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生酮饮食（Ketogenic diet，KD）最早开始于20世纪20年代初，来自美国梅奥医学中心的Russel Wilder，他在发表的论文中提出：采用生酮饮食可以模仿饥饿时的代谢效果，从而达到抑制癫痫的发生。 随后科学家发现，生酮饮食除了能降低血糖水平以外，还可以特异性靶向肿瘤细胞代谢，具有不同程度的抗肿瘤作用。不同学者在各种肿瘤模型如脑恶性肿瘤、前列腺癌、胃癌、肺癌及头颈部肿瘤中均证实了其抗肿瘤作用。 所谓的生酮饮食，是一种用高比例脂肪与适量蛋白质和低碳水化合物的饮食方法。生酮饮食属于一种极低碳水化合物膳食，但是它与其他低碳水化合物膳食不同的是，生酮饮食对于蛋白质的摄入也有限制。 它的三大宏量营养素比例是高脂肪（占到总热量的70%~80%）、适量蛋白质（1g/kg）、极低碳水化合物（每日的碳水化合物摄入通常小于50g甚至有时会小于20g）。 结直肠癌（CRC）是世界上最常见的威胁人类健康的恶性肿瘤之一。多项荟萃分析表明，与较高的身体质量指数（BMI)和能量摄入相关的后继衍生的不健康饮食模式，如淀粉类食物、含糖饮料、咸零食、红肉和加工肉类以及精制碳水化合物，会增加结肠癌的风险。 
最近发表在著名的《Nature》杂志上的一篇研究文章显示，在小鼠模型中，生酮饮食有抑制结直肠癌的作用。 Dmitrieva-Posocco等人通过在不同住房条件下的偶氮氧甲烷/葡聚糖硫酸钠(AOM/DSS)诱导模型和遗传小鼠模型(Cdx2creERTAPCfl/fl)中饲喂设计的含有恒定蛋白质和不同脂肪/碳水化合物比例的小鼠饲料，检测了饮食干预对CRC生长的影响。他们观察到，随着脂肪与碳水化合物比例的增加，抑制作用逐渐增强，尤其是在脂肪含量为90%的生酮饮食组，无论其来源如何。此外，在AOM/ dss模型构建过程中，用KD替代正常饲料也抑制了CRC的生长，而当恢复正常饲料时，这种作用消失。 
生酮饮食介导抑制结直肠癌生长的分子机制示意图
为了揭示KD抑制CRC生长的潜在机制，作者研究了两种确定的KD抑制因子，产生il -17的免疫细胞和NLRP3炎症小体，分别在Rag1−/−小鼠和NLRP3缺陷骨髓嵌合小鼠的AOM/DSS模型中发挥作用。KD对肿瘤抑制作用无明显改变。事实上，免疫组化染色显示，在健康和CRC负担小鼠中，肠上皮细胞周转整体下降(即增殖增加和凋亡减少)。因此，他们采用类器官系统和共培养的方法，发现KD通过抑制肠隐窝Lgr5+干细胞的功能来减慢细胞更新。这些结果揭示了KD在CRC治疗中的靶细胞。此外，作者评估了KD、乙酰乙酸和BHB（β-羟基丁酸）的典型代谢物通过类器官培养对上皮细胞生长的作用，并证明只有BHB可以以浓度依赖的方式抑制肠道类器官的生长。值得注意的是，在体外环境下BHB的有效浓度与KD喂养小鼠肠道中的水平相似，而且肿瘤来源的类器官对BHB比野生型类器官更敏感。有趣的是，BHB在体内的浓度不影响正常类器官的细胞活性，这表明BHB是CRC治疗中KD的有效代谢物。通过口服BHB酯或渗透性微泵给药BHB盐提高血清BHB浓度进一步证实了这一假设，这意味着利用BHB来限制CRC的进展在临床实践中具有很强的可操作性。
BHB是哺乳动物中含量最丰富的酮体，除了作为能量载体外，还在维持细胞稳态方面发挥多种功能，包括脂质代谢、代谢率、基因表达等。为了揭示BHB的下游靶点，作者利用RNA测序(RNA-seq)在BHB处理过的类器官中筛选肿瘤负调控因子homeobox only protein homeobox (Hopx)。通过敲出或过表达干预Hopx的表达确实调节了BHB对类器官生长的抑制作用。此外，KD的抑制作用在CRC承载的hopx缺陷小鼠中消失，并伴有几种增殖相关通路的激活。这些数据表明，Hopx是BHB发挥肿瘤抑制作用的一个重要下游靶点。此外，他们试图揭示BHB如何提高Hopx的详细机制，然而，通过分别比较抑制剂处理组和BHB处理组的RNA-seq或ChIP-sequencing和亚硫酸盐测序结果，排除了两种典型的转录调控因素，组蛋白去乙酰化和DNA甲基化，尽管组蛋白去乙酰化和DNA甲基化抑制剂抑制了类器官生长。然后，利用有机类CRISPR系统筛选BHB的7个候选下游基因。在这些基因中，只有Hcar2，一个BHB受体缺乏的类器官，表现出对BHB治疗的强抗性，并未能激活Hopx。这些结果表明，Hcar2是BHB-Hopx轴发挥肿瘤抑制作用不可或缺的中介。更重要的是，在人类健康或患者肠道隐窝培养的类器官中也发现了BHB-Hopx通路在CRC治疗中的作用，临床数据显示血清BHB、结肠Hopx水平和细胞周期之间存在很强的相关性，这意味着操纵BHB-Hopx通路可能是CRC治疗的一种潜在有效方法。
总之，Dmitrieva-Posocco等人的工作揭示了KD通过激活BHB-Har2-Hopx轴抑制CRC生长的新机制，为CRC治疗提供了新的思路。然而，Har2如何调控Hopx表达以进一步调控增殖信号通路的具体机制尚不清楚。此外，在识别这一信号轴的过程中，本研究中基于KD的多重联合治疗也证明了不同机制对肿瘤抑制的叠加效应，如与葡萄糖限制、组蛋白去乙酰化酶抑制剂(vorinostat和丁酸盐)和DNA甲基化抑制剂(5-氮杂胞苷)联合。此外，考虑到Hopx在KD喂养的小鼠结肠组织中特异升高，且仅在少数CRC细胞系中对BHB有反应，再加上KD已在临床上用于癫痫已有多年的事实，基于KD的多种组合策略为CRC患者的个性化治疗提供了多种选择，尤其是BHB- hcar2 -Hopx轴高反应类型。 生酮饮食的研究成果主要停留在细胞和动物实验，只有少量的人体实验，效果和安全性还有待进一步验证。同时生酮饮食方案需要长期坚持和定期对酮体进行监测，因此需要经过专业医师或营养师对患者病情进行全面评估后才能给出是否适合生酮饮食治疗及食谱建议。
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