中鏈甘油三酯生酮飲食在神經(jīng)退行性疾病治療中的應用

劉春紅 靳 力 王正平 張 寧 張瑞巖 尹肖寒 王慶鵬

(聊城大學 生物制藥研究院，山東 聊城 252059)

0 引言

經(jīng)典的生酮飲食是源于19世紀20年代，主要目的是模擬熱卡限制飲食時機體的生化改變，是一種高脂肪、低蛋白質(zhì)和低碳水化合物的一種飲食[1]. 這種限制碳水化合物攝入的高脂肪飲食使機體葡萄糖水平明顯減少，而酮體(乙酰乙酸、β-羥基丁酸、丙酮)及脂肪酸水平升高. 由于肝外組織缺乏糖異生的關(guān)鍵酶，外周組織和神經(jīng)系統(tǒng)必須通過酮體氧化供能，酮體成為機體的主要能量來源. 如今，生酮飲食應用于臨床治療已有90余年，主要用于治療難治性癲癇[2]，效果顯著，改善了患者的生活質(zhì)量. 傳統(tǒng)生酮飲食，脂肪與蛋白質(zhì)加碳水化合物的質(zhì)量比為4：1，為了使蛋白質(zhì)和碳水化合物的攝入量趨于正常，增加患者依從性，KD已從經(jīng)典生酮飲食(LKD)，發(fā)展為富含中鏈甘油三酯(MCT)生酮飲食，改良阿特金斯飲食(MAD)，低血糖指數(shù)治療型生酮飲食(LGIT)(見表1). 中鏈甘油三酯生酮飲食由于其易吸收，迅速供能，產(chǎn)酮率高，口感好等特點已廣泛應用于臨床治療[3].

臨床研究發(fā)現(xiàn)KD對神經(jīng)系統(tǒng)具有保護作用. 機體在“無糖”的條件下，增加腦內(nèi)γ-氨基丁酸的合成，限制了活性氧的產(chǎn)生，提高了神經(jīng)元的抗損傷能力[4]. 酮體替代葡萄糖作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的能量底物，為大腦提供能量，降低了由于線粒體損傷引起的供能不足. 此外，相關(guān)研究證實，生酮飲食在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)營養(yǎng)因子、抑制氧化應激和抗炎等方面也有重要作用，這些適應性改變與多種能量代謝的改變共同調(diào)控神經(jīng)活動.

1 中鏈甘油三酯的代謝

中鏈甘油三酯(Medium chain triglyceride，MCT)在胃和十二指腸內(nèi)被分解成甘油和中鏈脂肪酸(含6-12個碳). 這些中鏈脂肪酸相比長鏈脂肪酸，水溶性較好，不需膽汁的乳化，如癸酸(十碳酸)和辛酸(八碳酸)可直接在小腸毛細血管經(jīng)門靜脈進入肝臟，通過β-氧化快速代謝[6]. MCT的特點是分子量小，吸收快，迅速供能. 中鏈甘油三酯代謝產(chǎn)物除酮體可以為大腦供能，其分解產(chǎn)生的中鏈脂肪酸也可以直接為大腦提供能量，MKD在體內(nèi)的代謝過程見圖1. 血漿中50%的脂肪酸可直接透過血腦屏障，為神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細胞提供能量[7, 8]. 不同碳鏈長度的中鏈脂肪酸代謝程度不同. Wlaz P等研究表明，在星形膠質(zhì)細胞中辛酸比癸酸易接受β-氧化，更易產(chǎn)生酮體[9]. Thevenet, J等研究證實，癸酸優(yōu)先刺激糖酵解，促進乳酸的產(chǎn)生，為大腦供能. 中鏈脂肪酸可通過調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞的代謝，從而激活星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元間乳酸和酮體穿梭系統(tǒng)，為鄰近的神經(jīng)元提供能量[10].

表1 四種生酮飲食的特點

注：MKD在小腸內(nèi)被代謝為中鏈脂肪酸，一部分中鏈脂肪酸(辛酸、癸酸)可經(jīng)肝臟分解成酮體(乙酰乙酸、

丙酮、β-羥基丁酸)直接為大腦供能；另一部分中鏈脂肪酸可直接透過血腦屏障為大腦提供能量.

圖1 MKD代謝過程

2 MKD在神經(jīng)退行性疾病中的應用

2.1 MKD在癲癇中的應用

癲癇是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常的慢性疾病，以腦神經(jīng)元異常放電引起反復癇性發(fā)作為臨床特征，表現(xiàn)為突發(fā)意識障礙，四肢抽動，眼瞼上翻等癥狀，其特點為病程長、致殘率高，給患者造成巨大的生理負擔和心理負擔，影響患者生活質(zhì)量. 腦神經(jīng)元的膜電位不穩(wěn)定，驚厥閾值下降是其主要病理改變. 早在1921年KD就應用于癲癇的治療，并取得了肯定的療效. 近年來，MKD在治療難治性癲癇疾病中成為新的研究熱點. MKD聯(lián)合抗癲癇藥物的使用，不僅可以降低其藥物帶來的不良反應及副作用，而且更有效降低癲癇的發(fā)作頻率和強度. Danielle等研究證實，對48名兒童和青少年癲癇患者以及成年癲癇患者進行MKD治療，連續(xù)兩年隨訪發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)癲癇患者發(fā)作程度均有下降趨勢[11,12]. 可見，MKD不僅可以減少癲癇的發(fā)作頻率，還可以降低癲癇發(fā)作等級. 盡管生酮療法可減少癲癇發(fā)作頻率，且有充足的循證醫(yī)學證據(jù)支持，但其作用機制目前仍不明確. 目前，大量學者對MKD治療癲癇的機制進行了探索，提出了不同假設(shè)，以下幾個方面是MKD代謝產(chǎn)物可能對癲癇的作用機制.

2.1.1 酮體對癲癇的作用機制. (1) 酮體具有直接抗驚厥作用：乙酰乙酸和β-羥基丁酸均能阻斷谷氨酸轉(zhuǎn)運體囊泡的形成，抑制谷氨酸在突觸間的傳遞，從而起到抗驚厥的作用. Huttenlocher, P. R.等通過一項臨床實驗證實，血漿中的酮體有直接抗驚厥的作用[13]. (2) 通過線粒體代謝激活ATP敏感型鉀離子通道：三磷酸腺苷鉀離子通道開放的作用是降低動作電位頻率、保護神經(jīng)元，起負反饋調(diào)節(jié)作用. Yellen, G等研究發(fā)現(xiàn)，ATP依賴的鉀離子通道的激活能夠保護神經(jīng)元免受損傷，從而減輕癲癇發(fā)作對大腦的損害[14]. 在進行生酮飲食治療時，因動物體內(nèi)的糖酵解途徑受抑制，ATP/ADP減小，進而使鉀離子通道開放，發(fā)揮腦保護作用，預防癲癇發(fā)作[15]. (3) 碳水化合物攝入減少的直接作用：葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT1)可以將葡萄糖從血液循環(huán)運送到大腦，當患者GLUT1發(fā)生突變時，會導致大腦中的葡萄糖供應不足，經(jīng)典生酮飲食和中鏈甘油三酯生酮飲食對有GLUT1突變的患者有積極的治療作用，被認為是酮替代了葡萄糖為大腦提供能量[16]. 在小鼠癲癇模型中，碳水化合物的補充會降低生酮飲食抗驚厥的作用效果[17]，說明高脂低糖對控制癲癇發(fā)作有重要作用.

2.1.2 中鏈脂肪酸對癲癇的直接作用. 盡管酮體具有一定的抗驚厥作用，但在對突觸傳遞和內(nèi)在神經(jīng)興奮性是直接或間接的影響仍有爭議. 在氨基丁酸受體拮抗劑戊四唑建立的大鼠癲癇模型中發(fā)現(xiàn)，高濃度酮體與癲癇的發(fā)作頻率相關(guān)性較弱[15]，最新研究發(fā)現(xiàn)，MKD代謝產(chǎn)生的中鏈脂肪酸，如辛酸和癸酸對控制癲癇發(fā)作有直接的作用. Wlaz P等研究證實，MKD中辛酸可以增大大鼠皮層的驚厥閾值，減少癲癇發(fā)作頻率[8].在6Hz刺激試驗(耐藥癲癇的一種模型)和最大電擊試驗(強直性陣攣發(fā)作模型)的動物模型中證實，癸酸可以降低癲癇發(fā)作的閾值，對癲癇控制起到直接作用. Tan, K. N. 等研究表明，MCT干預的癲癇患者中，癸酸攝入后可以很快的通過血腦屏障，在大腦中達到足夠的濃度后以減少興奮，從而減少癲癇發(fā)作頻率[18]. α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑受體(AMPA)介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞，其在突觸后膜的動態(tài)表達與長時程增強、長時程抑制的誘發(fā)和維持有關(guān). Rogawski, M.A. 等人研究證明極低濃度的癸酸可以選擇性或直接地抑制AMPA受體，抑制興奮性突觸的傳遞[19]. 直接抑制AMPA受體活性已被證實與治療局灶性癲癇和廣泛性強直性陣攣性發(fā)作有關(guān)，部分抗癲癇藥物是通過抑制AMPA受體來發(fā)揮療效，但作用靶點與癸酸不同[19,20].

2.2 MKD在多發(fā)性硬化癥中的應用

多發(fā)性硬化癥是一種以腦、脊髓白質(zhì)脫髓鞘為特點的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nervous system ，CNS)自身免疫性疾病. MS多發(fā)生于中青年，女性患病率約為男性的3倍. 病理特征為CNS脫髓鞘，軸索腫脹，炎性細胞浸潤，星型膠質(zhì)瘢痕增生，病灶分布廣泛. 臨床表現(xiàn)為感覺異常、視覺障礙、肌肉無力、共濟失調(diào)、認知障礙等. 目前，該疾病無法徹底治愈，藥物只能減緩疾病進展，常規(guī)的治療藥物主要是基于：(1) 對免疫系統(tǒng)的調(diào)控，增強免疫調(diào)節(jié)；(2) 對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的保護，改善神經(jīng)元的功能，進而改善病程的進展. 有研究證明MS的發(fā)生與線粒體功能損傷和炎性有關(guān).

William T.Regenold等研究顯示，MS患者CNS葡萄糖代謝的線粒體外途徑活性增加，這些能量代謝的改變可能與MS疾病進展的發(fā)病機制直接或間接相關(guān). 可見，保護線粒體或促進線粒體能量代謝有助于MS疾病的治療[21]. PGC-1α是線粒體功能的轉(zhuǎn)錄輔助激活因子，調(diào)控機體能量代謝， PGC-1α在MS患者皮質(zhì)錐體神經(jīng)元中的表達顯著降低，導致ATP供應不足[22]. 大量相關(guān)研究顯示，MKD在改善線粒體功能，抗炎等方面有重要的作用. Kirk Nylen等研究發(fā)現(xiàn)，生酮飲食可以增強線粒體功能，促進ATP生成，改善PGC-1α缺乏導致的ATP供應不足[23]. 越來越多的研究證明，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3 (Nucleotide- binding oligomerization domainlike receptors family pyrin domain containing 3, NLRP3)炎癥小體異?；罨瘏⑴cMS的發(fā)病過程. NLRP3最重要的功能是形成炎癥小體，并促進IL-18 和IL-1β的成熟與分泌. 實驗性自身免疫性腦脊髓炎(簡稱EAE)，是一種常見的模擬MS的動物模型. 炎癥小體的產(chǎn)物Caspase-1、IL-11β及IL-18已被證實有助于EAE的發(fā)生發(fā)展. Caspase-1、IL-1β及IL-18的缺陷鼠表現(xiàn)出對EAE的抵抗耐受，同時也伴隨著IFN-r以及IL-17水平的降低. 有關(guān)報道指出，NLRP3缺陷鼠的EAE病情明顯緩解，同時炎性細胞的浸潤明顯減少，說明NLRP3通過IL-18調(diào)節(jié)EAE. Inoue等研究發(fā)現(xiàn)，在MS患者中Caspase-1、IL-1β 和 IL-18 的表達顯著升高，表明NLRP3炎性小體與MS有關(guān)[24]. Goldberg, E. L等研究發(fā)現(xiàn)，生酮飲食代謝產(chǎn)物β-羥基丁酸可以抑制NLRP3炎性小體，起到抗炎的作用，而MKD產(chǎn)酮率高，可更有效的控制MS疾病的進展[25]. 此外，MCT在體內(nèi)消化代謝的速度與葡萄糖相當，且產(chǎn)生的能量高于葡萄糖產(chǎn)生能量的2倍，可改善MS患者腦能量供應不足的情況.

2.3 MKD在阿爾茨海默癥中的應用

阿爾茨海默癥是一種常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)以記憶功能障礙、認知障礙、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及以人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)為特征. 主要病理學改變包括：大腦皮質(zhì)彌散性萎縮，錯誤折疊的β-淀粉樣蛋白(Aβ)在大腦中沉淀形成的淀粉樣蛋白斑塊，Tau蛋白過度磷酸化導致的神經(jīng)纖維纏結(jié)，神經(jīng)元大量丟失等. 隨著人口老齡化加劇，阿爾茨海默癥的發(fā)病率逐年增高，給社會和家庭帶來沉重負擔. 大多數(shù)藥物(如多奈哌齊、卡巴拉汀、加蘭他敏、美金剛等)治療僅能適度緩解癥狀，但不能改變疾病的進展. 考慮到一些肝損傷患者代謝酶活性的下降，以及MKD對大腦的積極作用，結(jié)合阿爾茨海默病的多種病理特點，使患者優(yōu)先考慮MKD進行干預治療. MKD可以通過各種途徑有效的治療AD：(1) MKD能夠增強線粒體供能，改善糖代謝；(2) 代謝產(chǎn)物酮體，尤其是β-羥基丁酸可以防止β淀粉蛋白毒性對海馬神經(jīng)元造成損害；(3) 改善tau蛋白和β淀粉蛋白的病理狀態(tài).

谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，谷氨酸受體的活化和Ga2+內(nèi)流對神經(jīng)元的形成及存活和腦發(fā)育時神經(jīng)細胞的遷移及突觸的形成有著至關(guān)重要的作用. 谷氨酸受體過度刺激，將導致Ga2+內(nèi)流，神經(jīng)細胞損傷. AMPA受體，是谷氨酸受體的一種亞型，AMPA受體介導中樞神經(jīng)系統(tǒng)快速興奮性突觸傳遞，導致鈣離子大量內(nèi)流，從而引起神經(jīng)毒性[26].此外，AMPA受體參與tau蛋白的異常磷酸化，與神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成有關(guān)，可見，AMPA受體過度活躍促進AD的神經(jīng)毒性. MKD代謝產(chǎn)物癸酸可抑制AMPA受體活性，從而減少神經(jīng)毒性，起到治療AD的作用. Yoshihiro Kashiwa等研究表明，β-羥基丁酸可以保護海馬神經(jīng)元不受β-淀粉樣蛋白毒性的損害[27]. Miho Ota等在20名輕度阿爾茨海默癥患者接受MKD治療后的第12周并對AD患者進行數(shù)字符號測試和即時邏輯記憶測試發(fā)現(xiàn)，AD患者的癥狀明顯改善[28]. 可見，MKD在治療輕度AD患者非文字記憶中起到積極的作用. 此外，MKD治療時，AD患者可通過使用酮體作為大腦的能量補充來源，減少淀粉樣斑塊的沉積，逆轉(zhuǎn)淀粉樣毒性. 越來越多的證據(jù)證明，MKD可能通過多種代謝機制治療阿爾茨海默病如減少神經(jīng)炎癥、通過增強線粒體功能來加強代謝等，值得臨床廣泛研究.

2.4 MKD在帕金森中的應用

帕金森是老年人常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其臨床特征主要表現(xiàn)為視覺減退、頑固性便秘、睡眠障礙、情緒障礙、疼痛、疲勞、運動遲緩、靜止性震顫、肌強直以及姿勢步態(tài)異常等癥狀[29]. 中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性、死亡或是缺失是其主要病理改變. 隨著老齡化社會的到來，其發(fā)病率呈上升趨勢. 近年來，臨床實驗研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食可以降低帕金森患病的風險. Vanltallie 等在一項臨床實驗中，證明受試患者接受4周生酮飲食后，所有受試者的疲勞、步態(tài)和平衡障礙均有改善[30].

帕金森應用比較廣泛的動物模型是神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP).MPTP可引起多巴胺神經(jīng)元的退行病變，產(chǎn)生與帕金森相似的癥狀和病理改變. Kim Tieu等通過MPTP建立的小鼠帕金森模型，發(fā)現(xiàn)KD代謝產(chǎn)生的β -羥基丁酸能夠保護神經(jīng)元減少MPTP誘導下多巴胺神經(jīng)元的退行性病變和改善帕金森病的運動障礙功能[31]. CHENG B等通過對小鼠MPTP模型觀察發(fā)現(xiàn)，生酮飲食組在逆轉(zhuǎn)MPTP誘導下,細胞外谷氨酸鹽降低，增加紋狀體的谷氨酸鹽上較其它組均差異顯著，這種增加可能與丘腦-皮層-紋狀體通路活性增強有關(guān)[32]. Ilona Joniec-Maciejak等在MPTP誘導的小鼠PD模型中發(fā)現(xiàn)，補充辛酸可以增加過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子-1α(PGC-1α)的表達，從而顯著改善紋狀體多巴胺神經(jīng)傳遞的障礙[33]. 另一項研究顯示，在神經(jīng)毒共性6-羥多巴胺建立的帕金森模型中，MKD能夠上調(diào)黑質(zhì)和紋狀體區(qū)谷胱甘肽水平，增強線粒體抗氧化能力，防止線粒體DNA受氧化劑的損傷，保護多巴胺神經(jīng)元抵抗6-羥多巴胺的毒性作用[34].

有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)PD的進程和炎性有關(guān)，PD患者黑質(zhì)密部存在大量激活的小膠質(zhì)細胞. 激活的小膠質(zhì)細胞能夠釋放多種炎性因子，如IL-1，IL-6，TNF-a、干擾素(IFN)-r，巨噬細胞集落因子，趨化因子等，這些因子可增強谷氨酸能神經(jīng)元的傳遞，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成明顯的興奮性神經(jīng)毒性作用. MKD的抗炎作用，其機制可能通過降低NF-kB表達水平，抑制白介素合成，抑制誘導型一氧化氮合成酶的(iNOS)活性及抑制谷氨酸興奮性突觸的傳遞等方面，對PD起到治療的作用.

2.5 MKD在亨廷頓病中的應用

亨廷頓又稱慢性進行性舞蹈癥，多發(fā)生于中老年人，起病隱匿，進展緩慢. 其病理特征為，基底節(jié)區(qū)和大腦皮質(zhì)變性，神經(jīng)元死亡. 臨床癥狀主要表現(xiàn)為舞蹈樣不自主運動、精神障礙和進行性癡呆. 非藥物飲食療法-MKD，可通過以酮體作為供能物質(zhì)，改善線粒體損傷，從而減緩病程的發(fā)展. HD與其他神經(jīng)退行性疾病相似，與線粒體損傷和能量代謝缺陷有關(guān)[35]. Marta Balietti等研究發(fā)現(xiàn)MKD干預亨廷頓小鼠8周后，線粒體琥珀酸脫氫酶的活性高于對照組，說明MKD可以改善線粒體功能損傷，起到神經(jīng)保護的作用[36]. 在 HD 細胞模型中發(fā)現(xiàn)，胰島素和 IGF-1 激活 AKT 后能改善細胞線粒體功能，抑制細胞凋亡[37]. David N.Ruskin等在亨廷頓病轉(zhuǎn)基因小鼠模型(R6/21J)中發(fā)現(xiàn)，生酮飲食組減緩轉(zhuǎn)基因亨廷頓小鼠體重的下降，增強其運動和協(xié)調(diào)能力[38]. 綜上所述，生酮飲食療法可以改善HD模型組線粒體損傷，增強機體的能量代謝.

3 小結(jié)與展望

MKD對多種神經(jīng)退行性疾病具有一定的治療效果，可明顯改善患者的臨床癥狀，社會行為，相較藥物更為安全，無毒副作用，具有廣闊的發(fā)展前景. 中鏈甘油三酯生酮飲食與其他類型生酮飲食相比不僅產(chǎn)酮率高而且代謝產(chǎn)生的中鏈脂肪酸還可直接為大腦供能，更有效地降低了由于供能不足引起的腦代謝障礙. MKD改變了傳統(tǒng)的飲食結(jié)構(gòu)，脂肪酸成為主要的能量來源，因此，長期食用“生酮飲食”會引起胃腸道不適、進行性骨鈣丟失，骨密度降低[39]. 在KD治療早期，需經(jīng)醫(yī)囑，客觀評價患者的胃腸道功能，檢查尿酸水平、電解質(zhì)及微量營養(yǎng)素等[40]. 目前，雖然MKD的作用機制目前尚未明確，但是MKD可以通過影響神經(jīng)元能量代謝，增強線粒體功能，改善抗氧化應激，抗炎等方面，增強對神經(jīng)系統(tǒng)的保護. 神經(jīng)系統(tǒng)疾病是多機制引起的，MKD可能從多個機制發(fā)揮作用，改善患者的生活質(zhì)量. MKD的潛力巨大，有待發(fā)掘.