生酮飲食與阿爾茨海默病

何本進(jìn) 何麗艷 陳川 陳譽(yù)文 楊云飛 黎華 秦嬌琴 呂淵 周博鋒

(廣西壯族自治區(qū)江濱醫(yī)院 1檢驗(yàn)科，廣西 南寧 530021；2神經(jīng)內(nèi)科)

阿爾茨海默病(AD)是老年癡呆的主要原因，是一種慢性神經(jīng)退行性疾病。據(jù)國際阿爾茨海默病協(xié)會(ADI)公布的數(shù)據(jù)，全球每3秒將增加1例癡呆病例，2018年癡呆病例人數(shù)已達(dá)5 000萬，預(yù)計(jì)到2050年該數(shù)字將增至1.52億〔1〕。2016年我國AD患者人數(shù)已超過900萬，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)2 700萬以上〔2〕。2002～2012年，413個(gè)AD新藥物的臨床試驗(yàn)中，99.6%的新藥無明顯療效〔3〕。因此，探索預(yù)防與治療AD的方法刻不容緩。目前AD的具體致病機(jī)制仍不明確，但尸檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)AD患者大腦β-淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)大量聚積〔4〕，并與神經(jīng)元細(xì)胞死亡、突觸丟失相關(guān)，故認(rèn)為Aβ斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)在AD進(jìn)展過程中發(fā)揮重要作用。一直以來，許多研究的方向主要集中在如何減少或阻止Aβ斑塊聚積、神經(jīng)纖維纏結(jié)形成上。證據(jù)表明神經(jīng)代謝問題如胰島素抵抗、大腦葡萄糖代謝減退等，可能是影響Aβ斑塊與神經(jīng)纖維纏結(jié)形成并最終進(jìn)展為AD的潛在原因〔5〕。為了解決這些代謝問題，研究人員對AD患者飲食干預(yù)，即生酮飲食(KD)進(jìn)行了探索〔6,7〕。本文主要探討KD在AD治療及預(yù)防中的作用機(jī)制。

1 KD

1921年Russell Wilder醫(yī)生首次報(bào)道KD對癲癇患兒有較好療效。KD是一種高脂肪、低碳水化合物和適當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)的飲食，其目標(biāo)是建立一種酮癥狀態(tài)，酮癥是由于體內(nèi)碳水化合物供應(yīng)不足，導(dǎo)致脂肪過度分解而產(chǎn)生和累積酮類物質(zhì)，即酮體〔β-羥丁酸(βHB)占78%、乙酰乙酸占20%和丙酮占2%〕，可在血液、尿液和呼吸中被檢測。從本質(zhì)上講，KD使體內(nèi)主要燃料來源從葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)橥w。高脂肪意味著可提供更多的底物直接轉(zhuǎn)化為酮體，限制碳水化合物攝入意味著可通過減少糖酵解滿足能量的需求、降低胰島素信號及增加對酮體的需求以滿足生物能量的要求。傳統(tǒng)KD中，大部分脂肪是長鏈三酰甘油(LCT)，常見于肉類、魚類、乳制品及蛋類。但由于碳水化合物的誘惑及需要精確測量食物等原因，使用者難以堅(jiān)持使用。棕櫚油、椰子油及哺乳動(dòng)物的奶中含有中鏈脂肪酸(MCFA)。人乳中約10%的能量來自MCFA，后者可在嬰兒體內(nèi)誘導(dǎo)持續(xù)輕微的酮癥，以支持能量代謝和大腦發(fā)育。改良KD包括MCFA經(jīng)酯化而制成的生酮產(chǎn)品——含中鏈三酰甘油(MCT)的補(bǔ)充劑，如Axona、AC-1202和AC-1204等〔6,8,9〕及外源性酮類，如酮單酯、酮酯及酮鹽。目前外源性酮類產(chǎn)品主要是酮單酯，因?yàn)樯饔煤湍褪苄员韧}更高〔10〕。少數(shù)MCT攝入者可引起胃腸道癥狀，醫(yī)生需根據(jù)使用者的耐受性適當(dāng)調(diào)整MCT比例〔11〕。與傳統(tǒng)KD相比，改良KD對碳水化合物和蛋白質(zhì)的限制更低，生酮作用更強(qiáng)。不同KD中脂肪、碳水化合物和蛋白質(zhì)的配方比例各異(表1)。

表1 不同KD中三大營養(yǎng)物質(zhì)的配方比例〔12〕

2 酮體的分子生物學(xué)機(jī)制

2.1酮體的合成 哺乳動(dòng)物在長時(shí)間處于饑餓狀態(tài)下可發(fā)生酮癥，此時(shí)由于碳水化合物攝入減少而導(dǎo)致血中胰島素分泌減低、胰高血糖素增高。受上述激素的影響，肝內(nèi)啟動(dòng)糖原分解和糖異生作用以維持血糖正常。胰島素減少也可促進(jìn)脂肪分解，從而增加脂肪酸循環(huán)和β-氧化。脂肪酸β-氧化發(fā)生在肝細(xì)胞線粒體內(nèi)，產(chǎn)生高濃度的乙酰輔酶(Co)A，一旦超過三羧酸循環(huán)的降解能力，將轉(zhuǎn)向其他所需，如膽固醇或酮體合成。在酮體合成過程中，兩分子乙酰CoA被硫解酶催化生成乙酰乙酰CoA。后者與第3個(gè)乙酰CoA分子結(jié)合后，由β-羥基-β-甲基戊二酰(HMG)-CoA合成酶催化生成HMG-CoA，其中HMG-CoA合成酶的催化反應(yīng)是酮體合成途徑的限速酶。HMG-CoA被HMG-CoA裂解酶裂解后生成乙酰CoA和乙酰乙酸。乙酰乙酸就是該途徑中合成的第一個(gè)酮體。乙酰乙酸在βHB脫氫酶(BHD)1的催化下，被煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)還原生成βHB，該反應(yīng)可逆。此步驟生成了大量的βHB。HMG-CoA裂解酶發(fā)生缺乏時(shí)可阻止酮體合成，因此禁食后可導(dǎo)致低酮低血糖的病理狀態(tài)。另外，一小部分乙酰乙酸經(jīng)過脫羧酶催化脫羧生成丙酮，聚積體內(nèi)形成高濃度的丙酮是具有毒性的，可通過甲基乙二醛途徑在肝臟轉(zhuǎn)化。丙酮極具揮發(fā)性，當(dāng)其生成速率超過轉(zhuǎn)化率時(shí)，很容易被肺排出，故禁食或營養(yǎng)性酮癥狀態(tài)，丙酮水平增高不明顯。

2.2酮體的分解利用 肝臟生成酮體后，一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCTs)就會介導(dǎo)其釋放至血液中，在肝外組織如大腦、心臟和肌肉被分解代謝及產(chǎn)生能量。酮體通過血腦屏障后，在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中分別經(jīng)MCT1和MCT2轉(zhuǎn)運(yùn)穿過細(xì)胞膜〔13〕，然后通過細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入線粒體被分解代謝。酮體分解代謝通常是以酮體合成的逆反應(yīng)為特點(diǎn)，第一步是βHB被氧化為乙酰乙酸，同時(shí)還原輔酶Ⅰ(NAD+)為NADH。乙酰乙酸被琥珀酰CoA，也稱為3-酮酸CoA轉(zhuǎn)移酶(SCOT)轉(zhuǎn)化為乙酰乙酰CoA，后者經(jīng)過加工生成兩分子乙酰CoA，最后進(jìn)入三羧酸循環(huán)。值得注意的是，肝臟缺乏SCOT，因此只能合成酮體，不能分解利用酮體。酮體向三羧酸循環(huán)提供碳原子，通過多種方式影響細(xì)胞生理功能。三羧酸循環(huán)正向生成高能電子載體NADH和黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH)2，它們作為電子傳遞鏈的底物，為氧化磷酸化過程中二磷酸腺苷(ADP)轉(zhuǎn)為三磷酸腺苷(ATP)所必需。這樣可使神經(jīng)系統(tǒng)具有更大的生物能量可塑性，因?yàn)樗鼫p少了對葡萄糖的依賴，而使細(xì)胞轉(zhuǎn)向有氧呼吸。

3 AD中葡萄糖與酮體代謝

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，乳酸不能作為替代燃料向大腦提供能量，而在使用酮體作為替代燃料前，轉(zhuǎn)基因AD小鼠的葡萄糖代謝已出現(xiàn)下降〔14〕。臨床研究發(fā)現(xiàn)，AD患者出現(xiàn)認(rèn)知障礙前，大腦已存在葡萄糖調(diào)節(jié)異?！?5〕，與健康人群相比，AD風(fēng)險(xiǎn)增加的無癥狀者、輕度認(rèn)知障礙(MCI)和AD患者大腦都出現(xiàn)葡萄糖代謝減低〔16,17〕。AD大腦內(nèi)葡萄糖的穩(wěn)態(tài)異?？赡茉谂R床癥狀出現(xiàn)前就已發(fā)生，故糖酵解流量減少所引起的葡萄糖代謝受損可能是導(dǎo)致AD發(fā)病的一種內(nèi)在機(jī)制〔15〕。隨著AD不斷進(jìn)展，大腦特定區(qū)域的葡萄糖代謝率減低，這種低糖狀態(tài)對神經(jīng)元是有害的，可能導(dǎo)致癡呆。有學(xué)者認(rèn)為AD屬于“3型糖尿病”〔18,19〕，因?yàn)锳D患者體內(nèi)存在胰島素抵抗及胰島素信號受損，與2型糖尿病的致病機(jī)制有相似性。該假說認(rèn)為，由于胰島素信號機(jī)制發(fā)生紊亂，導(dǎo)致AD患者大腦利用葡萄糖減少，反過來又降低中樞神經(jīng)系統(tǒng)編碼胰島素及其受體的基因表達(dá)〔20〕。盡管大腦葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)缺陷、糖酵解發(fā)生改變等參與了AD的進(jìn)展過程，但葡萄糖代謝減低的具體機(jī)制仍不清楚。葡萄糖代謝受損是AD大腦出現(xiàn)最早的特征之一，通過代謝干預(yù)手段可能有效預(yù)防或阻止AD進(jìn)展。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，由KD生成的酮體可繞過葡萄糖代謝不足而向AD大腦提供替代燃料，增加線粒體效率、提高認(rèn)知功能〔7,8,14〕。與對照組相比，給予酮酯喂食的轉(zhuǎn)基因AD小鼠海馬體βHB水平增高〔21〕，經(jīng)KD喂食的小鼠盡管血糖水平和體重下降，但是酮體水平增高，罹患AD風(fēng)險(xiǎn)降低〔22〕。臨床上AD患者口服10～70 g MCT時(shí)，其劑量與血漿βHB水平呈正相關(guān)〔23〕。健康成人服用MCT后，能成倍增加血漿酮體水平〔24〕，AD或MCI患者在使用MCT后，記憶能力不但得到了改善〔11〕，而且改善程度與血漿βHB水平直接相關(guān)〔7,25〕。研究認(rèn)為隨著血漿βHB濃度升高，大鼠小腦和額葉皮層的葡萄糖代謝被抑制〔26〕。而最新研究顯示，服用MCT后，MCI或AD患者血酮體、大腦酮體水平均增高，且大腦能有效代謝之，而大腦葡萄糖代謝并未受影響〔7,27〕。故AD患者體內(nèi)酮體水平增高是否影響大腦葡萄糖代謝，仍需更多研究證實(shí)。

4 酮體對Aβ斑塊的影響

AD核心的分子病理機(jī)制為大腦Aβ聚積形成寡聚體、纖維及斑塊〔28〕。酮體除了改變細(xì)胞代謝外，還可減少或阻止與AD相關(guān)的毒性Aβ斑塊的產(chǎn)生，這對于改善MCI或延緩AD的進(jìn)展可能具有重要意義。實(shí)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)基因AD小鼠大腦葡萄糖供應(yīng)減少可引起Aβ生成增多。Aβ被遠(yuǎn)端軸突吸收后，聚積到細(xì)胞體的線粒體，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到鄰近的神經(jīng)元。細(xì)胞內(nèi)聚積的Aβ通過與線粒體蛋白結(jié)合而損傷線粒體功能，甚至引起線粒體衰竭。而線粒體功能障礙又能增加活性氧的形成，使氧化應(yīng)激與AD存在關(guān)聯(lián)。Van der Auwera等〔29〕對AD小鼠給予43 d KD后，與對照組比較，發(fā)現(xiàn)血清βHB水平升高，總Aβ水平顯著減少。Yin等〔30〕發(fā)現(xiàn)酮體有一種新的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制，即能阻止Aβ42進(jìn)入神經(jīng)元，通過抑制Aβ42在細(xì)胞內(nèi)聚積，保護(hù)線粒體復(fù)合物I活性，減少氧化應(yīng)激，改善突觸的可塑性，從而提高Aβ誘導(dǎo)的AD小鼠的認(rèn)知功能。研究人員用Aβ、βHB及兩者聯(lián)合分別處理培養(yǎng)中的大鼠海馬細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)用Aβ處理可顯著增加細(xì)胞死亡，減少神經(jīng)突起數(shù)量及長度，證實(shí)了海馬神經(jīng)元Aβ的毒性；加入βHB后，其逆轉(zhuǎn)了Aβ毒性，使存活細(xì)胞的數(shù)量增加了一倍，表明βHB能修復(fù)神經(jīng)元現(xiàn)存的損傷〔31〕。此外，尸檢結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦組織βHB水平減低與Aβ生成具有相關(guān)性〔32〕。因此，酮體對抗Aβ而具有神經(jīng)保護(hù)作用可能成為預(yù)防或治療AD的另一種復(fù)雜機(jī)制。

5 KD對不同載脂蛋白(APO)E基因型AD患者的影響

Torosyan等〔33〕研究表明，服用MCT后APOEε4(-)AD患者大腦特定區(qū)域血流量增加，而APOEε4(+)AD患者無明顯改變。Henderson等〔9〕研究顯示，與安慰劑對照相比，服用AC-1202患者血清βHB水平顯著升高，APOEε4(-)者評估量表-認(rèn)知部分(ADAS-cog)評分顯著增加，而APOEε4(+)者的評分無明顯差異。這說明APOEε4基因型可能影響KD的干預(yù)效果，但也有不同的研究結(jié)果。Ohnuma等〔8〕發(fā)現(xiàn)輕至中度AD患者服用MCT后，2例簡易精神狀態(tài)檢查(MMSE)量表基線≥14分的APOEε4(-)者認(rèn)知功能有所提高，但1例MMSE基線≥14分的APOEε4(+)者和1例MMSE基線≤14分的APOEε4(-)者認(rèn)知功能持續(xù)下降；還發(fā)現(xiàn)1例ADAS-cog基線相對較低的APOEε4(-)者和1例APOEε4(+)者認(rèn)知功能有改善，而2例ADAS-cog基線相對較高的APOEε4(-)者認(rèn)知功能持續(xù)降低。Henderson等〔6〕發(fā)現(xiàn)，與安慰劑對照組比較， APOEε4(+)患者服用AC-1204后生命質(zhì)量測評量表(Qol-AD)(患者版)得分升高；而APOEε4(-)患者M(jìn)MSE得分卻下降。Fortier等〔7〕報(bào)道，MCI患者使用MCT后大腦酮體攝入增加，認(rèn)知功能有部分改善，但酮癥狀態(tài)或認(rèn)知結(jié)果與APOEε4無明顯相關(guān)性。可見，KD能否改善不同APOE基因型AD患者的認(rèn)知功能及其內(nèi)在機(jī)制如何，還需研究。

綜上，葡萄糖代謝減退是AD大腦早期出現(xiàn)的一個(gè)特征，使用KD能提高AD患者血液酮體水平，后者為大腦提供替代能量來源，改善部分AD患者的認(rèn)知功能，這給臨床醫(yī)師預(yù)防或治療AD提供了新的視角。然而，傳統(tǒng)KD與改良KD都存在一個(gè)關(guān)鍵問題，即脂肪攝入增加，可引起低密度脂蛋白-膽固醇和三酰甘油升高，導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化和心血管疾病，同樣會成為AD進(jìn)展的危險(xiǎn)因素，這似乎與KD生成酮體帶來的益處相互矛盾。因此，使用KD預(yù)防或治療AD患者，還需長期的、高質(zhì)量的臨床研究對其最適劑量、副作用及在不同APOE基因型AD患者中的療效等方面進(jìn)行探索。