生酮飲食調(diào)控腸道菌群在疾病治療中的研究進展

吳 亞，殷 峻，2

1.上海市第八人民醫(yī)院內(nèi)分泌科，上海 200235；2.上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科，上海市糖尿病臨床醫(yī)學中心，上海市內(nèi)分泌代謝病臨床醫(yī)學中心，上海 200233

腸道菌群被認為是人體的“隱形器官”，可通過多種機制調(diào)節(jié)機體代謝、參與疾病的發(fā)生；其種類及相對豐度受多種因素的影響，飲食則是重要的影響因素之一。日常中，人們可通過改變自身的飲食方式來調(diào)節(jié)甚至重塑腸道菌群的構成，從而改善身體的狀態(tài)。當前，生酮飲食是一種較為熱門的飲食模式；且近期的研究［1-2］發(fā)現(xiàn)，生酮飲食可調(diào)控腸道菌群參與疾病的治療。本文主要針對生酮飲食調(diào)節(jié)腸道菌群治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病和腫瘤等的研究進展進行綜述。

1 腸道菌群及其調(diào)控因素

人類腸道菌群中微生物數(shù)量約1014個，包含1 000 多種；其可編碼300 多萬種基因，在維持機體健康中發(fā)揮重要作用，如輔助消化碳水化合物、防止有害微生物入侵、合成維生素、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和藥物代謝等［3-5］。健康成年人的腸道菌群主要由擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）組成（約占90%），其余10%則為變形菌門（Proteobacteria）、疣 微 菌 門 （Verrucomicrobia） 和 放 線 菌 門（Actinobacteria）等［6］。作為人體腸道中豐度最高的革蘭陰性菌，擬桿菌門可維持腸道的健康穩(wěn)態(tài)，其數(shù)量的下降與神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病和腫瘤等的發(fā)生密切相關［7］。研究［8］顯示，腸道菌群失調(diào)可分為3 種類型：①有益菌群減少。②潛在有害菌群增加。③總體菌群種類減少。在多數(shù)情況下，這3 種失調(diào)會同時發(fā)生。

有研究［9］發(fā)現(xiàn)，哺乳動物在出生時就可以快速形成其腸道的主要菌群。如胃腸道的菌群，在個體出生后幾個小時內(nèi)已開始定植，直至3～4歲結束。且相關研究［10］顯示，腸道菌群的種類和數(shù)量受多種因素的影響，包括出生方式、喂養(yǎng)方式、年齡的增加、性別和環(huán)境等；其中，飲食是影響人類腸道菌群的重要因素之一。良好的腸道菌群與人們的健康息息相關，因此通過不同的飲食模式調(diào)節(jié)腸道菌群或可改善人們的健康狀況［11］。

2 生酮飲食

1921 年，美國醫(yī)生威爾德（WILDER R M）最先提出“生酮飲食”這一概念，并將其用于兒童癲癇的治療。生酮飲食是一種攝入極低碳水化合物、高脂肪、適量蛋白質(zhì)和其他營養(yǎng)素的飲食模式。在該模式下，脂肪分解的增加會使機體處于酮癥狀態(tài)，從而保證能量的供應。

常見的生酮飲食可分為4 類：①經(jīng)典生酮飲食，即脂肪與非脂肪的重量比為4∶1；脂肪攝入量占每日食物總重量的80%（供能占比90%），蛋白質(zhì)及碳水化合物占每日食物總重量的20%（供能占比10%），并提供足夠的維生素和礦物質(zhì)。②中鏈三酰甘油飲食，即脂肪供能占比70%，且脂肪的主要來源為中鏈脂肪酸組成的三酰甘油。③改良的阿特金斯飲食，即脂肪供能占比65%；該方法對蛋白質(zhì)攝入的限制較為寬松，即蛋白質(zhì)供能占比為30%。④低血糖生成指數(shù)飲食，即僅選擇血糖生成指數(shù)低于50 的碳水化合物，脂肪供能占比60%。

目前，生酮飲食不僅可用于治療癲癇，還可治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病和腫瘤等［12-13］。其可能的機制包括：①降低胰島素水平。②增強線粒體功能，提高內(nèi)源性抗氧化應激。③發(fā)揮β-羥基丁酸的特異性抗氧化、抗炎作用［14］。同時，最近的多項研究發(fā)現(xiàn)，生酮飲食還可通過調(diào)節(jié)腸道菌群參與上述疾病的治療，具體作用及機制如下。

3 生酮飲食調(diào)節(jié)腸道菌群在疾病治療中的作用

3.1 神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療

3.1.1 癲癇 與健康人群相比，癲癇患者的腸道中菌群組成存在一定的紊亂，即有益菌群較少、有害菌群較多。多項研究顯示，采用生酮飲食的方式調(diào)節(jié)癲癇患者的腸道菌群組成，可改善其癲癇癥狀。XIE等［15］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)生酮飲食治療1 周后，64.3%（9/14）患兒的癲癇發(fā)作頻率較治療前下降近50%。隨后，該研究采用16S rDNA 基因測序的方法比較14 例難治性癲癇患兒生酮飲食前和30 例健康嬰兒腸道菌群的差異，并對患兒生酮飲食前后的腸道菌群進行比較分析。結果顯示，生酮飲食前，癲癇患兒的腸道擬桿菌屬占比低于健康嬰兒，可產(chǎn)生毒素的克羅諾桿菌（Cronobacter）和變形菌門（大腸桿菌、沙門氏菌和弧菌）占比均高于健康嬰兒；經(jīng)生酮飲食治療1 周后，患兒腸道中擬桿菌屬及普氏菌屬［可產(chǎn)生保護腸黏 膜 的 短 鏈 脂 肪 酸 （short-chain fatty acids，SCFAs）］的占比較治療前均有明顯增加，克羅諾桿菌和變形菌門占比均有明顯降低。由此可見，癲癇嬰兒的腸道菌群存在一定的失衡，經(jīng)生酮飲食治療后該情況有顯著改善。此外，生酮飲食治療癲癇的效果也與腸道菌群密切相關。ZHANG 等［16］用生酮飲食法治療20 例癲癇兒童6 個月后，采用16S rDNA 基因測序比較緩解者與未緩解者的腸道菌群間差異。結果顯示，治療后的癲癇緩解患兒糞便中的微生物群多樣性較低，同時厚壁菌門豐度下降、擬桿菌門豐度增加，而未緩解患兒糞便中梭菌目（Clostridiales）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、理研菌科（Rikenellaceae）、毛 螺 旋 菌 科 （Lachnospiraceae） 和 另 枝 菌 屬（Alistipes）的豐度均較高；繼而表明，癲癇患兒腸道菌群的種類和數(shù)量與生酮飲食療效間存在一定的相關性。因此，對腸道菌群組成的測定或可作為評估抗癲癇治療效果的生物標志物。

考慮到生酮飲食對癲癇患者腸道菌群可能產(chǎn)生的積極影響，部分學者在小鼠模型中就該飲食對腸道菌群的正向調(diào)節(jié)及潛在機制做了進一步探討。MA等［17］發(fā)現(xiàn)正常小鼠經(jīng)生酮飲食后，其血糖水平和體質(zhì)量均有下降，血酮水平有所升高，神經(jīng)血管功能得到了改善；且該療效與腸道菌群的改變顯著相關，包括脫硫弧菌屬（Desulfovibrio） 和蘇黎世桿菌屬（Turicibacter）等有害菌群豐度下降，以及嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，A. muciniphila，簡稱Akk 菌）和乳酸桿菌等有益菌群豐度增加。Akk菌屬于厭氧菌，定植于人胃腸道的黏液層，其豐度占人體腸道菌群的1%～4%。研究［18］發(fā)現(xiàn)，Akk菌可在提高代謝功能、免疫應答中發(fā)揮重要作用，被認為可能是一種新型有益菌。與此同時，OLSON等［19］以2種難治性癲癇小鼠模型為研究對象，采用6-Hz 刺激誘導其癲癇發(fā)作并經(jīng)生酮飲食干預，結果發(fā)現(xiàn)該飲食療法發(fā)揮了抗癲癇作用；對治療后小鼠的腸道菌群進行分析，結果發(fā)現(xiàn)該2 種癲癇小鼠腸道中Akk 菌和副擬桿菌屬（Parabacteroides，簡稱Pb菌）的豐度均有明顯增加；但該研究在抗生素飼養(yǎng)或無菌飼養(yǎng)的小鼠中發(fā)現(xiàn)，生酮飲食并未發(fā)揮抗癲癇作用，繼而推測腸道菌群可能參與了生酮飲食的抗癲癇治療。隨后，該研究將Akk 菌與Pb 菌共同移植到抗生素飼養(yǎng)的小鼠腸道中，經(jīng)生酮飲食干預后發(fā)現(xiàn)，Akk 菌和Pb 菌的腸道共定植可恢復生酮飲食的抗癲癇作用，從而說明腸道菌群對生酮飲食的抗癲癇作用是必需的。該研究進一步對癲癇小鼠結腸、血清以及海馬體的代謝譜進行分析，揭示出生酮飲食抗癲癇的作用機制：①Akk菌和Pb 菌豐度的增加可抑制小鼠糞便中γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（γ-glutamyltranspeptidase，GGT）的活性，進而降低了血清中γ-谷氨酰氨基酸（γ-glutamylated amino acids，簡稱GG 氨基酸）水平。同時，生酮飲食還可顯著降低癲癇小鼠海馬體中GG 氨基酸水平，從而降低癲癇的發(fā)作頻率。②癲癇發(fā)作與神經(jīng)遞質(zhì)的失衡亦相關，即興奮性神經(jīng)遞質(zhì)過多或抑制性神經(jīng)遞質(zhì)過少時可導致細胞膜不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生癲癇性放電。癲癇小鼠經(jīng)生酮飲食治療后，腸道中的Akk菌和Pb 菌豐度增加可使海馬體中抑制性神經(jīng)遞質(zhì)——γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）與興奮性神經(jīng)遞質(zhì)——谷氨酸的比值顯著增加，從而發(fā)揮抗癲癇作用。

綜上，生酮飲食在癲癇患兒及小鼠模型中均可通過調(diào)節(jié)腸道菌群來發(fā)揮抗癲癇作用，主要機制可能是通過增加腸道中Akk 菌和Pb 菌的豐度，來抑制GGT活性以減少GG 氨基酸生成，或是來增加海馬體中GABA/谷氨酸的比值，從而減少癲癇性放電的發(fā)生。

3.1.2 阿爾茨海默病 較多研究顯示，腦血流量下降、 血腦屏障損傷均可增加阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）的發(fā)生風險。研究［17］發(fā)現(xiàn)，正常小鼠經(jīng)生酮飲食飼養(yǎng)16 周后，其腸道有益菌（Akk 菌和乳酸桿菌）明顯增加，促炎微生物（脫硫弧菌屬和蘇黎世桿菌屬）有所下降，同時小鼠腦血流速度加快、血腦屏障上的P-糖蛋白轉(zhuǎn)運體增多，可加速清除AD 的生物標志物之一——β 淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）。因此，生酮飲食能夠改善神經(jīng)血管功能，降低AD 的發(fā)生風險，該作用機制可能與腸道菌群的調(diào)節(jié)相關。

輕度認知功能障礙（mild cognitive impairment，MCI）與AD 的發(fā)生機制相類似，被認為是AD 的前驅(qū)狀態(tài)。NAGPAL等［20］發(fā)現(xiàn)MCI患者與正常人的腸道微生物多樣性間無明顯差異，但MCI 患者的腸道變形菌門豐度增加，且增幅與MCI患者腦脊液中Aβ-42/Aβ-40 比值呈正相關；經(jīng)改良的地中海生酮飲食（modified Mediterranean-ketogenic diet，MMKD） 治療6 周后，MCI 患者腦脊液中Aβ 和tau 蛋白等AD 生物標志物表達水平下降，同時腸道中腸桿菌科和Akk菌豐度均有增加。傳統(tǒng)觀念認為，雙歧桿菌是人體腸道中重要的益生菌之一。而NAGPAL等［20］研究卻發(fā)現(xiàn)，MMKD 可降低腸道中雙歧桿菌的豐度，且其降低水平與腸道中乳酸水平下降程度相一致。有針對腹脹患者的相關研究［21］發(fā)現(xiàn)，腸道中乳酸水平的異常升高與該患者的注意力不集中、意識模糊相關。因此，采用MMKD 治療該類患者或可降低腸道乳酸水平，從而改善其認知和記憶功能。該研究團隊近期還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)MMKD 治療后，MCI 患者腸道中有害真菌（主要是念珠菌）的豐度有所下降，這可能是由于腸道中細菌群的改變所致。念珠菌被認為與腸道炎癥性疾病（如潰瘍性結腸炎、克羅恩病等）相關［13］，從而進一步提示MMKD 在腸道炎癥性疾病中或擁有潛在治療價值。

因此，生酮飲食可增加小鼠腸道中有益菌（Akk菌和乳酸桿菌）的豐度，改善腦血管功能，從而降低AD 的發(fā)生風險。此外，生酮飲食還能夠調(diào)節(jié)腸道菌群改善MCI 患者的認知和記憶功能，其主要是通過降低腸道雙歧桿菌及乳酸水平來實現(xiàn)。

3.1.3 多發(fā)性硬化癥 生酮飲食調(diào)控腸道菌群在多發(fā)性硬化癥的治療中可發(fā)揮重要作用。與正常人群相比，多發(fā)性硬化癥患者的腸道菌群總量及種類均較低。而較低的腸道菌群總量可直接破壞腸道微生物的發(fā)酵功能，且結腸菌群發(fā)酵功能受損是引發(fā)多發(fā)性硬化癥的重要因素之一。SWIDSINSKI 等［22］發(fā)現(xiàn)經(jīng)生酮飲食6 個月治療后，多發(fā)性硬化癥患者的腸道主要菌群總量明顯增加，且與正常健康人群相比沒有差異。有趣的是，生酮飲食對多發(fā)性硬化癥患者的腸道菌群總量的影響是雙向的。當采用生酮飲食治療2 周時，該類患者腸道菌群的種類及數(shù)量均有下降；治療至12 周時，其腸道菌群的總體數(shù)量開始恢復；在治療至23～24 周時，其菌群數(shù)量明顯超過了正常健康人群。因此，生酮飲食療法可調(diào)節(jié)多發(fā)性硬化癥患者腸道菌群總量，但導致菌群數(shù)量發(fā)生變化的具體機制目前尚未被闡明。

3.1.4 孤獨癥 孤獨癥是一種異質(zhì)性神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，表現(xiàn)為社交障礙、溝通障礙及刻板重復的行為方式。最近多項研究［23-26］顯示，生酮飲食可改善孤獨癥患者的異常行為。NEWELL等［27］發(fā)現(xiàn)，孤獨癥患者的腸道菌群失調(diào)與自閉癥模型BTBR 小鼠的情況相類似，即厚壁菌門數(shù)量較少、擬桿菌門數(shù)量較多；接著，針對BTBR 小鼠進行研究，發(fā)現(xiàn)生酮飲食治療后，BTBR 小鼠盲腸和糞便中的總體微生物數(shù)量明顯下降，但厚壁菌門與擬桿菌門的數(shù)量比值卻有增加。該研究還發(fā)現(xiàn)，生酮飲食治療可降低BTBR 小鼠盲腸及糞便中的Akk 菌豐度，這一結果與正常小鼠、癲癇小鼠腸道中Akk 菌數(shù)量增加相反［17-19］。與此同時，NEWELL 團隊并未研究生酮飲食療法與孤獨癥小鼠癥狀之間的關系。因此，該飲食療法是否可通過調(diào)節(jié)腸道菌群來改善孤獨癥小鼠的異常行為，仍有待更進一步的探索。

3.2 代謝性疾病治療

生酮飲食是一種新興的治療2 型糖尿?。╠iabetes mellitus type 2，T2DM） 的 方 法［28］。研究［17］顯示，生酮飲食可降低患者的血糖及體質(zhì)量，這可能與有益菌的增加（如Akk菌和普氏菌屬等）和促炎微生物（脫硫弧菌屬和蘇黎世桿菌屬）的下降相關。此外，REN 等［29］研究發(fā)現(xiàn)，與低脂飲食相比，采用以杏仁為主的生酮飲食的T2DM患者的血清胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）水平較高，糖化血紅蛋白水平較低，且患者腸道中產(chǎn)生SCFAs 的 羅 氏 菌 屬（Roseburia）、 瘤 胃 球 菌 屬（Ruminococcus）和真桿菌屬（Eubacterium）豐度均顯著增加。

ANG等［30］采用宏基因組學和代謝組學方法，研究17 例超重或肥胖的非糖尿病男性患者的腸道菌群，結果發(fā)現(xiàn)經(jīng)生酮飲食治療8 周，患者腸道微生物組的結構和功能均發(fā)生了顯著變化；其中，β-羥基丁酸對雙歧桿菌的抑制作用最為明顯；隨后，該研究者將雙歧桿菌單獨定植到無菌小鼠的腸道，發(fā)現(xiàn)小鼠小腸中的輔助性T 細胞17（T helper 17 cell，Th17 細胞）數(shù)量顯著增加；接著，研究者將患者生酮飲食前的腸道菌群、生酮飲食后的腸道菌群、生酮飲食后的腸道菌群額外添加雙歧桿菌共3 類菌群分別移植到無菌小鼠腸道內(nèi)；結果發(fā)現(xiàn)，與其他2 組相比，生酮飲食后患者腸道菌群中的雙歧桿菌生長受到了較明顯的抑制，且Th17 細胞水平較低。鑒于肥胖與慢性低度炎癥相關，繼而推斷，生酮飲食治療可能通過抑制雙歧桿菌生長、降低促炎的Th17細胞水平來改善肥胖。

3.3 腫瘤治療

一項最新的meta 分析顯示，在動物實驗中，單獨生酮飲食療法或可作為傳統(tǒng)治療的輔助方法，對神經(jīng)膠質(zhì)瘤、神經(jīng)母細胞瘤、乳腺癌、肺癌、肝癌、前列腺癌等發(fā)揮抗腫瘤作用［31］。類似的，臨床上多數(shù)研究亦將生酮飲食作為輔助療法，對腫瘤患者的手術、放射治療和化學治療發(fā)揮協(xié)同作用［32］。對上述輔助治療的主要機制進行推測，可能是由于生酮飲食可減少腫瘤細胞的葡萄糖供給，還可通過降低胰島素和胰島素樣生長因子水平，來改善細胞免疫應答、抑制磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素靶蛋白信號通路及炎癥反應、增加氧化應激等，從多種途徑阻礙腫瘤細胞生長［32-33］。FERRERE 等［34］發(fā)現(xiàn)，當腫瘤小鼠接受常規(guī)飲食時，單獨使用腫瘤免疫治療藥物——程序性細胞死亡蛋白-1（programmed cell death protein 1，PD-1）抑制劑或聯(lián)合細胞毒性T 淋巴細胞相關蛋白-4抑制劑均不能延緩其腫瘤進展，而該類小鼠在接受生酮飲食或口服β-羥基丁酸后，其PD-1 抑制劑的抗腫瘤作用被恢復；同時，該研究還發(fā)現(xiàn)，在接受生酮飲食治療的小鼠和人的糞菌中Eisenbergiella massiliensis豐度均有特征性增加，且與血清β-羥基丁酸水平呈正相關。因此，生酮飲食對多種腫瘤具有一定的抑制作用，但是否可通過調(diào)控腸道菌群發(fā)揮抗腫瘤作用尚需進一步研究。

4 生酮飲食的安全性

由于生酮飲食需嚴格限制對碳水化合物的攝入，因此機體能量的供給需通過分解脂肪獲得。生酮飲食的不良反應多數(shù)是暫時的、輕微的。最常見的癥狀為厭食、便秘等胃腸道反應，可通過調(diào)整飲食（如適當增加富含膳食纖維蔬菜的攝入、補充足夠水分等）加以改善。研究［35］顯示，經(jīng)典的生酮飲食導致腎結石的發(fā)生率為3.1%～6.7%，口服檸檬酸鉀可降低該發(fā)生率。對于糖尿病患者而言，由于生酮飲食中碳水化合物的攝入較普通飲食明顯減少，生酮飲食后若繼續(xù)使用以前的降糖方案，可能導致患者的低血糖風險增加。因此在進行生酮飲食時，需監(jiān)測患者的血糖水平，及時調(diào)整降糖方案。此外，使用鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白2 抑制劑治療的糖尿病患者在采用生酮飲食治療后，其酮癥酸中毒的風險有明顯增加［36］。然而，生酮飲食的相關不良反應與腸道菌群改變是否相關，仍有待進一步研究。

5 總結與展望

生酮飲食在神經(jīng)系統(tǒng)疾病、代謝性疾病和腫瘤等的治療中均發(fā)揮了重要作用，腸道菌群的變化僅能夠部分解釋生酮飲食的相關作用機制。關于生酮飲食調(diào)節(jié)腸道菌群對代謝性疾病患者認知功能的影響以及對神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者代謝功能的影響尚無報道，仍值得進一步研究。此外，針對采用生酮飲食的方法調(diào)節(jié)腸道菌群來治療疾病的作用和機制方面，多數(shù)文獻集中在經(jīng)典的生酮飲食法上，因此尚需更多研究對其他生酮飲食法調(diào)控腸道菌群的作用方面進行更深入的探索，從而為生酮飲食的臨床應用提供依據(jù)。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors'Contributions

吳亞負責文獻的收集和分析，以及論文初稿的撰寫。殷峻負責論文的設計和修改。所有作者均已閱讀并同意最終的文本。

The relevant literature was collected and analyzed by WU Ya.The first version of the manuscript was written by WU Ya. The manuscript was designed and revised by YIN Jun. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2021-12-31

·Accepted：2021-03-25

·Published online：2022-04-28