生酮饮食的抗肿瘤机制

文章来源:曲芊诺,饶本强,石汉平.生酮饮食的抗肿瘤机制.肿瘤代谢与营养电子杂志2016,9(3):191-194

正文

生酮饮食（ketogenic diet，KD）特指一类富含天然脂肪，但包含适当比例的蛋白质并限制碳水化合物的饮食组合。1921 年Wilder RM 发表了题为The effects of ketonemia on the course of epilepsy 的文章[1]，首次发现KD 在治疗癫痫方面具有良好作用。随着社会的发展，慢性代谢性疾病如肥胖、糖尿病、高血压等已成为了当代社会十分严峻的健康问题，越来越多的研究关注于KD 和慢性代谢性疾病的关系[2]。美国研究者Seyfried TN[3] 阐明了肿瘤本质上是一种代谢性疾病， 并且得到了许多学者认同。由此，KD 也逐渐扩展至肿瘤的治疗研究，已发表多篇论文表明了KD 可用于辅助治疗多种肿瘤，如神经系统肿瘤、头颈部肿瘤等[4, 5]，1987 年Tisdale MJ 等[6] 还发现，KD 可减轻结肠癌小鼠瘤体的重量并改善恶液质，也有KD 用于临床治疗肿瘤患者的报道，如KD 治疗神经胶质瘤[7]、胃癌[8]、前列腺癌等[9-11]，同时，KD 在治疗过程中未发现引起不良反应，甚至可以改善患者的情感功能和睡眠问题[12]。

Seyfried TN 同时阐述了肿瘤细胞的一系列代谢特点，如葡萄糖摄取增加、磷酸戊糖途径活跃、胆固醇合成增加、支链氨基酸摄取和代谢增加等。其中最著名的就是Warburg OH 提出的“Warburg 效应”，即肿瘤细胞比正常细胞需要消耗更多的葡萄糖，即使在有氧存在的情况下，也是优先进行糖酵解。这样，肿瘤细胞消耗葡萄糖产生大量的乳酸盐，并合成大量ATP，提供肿瘤细胞生存所需的能量。根据肿瘤细胞的代谢特点，近年来，许多研究者也在进一步探究KD 的抗肿瘤机制。

KD 在肿瘤治疗中发挥作用可能的机制是多方面的，主要机制如下：

1 减少葡萄糖供应

“Warburg 效应”本质是无论在有氧还是无氧的条件下，肿瘤细胞总是十分“偏爱”葡萄糖，即优先利用糖酵解供能。Seyfried TN 等[13] 利用线性回归分析发现，在C57BL/6 小鼠体内，肿瘤的生长速率与血糖的水平密切相关：血糖水平越高，肿瘤生长速度越快，血糖水平下降则会引起肿瘤体积的减小和生长速率的下降，见图1。较高的血糖水平不仅可以加快肿瘤患者体内肿瘤的增殖，还会引起放疗患者脑白质的损伤，同时，也会引起肿瘤患者较差的预后。所以，血糖水平的升高可加速肿瘤的生长在动物和人体实验中均得到了证实。另一方面，Schroeder U 等[14] 的一项实验研究发现，给予KD后可见人体血糖水平的下降。由此推测，KD 可通过限制葡萄糖的供应发挥抗肿瘤的作用。

糖酵解是肿瘤细胞的主要供能方式，同时，这一过程也会加速肿瘤的增殖。给予KD 后，血液中葡萄糖水平将会有所下降，从而会引起糖酵解的减少。在正常细胞中，若降低葡萄糖的水平，细胞会升高葡萄糖转运体（glucose transporter 1，GLUT 1）的表达水平以获得更多的葡萄糖，但是在肿瘤细胞中，GLUT 1 的水平恰恰会降低[13]，肿瘤细胞只能试图与正常细胞竞争葡萄糖供能。但是，肿瘤细胞本身存在着一定程度的功能紊乱，与正常细胞竞争处于劣势，肿瘤细胞因为无法获得足够的能量而被“饿死”。另一方面，2016 年Jansen N 等[15] 研究发现，KD 可以抑制一种促进肿瘤细胞糖代谢的蛋白-- 转酮醇酶样蛋白-1（transketolase-like-1，TKTL-1）的表达（该蛋白被证实是一种独立的促肿瘤标志物）。所以，KD 可通过抑制糖酵解起到抗肿瘤的作用。

2 降低胰岛素和胰岛素样生长因子水平

大脑需要葡萄糖供能，因此，葡萄糖对于生命活动十分重要。胰岛素是调节体内葡萄糖水平的主要激素，由胰腺细胞产生。在人体摄取含有较高碳水化合物的食物时，血液中的胰岛素会相应地升高，帮助这些含有碳水化合物的食物进行分解，把已经进入血液中的葡萄糖“推”入细胞，血中的胰岛素越多，表示更多的葡萄糖分子会进入细胞内，供肿瘤细胞生长。KD 强调利用脂肪来源的能量，而减少碳水化合物和蛋白质的摄入，从而可以有效地降低胰岛素的水平，限制肿瘤细胞的生长。血液中较低水平的葡萄糖也能够抑制胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）和其它的一些促进肿瘤生长的因子，从而通过降低PI3K/Akt/mTOR 通路的活性来抑制肿瘤生长[16]。

3 改善免疫应答抑制

Lussier DM 等[17] 关于脑胶质瘤的研究表明：给予KD 的荷瘤小鼠比正常饮食的小鼠有更高的生存率，同时，与CD8⁺T 细胞减少的小鼠相比，CD8⁺T 细胞正常的小鼠拥有更高的生存率，见图2。因此，猜想KD 治疗肿瘤可能与免疫应答有关。在体内，肿瘤细胞表达免疫抑制蛋白是肿瘤限制免疫应答的机制。细胞毒性T 淋巴细胞相关蛋白质 4（cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4，CTLA 4）和程序性凋亡蛋白1（programmed death1，PD 1）是两种在激活的T 细胞表面表达，调节免疫增殖活性的肿瘤抑制蛋白。研究发现，KD 可抑制两种蛋白的表达，改善肿瘤免疫应答的抑制。

4 调节mTOR 途径

mTOR 信号通路在细胞的生长、分化和代谢等方面发挥重要的作用。由于mTOR 可调控多种与细胞增殖分化相关的通路，如：PI3K/Akt、TSC、Ras、NF-κB 等，近年来，mTOR 信号通路的研究也被广泛应用于抗肿瘤领域。在正常细胞中，mTOR 可起到维持细胞功能和稳态的作用，但在肿瘤细胞中，mTOR 上游信号的突变或过表达则会引起肿瘤的增殖[18]。因此，抑制mTOR 信号通路已被作为抗肿瘤的重要靶点。PI3K/Akt 通路的激活可活化mTOR 信号通路诱发肿瘤，KD可通过抑制Akt 通路对mTOR 信号通路的活化作用起到抗肿瘤的作用。另外，已知p-S6 和p-Akt是mTOR 信号通路活化的标志物，之前有研究表明，KD 可抑制p-Akt 和p-S6[19]，从而抑制肿瘤，见图3。

5 抑制炎症反应

炎症不仅可以诱发肿瘤更可以促进肿瘤恶化[20]。核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）是一种可以加重组织炎症反应的转录因子，其活化或磷酸化可以反式激活在炎症或恶性肿瘤中表达的环氧酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）或同种异体移植炎症因子-1（allograft inflammatory factor-1，AIF-1），NF-κB 被激活后可以活化多种炎症因子，如肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor alpha，TNF-α），白介素-6（interleukin-6，IL-6），白介素-8（interleukin-8， IL-8）和基质金属蛋白酶-9（matrixmetallopeptidase-9，MMP-9）[21]。KD 可以抑制肿瘤组织缺氧标志物碳酸酐酶（carbonic anhydraseIX，CA IX）和低氧诱导因子-1α（hypoxia induciblefactor-1α，HIF-1α）的表达，从而降低NF-κB以及COX-2 的活性，发挥抗炎、抗肿瘤作用。

6 增加肿瘤细胞的氧化应激

线粒体解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP）可降低线粒体内膜质子梯度，减少活性氧簇（reactive oxidative species，ROS）的产生。在正常细胞中，KD 可通过升高UCP 的表达水平，引起ROS 产生减少，减轻了正常细胞的氧化应激损伤，起到保护作用[22]，见图4。但对于肿瘤细胞，由于其线粒体自身存在DNA 突变以及核编码蛋白的改变，导致了线粒体氧化呼吸过程中产生了过多的ROS，引起肿瘤细胞自身的氧化损伤[23]，在此基础上，由于肿瘤细胞与正常细胞在基因表达上存在诸多差异，因此不同于正常细胞，在肿瘤细胞中KD 会引起ROS产生增加，更进一步促进肿瘤细胞死亡[24]。

7 调节线粒体功能

线粒体在体内发挥着多种重要作用，包括产生ATP、维持稳态、调节ROS 等。研究表明，几乎所有的肿瘤细胞都有不同程度的线粒体结构异常：正常细胞的线粒体存在大量的嵴结构，但是肿瘤细胞的线粒体则会出现局部的膨胀和嵴结构的大量减少，见图5。由于嵴结构包含了大量与呼吸作用相关的蛋白，肿瘤细胞的异常结构减少了其氧化磷酸化产能并增加了其消耗葡萄糖的能力[13]。在给予KD 3 周的大鼠大脑中可见防御氧化应激的转录因子NFE2 相关因子2（NFE2-relatedfactor 2，Nrf 2）蛋白的累积，从而产生更多的抗氧化剂如谷胱甘肽（glutathione，GSH），GSH 在维持线粒体氧化应激中起到十分重要的作用，因此认为KD 可通过Nrf2 通路调节线粒体功能[25]。

由于KD 在肿瘤治疗领域有较好的应用前景，近年来，生酮饮食成为了许多研究者的关注热点。根据肿瘤细胞的代谢特点，以“Warburg 效应”为基础，目前的研究认为，KD 可通过减少葡萄糖的供应、增加肿瘤细胞的氧化应激、降低胰岛素和IGF-1 水平、调节mTOR 途径等多方面机制起到抗肿瘤的作用，更多的机制则需通过进一步的研究来支持。

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