生酮飲食療法與膠質瘤的治療研究

范菲艷，劉 楠，劉 輝，張鵬幸，涂艷陽 （空軍軍醫大學唐都醫院實驗外科，陜西西安710038）

0 引言

腦膠質瘤是一種常見的原發性腦內惡性腫瘤。其中，多形性膠質母細胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）的長期研究進展甚微，被認為是最致命的腦癌。被稱為“Warburg效應”的能量代謝異常的糖酵解發生在許多腫瘤中，包括膠質瘤。相比目前的其他療法，代謝療法是針對所有代謝疾病的腫瘤細胞（有氧發酵），而提高正常腦細胞和整個身體的健康與活力。生酮代謝療法（KMT），即生酮或低糖飲食的營養干預，在神經膠質瘤患者中已被提議作為一種抗腫瘤的策略，是一種抗血管生成、抗炎和抗腫瘤的代謝療法，降低腫瘤微環境中可發酵的能量。大量的臨床前研究表明KMT對惡性神經膠質瘤模型系統有較好的療效，并且安全性高。臨床研究也表明KMT具有良好的安全性和可行性。這些研究顯示KMT可以作為一種膠質瘤治療的輔助手段，其最主要的方法是生酮飲食（ketogenic diet，KD），以下通過3個方面對生酮飲食療法與膠質瘤治療研究作一概述。

1 概念

腦膠質瘤是最常見的一種惡性腫瘤，大多具有惡性程度高和侵襲性強的特點。惡性神經膠質瘤是最常見的原發性腦腫瘤［1－2］。GBM是最常見和最激進型的神經膠質瘤［3－4］，有異常的不良預后，惡性程度最高。因為膠質瘤無腫瘤邊界，且具有遺傳不穩定性和高異質性等特點，從診斷開始平均總生存期（over?all survival，OS）為12～15個月，即使對 GBM患者作最全面的治療，其5年生存率仍小于5%［5］。

腫瘤細胞能量代謝通常是異常地轉向“有氧糖酵解”［6］。即使細胞有充足的氧，腫瘤細胞糖酵解同樣活躍，使丙酮酸發酵成乳酸，出現叫做“Warburg效應”的現象。大多數惡性腦瘤不能通過氧化磷酸化產生足量的能量［7－9］。膠質瘤細胞極度依賴葡萄糖為主要能源生存和維持它們的侵襲性［10］。像大多數癌癥一樣，膠質瘤經常有紊亂的線粒體特異表達，阻礙有效的三羧酸循環和氧化磷酸化活動，而這是有氧ATP生產所必需的［11］。這在人星形膠質瘤和GBM細胞不僅反映在線粒體代謝和凋亡調控機制中的異常蛋白質組的變化［12］，而且反映在豐富的線粒體超微結構病理如嵴溶解和線粒體腫脹等。大多數腫瘤細胞主要依賴通過相對低效的胞質糖酵解途徑而產生的ATP。作為一種補償方式，糖酵解的基因表達和相關的糖酵解率通常在膠質瘤中上調［13］。臨床研究證實了這個引人注目的葡萄糖依賴關系［17］。臨床研究［14－16］發現高血糖癥可以作為GBM患者總生存期的負預測因子。

基于KD的KMT可用于治療膠質瘤。KD由高脂肪、適度的低蛋白質含量和非常低的碳水化合物組成，這迫使身體燃燒脂肪來代替葡萄糖合成ATP。一般來說，按重量比例是3∶1或4∶1的脂肪 ∶（碳水化合物＋蛋白質）。KD的核心概念主要是由脂肪代替碳水化合物和較少的蛋白質提供的熱量。與其他生酮代謝治療策略一樣，由此產生的系統性變化是降低血糖水平和代謝轉變成生理狀態的系統性酮癥［18］。 在體外［19］和體內［20］已被證明作為能量供應的可用葡萄糖的減少會有選擇地餓死神經膠質瘤細胞。當個體攝食生酮飲食，肝臟通過脂肪酸的氧化發生脂肪代謝，生成包括乙酰乙酸鹽、β?羥基丁酸（β?OHB）和丙酮的酮體。酮體從血液中運輸到組織中并轉化為乙酰輔酶A，而乙酰輔酶A是三羧酸循環第一步的底物。低碳水化合物含量的生酮飲食可能適度降低血糖，整體更好地控制血糖，降低糖化血紅蛋白水平［21］。這種治療也可以刺激人類的糖異生來彌補血糖水平的下降［22］。生酮飲食的依從性和有效性可以通過測量血清和尿液β?羥基丁酸來檢測。

1995年，首次臨床應用基于生酮飲食的生酮代謝療法成功治療惡性神經膠質瘤［23］。之后，嚙齒動物在體研究［17］表明該飲食干預治療惡性神經膠質瘤的有效性和安全性。而且，有臨床報告包括腫瘤消退或持久的腫瘤控制的案例報告顯示KMT在腦瘤患者中潛在的益處［24］，還有研究表明標準治療加上生酮代謝療法能延長患者總生存期［25］。代謝療法使用葡萄糖水平較低的生酮飲食可以幫助延緩年輕和老年患者 GBM 的增長［26］。

2 方法

2．1 生酮飲食療法 飲食構成發生改變致使血酮體增加的生酮飲食療法，包括以下3種。

2．1．1 經典的長鏈脂肪酸飲食療法（the classic KD）患者的飲食主要是由長鏈脂肪酸（long chain triglyceride，LCT）組成，脂肪 ∶（蛋白質＋碳水化合物）可以高達4∶1，產生的飲食能量分布為8%來自蛋白質，2%來自碳水化合物和90%來自脂肪。

2．1．2 中鏈脂肪飲食療法（medium?chain triglyceride diet，MCTD） 患者的飲食主要由中鏈甘油三酯（the medium chain triglyceride， MCT）組成，脂肪 ∶（蛋白質＋碳水化合物）為1．5∶1，所產生的飲食能量有60%來自中鏈甘油三酯，與經典方法相比，單位質量的MCT可提供更多能量，碳水化合物和蛋白質的比例可以適當增多，在飲食搭配上更自由［27］。并且，中鏈脂肪飲食中的多不飽和脂肪酸具有抗炎、促凋亡和抗腫瘤的功效［28］。

2．1．3 Atkins 飲食療法（the modified Atkins diet，MAD） Atkins飲食方案是在1972年由美國的Rob?ert Atkins醫生提出的療法，患者的飲食主要由低碳水化合物飲食組成，主要核心是限制碳水化合物的構成比例，特別是精制碳水化合物，如面粉和玉米的量。MAD不限制熱卡、液體和蛋白質的構成比例，并且兒童碳水化合物不得超過 10 g／d，成人不得超過20 g／d，飲食中多增加脂肪。

2．2 限制能量飲食療法（calorie restriction，CR）

對患者的飲食限制熱量的攝入，使熱量攝入低于正常飲食所提供的熱量，但不能導致患者營養不良，這種療法可以防止一些動物模型中由于自發性化學和放射性誘導的腫瘤發生［29］。

以上不同的方法中脂肪、碳水化合物和蛋白質這三大營養素的構成比例不太相同，使機體升高酮體的能力也稍有差別，但其本質都是通過飲食降低機體葡萄糖的水平，提高機體酮體的水平，使機體達到酮代謝的狀態，抑制腫瘤的發生發展。而且不同種類的食譜搭配選擇可以為不同需求的人群提供更多可選性。

3 機制

對于生酮飲食治療的具體機制，仍不明了。但眾多研究結果主要可以總結為幾個方面。

3．1 活性氧自由基（the reactive oxygen species，ROS） Valko等［30］認為ROS介導的DNA損傷在腫瘤的發生發展中的作用是很重要的。線粒體為細胞供能，在機體中通過電子傳遞鏈生成水和CO2，是機體ROS的主要產生部位，線粒體DNA更易受ROS損傷，可能致使線粒體DNA突變［31］。突變的細胞通常有致癌基因生長因子和酪氨酸激酶受體的高表達，可能有腫瘤形成和慢性缺氧的產生［32］。KD的治療價值可能超過血糖調節，因為酮體本身是具有神經保護性質［33］的活化信號代謝物［34］。 酮體β?OHB被認為是參與氧化應激保護的基因內源性感應器［35］。通過增加線粒體呼吸效率，酮體代謝可以促進ROS的消除，保護健康的腦組織［36］。有研究［37］用膠質瘤荷瘤鼠模型發現KD飲食減少了體內腫瘤組織ROS的水平。因此，KMT可能會加強健康中樞神經系統實質對惡性腫瘤轉化的保護和減少常規治療的細胞毒副作用［38］。雖然一些研究用KD在惡性腦組織中發現了類似的抗氧化作用［36］，但是其他動物癌癥模型的研究也發現腫瘤ROS水平與KD有相關的增加［39］或無變化［40］。尚待確定氧化應激是否僅僅由KD引起的葡萄糖剝奪引起的［10］，也許在惡性腦組織加強放化療介導的細胞毒性方面發揮更重要的作用［41］。進一步研究KD對惡性腦組織中ROS產生的影響以及ROS水平本身對癌細胞行為的影響是有必要的。

3．2 與炎癥相關的改變 炎癥在腫瘤發生、發展中有重要作用，它不僅可以使腫瘤發生，而且可以促使腫瘤惡化［42］。在GBM中，腫瘤組織除腫瘤細胞外還有一類名為腫瘤相關巨噬細胞（tumor?associated mac?rophages，TAM）的細胞群。這一細胞群會增加機體的前炎癥因子和前血管再生因子，誘導腫瘤的發展［43］。再加上對膠質瘤的放療、化療，可能會出現組織壞死和炎癥的現象，促使機體谷氨酸水平上升［44］。谷氨酸對腫瘤細胞提供能源，促進其生長［45］。轉錄因子核因子 κB（nuclear factor?κB， NF?κB）能夠使組織炎癥反應嚴重，激活的NF?κB可以活化相關的炎癥因子，如腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor?α， TNF?α），基質金屬蛋白酶?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］。 有實驗研究［47］發現，CR飲食可以降低NF?κB的表達，相應也降低了COX2的表達，并且使巨噬細胞炎癥蛋白2（macrophage in?flammatory protein?2， MIP?2） 的表達也有所降低。

3．3 胰島素相關信號通路 KMT引起血糖的降低提示減弱胰島素激活的Akt／mTOR和Ras／MAPK的信號通路與致癌作用有關［48］。可能會從KMT增加潛在的益處，由于高水平的胰島素相關信號分子（胰島素?、C?肽、 IGF?1， IGF?1R） 與增加的 患 癌風險有關［49］。與高度選擇性藥物阻斷劑不同，KMT可能產生整體的胰島素相關信號的抑制，更具有效性和更少副作用。另一個假定的KMT機制是AMPK的激活［50］，一個細胞內的能量傳感器和mTOR信號的抑制劑［51］，在葡萄糖缺失的情況下在鼠標星形細胞瘤模型中能誘導細胞凋亡，同時保護正常腦細胞［52］。Marsh等［53］認為，生酮飲食作用于腫瘤細胞的分子生物途徑主要與胰島素樣生長因子相關的張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue， PTEN）／蛋白激酶 B（the protein kinase B， PKB or Akt）／結節性硬化復合體 2（tuberous sclerosis complex 2， TSC2）通路（即PTEN／Akt／TSC2通路）有關。他們通過生酮飲食中的限制能量的方法飼養 CT?2A荷瘤鼠，發現生酮療法能夠增加鼠的生存期，也證實了PTEN／AKT信號通路和 IGF?1通路與細胞前凋亡和星形膠質瘤糖分解的表型相關。提出了抑制PKB?依賴的抗凋亡途徑與TSC2表達的降低和不斷升高的mTOR信號通路活動相一致，是生酮療法抗膠質瘤的可能機制，使這一治療方案具有更多的理論支持和依據。

3．4 其他相關研究 有關基因表達分析表明，KD可能至少部分通過抑制生長因子通路減緩腫瘤生長。惡性腦瘤的一個特點是血管生成的增加，通常認為是由于血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的增加。Seyfried和同事報道，熱量限制減少了腫瘤血管生成，然而，在Scheck等［54］的研究中KD似乎并不顯著影響VEGF的RNA和蛋白質的表達水平。這可能是由于熱量限制與KD產生不同的酮癥效應，或血管生成的抑制作用可能不依賴VEGF機制，需要作更加全面的研究。

KD代謝中酶的能力在神經膠質瘤和健康的腦組織時可能明顯不同，這可以部分解釋KD治療對膠質瘤和健康的腦組織中基因表達和相關表型變化的不同影響［17］。有研究［55］發現表明這些影響可以由KD誘導的microRNA表達水平的變化調節。

在功能層面上，臨床前研究［56］證明KMT（尤其是KD治療和／或CR）誘發惡性腦組織的代謝轉變成前凋亡，抗血管生成，抗侵入和抗炎狀態，伴隨著體內腫瘤生長標志物的顯著減少。使用GL261老鼠神經膠質瘤模型，Stafford等［37］證明KMT可有效治療敏感效應。有研究［24］使用相同的老鼠神經膠質瘤模型發現基于KD的KMT可以促進微環境中膠質瘤反應免疫應答，從而可能部分作為免疫佐劑。

4 療效

Nebeling等［23］研究顯示，生酮飲食開始后2名星形膠質瘤患兒的健康狀況得到改善，并且總生存期長于最初預測時間。Zuccoli等［24］的研究中，堅持用卡路里限制KD，成人GBM患者的生活質量明顯改善，雖然這名患者在KD時做了輻射治療，但是飲食停止后腫瘤復發。在 Champ等［26］的研究中KD有助于GBM患者對護理標準的應答。從這些報告和臨床前研究結果得出KD可有效改善兒童和成人惡性腦瘤患者總體存活率和生活質量。

KD可能會降低大腦谷氨酰胺水平，從而限制腫瘤生長的能量代謝產物的可用性。KD治療在熱量限制時可能更有效，所以稱為能量限制生酮飲食（ener?gy restriction ketogenic diet， ERKD ）［57］。 Seyfried等［58］表明，在鼠星形細胞瘤模型中有效減少腫瘤的生長作為自身熱量限制的結果，與血糖和IGF?1水平的降低有關。如果加上無毒的也促使糖酵解的藥物，如2?脫氧葡萄糖或 3?溴丙酮酸，二氯醋酸（DCA），ERKD除了降低腫瘤微環境下葡萄糖的可用性，可能更有治療性［59］。當聯合抗人巨細胞病毒藥物纈更昔洛韋，ERKD還可能進一步增加GBM患者的生存期。因此，CR融入飲食協議，使用組合方法如ERKD或KD和藥物，能夠更好的治療叫膠質瘤。

Poff等［60］研究顯示 KD和高壓氧治療（HBO2T）顯示出協同交互作用。HBO2T增加腫瘤細胞的ROS，而酮體保護正常細胞免受ROS損傷和潛在的氧毒性［61］。葡萄糖剝奪將增強在腫瘤細胞的氧化應激，同時增加氧氣可以降低腫瘤細胞增殖［62］。HBO2T被用作放射增敏劑可顯著改善對神經膠質瘤患者的輻射［63］。與放射治療對比，也通過ROS的產生殺死腫瘤細胞［64］，KD＋HBO2T會殺死腫瘤細胞而不損害正常細胞有毒副作用。在腦腫瘤中，生酮飲食也可能提高放射治療的效果。Scheck也表明接受放療和KD的GBM大鼠比起僅接受放射治療的GBM大鼠生存率更高［17］。

盡管KD對膠質瘤的治療有明顯效果，是安全的，但KD對膠質瘤的治療實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會導致人體維生素D的攝入缺乏［61－62］。有些患者實施KD后很難維持用以滿足血管生成和控制腫瘤生長需要的血糖和酮體的有效范圍。相當多的患者需要紀律的約束和一定的激勵方法來實施KD療法，否則會出現煩躁等情緒。酮酯誘導的酮癥可使機體更耐受持續低血糖，從而協助癌癥的代謝管理［65］。

5 結語

較多的臨床前研究表明KD治療惡性神經膠質瘤的有效性和安全性。早期臨床研究表明KD治療腦癌患者是安全、可行的。此外，幾個正在進行的臨床實驗也支持KD是一種潛在的新的治療策略，可以與現有抗腫瘤方法結合起來治療惡性神經膠質瘤。

雖然KD有一些限制和副作用，不斷的研究將有助于闡明關于KD的安全性和有效性等重要的懸而未決的問題，在較小副作用的前提下，方法選擇和最佳劑量與其他抗癌治療的兼容性，道德和生活質量方面等相關問題。我們希望使用KD協同藥物的代謝方法治療膠質瘤，對常規治療的不足處起到彌補作用，并可以提供一個更好的機會來提高年輕和年長的GBM患者的生活質量和長期生存能力。相信隨著相關研究的不斷進行和發展，生酮代謝療法在膠質瘤治療方面會起到重要作用。