2017（0109）饮食限制对肾损伤的保护作用

饮食限制对肾损伤的保护作用

王思扬,蔡广研.［J/CD］.中华肾病研究电子杂志,2017，6(1)：39-43.

 

【摘要】饮食限制（DR)又名为热量限制（CR），现已成为一种新的干预方式被广泛研究。其延长寿命作用已被充分证明，如可明显延长如果蝇、蠕虫、啮齿类及哺乳类动物模型的寿命。调整饮食总的热量或者其中某些营养组分的摄入以及模拟限食药物对衰老相关肾脏疾病和急性、慢性肾脏损伤同样具有预防或者干预作用。其机制涉及增加自噬，减轻炎症和氧化应激，增加胰岛素敏感性，上调SIRT1等。通过对CR相关机制的深入研究，进而提出更加精准的饮食或药物干预方案，对于肾脏的保护具有重要意义。

【关键词】限制饮食;肾损伤;衰老

 

研究发现，减少食物的摄入量，避免营养不良，对于无脊椎动物，啮齿动物，灵长类动物等模型生物，都可达到改善老化和老化相关疾病的效果。同时，调整饮食总的热量或者其中某些营养组分的摄入对急性、慢性肾脏损伤同样具有预防或者干预作用。减少饮食中蛋白质摄入量可以改善尿毒症症状，使低蛋白饮食成为慢性肾脏病（CKD）治疗的重要干预措施之一。低蛋白饮食（加必需氨基酸或酮酸）能够改善CKD代谢紊乱、纠正代谢性酸中毒、钙磷代谢异常等，推迟肾脏替代治疗的时间。本文将对饮食限制（dietary restriction, DR）对肾脏的保护作用做一综述。

 

一、饮食限制的定义及意义

在Mesh词表中，饮食限制又名为热量限制（calorie restriction，CR），是指在保证营养充足的前提下减少热量摄入。在动物试验中，CR已被证明可延长寿命及改善多种生命体征。

 

二、饮食限制的类型

在文献中，饮食限制多与 CR通用，指食物消耗在整体水平上的下降。大部分研究集中于对日常饮食总热量的整体限制，限制饮食的方式和时间也有很大不同，包括间断的禁食、20%~40%限食，时间从几周到终生不等［1］。在大量集中于整体限食而引起的热量摄入减少所达到的有益效果后，有研究开始寻找是否饮食限制而引起的膳食中某一类营养素摄入的减少对机体起到协同作用，如蛋白质、脂质，碳水化合物等。但研究显示单独的碳水化合物、脂类、矿物质等限制并未明显起到延长寿命、抑制肿瘤等作用［2-3］。而集中于蛋白质限制的大部分研究都报道了其显著的延长寿命作用，虽效果并不及40%的整体限食，但可以表明蛋白质限制在整体限食中的重要作用［4］。所以近期已有文献开始探究是否某一种氨基酸的限制在蛋白质限制中占主要作用［5］。

 

三、关于饮食限制的研究

对于CR的研究多集中于基础研究，用以观察对动物模型寿命及相应疾病模型的作用，机制涉及增加自噬，减轻炎症和氧化应激，增加胰岛素敏感性，上调SIRT1等。而临床则多集中在对于肥胖患者或糖尿病患者关于代谢指标及胰岛素敏感性进行的研究。同时也观察了氧化应激、炎症及心血管危险因素等相应指标。针对肾脏保护作用临床研究目前多集中在CKD患者的蛋白摄入及糖尿病肾病患者蛋白及整体饮食摄入。

对于衰老及衰老相关改变的延缓作用是CR初期研究时的主要观察指标，在人类、小鼠、果蝇和蠕虫等各类动物模型中均有涉及。CR最开始由McCay等［6］在1935年的研究中发现可延长啮齿类动物的平均及最长寿命。到20世纪80年代，美国国家衰老研究所确立了CR的营养管理指南并向外提供CR模型［7］。

随后Kirk［8］的研究表明，限制热量摄入可以预防或延迟年龄相关性肾病的发生。最近，Colman等［9］也公布了在灵长类动物中CR研究长达20年的纵向结果，显示CR对于抵抗年龄相关疾病和死亡的效果［9］。在大鼠研究中也表明，CR可减少肾小球系膜基质扩张，减少蛋白尿，并防止与年龄相关的肾小球硬化［10］。

目前针对肾脏衰老的大多数研究还是以啮齿动物或灵长类动物模型为主，许多研究证明，CR能延缓衰老引起的慢性肾脏病，改善肾脏功能，并且延缓肾脏疾病的发病率。在一项对于CR的Meta分析显示，CR可延缓CKD啮齿动物模型的病程进展，降低血清肌酐、尿素氮及蛋白尿，并且通过减少如CKD等疾病的发病率来提高生存率［1］。

而CR在人群中的临床研究并不多见，目前还缺乏大样本的随机对照试验来判断热量限制对 CKD 患者的作用。Giordani等［11］通过对14例患有2型糖尿病和CKD 2期的肥胖病人的肾小球滤过率（GFR）分析表明，7 d的低热量饮食就可使这些病人的GFR有显著改善。在2003年，Morales等［12］对体重减轻与有蛋白尿的慢性肾脏疾病进行了研究。他们将30例过重和肥胖的有蛋白尿的患者（包含糖尿病肾病和其他以蛋白尿为表现的肾脏疾病）随机分为两组，分别给予正常饮食或低热量饮食。5个月后，CR组患者的尿蛋白下降了30%（从平均2.8 g/d降到1.9 g/d）；在肾功能方面， CR组的肾功能保持稳定,自由饮食组肾功能有恶化的趋势，但是两组之间未发现显著差异。

人的衰老过程是非常缓慢的，临床对饮食干预延缓衰老研究会耗时很长，且人们可能会因麻烦而难以执行。此外，由于CR仍有许多负面影响，如生活质量下降和性欲减退、运动神经元容易退化、促进肌萎缩性侧索硬化症等，普通人很难接受长期的CR。因此虽然CR在从蠕虫到灵长类动物模型中都证明了与长寿相关，但人群中长期的饮食干预依旧难实现。故模拟限食药物对于延长健康人群寿命可能是更适宜的干预方法。

 

四、饮食限制作用的相关机制

1.增强自噬：自噬已成为近些年的热门话题。自噬通过降解自身非必需成分来提供营养和能量，从而维持生命。也可降解潜在的毒性蛋白来阻止细胞损伤，或是阻止细胞的凋亡进程［13］。

在CR介导的寿命延长和抗衰老作用中，无论是低级物种还是哺乳动物，都已发现自噬的激活是必不可少的。短期CR即可激活肾小管上皮细胞自噬［14］，且在衰老大鼠中，长期限食可明显提高自噬，降低DNA损伤及衰老标志物的表达［15］。

2.抑制炎症:在衰老过程中，炎症反应与促炎反应（proinflammation）伴随衰老的发展而逐渐增高。而慢性炎症也开始被认为是一个与衰老过程相关的潜在危险因素［16-17］。所以抑制炎症被认为可能是延缓衰老的重要因素之一。

有报道显示，CR也可以通过降低炎症因子的水平，在动物体内发挥抗“炎性衰老”的作用。随着年龄增长，伴随着核因子-κB (NF-κB)转录水平的上升和促炎因子的增长［18］，在衰老大鼠脑微血管内皮细胞中，已证明CR可以促进抗炎作用。同时，6周的CR干预也可以降低大鼠肝脏内的炎症因子-肿瘤坏死因子-α（TNF-α）表达［19］。短期（4周）CR在减轻炎症的同时也可提高抗氧化标志物的表达，改善胰岛素相关敏感性，减少胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factors-1，IGF-1），减轻肾缺血再灌注损伤［20］。深入研究发现CR可通过诱导单Ig区IL-1相关受体（single Ig IL-1-related receptor，SIGIRR）过表达来阻断TLR4/NF-κB信号通路，进而降低下游炎症因子的表达，减缓肾脏炎性衰老［21］。故SIGIRR可能是CR发挥抗衰老作用的重要分子之一，并且可以将其当作减轻炎症，延缓衰老的新靶点。

3.减轻氧化应激:当机体持续遇到外界因素刺激时，体内活性氧类（reactive oxygenspecies，ROS）等高活性的分子产生过多，如果机体同时伴有抗氧化机制的缺陷，则氧化系统和抗氧化系统失衡会进一步加重，最终导致了组织细胞损伤［22-23］。因此，降低体内的氧化应激水平和（或）保持体内氧化还原平衡状态对延缓肾脏衰老有重要意义，也对预防和治疗衰老相关肾脏疾病发挥关键作用。

D-β-羟基丁酸(βOHB)是一种内源性和特定的组蛋白去乙酰酶抑制剂。外源性βOHB、禁食或CR都可增加βOHB，在小鼠组织中增加组蛋白乙酰化作用，该作用可以进一步增加包括Foxo3a和Mt2在内的抗氧化应激基因的转录，从而提高了小鼠肾脏抗氧化能力［24］。最新文献报道，CR对肝脏以及肾脏缺血再灌注损伤模型的保护作用是通过上调硫化氢(H2S)的表达从而降低线粒体内氧化应激水平实现的，进一步的体内和体外实验证明，限制含硫氨基酸（sulfur amino acid，SAA）即半胱氨酸和甲硫氨酸的摄入可引起内源性H2S的产生增加， 减少肝脏和肾脏组织的缺血-再灌注损伤［25］。衰老F344雄性大鼠经30%限食干预一定时间后，也能够上调内源性H2S的表达，降低ROS的生成，调节氧化还原平衡进而延缓肾脏衰老。同时发现不同CR时间对大鼠衰老肾脏的保护作用并不相同，终生CR和6个月CR延缓肾脏衰老的作用明显优于6周CR［26］。

4.增加转录调节因子SIRT1表达:最初，SIRT1被确定为一个烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide， NAD）依赖性组蛋白去乙酰化酶［27］。后续多年研究表明SIRT1通过调节许多内部核转录因子乙酰化来调控禁食器官能量代谢和应激反应［28］。SIRT1在CR有关的肾脏保护机制中的研究也逐渐深入。

与年轻小鼠相比，24个月大的小鼠在肾脏表现出SIRT1表达下降，线粒体氧化应激增加，且线粒体形态变化明显，如肿胀和崩解。12个月龄开始用40％的CR干预可改善衰老小鼠中观察到的所有变化［14］。长期CR可恢复自噬活动，甚至在老年肾脏也可发生。研究以上现象的机制时发现，SIRT1介导的自噬可能对于CR介导的延缓肾脏衰老至关重要。此外，Sirt1 /-的小鼠的肾脏表现出较低的自噬活动且基因BNIP3（bcl-2/adenovirus E1B19000 interacting protein3, bcl-2/腺病毒E1B19000相互作用蛋白3）表达降低，而BNIP3则能够促进自噬活动的进行。CR可激活SIRT1和FOXO3a转录活性并激活随后BNIP3介导的自噬。CR可使p62/Sqstm1积累，改善自噬系统的功能，使线粒体形态正常化，这些都伴随着SIRT1表达恢复［29］。

在肾脏疾病模型中，SIRT1可减轻顺铂诱导的肾小管损伤，其分子机制涉及灭活核心组转录和修复DNA损伤［30］。8周CR可以增加SIRT1在老年大鼠肾脏中的表达，抑制肾小管上皮细胞凋亡，减轻顺铂诱导的肾损伤［31］。SIRT1也在其他一些器官中表现出抗炎作用［32］。这表明SIRT1同样参与了CR相关的抗炎分子机制。SIRT1还可通过干扰HIF-2a激活，增加肾脏COX2的表达，增加过氧化物酶，抑制TGFb-Smad3、NF-kB、p53等通路达到抗炎、抗凋亡、抗纤维化、抗增殖的作用［33］。近期的研究已强调微炎症作为糖尿病肾病的发病机制或治疗靶点，鉴于SIRT1的上述作用，我们推测CR有望在以后的临床实践中被证实可改善糖尿病肾病患者的病情及预后。

5.饮食限制中蛋白质的作用:大量文献已证明了CR的保护作用，而CR的作用是否是饮食结构中的某种营养素所介导？在多种营养素比较后发现蛋白质限制可能在CR中具有重要意义［4］。

研究显示限制蛋白质摄入能达到与限制能量相似的效果。蛋白质限制可延长啮齿类动物寿命，但作用弱于CR［5］。若限制不同氨基酸，发现只有蛋氨酸限制可达到与蛋白质限制类似的降低线粒体复合物ROS产生、自由基泄露百分比以及线粒体DNA中的致氧化损伤产物8-羟基脱氧鸟苷［4］。而且慢性和过度蛋氨酸补充可以加重肾小管间质损害［34］。蛋氨酸补充在大鼠肝脏和肾脏中会增加两个衍生蛋氨酸循环代谢物，S-腺苷甲硫氨酸和S-腺苷高半胱氨酸，而一些损伤如线粒体氧自由基的生成和氧化性DNA损伤皆与这两个产物有关［35］。40％的蛋氨酸限制可降低线粒体ROS产生和自由基释放，降低肾线粒体DNA的氧化损伤，并降低线粒体蛋白质的氧化特异性标志物，lipoxidation和glycoxidation；同时也减少脑线粒体呼吸复合体Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ及凋亡诱导因子（apoptosisinduce factor, AIF）和肾脏线粒体复合物Ⅳ的数量［36-37］。Hine等［25］研究发现限制含硫氨基酸（sulfur amino acid，SAA）即蛋氨酸和半胱氨酸，会代偿性引起硫化氢合成酶胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine-gamma-lyase，CSE）和胱硫醚β合成酶（cystathionine-β-synthase，CBS）表达增加，引起肝脏和肾脏组织中H2S合成增加，调节肝脏和肾脏缺血再灌注损伤过程中的氧化还原平衡。这为限制蛋氨酸饮食对脏器的保护作用提供了新的研究机制。

 

五、模拟限食

已有研究者把目标转向了模拟限食（calorie restriction mimetics, CRM），即使用药物消耗食物和水，不用限制能量的摄入，最终达到同限食一样延长寿命及减少衰老相关性疾病的作用［38］。

1.二甲双胍:二甲双胍是CRM的代表药物之一。

双胍类是双胍复合物的衍生物，能够提高血糖的稳定性，并对衰老具有干预作用。其还能激活AMP依赖的蛋白激酶（adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK），抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）［39］。二甲双胍也能延长乳腺癌易感大鼠的寿命，并抑制糖尿病大鼠的动脉粥样硬化，延长啮齿类动物的寿命［40］。研究表明，乳腺癌中TGF-β可介导上皮细胞标志物E-cadhrin 的减少，二甲双胍可以抑制该过程。同时也能抑制马-达二氏犬肾间充质细胞标志物vimentin 的积聚［40］。由此可见二甲双胍对于减轻纤维化的潜在作用及对于TGF-β的抑制作用，其分子机制仍可表现为一个抗衰老过程［41］。

体内实验显示，在ZDF大鼠中，二甲双胍能降低ATP的产生及氧耗，并增加细胞内氧分压，降低缺氧诱导因子1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）表达及哌莫硝唑染色，减轻肾损伤［42］。而我们的体外实验研究也发现在人肾近端小管上皮细胞中，二甲双胍能够抑制HIF-1α及其靶基因的表达。

2.白藜芦醇:白藜芦醇是在葡萄皮中发现的一种单体，也能够模拟限食所产生的生物学效应，可以降低氧化应激时肾损伤。Kitada等［43］最近研究证明，在单侧输尿管梗阻动物模型或者体外培养的细胞中，白藜芦醇可以活化SIRT1，进而抑制Smad3乙酰化，使TGF-β1诱导的Ⅳ型胶原及纤连蛋白的表达减少，从而改善低氧应激时的肾脏损伤。白藜芦醇也能够通过激活SIRT1提高抗氧化作用，对急性和慢性肾脏损伤发挥保护作用［44］。

mTOR信号通路在糖尿病肾病和多囊肾中均有涉及［45-46］,白藜芦醇能增加mTOR与其抑制剂DEPTOR（DEP domain containing MTOR-interacting protein）之间的联系，抑制mTOR［47］，起到肾脏保护的作用。我们的研究也发现白藜芦醇模拟体外限食可改善高糖诱导的人近端肾小管上皮细胞衰老并阻止其旁分泌含有miR21微囊泡促进上皮细胞间质转分化（epithelial-mesenchymaltransition，EMT）这一过程。

总之，CR可通过不同途径在不同方面都发挥肾脏保护作用，且模拟限食药物效果的研究也已逐渐深入。但目前关于CR的研究多集中于基础研究，说明基础研究向临床的转化存在着一定困难。上述临床试验多以志愿者入组形式开展，结果与受试者的执行力有很大关系，故临床上强制限食恐怕难以达到预期效果。且限食的最佳方案、对患病人群限食涉及的伦理问题、对患者整体情况的影响等，都有待讨论。事实上CR本身也存在很多问题，如饮食限制的最佳持续时间及最佳起始时间、针对不同人群及患者的不同限食方案、限制整体热量与限制某一营养素的选择等；由于缺乏前瞻性临床试验，模拟限食药物是否适合临床应用，这些都是值得继续深入探讨的问题。未来希望通过对饮食限制相关机制的深入研究，提出更加精准的饮食或药物干预方案。

 

参考文献（略）

 

来源：