.0 mg/dL。同樣的，持續(xù)12 ～24 周的5∶2 IF 可減輕超重和肥胖受試者（BMI ＞28 kg/m2）體重3% ～9%、總膽固醇5% ～20%和甘油三酯17%～50%［17］。以上研究共同提示IF 在降低肥胖個體體重時亦能改善血脂，這與IF 禁食期肝糖原儲備耗竭后，甘油三酯水解釋放游離脂肪酸（free fatty acids，F(xiàn)FA）至肝細(xì)胞產(chǎn)生酮體供能有關(guān)［18］。此外，對小鼠肝組織的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，TRF 和ADF 可影響小鼠總共4 876 個基因的差異性表達(dá)并調(diào)控代謝，其中參與脂肪酸氧化的Ehhadh 基因和Angptl4 基因在IF 后均被上調(diào)，前者通過與后者的增效作用來促進(jìn)脂肪酸代謝［19］。MARTINEZLOPEZ 等［3］的研究發(fā)現(xiàn)，TRF 可以抑制脂肪生成基因Fas 的表達(dá)，并增加驅(qū)動脂肪氧化的Pgc1a、Ppara 和Ppara 靶標(biāo)Fgf21 的表達(dá)來調(diào)節(jié)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)。因此，通過上述研究有理由認(rèn)為IF 過程中代謝基因表達(dá)的改變與脂肪酸氧化增強(qiáng)是IF 介導(dǎo)的肥胖個體減脂減重的重要原因。

2.2 體質(zhì)量減輕與IF 介導(dǎo)的WAT 棕色化增加能量消耗有關(guān)褐色脂肪組織在能量穩(wěn)態(tài)和生熱中起關(guān)鍵作用，其主要通過高表達(dá)解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1，UCP1），促使線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生的能量與ATP 合成解偶聯(lián)，最終導(dǎo)致產(chǎn)生的能量以熱量的形式釋放，是肥胖個體減重的潛在機(jī)制［11］。近來多項(xiàng)研究已證實(shí)，除冷暴露和運(yùn)動外，IF 具有促進(jìn)肥胖小鼠WAT 褐變的潛力［14，19］。多葉脂肪細(xì)胞是米色脂肪細(xì)胞的典型特征，其表達(dá)的增加是WAT 褐變的有力證據(jù)。相較于隨意飲食小鼠，IF 小鼠在禁食期表現(xiàn)出更低的呼吸商（respiratory quotien，QR）和全身呼吸交換率（respiratory exchange ratios，RER），約為0.7，并且其直腸晝夜核心溫度更高，這些均暗示脂質(zhì)利用增加是導(dǎo)致IF 小鼠能量消耗增加的重要原因，IF 小鼠有更高的脂肪生熱潛力［14，20］。

LI 等［14］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了15 周ADF 的肥胖小鼠，其腹股溝WAT 中多葉脂肪細(xì)胞及產(chǎn)熱基因（Ucp1、Pgc1a、Glut4 和Mct1）的mRNA 表達(dá)及能量消耗顯著增加，體質(zhì)量增加程度降低。該研究進(jìn)一步將小鼠暴露于短期ADF 中，可觀察到其腹股溝WAT 褐變，Ucp1mRNA 表達(dá)明顯增加，但能量消耗和體質(zhì)量暫無明顯變化，這說明ADF 對能量消耗及體質(zhì)量變化的影響出現(xiàn)在WAT 褐變之后。DIO 小鼠在經(jīng)歷16 周2∶1 IF 后，WAT 中米色/棕色脂肪標(biāo)記（Ppargcla、Cidea 和Ucp1）水平顯著增高，且進(jìn)食期小鼠的O2消耗量增加與Ucp1表達(dá)的升高相一致。而在熱中性條件下（30 ℃），IF 小鼠WAT中并未出現(xiàn)上述顯著變化，且代謝指標(biāo)改善程度明顯降低［15］，表明脂肪生熱在很大程度上促進(jìn)了IF介導(dǎo)的代謝益處。此外，持續(xù)16 個月TRF 的肥胖小鼠的腹股溝WAT 中棕色脂肪基因（Ucp1、Zic1、Eva1 和Fbxo31）的表達(dá)增加，并伴隨著小鼠脂肪細(xì)胞大小減少、O2消耗及能量消耗增加，這些均提示TRF 可增加脂肪利用度，促進(jìn)WAT 褐變［3］。

從上述研究不難看出，各類型IF 均能通過提高產(chǎn)熱基因的表達(dá)，促進(jìn)WAT 褐變帶來的生熱作用，進(jìn)而增加能量消耗，并最終有望逆轉(zhuǎn)高脂飲食誘導(dǎo)的體重增加。

2.3 IF 通過多種途徑促進(jìn)WAT 褐變脂肪組織中的血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）在WAT 褐變和維持脂肪組織的功能完整性方面起著關(guān)鍵作用［9］。KIM 等［15］的研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了2∶1 IF 的DIO 小鼠WAT 中的VEGF 表達(dá)顯著增加，這與禁食期的長短有關(guān)。研究者通過構(gòu)建VEGF 功能缺失的aP2-Cre 小鼠模型進(jìn)行IF后，高脂飲食隨意喂養(yǎng)組和高脂飲食IF 組間產(chǎn)熱基因Ucp1 的表達(dá)無差異，再次證實(shí)WAT 褐變可歸因于WAT 中VFGF 的表達(dá)增加。其可能的機(jī)制是通過增加IL-5 的分泌來激活Ⅱ型細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，刺激M2 型巨噬細(xì)胞的極化，降低M1/M2 比例從而促進(jìn)WAT 褐變。人類脂肪組織RNA-seq 數(shù)據(jù)分析同樣證明了這一點(diǎn)，VEGFA 的表達(dá)與大部分M2型巨噬細(xì)胞基因（如IL1R1 和ABHD5）的表達(dá)以及米色/棕色脂肪細(xì)胞標(biāo)記（如CIDEA 和NDUFS2）成正相關(guān)，而與大多數(shù)M1 型巨噬細(xì)胞基因（如NR3C2 和ITGB7）呈負(fù)相關(guān)。此外，在臨床藥物應(yīng)用中，吉星等［21］認(rèn)為鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2 抑制劑可以通過激活M2 型巨噬細(xì)胞增加WAT 褐變，從而增強(qiáng)機(jī)體脂代謝過程，增加熱量消耗并降低體重。這進(jìn)一步說明M2 型巨噬細(xì)胞是WAT 褐變的重要參與者。

自噬途徑不僅參與了IF 介導(dǎo)的糖代謝益處，還被發(fā)現(xiàn)參與了IF 介導(dǎo)的WAT 褐變。自噬基因Atg7 的缺乏會阻斷TRF 介導(dǎo)的WAT 褐變，主要表現(xiàn)為產(chǎn)熱基因Eva1 和Zic1 的表達(dá)減少。與這些變化相一致的是，Atg7 基因缺乏的肥胖小鼠在經(jīng)歷TRF 后且未能縮小脂肪細(xì)胞大小，其能量消耗也無明顯變化［3］。

研究顯示肥胖與硬壁菌門和擬桿菌門豐度相關(guān)，二者的比例不僅會影響碳水化合物的代謝，同時也會影響脂肪的利用［22］。LI 等［14］的研究表明，15 周的ADF 通過增加硬壁菌門和擬桿菌門的比例、小腸的長度及單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1（monocarboxylate transporter 1，Mct1）的表達(dá)來增加乙酸鹽和乳酸的血清水平及代謝產(chǎn)物，最終選擇性激活米色脂肪，增加產(chǎn)熱。將高脂飲食喂養(yǎng)的IF 小鼠的腸道菌群移植給菌群耗竭組小鼠，可以上調(diào)腹股溝WAT 中Ucp1 mRNA 表達(dá)，這同樣證明了IF 可通過腸道菌群及其代謝物來促進(jìn)WAT 褐變。

3 IF 對肥胖個體免疫的影響

3.1 IF 可改善肥胖受試者全身的炎癥狀態(tài)研究指出，RIF 可以降低超重人群的外周血免疫細(xì)胞（白細(xì)胞、粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞總數(shù)）數(shù)量的14.1%～29.3%及血漿中促炎因子IL-6 和TNF-α水平的57% ～78%［23］。在另一項(xiàng)研究中持續(xù)8 周的TRF 可以分別降低肥胖人群IL-1β、IL-6 水平的0.12 ng/L 和0.25 ng/L［2］。這提示IF 對肥胖受試者全身炎癥狀態(tài)的改善有積極作用。

3.2 IF 可減輕肥胖小鼠脂肪組織炎癥血漿FFA的升高對巨噬細(xì)胞是一種強(qiáng)烈的吞噬刺激，其促進(jìn)脂肪組織的巨噬細(xì)胞浸潤并釋放促炎性脂肪因子，這是肥胖人群出現(xiàn)慢性低度炎癥的主要原因之一［24］。在IF 早期常常會觀察到FFA 的短暫升高，但在小鼠性腺周圍脂肪組織中并未觀察到促炎性CD11c+巨噬細(xì)胞的顯著增加［18，25］，這表明IF早期介導(dǎo)的FFA 短暫增高不會促進(jìn)脂肪組織脂毒性的發(fā)展。JORDAN 等［26］的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在經(jīng)歷IF 后脂肪組織中單核細(xì)胞數(shù)量顯著減少，其機(jī)制與AMPK- Pparα-Ccl2 軸的激活，并最終減少骨髓釋放至外周血及脂肪組織中的單核細(xì)胞數(shù)量有關(guān)。對肥胖小鼠的實(shí)驗(yàn)研究表明，其脂肪組織中促炎性M1 型巨噬細(xì)胞主要來源于前體單核細(xì)胞［27］。因此，有理由推測IF 時脂肪組織中促炎性M1 型巨噬細(xì)胞的減少可歸因于單核細(xì)胞數(shù)目的減少。此外，DIO 小鼠在經(jīng)歷8 周4∶3 IF 后，性腺脂肪和腹股溝脂肪中促炎性M1 型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物Itgax 、泛巨噬細(xì)胞標(biāo)記物L(fēng)gals3 及巨噬細(xì)胞募集標(biāo)記物Ccl2 的mRNA 水平均降低，同時抗炎性M2 型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物Mrc1 和Arg1 mRNA 水平升高［16］。KIM 等［15］和MARTINEZ-LOPEZ 等［3］的研究指出，2∶1 IF 和TRF 可分別顯著加肥胖小鼠性腺脂肪中抗炎性M2 型巨噬細(xì)胞標(biāo)記基因Clec10a、II10 和Arg1、Ym1、IL-10 的表達(dá)。其中，M1 型巨噬細(xì)胞分泌的TNF-α與脂肪細(xì)胞來源的FFA 形成惡性循環(huán)，成為肥胖個體脂肪組織慢性低度炎癥產(chǎn)生的主力軍，而M2 型抗炎巨噬細(xì)胞具有一定的促脂解作用［24］。

綜上所述，IF 一方面通過促進(jìn)脂代謝、減少FFA 含量，以此減弱對巨噬細(xì)胞浸潤的趨化作用；另一方面通過抑制骨髓釋放單核細(xì)胞至外周，兩者都減少了脂肪組織中的巨噬細(xì)胞浸潤，并以M1型減少為主。M1/M2 型巨噬細(xì)胞的比例降低不僅參與肥胖個體WAT 褐變所帶來的脂代謝益處，還強(qiáng)有力地證明IF 對肥胖個體的慢性低度炎癥狀態(tài)的改善有著積極作用。

3.3 IF 在抗感染中的作用雖然短期IF 會降低野生型小鼠外周血單核細(xì)胞數(shù)量，但其數(shù)值仍然維持在正常范圍內(nèi)，在面對急性感染和組織修復(fù)時并不影響單核細(xì)胞的緊急動員。因?yàn)镮F 將CR限制在一天的一部分時間或每周的某些天進(jìn)行，可以減弱由CR 引起的的免疫抑制和病毒感染的易感性［13］。CISSE 等［28］研究顯示，相較于白天，小鼠夜間的TRF 似乎可以增強(qiáng)面對大腸桿菌內(nèi)毒素時的抗感染能力。盡管目前缺乏評估肥胖個體在IF 時的抗感染能力以及長期堅(jiān)持IF 是否會增加其患感染性疾病的風(fēng)險(xiǎn)的研究，但在健康個體中的研究可為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方向。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，IF 實(shí)現(xiàn)了肥胖個體從以葡萄糖代謝為主到以脂肪代謝為主的周期性轉(zhuǎn)換。這種代謝轉(zhuǎn)換增加了線粒體應(yīng)激抗性、抗氧化防御和自噬，同時改善了空腹血糖與空腹胰島素濃度。各種IF 方案均表現(xiàn)出對代謝及免疫有益的積極影響，通過調(diào)節(jié)糖脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)、免疫細(xì)胞的重新分布及促進(jìn)WAT 褐變，減輕體質(zhì)量和肥胖誘導(dǎo)的慢性低度炎癥狀態(tài)。事實(shí)上，目前針對人類受試者的IF 研究較少，且IF 對肥胖人群糖脂代謝及免疫的影響受禁食方案、受試者的代謝狀況、年齡、性別、依從性、脂肪組織褐變能力等因素的影響而表現(xiàn)出較大差異［9］。此外，對于肥胖人群長期堅(jiān)持IF 是否能帶來在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的代謝及免疫益處，以及是否會增加其他疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)及不良事件的發(fā)生，仍需進(jìn)行更多的研究評估不同IF 方案在不同肥胖人群中的有效性及安全性，以期實(shí)現(xiàn)個體化制定最佳IF 方案。與此同時，進(jìn)一步探究IF 的其他代謝與免疫機(jī)制，將為IF 的療效提供更深入的見解，使其能夠在臨床環(huán)境中開發(fā)最佳適應(yīng)癥。