熱量限制與神經保護作用

趙靜姝 王 蓉

(首都醫科大學宣武醫院中心實驗室，北京市老年病醫療研究中心，神經變性病教育部重點實驗室，北京 100053)

1 簡介

熱量限制(caloric restriction，CR)是指一種有計劃地減少由食物提供的熱量的進食方式，一般是指在生物體所攝入營養成分保證其不發生營養不良的情況下，將正常自由進食(ad libitum，AL)所得熱量減去30%～50%。此概念最早由McCay C M等［1］于上世紀30年代提出，這種進食方式可以延長小鼠的平均壽命和最長壽命。過去幾十年，CR的研究對象涵蓋了從酵母到人類各個層面，CR的作用也已不再局限于延長壽命，而且可以延緩和預防某些與衰老相關疾病的發生或發展。CR能夠提高神經系統功能的理論可以追溯到20多年前，最近越來越多的動物實驗研究和流行病學數據也都表明CR幫助改善認知，預防各種神經系統疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病、癲癇等［2］。

之前有關CR對神經系統和認知功能的基礎研究多數集中于對大鼠的研究，現在各種神經系統疾病的轉基因小鼠模型已經成熟并被廣泛應用。在前腦條件性PS1+PS2雙敲除(PS conditional knock out，cDKO)小鼠模型中，長期CR可顯著降低tau蛋白高度磷酸化并且改善認知功能［3］。對給予CR飲食的帕金森病靈長類動物模型的正電子發射斷層顯像(positron emission tomography，PET)和病理分析后，發現CR對行為學改善和神經保護作用是通過上調神經營養因子介導實現的［4］。但是亦有研究［5］顯示通過對6-羥多巴胺造成的帕金森病(Parkinson disease，PD)模型小鼠進行熱量限制并不能遏止黑質紋狀體的退行性變。hexb基因敲除小鼠是Sandhoff病(SD)神經退行性病的模型，表現為炎性作用引起的運動失調，在給予CR飲食后可以觀察到，與正常飲食組相比，轉棒疲勞實驗(rotarod)顯著改善，壽命延長［6］。總之，越來越多的實驗研究證實CR對多種神經系統疾病的動物模型具有改善作用。

2 神經保護作用機制

CR對神經的保護作用機制仍在研究中，這些研究機制包括改善線粒體功能，減少活性氧產生;提高代謝率，增加能量輸出;調節基因表達，提高沉默調節蛋白sirtuin活性;提高具有神經保護作用因子的水平，如神經營養因子;降低促凋亡因子和炎性因子活性。

2.1 抗氧化

在氧化磷酸化過程中會產生低濃度的超氧陰離子自由基，當線粒體損傷后，如由于毒性損傷引起的細胞內鈣離子超載，這時超氧陰離子自由基的水平就會上升;超氧化物隨之轉變成過氧化氫，對蛋白質、脂肪和DNA造成氧化應激損傷，導致神經系統疾病的發生。中風、腦外傷、腦缺氧或阿爾茨海默病等的病理中神經元缺失大部分是由谷氨酸興奮毒性、鈣超載、線粒體失調及氧化應激所導致的進一步損傷引起。

CR條件下可以觀察到組織中過氧化脂質及蛋白羰基濃度降低，細胞核和線粒體中DNA損傷堿基也減少，而且Dubey A等［7］發現CR與腦中蛋白質氧化損傷有直接關系，這種損傷既可以誘導又可以恢復。關于CR的抗氧化作用有以下兩個機制:首先一些研究［8］顯示CR可以提高抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶，但也有與此相反的報道［9］;第二，CR時可觀察到線粒體的活性氧產量減少，尤其是在呼吸鏈復合物Ⅰ中。新的研究發現熱量限制可以通過激活SIRT3，后者作為一種線粒體去乙酰化酶可將超氧化物歧化酶上兩個關鍵的賴氨酸殘留物去乙酰化，從而降低活性氧水平，降低氧化損傷［10］。

CR減少線粒體中活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生的機制仍不明確，可能和解偶聯蛋白(uncoupling proteins，UCPs)相關，UCPs橫跨線粒體內膜，使得膜內的質子流入基質中，從而使電化學梯度與三磷酸腺苷(adenasine triphosphate，ATP)產生相分離。這種解偶聯可以減少 ROS的產生［11］。而且UCPs活性提高可延長壽命并加強神經元對缺血、毒性外傷和癲癇損傷的抵抗力［12-13］。

2.2 提高代謝率

CR動物腦老化延緩最初被認為是源于代謝活性降低，從而減少了氧化代謝副產物ROS產生。研究顯示熱量限制和能量儲存相關，從CR動物中分離出的線粒體與自由進食對照組相比，前者ATP產生減少，這和UCPs活性增高相一致［14］。但新近實驗數據［11］表明，與線粒體分離后的結果相反，在完整肌細胞或體內試驗時給予CR后ATP合成并沒有減少。

近來的研究［15-16］顯示，在整體水平上CR并沒有降低機體的代謝水平，CR通過上調SIRT1(silent mating type information regulation 2 homolog 1)去乙酰化酶活性促進了線粒體增生，增加了呼吸鏈數量，線粒體活性增加，并促進UCPs的表達，從而在呼吸作用增強的狀態下反而降低ROS的產生。

2.3 提高sirtuin活性

Sirtuin是調節基因表達的一大家族酶。第一個被發現的sirtuin是酵母中的沉默信息調節因子2(silence information regulator 2，Sir2)，屬于Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶，該基因在哺乳動物中的同源基因為sirt(1-7)，其中SIRT1與CR關系密切，CR可以提高腦組織中SIRT1的表達。實驗證實SIRT1激活具有神經保護作用，如SIRT1可以減少小鼠腦內的β淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)產生，主要是通過增強解整合素樣金屬蛋白酶10(A disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10)基因的表達，該基因可促進淀粉樣前體蛋白的α分泌酶的降解，而且ADAM10激活后還可以誘導Notch途徑，此途徑可以修復腦內的神經元損傷［17］，在體外實驗中亦發現了“非ADAM10依賴途徑”，即通過提高NAD+/NAM+比率，從而促進α分泌酶降解，從而降低Aβ產生［18］;提高SIRT1活性可以減緩華勒變性小鼠外周神經損傷帶來的軸突變性［19］;SIRT1的天然激動劑白藜蘆醇預處理后可以通過SIRT1-UCP2途徑保護腦缺血引起的損傷［20］，也可減少亨廷頓病線蟲和小鼠模型中的神經元失調和死亡，并對其周圍神經的損害起到保護作用［21］。家族其他成員對神經系統的作用則有所不同，如SIRT1可抵抗低鉀引起的神經元凋亡，而SIRT2、SIRT3和SIRT6則誘導健康的小腦顆粒神經元凋亡，而SIRT5則定位于該類細胞的細胞核與細胞質，產生保護作用［22］。

SIRT1具有廣泛的去乙酰化酶活性。其靶點包括:腫瘤抑制因子P53、叉頭轉錄因子FOXO(forkhead-type translation factors)、DNA修復蛋白Ku70、過氧化物酶體增殖物激活受體PPARγ(peroxisome proliferator-activated receptor γ)以及核轉錄因子(nuclear factor кB，NFкB)。SIRT1可以抑制成纖維細胞和腎小球系膜細胞因急性氧化應激損傷或DNA損傷而激活的P53依賴性細胞凋亡過程，但是在神經細胞中還沒有發現SIRT1介導的P53去乙酰化過程。在小腦顆粒細胞、成纖維細胞和胚胎干細胞中，SIRT1均可去乙酰化FOXO3來抑制氧化應激和DNA損傷［23］。此外，SIRT1可以通過去乙酰化Ku70來抑制凋亡，使其與促凋亡因子 Bax分離［24］。

SIRT1介導PPARγ去乙酰化可延長壽命，主要是通過抑制脂肪細胞形成和減少脂肪貯備。PPARγ激動劑可降低局灶性腦缺血區基質金屬蛋白酶-9活性以減輕神經元損傷［25］;縮小中腦血管閉塞后的梗死面積［26］;提高輕度到中度阿爾茨海默病人的認知功能［27］。

PPARγ最受關注的是其可以降低炎性因子表達的作用，這其中的抗炎作用就包括對抑制NFкB表達。但值得一提的是SIRT1也可以去乙酰化NFкB，因此SIRT1對 NFкB的抑制作用可能正好與隨后SIRT1對PPARγ的抑制作用相抵消。但最終效果是否保護神經尚不得知，因為有研究表明NFкB激活可促進神經元存活［28］。

2.4 增強神經營養因子活性

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)可改善年齡相關性空間記憶力下降，抑制老年大腦內過氧化氫的產生和Aβ誘導的神經元凋亡，促進神經元生長。而奇怪的是當動物和人體進行CR后發現IGF-1水平下降，IGF-1信號通路抑制與壽命延長相關［29-30］。

與對IGF-1的作用不同，CR可增強多個神經營養因子的表達，包括腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、神經營養蛋白-3、膠質細胞源性神經營養因子，在海馬區最為明顯。BDNF可促進CR動物胚胎神經元和成年海馬祖細胞分化，提高突觸可塑性及學習和記憶能力［31］。相反，富含精制糖和飽和脂肪酸的飲食則會降低海馬區BDNF的水平，損傷空間記憶力，BDNF信號水平下降會引起食欲過盛、肥胖［32］。而且研究［33］顯示 CR 可降低腦創傷大鼠模型的組織損傷及提高空間記憶力，主要與損傷周圍區域和海馬區BDNF水平的提高顯著相關。另有研究［34］顯示，在脊髓損傷后給予“隔天禁食”的熱量限制方法，可觀察到在禁食當天血中β-羥丁酸水平上升，BDNF受體在損傷區(損傷后5 d)和損傷區尾部(損傷后3周)水平上升2～6倍。

2.5 抗炎作用

衰老和各種神經系統疾病以多種炎性因子表達水平上調為特征，NFкB的激活是此炎性過程的重要分子。各種類型的損傷可激活NFкB，如活性氧、活性氮、Aβ，進而導致各個組織中白介素、腫瘤壞死因子、環氧合酶(cyclooxygenase-2，COX-2)和誘導性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)轉錄增多，包括腦組織。

CR降低動物模型和人體NFкB表達水平，抑制白介素和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNFα)的合成，抑制COX-2和iNOS的活性［35］。在特定實驗條件下，NFкB、白介素和TNF表現出神經保護作用和神經營養特性，包括促進神經纖維生長和祖細胞分化為神經元，這其中包括提高bndf基因表達［36］。此外還對老年早期的人群進行了CR研究，結果顯示進行CR飲食的人群3個月后較之前言語記憶得分大幅度提高，這與高敏感性C反應蛋白水平下降，降低了炎性反應活性，提高了突觸可塑性相關［37］。

3 展望

經過幾十年的研究發展，CR的研究對象從酵母擴展到哺乳動物，甚至還對人類進行了一些有關CR的研究，CR的有利作用也從最初延長壽命的作用擴大到預防各種代謝病和老齡相關性疾病，包括神經系統疾病。隨著人口老齡化的發展，對一些老年病的關注也日益加強，研究揭示的CR對各種神經系統疾病的有利作用也得到各方面的肯定，但是仍然存在一些矛盾之處，正確的機制還待進一步研究求證，畢竟真正的體內生理病理過程是十分復雜的。而且經過20多年對恒河獼猴的研究，也驗證了之前在嚙齒類動物身上發現的一些生理生化作用，至于對人類的作用是否也是這樣，以及有無其他沒有預見的不良作用，還需要進一步深入研究探討，這將對人類生命和健康的發展有著重要的意義。

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