生酮饮食疗法与胶质瘤的治疗研究

范菲艳，刘 楠，刘 辉，张鹏幸，涂艳阳 （空军军医大学唐都医院实验外科，陕西西安710038）

0 引言

脑胶质瘤是一种常见的原发性脑内恶性肿瘤。其中，多形性胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）的长期研究进展甚微，被认为是最致命的脑癌。被称为“Warburg效应”的能量代谢异常的糖酵解发生在许多肿瘤中，包括胶质瘤。相比目前的其他疗法，代谢疗法是针对所有代谢疾病的肿瘤细胞（有氧发酵），而提高正常脑细胞和整个身体的健康与活力。生酮代谢疗法（KMT），即生酮或低糖饮食的营养干预，在神经胶质瘤患者中已被提议作为一种抗肿瘤的策略，是一种抗血管生成、抗炎和抗肿瘤的代谢疗法，降低肿瘤微环境中可发酵的能量。大量的临床前研究表明KMT对恶性神经胶质瘤模型系统有较好的疗效，并且安全性高。临床研究也表明KMT具有良好的安全性和可行性。这些研究显示KMT可以作为一种胶质瘤治疗的辅助手段，其最主要的方法是生酮饮食（ketogenic diet，KD），以下通过3个方面对生酮饮食疗法与胶质瘤治疗研究作一概述。

1 概念

脑胶质瘤是最常见的一种恶性肿瘤，大多具有恶性程度高和侵袭性强的特点。恶性神经胶质瘤是最常见的原发性脑肿瘤［1－2］。GBM是最常见和最激进型的神经胶质瘤［3－4］，有异常的不良预后，恶性程度最高。因为胶质瘤无肿瘤边界，且具有遗传不稳定性和高异质性等特点，从诊断开始平均总生存期（over⁃all survival，OS）为12～15个月，即使对 GBM患者作最全面的治疗，其5年生存率仍小于5%［5］。

肿瘤细胞能量代谢通常是异常地转向“有氧糖酵解”［6］。即使细胞有充足的氧，肿瘤细胞糖酵解同样活跃，使丙酮酸发酵成乳酸，出现叫做“Warburg效应”的现象。大多数恶性脑瘤不能通过氧化磷酸化产生足量的能量［7－9］。胶质瘤细胞极度依赖葡萄糖为主要能源生存和维持它们的侵袭性［10］。像大多数癌症一样，胶质瘤经常有紊乱的线粒体特异表达，阻碍有效的三羧酸循环和氧化磷酸化活动，而这是有氧ATP生产所必需的［11］。这在人星形胶质瘤和GBM细胞不仅反映在线粒体代谢和凋亡调控机制中的异常蛋白质组的变化［12］，而且反映在丰富的线粒体超微结构病理如嵴溶解和线粒体肿胀等。大多数肿瘤细胞主要依赖通过相对低效的胞质糖酵解途径而产生的ATP。作为一种补偿方式，糖酵解的基因表达和相关的糖酵解率通常在胶质瘤中上调［13］。临床研究证实了这个引人注目的葡萄糖依赖关系［17］。临床研究［14－16］发现高血糖症可以作为GBM患者总生存期的负预测因子。

基于KD的KMT可用于治疗胶质瘤。KD由高脂肪、适度的低蛋白质含量和非常低的碳水化合物组成，这迫使身体燃烧脂肪来代替葡萄糖合成ATP。一般来说，按重量比例是3∶1或4∶1的脂肪 ∶（碳水化合物＋蛋白质）。KD的核心概念主要是由脂肪代替碳水化合物和较少的蛋白质提供的热量。与其他生酮代谢治疗策略一样，由此产生的系统性变化是降低血糖水平和代谢转变成生理状态的系统性酮症［18］。 在体外［19］和体内［20］已被证明作为能量供应的可用葡萄糖的减少会有选择地饿死神经胶质瘤细胞。当个体摄食生酮饮食，肝脏通过脂肪酸的氧化发生脂肪代谢，生成包括乙酰乙酸盐、β⁃羟基丁酸（β⁃OHB）和丙酮的酮体。酮体从血液中运输到组织中并转化为乙酰辅酶A，而乙酰辅酶A是三羧酸循环第一步的底物。低碳水化合物含量的生酮饮食可能适度降低血糖，整体更好地控制血糖，降低糖化血红蛋白水平［21］。这种治疗也可以刺激人类的糖异生来弥补血糖水平的下降［22］。生酮饮食的依从性和有效性可以通过测量血清和尿液β⁃羟基丁酸来检测。

1995年，首次临床应用基于生酮饮食的生酮代谢疗法成功治疗恶性神经胶质瘤［23］。之后，啮齿动物在体研究［17］表明该饮食干预治疗恶性神经胶质瘤的有效性和安全性。而且，有临床报告包括肿瘤消退或持久的肿瘤控制的案例报告显示KMT在脑瘤患者中潜在的益处［24］，还有研究表明标准治疗加上生酮代谢疗法能延长患者总生存期［25］。代谢疗法使用葡萄糖水平较低的生酮饮食可以帮助延缓年轻和老年患者 GBM 的增长［26］。

2 方法

2．1 生酮饮食疗法 饮食构成发生改变致使血酮体增加的生酮饮食疗法，包括以下3种。

2．1．1 经典的长链脂肪酸饮食疗法（the classic KD）患者的饮食主要是由长链脂肪酸（long chain triglyceride，LCT）组成，脂肪 ∶（蛋白质＋碳水化合物）可以高达4∶1，产生的饮食能量分布为8%来自蛋白质，2%来自碳水化合物和90%来自脂肪。

2．1．2 中链脂肪饮食疗法（medium⁃chain triglyceride diet，MCTD） 患者的饮食主要由中链甘油三酯（the medium chain triglyceride， MCT）组成，脂肪 ∶（蛋白质＋碳水化合物）为1．5∶1，所产生的饮食能量有60%来自中链甘油三酯，与经典方法相比，单位质量的MCT可提供更多能量，碳水化合物和蛋白质的比例可以适当增多，在饮食搭配上更自由［27］。并且，中链脂肪饮食中的多不饱和脂肪酸具有抗炎、促凋亡和抗肿瘤的功效［28］。

2．1．3 Atkins 饮食疗法（the modified Atkins diet，MAD） Atkins饮食方案是在1972年由美国的Rob⁃ert Atkins医生提出的疗法，患者的饮食主要由低碳水化合物饮食组成，主要核心是限制碳水化合物的构成比例，特别是精制碳水化合物，如面粉和玉米的量。MAD不限制热卡、液体和蛋白质的构成比例，并且儿童碳水化合物不得超过 10 g／d，成人不得超过20 g／d，饮食中多增加脂肪。

2．2 限制能量饮食疗法（calorie restriction，CR）

对患者的饮食限制热量的摄入，使热量摄入低于正常饮食所提供的热量，但不能导致患者营养不良，这种疗法可以防止一些动物模型中由于自发性化学和放射性诱导的肿瘤发生［29］。

以上不同的方法中脂肪、碳水化合物和蛋白质这三大营养素的构成比例不太相同，使机体升高酮体的能力也稍有差别，但其本质都是通过饮食降低机体葡萄糖的水平，提高机体酮体的水平，使机体达到酮代谢的状态，抑制肿瘤的发生发展。而且不同种类的食谱搭配选择可以为不同需求的人群提供更多可选性。

3 机制

对于生酮饮食治疗的具体机制，仍不明了。但众多研究结果主要可以总结为几个方面。

3．1 活性氧自由基（the reactive oxygen species，ROS） Valko等［30］认为ROS介导的DNA损伤在肿瘤的发生发展中的作用是很重要的。线粒体为细胞供能，在机体中通过电子传递链生成水和CO2，是机体ROS的主要产生部位，线粒体DNA更易受ROS损伤，可能致使线粒体DNA突变［31］。突变的细胞通常有致癌基因生长因子和酪氨酸激酶受体的高表达，可能有肿瘤形成和慢性缺氧的产生［32］。KD的治疗价值可能超过血糖调节，因为酮体本身是具有神经保护性质［33］的活化信号代谢物［34］。 酮体β⁃OHB被认为是参与氧化应激保护的基因内源性感应器［35］。通过增加线粒体呼吸效率，酮体代谢可以促进ROS的消除，保护健康的脑组织［36］。有研究［37］用胶质瘤荷瘤鼠模型发现KD饮食减少了体内肿瘤组织ROS的水平。因此，KMT可能会加强健康中枢神经系统实质对恶性肿瘤转化的保护和减少常规治疗的细胞毒副作用［38］。虽然一些研究用KD在恶性脑组织中发现了类似的抗氧化作用［36］，但是其他动物癌症模型的研究也发现肿瘤ROS水平与KD有相关的增加［39］或无变化［40］。尚待确定氧化应激是否仅仅由KD引起的葡萄糖剥夺引起的［10］，也许在恶性脑组织加强放化疗介导的细胞毒性方面发挥更重要的作用［41］。进一步研究KD对恶性脑组织中ROS产生的影响以及ROS水平本身对癌细胞行为的影响是有必要的。

3．2 与炎症相关的改变 炎症在肿瘤发生、发展中有重要作用，它不仅可以使肿瘤发生，而且可以促使肿瘤恶化［42］。在GBM中，肿瘤组织除肿瘤细胞外还有一类名为肿瘤相关巨噬细胞（tumor⁃associated mac⁃rophages，TAM）的细胞群。这一细胞群会增加机体的前炎症因子和前血管再生因子，诱导肿瘤的发展［43］。再加上对胶质瘤的放疗、化疗，可能会出现组织坏死和炎症的现象，促使机体谷氨酸水平上升［44］。谷氨酸对肿瘤细胞提供能源，促进其生长［45］。转录因子核因子 κB（nuclear factor⁃κB， NF⁃κB）能够使组织炎症反应严重，激活的NF⁃κB可以活化相关的炎症因子，如肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor⁃α， TNF⁃α），基质金属蛋白酶⁃9 （matrix metallopeptidase⁃9，MMP⁃9），白介素⁃6（interleukin⁃6， IL⁃6） 和白介素⁃8（interleukin⁃8， IL⁃8）等［46］。 有实验研究［47］发现，CR饮食可以降低NF⁃κB的表达，相应也降低了COX2的表达，并且使巨噬细胞炎症蛋白2（macrophage in⁃flammatory protein⁃2， MIP⁃2） 的表达也有所降低。

3．3 胰岛素相关信号通路 KMT引起血糖的降低提示减弱胰岛素激活的Akt／mTOR和Ras／MAPK的信号通路与致癌作用有关［48］。可能会从KMT增加潜在的益处，由于高水平的胰岛素相关信号分子（胰岛素⁃、C⁃肽、 IGF⁃1， IGF⁃1R） 与增加的 患 癌风险有关［49］。与高度选择性药物阻断剂不同，KMT可能产生整体的胰岛素相关信号的抑制，更具有效性和更少副作用。另一个假定的KMT机制是AMPK的激活［50］，一个细胞内的能量传感器和mTOR信号的抑制剂［51］，在葡萄糖缺失的情况下在鼠标星形细胞瘤模型中能诱导细胞凋亡，同时保护正常脑细胞［52］。Marsh等［53］认为，生酮饮食作用于肿瘤细胞的分子生物途径主要与胰岛素样生长因子相关的张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue， PTEN）／蛋白激酶 B（the protein kinase B， PKB or Akt）／结节性硬化复合体 2（tuberous sclerosis complex 2， TSC2）通路（即PTEN／Akt／TSC2通路）有关。他们通过生酮饮食中的限制能量的方法饲养 CT⁃2A荷瘤鼠，发现生酮疗法能够增加鼠的生存期，也证实了PTEN／AKT信号通路和 IGF⁃1通路与细胞前凋亡和星形胶质瘤糖分解的表型相关。提出了抑制PKB⁃依赖的抗凋亡途径与TSC2表达的降低和不断升高的mTOR信号通路活动相一致，是生酮疗法抗胶质瘤的可能机制，使这一治疗方案具有更多的理论支持和依据。

3．4 其他相关研究 有关基因表达分析表明，KD可能至少部分通过抑制生长因子通路减缓肿瘤生长。恶性脑瘤的一个特点是血管生成的增加，通常认为是由于血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的增加。Seyfried和同事报道，热量限制减少了肿瘤血管生成，然而，在Scheck等［54］的研究中KD似乎并不显著影响VEGF的RNA和蛋白质的表达水平。这可能是由于热量限制与KD产生不同的酮症效应，或血管生成的抑制作用可能不依赖VEGF机制，需要作更加全面的研究。

KD代谢中酶的能力在神经胶质瘤和健康的脑组织时可能明显不同，这可以部分解释KD治疗对胶质瘤和健康的脑组织中基因表达和相关表型变化的不同影响［17］。有研究［55］发现表明这些影响可以由KD诱导的microRNA表达水平的变化调节。

在功能层面上，临床前研究［56］证明KMT（尤其是KD治疗和／或CR）诱发恶性脑组织的代谢转变成前凋亡，抗血管生成，抗侵入和抗炎状态，伴随着体内肿瘤生长标志物的显著减少。使用GL261老鼠神经胶质瘤模型，Stafford等［37］证明KMT可有效治疗敏感效应。有研究［24］使用相同的老鼠神经胶质瘤模型发现基于KD的KMT可以促进微环境中胶质瘤反应免疫应答，从而可能部分作为免疫佐剂。

4 疗效

Nebeling等［23］研究显示，生酮饮食开始后2名星形胶质瘤患儿的健康状况得到改善，并且总生存期长于最初预测时间。Zuccoli等［24］的研究中，坚持用卡路里限制KD，成人GBM患者的生活质量明显改善，虽然这名患者在KD时做了辐射治疗，但是饮食停止后肿瘤复发。在 Champ等［26］的研究中KD有助于GBM患者对护理标准的应答。从这些报告和临床前研究结果得出KD可有效改善儿童和成人恶性脑瘤患者总体存活率和生活质量。

KD可能会降低大脑谷氨酰胺水平，从而限制肿瘤生长的能量代谢产物的可用性。KD治疗在热量限制时可能更有效，所以称为能量限制生酮饮食（ener⁃gy restriction ketogenic diet， ERKD ）［57］。 Seyfried等［58］表明，在鼠星形细胞瘤模型中有效减少肿瘤的生长作为自身热量限制的结果，与血糖和IGF⁃1水平的降低有关。如果加上无毒的也促使糖酵解的药物，如2⁃脱氧葡萄糖或 3⁃溴丙酮酸，二氯醋酸（DCA），ERKD除了降低肿瘤微环境下葡萄糖的可用性，可能更有治疗性［59］。当联合抗人巨细胞病毒药物缬更昔洛韦，ERKD还可能进一步增加GBM患者的生存期。因此，CR融入饮食协议，使用组合方法如ERKD或KD和药物，能够更好的治疗叫胶质瘤。

Poff等［60］研究显示 KD和高压氧治疗（HBO2T）显示出协同交互作用。HBO2T增加肿瘤细胞的ROS，而酮体保护正常细胞免受ROS损伤和潜在的氧毒性［61］。葡萄糖剥夺将增强在肿瘤细胞的氧化应激，同时增加氧气可以降低肿瘤细胞增殖［62］。HBO2T被用作放射增敏剂可显著改善对神经胶质瘤患者的辐射［63］。与放射治疗对比，也通过ROS的产生杀死肿瘤细胞［64］，KD＋HBO2T会杀死肿瘤细胞而不损害正常细胞有毒副作用。在脑肿瘤中，生酮饮食也可能提高放射治疗的效果。Scheck也表明接受放疗和KD的GBM大鼠比起仅接受放射治疗的GBM大鼠生存率更高［17］。

尽管KD对胶质瘤的治疗有明显效果，是安全的，但KD对胶质瘤的治疗实施中也有一些副作用和限制。KD主要核心是碳水化合物供能的限制以及脂肪供能的增加，但KD会导致人体维生素D的摄入缺乏［61－62］。有些患者实施KD后很难维持用以满足血管生成和控制肿瘤生长需要的血糖和酮体的有效范围。相当多的患者需要纪律的约束和一定的激励方法来实施KD疗法，否则会出现烦躁等情绪。酮酯诱导的酮症可使机体更耐受持续低血糖，从而协助癌症的代谢管理［65］。

5 结语

较多的临床前研究表明KD治疗恶性神经胶质瘤的有效性和安全性。早期临床研究表明KD治疗脑癌患者是安全、可行的。此外，几个正在进行的临床实验也支持KD是一种潜在的新的治疗策略，可以与现有抗肿瘤方法结合起来治疗恶性神经胶质瘤。

虽然KD有一些限制和副作用，不断的研究将有助于阐明关于KD的安全性和有效性等重要的悬而未决的问题，在较小副作用的前提下，方法选择和最佳剂量与其他抗癌治疗的兼容性，道德和生活质量方面等相关问题。我们希望使用KD协同药物的代谢方法治疗胶质瘤，对常规治疗的不足处起到弥补作用，并可以提供一个更好的机会来提高年轻和年长的GBM患者的生活质量和长期生存能力。相信随着相关研究的不断进行和发展，生酮代谢疗法在胶质瘤治疗方面会起到重要作用。