生酮饮食调控肠道菌群在疾病治疗中的研究进展

吴 亚，殷 峻，2

1.上海市第八人民医院内分泌科，上海 200235；2.上海交通大学医学院附属第六人民医院内分泌代谢科，上海市糖尿病临床医学中心，上海市内分泌代谢病临床医学中心，上海 200233

肠道菌群被认为是人体的“隐形器官”，可通过多种机制调节机体代谢、参与疾病的发生；其种类及相对丰度受多种因素的影响，饮食则是重要的影响因素之一。日常中，人们可通过改变自身的饮食方式来调节甚至重塑肠道菌群的构成，从而改善身体的状态。当前，生酮饮食是一种较为热门的饮食模式；且近期的研究［1-2］发现，生酮饮食可调控肠道菌群参与疾病的治疗。本文主要针对生酮饮食调节肠道菌群治疗神经系统疾病、代谢性疾病和肿瘤等的研究进展进行综述。

1 肠道菌群及其调控因素

人类肠道菌群中微生物数量约1014个，包含1 000 多种；其可编码300 多万种基因，在维持机体健康中发挥重要作用，如辅助消化碳水化合物、防止有害微生物入侵、合成维生素、调节免疫系统和药物代谢等［3-5］。健康成年人的肠道菌群主要由拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）组成（约占90%），其余10%则为变形菌门（Proteobacteria）、疣 微 菌 门 （Verrucomicrobia） 和 放 线 菌 门（Actinobacteria）等［6］。作为人体肠道中丰度最高的革兰阴性菌，拟杆菌门可维持肠道的健康稳态，其数量的下降与神经系统疾病、代谢性疾病和肿瘤等的发生密切相关［7］。研究［8］显示，肠道菌群失调可分为3 种类型：①有益菌群减少。②潜在有害菌群增加。③总体菌群种类减少。在多数情况下，这3 种失调会同时发生。

有研究［9］发现，哺乳动物在出生时就可以快速形成其肠道的主要菌群。如胃肠道的菌群，在个体出生后几个小时内已开始定植，直至3～4岁结束。且相关研究［10］显示，肠道菌群的种类和数量受多种因素的影响，包括出生方式、喂养方式、年龄的增加、性别和环境等；其中，饮食是影响人类肠道菌群的重要因素之一。良好的肠道菌群与人们的健康息息相关，因此通过不同的饮食模式调节肠道菌群或可改善人们的健康状况［11］。

2 生酮饮食

1921 年，美国医生威尔德（WILDER R M）最先提出“生酮饮食”这一概念，并将其用于儿童癫痫的治疗。生酮饮食是一种摄入极低碳水化合物、高脂肪、适量蛋白质和其他营养素的饮食模式。在该模式下，脂肪分解的增加会使机体处于酮症状态，从而保证能量的供应。

常见的生酮饮食可分为4 类：①经典生酮饮食，即脂肪与非脂肪的重量比为4∶1；脂肪摄入量占每日食物总重量的80%（供能占比90%），蛋白质及碳水化合物占每日食物总重量的20%（供能占比10%），并提供足够的维生素和矿物质。②中链三酰甘油饮食，即脂肪供能占比70%，且脂肪的主要来源为中链脂肪酸组成的三酰甘油。③改良的阿特金斯饮食，即脂肪供能占比65%；该方法对蛋白质摄入的限制较为宽松，即蛋白质供能占比为30%。④低血糖生成指数饮食，即仅选择血糖生成指数低于50 的碳水化合物，脂肪供能占比60%。

目前，生酮饮食不仅可用于治疗癫痫，还可治疗神经系统疾病、代谢性疾病和肿瘤等［12-13］。其可能的机制包括：①降低胰岛素水平。②增强线粒体功能，提高内源性抗氧化应激。③发挥β-羟基丁酸的特异性抗氧化、抗炎作用［14］。同时，最近的多项研究发现，生酮饮食还可通过调节肠道菌群参与上述疾病的治疗，具体作用及机制如下。

3 生酮饮食调节肠道菌群在疾病治疗中的作用

3.1 神经系统疾病治疗

3.1.1 癫痫 与健康人群相比，癫痫患者的肠道中菌群组成存在一定的紊乱，即有益菌群较少、有害菌群较多。多项研究显示，采用生酮饮食的方式调节癫痫患者的肠道菌群组成，可改善其癫痫症状。XIE等［15］发现，经生酮饮食治疗1 周后，64.3%（9/14）患儿的癫痫发作频率较治疗前下降近50%。随后，该研究采用16S rDNA 基因测序的方法比较14 例难治性癫痫患儿生酮饮食前和30 例健康婴儿肠道菌群的差异，并对患儿生酮饮食前后的肠道菌群进行比较分析。结果显示，生酮饮食前，癫痫患儿的肠道拟杆菌属占比低于健康婴儿，可产生毒素的克罗诺杆菌（Cronobacter）和变形菌门（大肠杆菌、沙门氏菌和弧菌）占比均高于健康婴儿；经生酮饮食治疗1 周后，患儿肠道中拟杆菌属及普氏菌属［可产生保护肠黏 膜 的 短 链 脂 肪 酸 （short-chain fatty acids，SCFAs）］的占比较治疗前均有明显增加，克罗诺杆菌和变形菌门占比均有明显降低。由此可见，癫痫婴儿的肠道菌群存在一定的失衡，经生酮饮食治疗后该情况有显著改善。此外，生酮饮食治疗癫痫的效果也与肠道菌群密切相关。ZHANG 等［16］用生酮饮食法治疗20 例癫痫儿童6 个月后，采用16S rDNA 基因测序比较缓解者与未缓解者的肠道菌群间差异。结果显示，治疗后的癫痫缓解患儿粪便中的微生物群多样性较低，同时厚壁菌门丰度下降、拟杆菌门丰度增加，而未缓解患儿粪便中梭菌目（Clostridiales）、瘤胃菌科（Ruminococcaceae）、理研菌科（Rikenellaceae）、毛 螺 旋 菌 科 （Lachnospiraceae） 和 另 枝 菌 属（Alistipes）的丰度均较高；继而表明，癫痫患儿肠道菌群的种类和数量与生酮饮食疗效间存在一定的相关性。因此，对肠道菌群组成的测定或可作为评估抗癫痫治疗效果的生物标志物。

考虑到生酮饮食对癫痫患者肠道菌群可能产生的积极影响，部分学者在小鼠模型中就该饮食对肠道菌群的正向调节及潜在机制做了进一步探讨。MA等［17］发现正常小鼠经生酮饮食后，其血糖水平和体质量均有下降，血酮水平有所升高，神经血管功能得到了改善；且该疗效与肠道菌群的改变显著相关，包括脱硫弧菌属（Desulfovibrio） 和苏黎世杆菌属（Turicibacter）等有害菌群丰度下降，以及嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，A. muciniphila，简称Akk 菌）和乳酸杆菌等有益菌群丰度增加。Akk菌属于厌氧菌，定植于人胃肠道的黏液层，其丰度占人体肠道菌群的1%～4%。研究［18］发现，Akk菌可在提高代谢功能、免疫应答中发挥重要作用，被认为可能是一种新型有益菌。与此同时，OLSON等［19］以2种难治性癫痫小鼠模型为研究对象，采用6-Hz 刺激诱导其癫痫发作并经生酮饮食干预，结果发现该饮食疗法发挥了抗癫痫作用；对治疗后小鼠的肠道菌群进行分析，结果发现该2 种癫痫小鼠肠道中Akk 菌和副拟杆菌属（Parabacteroides，简称Pb菌）的丰度均有明显增加；但该研究在抗生素饲养或无菌饲养的小鼠中发现，生酮饮食并未发挥抗癫痫作用，继而推测肠道菌群可能参与了生酮饮食的抗癫痫治疗。随后，该研究将Akk 菌与Pb 菌共同移植到抗生素饲养的小鼠肠道中，经生酮饮食干预后发现，Akk 菌和Pb 菌的肠道共定植可恢复生酮饮食的抗癫痫作用，从而说明肠道菌群对生酮饮食的抗癫痫作用是必需的。该研究进一步对癫痫小鼠结肠、血清以及海马体的代谢谱进行分析，揭示出生酮饮食抗癫痫的作用机制：①Akk菌和Pb 菌丰度的增加可抑制小鼠粪便中γ-谷氨酰转肽酶（γ-glutamyltranspeptidase，GGT）的活性，进而降低了血清中γ-谷氨酰氨基酸（γ-glutamylated amino acids，简称GG 氨基酸）水平。同时，生酮饮食还可显著降低癫痫小鼠海马体中GG 氨基酸水平，从而降低癫痫的发作频率。②癫痫发作与神经递质的失衡亦相关，即兴奋性神经递质过多或抑制性神经递质过少时可导致细胞膜不稳定，从而产生癫痫性放电。癫痫小鼠经生酮饮食治疗后，肠道中的Akk菌和Pb 菌丰度增加可使海马体中抑制性神经递质——γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）与兴奋性神经递质——谷氨酸的比值显著增加，从而发挥抗癫痫作用。

综上，生酮饮食在癫痫患儿及小鼠模型中均可通过调节肠道菌群来发挥抗癫痫作用，主要机制可能是通过增加肠道中Akk 菌和Pb 菌的丰度，来抑制GGT活性以减少GG 氨基酸生成，或是来增加海马体中GABA/谷氨酸的比值，从而减少癫痫性放电的发生。

3.1.2 阿尔茨海默病 较多研究显示，脑血流量下降、 血脑屏障损伤均可增加阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的发生风险。研究［17］发现，正常小鼠经生酮饮食饲养16 周后，其肠道有益菌（Akk 菌和乳酸杆菌）明显增加，促炎微生物（脱硫弧菌属和苏黎世杆菌属）有所下降，同时小鼠脑血流速度加快、血脑屏障上的P-糖蛋白转运体增多，可加速清除AD 的生物标志物之一——β 淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）。因此，生酮饮食能够改善神经血管功能，降低AD 的发生风险，该作用机制可能与肠道菌群的调节相关。

轻度认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）与AD 的发生机制相类似，被认为是AD 的前驱状态。NAGPAL等［20］发现MCI患者与正常人的肠道微生物多样性间无明显差异，但MCI 患者的肠道变形菌门丰度增加，且增幅与MCI患者脑脊液中Aβ-42/Aβ-40 比值呈正相关；经改良的地中海生酮饮食（modified Mediterranean-ketogenic diet，MMKD） 治疗6 周后，MCI 患者脑脊液中Aβ 和tau 蛋白等AD 生物标志物表达水平下降，同时肠道中肠杆菌科和Akk菌丰度均有增加。传统观念认为，双歧杆菌是人体肠道中重要的益生菌之一。而NAGPAL等［20］研究却发现，MMKD 可降低肠道中双歧杆菌的丰度，且其降低水平与肠道中乳酸水平下降程度相一致。有针对腹胀患者的相关研究［21］发现，肠道中乳酸水平的异常升高与该患者的注意力不集中、意识模糊相关。因此，采用MMKD 治疗该类患者或可降低肠道乳酸水平，从而改善其认知和记忆功能。该研究团队近期还发现，经MMKD 治疗后，MCI 患者肠道中有害真菌（主要是念珠菌）的丰度有所下降，这可能是由于肠道中细菌群的改变所致。念珠菌被认为与肠道炎症性疾病（如溃疡性结肠炎、克罗恩病等）相关［13］，从而进一步提示MMKD 在肠道炎症性疾病中或拥有潜在治疗价值。

因此，生酮饮食可增加小鼠肠道中有益菌（Akk菌和乳酸杆菌）的丰度，改善脑血管功能，从而降低AD 的发生风险。此外，生酮饮食还能够调节肠道菌群改善MCI 患者的认知和记忆功能，其主要是通过降低肠道双歧杆菌及乳酸水平来实现。

3.1.3 多发性硬化症 生酮饮食调控肠道菌群在多发性硬化症的治疗中可发挥重要作用。与正常人群相比，多发性硬化症患者的肠道菌群总量及种类均较低。而较低的肠道菌群总量可直接破坏肠道微生物的发酵功能，且结肠菌群发酵功能受损是引发多发性硬化症的重要因素之一。SWIDSINSKI 等［22］发现经生酮饮食6 个月治疗后，多发性硬化症患者的肠道主要菌群总量明显增加，且与正常健康人群相比没有差异。有趣的是，生酮饮食对多发性硬化症患者的肠道菌群总量的影响是双向的。当采用生酮饮食治疗2 周时，该类患者肠道菌群的种类及数量均有下降；治疗至12 周时，其肠道菌群的总体数量开始恢复；在治疗至23～24 周时，其菌群数量明显超过了正常健康人群。因此，生酮饮食疗法可调节多发性硬化症患者肠道菌群总量，但导致菌群数量发生变化的具体机制目前尚未被阐明。

3.1.4 孤独症 孤独症是一种异质性神经发育障碍性疾病，表现为社交障碍、沟通障碍及刻板重复的行为方式。最近多项研究［23-26］显示，生酮饮食可改善孤独症患者的异常行为。NEWELL等［27］发现，孤独症患者的肠道菌群失调与自闭症模型BTBR 小鼠的情况相类似，即厚壁菌门数量较少、拟杆菌门数量较多；接着，针对BTBR 小鼠进行研究，发现生酮饮食治疗后，BTBR 小鼠盲肠和粪便中的总体微生物数量明显下降，但厚壁菌门与拟杆菌门的数量比值却有增加。该研究还发现，生酮饮食治疗可降低BTBR 小鼠盲肠及粪便中的Akk 菌丰度，这一结果与正常小鼠、癫痫小鼠肠道中Akk 菌数量增加相反［17-19］。与此同时，NEWELL 团队并未研究生酮饮食疗法与孤独症小鼠症状之间的关系。因此，该饮食疗法是否可通过调节肠道菌群来改善孤独症小鼠的异常行为，仍有待更进一步的探索。

3.2 代谢性疾病治疗

生酮饮食是一种新兴的治疗2 型糖尿病（diabetes mellitus type 2，T2DM） 的 方 法［28］。研究［17］显示，生酮饮食可降低患者的血糖及体质量，这可能与有益菌的增加（如Akk菌和普氏菌属等）和促炎微生物（脱硫弧菌属和苏黎世杆菌属）的下降相关。此外，REN 等［29］研究发现，与低脂饮食相比，采用以杏仁为主的生酮饮食的T2DM患者的血清胰高血糖素样肽1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）水平较高，糖化血红蛋白水平较低，且患者肠道中产生SCFAs 的 罗 氏 菌 属（Roseburia）、 瘤 胃 球 菌 属（Ruminococcus）和真杆菌属（Eubacterium）丰度均显著增加。

ANG等［30］采用宏基因组学和代谢组学方法，研究17 例超重或肥胖的非糖尿病男性患者的肠道菌群，结果发现经生酮饮食治疗8 周，患者肠道微生物组的结构和功能均发生了显著变化；其中，β-羟基丁酸对双歧杆菌的抑制作用最为明显；随后，该研究者将双歧杆菌单独定植到无菌小鼠的肠道，发现小鼠小肠中的辅助性T 细胞17（T helper 17 cell，Th17 细胞）数量显著增加；接着，研究者将患者生酮饮食前的肠道菌群、生酮饮食后的肠道菌群、生酮饮食后的肠道菌群额外添加双歧杆菌共3 类菌群分别移植到无菌小鼠肠道内；结果发现，与其他2 组相比，生酮饮食后患者肠道菌群中的双歧杆菌生长受到了较明显的抑制，且Th17 细胞水平较低。鉴于肥胖与慢性低度炎症相关，继而推断，生酮饮食治疗可能通过抑制双歧杆菌生长、降低促炎的Th17细胞水平来改善肥胖。

3.3 肿瘤治疗

一项最新的meta 分析显示，在动物实验中，单独生酮饮食疗法或可作为传统治疗的辅助方法，对神经胶质瘤、神经母细胞瘤、乳腺癌、肺癌、肝癌、前列腺癌等发挥抗肿瘤作用［31］。类似的，临床上多数研究亦将生酮饮食作为辅助疗法，对肿瘤患者的手术、放射治疗和化学治疗发挥协同作用［32］。对上述辅助治疗的主要机制进行推测，可能是由于生酮饮食可减少肿瘤细胞的葡萄糖供给，还可通过降低胰岛素和胰岛素样生长因子水平，来改善细胞免疫应答、抑制磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素靶蛋白信号通路及炎症反应、增加氧化应激等，从多种途径阻碍肿瘤细胞生长［32-33］。FERRERE 等［34］发现，当肿瘤小鼠接受常规饮食时，单独使用肿瘤免疫治疗药物——程序性细胞死亡蛋白-1（programmed cell death protein 1，PD-1）抑制剂或联合细胞毒性T 淋巴细胞相关蛋白-4抑制剂均不能延缓其肿瘤进展，而该类小鼠在接受生酮饮食或口服β-羟基丁酸后，其PD-1 抑制剂的抗肿瘤作用被恢复；同时，该研究还发现，在接受生酮饮食治疗的小鼠和人的粪菌中Eisenbergiella massiliensis丰度均有特征性增加，且与血清β-羟基丁酸水平呈正相关。因此，生酮饮食对多种肿瘤具有一定的抑制作用，但是否可通过调控肠道菌群发挥抗肿瘤作用尚需进一步研究。

4 生酮饮食的安全性

由于生酮饮食需严格限制对碳水化合物的摄入，因此机体能量的供给需通过分解脂肪获得。生酮饮食的不良反应多数是暂时的、轻微的。最常见的症状为厌食、便秘等胃肠道反应，可通过调整饮食（如适当增加富含膳食纤维蔬菜的摄入、补充足够水分等）加以改善。研究［35］显示，经典的生酮饮食导致肾结石的发生率为3.1%～6.7%，口服柠檬酸钾可降低该发生率。对于糖尿病患者而言，由于生酮饮食中碳水化合物的摄入较普通饮食明显减少，生酮饮食后若继续使用以前的降糖方案，可能导致患者的低血糖风险增加。因此在进行生酮饮食时，需监测患者的血糖水平，及时调整降糖方案。此外，使用钠-葡萄糖共转运蛋白2 抑制剂治疗的糖尿病患者在采用生酮饮食治疗后，其酮症酸中毒的风险有明显增加［36］。然而，生酮饮食的相关不良反应与肠道菌群改变是否相关，仍有待进一步研究。

5 总结与展望

生酮饮食在神经系统疾病、代谢性疾病和肿瘤等的治疗中均发挥了重要作用，肠道菌群的变化仅能够部分解释生酮饮食的相关作用机制。关于生酮饮食调节肠道菌群对代谢性疾病患者认知功能的影响以及对神经系统疾病患者代谢功能的影响尚无报道，仍值得进一步研究。此外，针对采用生酮饮食的方法调节肠道菌群来治疗疾病的作用和机制方面，多数文献集中在经典的生酮饮食法上，因此尚需更多研究对其他生酮饮食法调控肠道菌群的作用方面进行更深入的探索，从而为生酮饮食的临床应用提供依据。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors'Contributions

吴亚负责文献的收集和分析，以及论文初稿的撰写。殷峻负责论文的设计和修改。所有作者均已阅读并同意最终的文本。

The relevant literature was collected and analyzed by WU Ya.The first version of the manuscript was written by WU Ya. The manuscript was designed and revised by YIN Jun. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2021-12-31

·Accepted：2021-03-25

·Published online：2022-04-28