腸道菌群介導(dǎo)生酮飲食治療作用的研究進(jìn)展

曾 霖綜述，李惠林審校

0 引 言

生酮飲食(ketogenic diet, KD)是一種含低碳水化合物、高脂肪和低蛋白的飲食結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，KD被證明可有效治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤、代謝性疾病、炎癥性腸病等，隨著對(duì)腸道菌群的研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)飲食模式是腸道菌群變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，且腸道菌群介導(dǎo)KD的上述治療作用。本文就腸道菌群介導(dǎo)KD治療作用的研究進(jìn)展作一綜述，為KD廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

大量研究表明腸道菌群與神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)系密切，腸道菌群參與神經(jīng)發(fā)育[1]，微生物-腸-腦軸功能失調(diào)與癲癇、阿爾茨海默癥(Alzheimer′s disease, AD)、自閉癥、多發(fā)性硬化(multiple sclerosis, MS)的發(fā)病相關(guān)[2]。

1.1癲癇KD是治療癲癇的有效方法，研究證實(shí)酮體、γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)參與調(diào)節(jié)KD的神經(jīng)效應(yīng)作用[3]，但KD治療癲癇的具體機(jī)制仍不得而知。微生物群與神經(jīng)傳遞、宿主行為密切相關(guān)，Sutter等[4]研究發(fā)現(xiàn)抗生素的使用增加了癲癇患者發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)，提示腸道菌群紊亂可能參與癲癇發(fā)作。

2017年，Xie等[5]首次進(jìn)行了KD治療難治性癲癇兒童的腸道微生態(tài)研究。菌群分析顯示癲癇組擬桿菌、放線菌所占比例明顯低于健康兒童組，而厚壁菌、變形菌、Cronobacter sakazakii(阪崎腸桿菌)的比例明顯高于健康兒童組。經(jīng)KD干預(yù)后，擬桿菌等有益菌的比例增加，阪崎腸桿菌等有害菌的比例減少。而后Zhang等[6]進(jìn)行的一項(xiàng)前瞻性研究表明為期6個(gè)月的KD治療使難治性癲癇患兒厚壁菌門(mén)顯著減少，擬桿菌門(mén)增加，且對(duì)KD響應(yīng)較好與響應(yīng)較差的患者腸道菌群在治療前后均存在明顯差異。Lindefeldt等[7]于2019年報(bào)道了經(jīng)生酮飲食治療后，12例難治性癲癇兒童的雙歧桿菌、E.rectale的相對(duì)豐度明顯降低，而大腸桿菌相對(duì)豐富度增加。上述研究證實(shí)腸道微生物群可能介導(dǎo)KD的抗癲癇作用。

Hsiao等[8]研究發(fā)現(xiàn)KD(脂肪 ∶ 蛋白質(zhì)=6 ∶ 1)能夠提高6-Hz誘導(dǎo)的難治性癲癇發(fā)作模型小鼠的癲癇發(fā)作閾值，且KD使小鼠腸道微生物群的組成發(fā)生了迅速而顯著的改變，最典型改變?yōu)樵黾覣.muciniphila和Parabacteroides的相對(duì)豐度。后續(xù)作者進(jìn)行了無(wú)菌小鼠以及喂食抗生素(由氨芐青霉素、萬(wàn)古霉素、新霉素、甲硝唑組成)小鼠實(shí)驗(yàn)，同時(shí)將A.muciniphila和Parabacteroides選為KD富集程度最高的類群，用上述兩種細(xì)菌定植抗生素處理的SPF小鼠，經(jīng)KD干預(yù)后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)定值A(chǔ).muciniphila和Parabacteroides后，KD可在經(jīng)抗生素處理的小鼠中發(fā)揮癲癇發(fā)作保護(hù)作用，而單獨(dú)定植A.muciniphila或Parabacteroides則不能恢復(fù)KD的保護(hù)作用，表明以上兩種菌群都是KD的抗癲癇作用所必需的。同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)無(wú)論是定植A.muciniphila和Parabacteroides兩種菌群或移植生酮飲食小鼠菌群均可對(duì)正常飲食小鼠產(chǎn)生癲癇保護(hù)作用。基于上述研究結(jié)果，作者假設(shè)微生物飲食代謝調(diào)節(jié)影響癲癇發(fā)作易感性的次級(jí)代謝產(chǎn)物。利用代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，KD降低γ-谷氨酰化氨基酸亞組的含量，同時(shí)升高了海馬區(qū)GABA/glutamate的比率，降低宿主癲癇敏感性，提高小鼠抗癲癇能力。

綜上所述，目前相關(guān)研究表明生酮飲食可通過(guò)調(diào)節(jié)難治性癲癇患兒以及小鼠模型的腸道菌群，尤其增加A.muciniphila和Parabacteroides的豐度，發(fā)揮抗癲癇作用。

1.2ADAD是一種呈進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)退行性疾病，tau蛋白和淀粉樣蛋白(amyloid-β-peptides, Aβ)是AD的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。15%～20%的AD患者伴有輕微的認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment, MCI)，且MCI是AD惡化的標(biāo)志。研究表明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物參與維持正常腦血管功能，在決定認(rèn)知功能方面起到重要作用。

Ma等[9]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)KD干預(yù)后，A.muciniphila和Lactobacillus豐度升高，Desulfovibrio和Turicibacter豐度降低，同時(shí)KD顯著增加小鼠腦血流量，加速血腦屏障上的P-糖蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體增加，促進(jìn)β淀粉樣蛋白清除，降低AD風(fēng)險(xiǎn)。Nagpal等[10]研究發(fā)現(xiàn)正常認(rèn)知(cognitively normal, CN)和MCI的AD患者，其腸道菌群α和β多樣性無(wú)顯著差異，但在門(mén)水平，MCI患者Firmicutes和Tenericutes豐度稍升高，Proteobacteria豐度明顯升高，Bacteroidetes和Verrucomicrobia豐度稍降低；在屬水平，MCI患者Enterobacteriaceae與Mogibacteriaceae豐度明顯升高。作者進(jìn)一步分析了腸道菌群類別與AD患者腦脊液標(biāo)志物的聯(lián)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Firmicutes豐度與tau-p181呈正相關(guān)，Proteobacteria豐度與CN患者Aβ42水平呈負(fù)相關(guān)，與MCI患者Aβ42/Aβ40比率呈正相關(guān)，Enterobacteriaceae豐度與tau-p181水平及tau-p181/Aβ42比率呈正相關(guān)，Mogibacteriaceae豐度與Aβ42/Aβ40呈正相關(guān)。改良的地中海-生酮飲食(modified Mediterranean-ketogenic diet, MMKD)可升高Enterobacteriaceae、Akkermansia、Slackia、Christensenellaceae、Erysipelotriaceae的豐度，降低Bifidobacterium、Lachnobacterium的豐度，降低AD標(biāo)志物水平?；谏鲜鲅芯砍晒?，該課題組后續(xù)研究[11]發(fā)現(xiàn)伴MCI的AD患者的腸道真菌群結(jié)構(gòu)具有高度相似性，且不同飲食可通過(guò)調(diào)控真菌-細(xì)菌共調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)改變腸道真菌結(jié)構(gòu)，尤其經(jīng)MMKD干預(yù)后，腸道內(nèi)念珠菌屬生長(zhǎng)受到抑制，緩解腸道炎癥，為腸道炎癥與AD關(guān)聯(lián)性提供了有力依據(jù)。

1.3自閉癥研究顯示自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder, ASD)患者易并發(fā)胃腸道功能障礙[12]，越來(lái)越多的證據(jù)表明腸道菌群與ASD密切相關(guān)[13]，臨床研究亦證實(shí)菌群移植可改善ASD癥狀[14]。

鑒于癲癇和ASD存在共同的發(fā)病機(jī)制，學(xué)者嘗試將KD用于治療ASD，Ruskin等[15]研究表明表明KD可改善BTBR小鼠的ASD癥狀，為明確生酮飲食是否通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群治療ASD，Newell等[16]以BTBR小鼠為研究對(duì)象，經(jīng)KD喂食10-14 d后，研究發(fā)現(xiàn)KD可顯著升高BTBR小鼠A.muciniphila的豐度，進(jìn)一步為KD治療ASD提供了理論依據(jù)。

1.4GLUT1缺陷綜合征葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1缺陷綜合征(glucose transporter type 1 deficiency syndrome, GLUT1-DS )是血腦屏障上GLUT1表達(dá)減少而導(dǎo)致大腦利用葡萄糖受阻的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其主要表現(xiàn)為癲癇、發(fā)作性運(yùn)動(dòng)障礙、精神運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩。KD為GLUT1-DS的有效治療方法，其產(chǎn)生的酮體可替代葡萄糖為大腦功能。一項(xiàng)多中心臨床研究表明生酮飲食可減少大腦癇樣放電，改善運(yùn)動(dòng)障礙及認(rèn)知水平等[17]。Tagliabue等[18]研究發(fā)現(xiàn)短期KD可升高GLUT1-DS患者腸道Desulfovibrio豐度，加速腸道黏膜炎癥惡化，與先前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]，在一定程度闡釋了短期KD發(fā)生不良反應(yīng)的機(jī)制。

1.5MSMS是一種以中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥和髓鞘損害為特征的自身免疫性疾病，多項(xiàng)研究表明MS存在腸道菌群失調(diào)，主要表現(xiàn)為A.muciniphila豐度升高[20]，Parabacteroides豐度減低[21]，腸道菌群通過(guò)調(diào)節(jié)外周免疫細(xì)胞的分化控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥，部分菌群代謝產(chǎn)物可調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的活性[22]。Bock等[23]研究表明KD可抑制促炎性花生酸合成過(guò)程中關(guān)鍵酶的表達(dá)，緩解髓鞘炎癥，改善MS患者生活質(zhì)量。Alexander等[24]發(fā)現(xiàn)MS患者結(jié)腸菌群總濃度和多樣性顯著下降，短期KD可使細(xì)菌的多樣性下降，6個(gè)月后使結(jié)腸菌群正?；?/p>

2 腫 瘤

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已證實(shí)KD可增強(qiáng)放化療效果，后續(xù)臨床研究表明KD可延長(zhǎng)腦膠質(zhì)母細(xì)胞癌患者生存時(shí)間。人類癌癥常出現(xiàn)PI3KCA突變，通過(guò)靶向抑制PI3KCA編碼的酶p110α可抑制腫瘤生長(zhǎng)，但靶向抑制p110α?xí)茐亩喾N組織中的葡萄糖代謝，導(dǎo)致短暫的高血糖癥，引發(fā)全身性葡萄糖-胰島素反饋，進(jìn)而激活腫瘤中的PI3K-mTOR信號(hào)通路[25]，進(jìn)而抵消抗癌藥物的效果。有研究發(fā)現(xiàn)生酮飲食可通過(guò)抑制葡萄糖-胰島素反饋的紊亂，提高PI3K抑制劑的藥效[26]。

免疫檢查點(diǎn)抑制劑如程序性死亡蛋白-1(programmed cell death protein 1, PD-1)、細(xì)毒T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA-4)抑制劑已成為多種腫瘤的有效方法，但適用范圍小、不良反應(yīng)多限制了其臨床應(yīng)用[27]。限制卡路里攝入可有效降低腫瘤風(fēng)險(xiǎn)[28]，多項(xiàng)研究也表明KD具有一定的抗腫瘤作用。Dai等[29]研究表明KD可通過(guò)激活A(yù)MPK，促進(jìn)程序性死亡配體1(programmed death-ligand 1,PD-L1)的Ser283磷酸化，加速PD-L1降解，進(jìn)而降低PD-L1水平，增強(qiáng)抗CTLA-4免疫治療療效，提高腫瘤小鼠的總生存率。Ferrere等[30]研究表明3-羥丁酸鹽(3-hydroxybutyrate, 3HB)增強(qiáng)PD-1、CTLA-4抑制劑的抗腫瘤作用，而補(bǔ)充蔗糖可抑制3HB產(chǎn)生，可抵消生酮飲食的抗腫瘤作用，KD可升高Eisenbergiella massiliensis的豐度，后者與3HB濃度呈正相關(guān)，進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤作用。

3 代謝性疾病

腸道菌群與代謝性疾病關(guān)系密切[31]，但KD對(duì)于代謝性疾病如肥胖或2型糖尿病的治療作用尚無(wú)定論，一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)KD可有效抑制受試者的食欲，減輕受試者體重，改善胰島素抵抗[32]，薈萃分析亦表明KD有效降低肥胖或2型糖尿病患者的體脂比[33]。動(dòng)物研究顯示短期KD可降低小鼠血糖水平，且通過(guò)促進(jìn)γδ T細(xì)胞的擴(kuò)增抑制脂肪組織炎癥反應(yīng)，而長(zhǎng)期KD則增加升高脂肪組織巨噬細(xì)胞水平，從而降低γδ T細(xì)胞水平，導(dǎo)致脂肪組織炎癥反應(yīng)加重[34]。KD對(duì)于腸道菌群分布的影響缺少研究或證據(jù)矛盾，Aleman等[35]研究顯示KD可升高肥胖個(gè)體Christensenellenaceae豐度，降低Roseburia豐度，擬桿菌門(mén)/厚壁菌門(mén)比值無(wú)明顯改變，而Gutiérrez-Repiso等[36]研究提示KD對(duì)肥胖個(gè)體腸道菌群分布無(wú)明顯影響。不同的KD方案對(duì)腸道菌群和糖脂代謝存在不同的影響，Li等[37]研究發(fā)現(xiàn)KDR(89.5%脂肪、0.1碳水化合物、10.4%蛋白質(zhì))可升高Bacteroides豐度，導(dǎo)致小鼠血糖穩(wěn)態(tài)受損，KDH(91.3%脂肪、1%碳水化合物、7.7%蛋白質(zhì))可升高Lachnospiraceae豐度，促進(jìn)脂質(zhì)累積。

4 腸道炎癥

腸道菌群失調(diào)是腸道炎癥主要的發(fā)病因素，宏基因組研究顯示炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)患者腸道菌群與正常人存在差異，其顯著特征為缺少某些具有抗炎作用的菌群[38]，如柔嫩梭菌可促進(jìn)IL-10的分泌[39]，發(fā)揮抗炎作用，而在IBD腸道中柔嫩梭菌豐度減少[40]。其次，腸道菌群相關(guān)代謝產(chǎn)物亦參與腸道屏障受損的過(guò)程[41]。

Turnbaugh研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)肥胖志愿者經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)飲食轉(zhuǎn)換為生酮飲食后，其腸道微生物組成發(fā)生了顯著變化，主要特征為雙歧桿菌豐度明顯降低，從而降低腸道中促炎Th17細(xì)胞水平，緩解腸道炎癥。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小鼠經(jīng)口服酮體后腸道菌群出現(xiàn)了類似變化，由此證明KD產(chǎn)生的酮體抑制了雙歧桿菌生長(zhǎng)[42]。Kong等[43]以葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium, DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型為研究對(duì)象，研究發(fā)現(xiàn)KD可保護(hù)腸道黏膜屏障，并降低DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥因子水平，菌群分析顯示Akkermansia豐度升高，Escherichia和Shigella豐度降低，將喂食KD的模型小鼠的糞菌移植給無(wú)菌小鼠，可緩解DSS誘導(dǎo)的腸道炎癥。

5 結(jié) 語(yǔ)

KD已被廣泛應(yīng)用于多種疾病，且均取得了較好的療效，目前關(guān)于腸道菌群的研究在一定程度上解釋了KD的作用機(jī)制，但研究數(shù)量偏少，尚缺乏高質(zhì)量證據(jù)，未來(lái)仍需進(jìn)一步探索，為生酮飲食的應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。