生酮飲食抗腫瘤治療研究進展

張 凡，郭玉瑋，劉廣超，劉方芳，高淑清，*

(1．河北醫科大學第四醫院，河北 石家莊 050011；2．中國人民解放軍聯勤保障部隊第980醫院，河北 石家莊 050000)

1927年Otto Warburg觀察到腫瘤細胞主要是利用糖酵解而不是氧化磷酸化產生ATP，這種現象后來被稱為“Warburg效應”[1-2]。根據Warburg的理論，新出現的證據表明腫瘤是一種線粒體代謝性疾病[3]。Seyfried等[4]研究發現腫瘤起源于細胞質中線粒體的損傷，也提出了腫瘤是一種線粒體代謝性疾病。最近的研究表明生酮飲食(ketogenic diets，KD)可以改變細胞新陳代謝，可能會對腫瘤生長產生影響[5-6]。因此，KD在腫瘤治療中的應用也逐漸引起了人們的關注。

1 KD概述

KD是一種由高比例脂肪、低碳水化合物以及適量蛋白質組成的飲食，以脂肪代謝產生的酮體作為機體的主要能量來源。我們熟知的KD有4種類型：經典生酮飲食(classic ketogenic diet，CKD)、改良Atkins飲食(modified Atkins diet，MAD)、低血糖生成指數飲食(low glycemic index treatment，LGIT)以及中鏈甘油三酯飲食(medium-chain triglyceride diet，MCTD)[7]。早在1921年Wilder RM教授提出生酮飲食能夠治療癲癇，降低癲癇患者的發作頻率，被認為是一種安全有效的非藥物治療方式[8]。

2 腫瘤細胞的能量代謝特點

正常細胞在有氧條件下通過線粒體氧化磷酸化代謝產能，而腫瘤細胞即使在氧氣充足的條件下仍表現出較高的糖酵解速率，且腫瘤細胞消耗的葡萄糖比正常細胞多200倍。Warburg指出，有氧糖酵解是腫瘤細胞代謝的一個顯著特征[9]。腫瘤細胞生長、繁殖速度快，而糖酵解產能特點為低效高速，采用糖酵解能夠代謝更多的葡萄糖，以滿足其生長需求。由于腫瘤細胞線粒體功能障礙和利用酮體所必需的酶的下調，不能利用酮體供能，這就使得腫瘤細胞對葡萄糖的依賴性更強[10-11]。因此，在腫瘤治療中提供富含脂肪、低碳水化合物的飲食的基本原理是降低循環血糖水平并誘導酮癥，使腫瘤細胞缺乏能量，而正常細胞調整其新陳代謝可以使用酮體并存活。

3 KD在抗腫瘤治療中的作用機制

3.1 降低腫瘤細胞血糖和葡萄糖轉運蛋白-1的表達水平

葡萄糖是惡性腫瘤生長的主要能量來源，腫瘤細胞通過加快糖酵解速率、提高葡萄糖轉運速度等方式獲得更多能量以滿足其生長，這使得葡萄糖的消耗量大大增加[12]。Seyfried等[13]研究發現裸鼠移植瘤的生長速度直接依賴于血糖水平，葡萄糖水平越高，腫瘤生長越快。隨著葡萄糖水平的下降，腫瘤的大小和生長率也會下降。他的這一研究結果在人類身上也得到了證實。Champ等[14]觀察在多形性膠質母細胞瘤(GBM)放化療期間，使用KD對患者血糖水平的影響。共有6名患者接受了KD，結果發現與接受標準飲食相比，接受KD患者的血糖水平顯著下降。葡萄糖進入細胞主要依賴葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter，GLUT)的參與，GLUT-1是發現最早的也是最重要的葡萄糖轉運蛋白[15]。有研究發現減少葡萄糖的供應，正常細胞GLUT-1的表達水平會升高，而腫瘤細胞則恰恰相反，因而腫瘤細胞必須與正常細胞競爭有限的葡萄糖，最終導致腫瘤細胞無法獲得充足的能量維持生長[13]。

3.2 抑制胰島素和胰島素樣生長因子的表達

流行病學研究發現血清胰島素和胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)與某些癌癥發病風險增加有關。胰島素是由胰腺細胞產生，血糖水平越高，胰腺分泌的胰島素也就越多。研究發現較高的胰島素水平可能通過絲裂原激活蛋白激酶途徑來刺激腫瘤生長[16]。Marsh等[17]發現IGF-1與特異性酪氨酸酶受體結合能夠激活PI3K/Akt信號通路，從而促進腫瘤細胞增殖。IGF-1水平越高，腫瘤生長越快。Mavropoulos等[16]給予小鼠KD，發現血清胰島素水平和IGF-1顯著降低，小鼠生存時間延長，腫瘤體積減小。KD通過限制碳水化合物的攝入降低血糖，減少胰島素的分泌和IGF-1的表達，以達到抑制腫瘤生長的目的。Freedland等[18]采用給予小鼠無碳水化合物生酮飲食，發現血清胰島素和IGF-1水平下降，而促凋亡激素胰島素生長因子結合因子3(insulin-like growth factor binding factor 3，IGFBP3)水平升高。高水平的IGFBP3被認為有抗癌作用[19]。

3.3 線粒體酮體代謝酶缺乏

KD是利用高比例脂肪經代謝產生的酮體作為機體的主要能量來源。腫瘤細胞能否利用酮體供能，對于細胞增殖至關重要。利用酮體作為能量能源主要需要2種酶：β-羥基丁酸脫氫酶1(β-hydroxybutyrate dehydrogenase 1，BDH1)和琥珀酰輔酶A：3酮酸輔酶A轉運酶1(succiny1-CoA：3-oxoacid CoA transferase 1，OXCT1)。Zhang等[20]研究33種人腫瘤細胞系中BDH1和OXCT1在腫瘤中的表達以及異種移植瘤對KD的反應，結果發現來源于BDH1和OXCT1低表達水平的腫瘤細胞的異種移植瘤對KD治療更敏感。研究表明BDH1和OXCT1酮體代謝酶的表達是決定KD治療效果的主要因素之一，BDH1和OXCT1低表達的腫瘤可能比這些高表達的腫瘤對KD治療的反應更好。Chang等[21]對22例惡性膠質瘤患者的酮體代謝關鍵酶表達進行了研究，他們發現這些BDH1和OXCT1低表達或極低表達的患者對KD治療的反應更好。腫瘤細胞不能利用酮體，使用KD可能是治療BDH1和OXCT1低表達腫瘤的有效方法。

3.4 增強氧化應激

線粒體是多數真核細胞產生活性氧(reactive oxidative species，ROS)的主要部位。正常情況下ROS維持在一個恒定的范圍內，腫瘤細胞因線粒體的結構和功能發生改變，導致諸如O2和H2O2等ROS生成增多。因此，相對于正常細胞，腫瘤細胞被認為存在慢性代謝氧化應激狀態。為了和正常細胞一樣將ROS維持在穩態范圍內，腫瘤細胞需要通過增加葡萄糖的代謝來抵消線粒體產生的O2和H2O2[22]。研究發現，酮體代謝通過減少ROS的產生和增強內源性抗氧化能力來保護正常細胞免受氧化刺激的損傷[23]。腫瘤細胞不能有效地代謝酮體，因此，酮體不會對腫瘤細胞起到同樣的保護作用。相反，KD產生的酮癥狀態會加劇腫瘤細胞代謝中的氧化應激，進一步促進腫瘤細胞死亡。

3.5 抑制炎癥反應

炎癥在腫瘤發生和發展中所發揮的作用受到越來越多的人關注。很多臨床和流行病學的研究已經表明，炎癥是一個明確可以導致腫瘤的危險因素。環氧酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)在正常生理狀態下表達較少，但在炎癥或惡性腫瘤中表達很高。有文獻指出COX-2在乳腺癌、胃癌、神經膠質瘤等多種惡性腫瘤中高度表達[24-25]。雖然COX-2導致腫瘤發生發展具體機制尚不確切，但研究已證實，COX-2能夠增強炎癥并且促進腫瘤細胞增殖[13]。Abdelwahab MG等[26]給動物喂食KD時，發現KD組COX-2的表達降低至非腫瘤水平。由此推斷KD可以通過抑制炎癥反應發揮抗腫瘤作用。

4 KD抗腫瘤相關研究

4.1 KD與腦惡性腫瘤

Nebeling等[27]使用KD治療2例兒童神經膠質瘤患者，在整個飲食治療期間患兒耐受性良好。KD治療7d后患兒血糖低于正常水平，血酮體升高20～30倍，PET掃描結果顯示，2例患兒腫瘤局部葡萄糖攝取量平均降低21.8%。經過2個月的治療，腫瘤縮小，繼續治療12個月后，腫瘤沒有進一步發展，10年后仍然存活。Zhou等[28]建立鼠CT-2A及人U87腦惡性腫瘤動物模型，分別給予未限制能量的標準飲食(SD-UR)、未限制能量的KD(KD-UR)和限制能量的KD(KD-R)。結果顯示與SD-UR和KD-UR組相比，KD-R組腫瘤生長速度、血糖水平及微血管密度明顯降低，存活時間顯著延長，SD-UR組和KD-UR組之間無明顯差異。KD-UR組的血酮水平比SD-UR組高2～3倍，而KD-R組的血酮水平是SD-UR組的5～9倍。這些發現表明，限制能量的KD可顯著降低攜帶鼠CT-2A或人U87腦瘤小鼠的腫瘤生長和延長生存期，具有抗腫瘤和抗血管生成作用。Abdelwahab等[26]建立神經膠質瘤小鼠模型，并且聯合顱內放療處理。KD組小鼠血酮體水平升高，中位生存時間比SD組多了5 d。在11只接受KD聯合放療的小鼠中，其中9只無腫瘤復發跡象。這種聯合方法隨后也被應用于臨床研究，2014年Champ等[14]報道了KD聯合放化療治療6例Ⅲ～Ⅳ級多形性膠質母細胞瘤的研究，其中4例在14個月時仍存活。研究表明KD聯合放療增強了抗腫瘤效應。

4.2 KD與前列腺癌

前列腺癌在全球男性癌癥發病率中排名第二，在癌癥死亡率中排名第四[29]。現有的數據表明，在前列腺癌的整體治療中，需要加入飲食干預措施[30]。Freedland等[18]建立前列腺癌小鼠模型，將其分為三組，無碳水化合物生酮飲食組(NCKD)、低脂肪組和西方飲食組。NCKD組的飲食比例為84%脂肪，16%蛋白質，0%碳水化合物；低脂肪組為12%脂肪，16%蛋白質，72%碳水化合物；西方飲食組為40%脂肪，16%蛋白質，44%碳水化合物。結果發現，NCKD組小鼠腫瘤體積明顯小于西方飲食組，但和低脂肪組相比沒有明顯差異。NCKD組小鼠存活時間最長，其次為低脂肪組。低脂肪組和西方飲食組小鼠的存活時間沒有顯著差異。其中，NCKD組具有最少量的肝臟脂肪浸潤，這可能是由于KD降低了甘油三酯水平并提高高密度脂蛋白膽固醇水平的緣故。為進一步驗證KD抗前列腺癌作用，同時考慮到人類幾乎不可能耐受NCKD，Masko等[31]觀察到，含10%或20%碳水化合物的低碳水化合物飲食對小鼠前列腺癌顯示出與NCKD相似的抗腫瘤效果和總體存活率。

4.3 KD與子宮內膜癌

王麗莉等[32]觀察KD對人子宮內膜癌裸鼠皮下移植瘤生長的影響，將裸鼠分為SD組、KD組和NCKD組。7 d后，與SD組相比，KD組和NCKD組血糖降低40%，血酮升高3～5倍；30 d后KD組和NCKD組腫瘤體積及重量均小于SD組，但KD組與NCKD組無明顯差異。研究表明KD在腫瘤發生早期即顯示出明顯的干預和抑制作用。

4.4 KD與結腸癌

郝光偉等[33]將人結腸癌裸鼠皮下移植瘤裸鼠分別給予SD及KD，兩組均不限制總能量。與SD組相比，KD組裸鼠生長明顯延緩，皮下移植瘤達到目標體積的時間大于SD組。KD組腫瘤壞死面積明顯增大，微血管密度顯著降低。KD可能是通過代謝方法降低腫瘤細胞的能量供應，使腫瘤新生血管數減少，進而促進其死亡。

4.5 KD與肺癌

Allen等[34]建立肺癌異種移植瘤動物模型，用KD聯合放療共同治療。結果顯示，與單獨放療相比，KD聯合放療導致肺癌異種移植瘤生長減慢。通過測量4-羥基-2-壬烯醛的蛋白表達，發現KD聯合放療組脂質過氧化介導的氧化損傷增加，KD可能通過增強氧化應激來增加肺癌異種移植物對放療的敏感性，進而抑制腫瘤生長。

4.6 KD與胃癌

Otto等[35]觀察富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD對人胃癌裸鼠生長的影響。將裸鼠分為兩組，一組富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD，另一組接受SD。研究發現，KD組腫瘤生長較SD組明顯延遲，達到目標腫瘤體積的時間為(34.2±8.5)d，而SD組僅為(23.3±3.9)d。KD組的腫瘤壞死面積增加，且比SD組具有較低的微血管密度。該研究還發現KD組血酮水平明顯升高但血糖水平未發生明顯改變。

4.7 KD與頭頸部腫瘤

有氧糖酵解是腫瘤細胞能量供應的主要方式，這種代謝方式致使機體產生更多的乳酸。有研究發現高乳酸頭頸部鱗狀細胞癌(head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC)的預后比低乳酸HNSCC更差[36]。Schroeder等[37]對10名HNSCC患者實施KD，開始飲食3 d后，腫瘤組織中的乳酸濃度比正常組織中顯示出更大程度地下降，而且顯著提高了患者的健康狀態和存活率。

5 KD脂肪酸的選擇

KD抗腫瘤相關研究在近些年很受歡迎，脂肪酸種類的選擇也變得多樣化。采用富含飽和脂肪酸豬油的KD在限制熱量或者不限制熱量時均被證明對腫瘤生長有抑制作用[38-39]。采用富含ω-6多不飽和脂肪酸大豆油的KD在限制熱量時可以抑制腫瘤生長，而在不限制熱量時，它對腫瘤生長無抑制作用[26，28]。多項研究表明富含ω-3多不飽和脂肪酸的飲食可以抑制異種移植瘤的生長[40-42]。而采用富含ω-3多不飽和脂肪酸的KD在不限制熱量時也被發現有抑制腫瘤生長的作用[35]。那么究竟是ω-3多不飽和脂肪酸的作用，還是酮體的作用，又或者是兩者結合的協同作用。Hao等[39]研究發現KD中采用或不采用ω-3多不飽和脂肪酸都可以抑制人結腸癌裸鼠移植瘤生長，且兩者之間的差異無統計學意義。因此我們認為酮體和ω-3多不飽和脂肪酸都發揮了抑制腫瘤生長的作用，但就目前的研究結果來看，還沒有發現二者有協同作用。綜上所述，不同種類脂肪酸的KD都表現出抑制腫瘤生長的作用。隨著KD抗腫瘤研究的深入，KD中脂肪酸種類的選擇也得到了優化，更多的研究采用了中鏈甘油三酯(medium-chain triglyceride，MCT)和ω-3多不飽和脂肪酸的KD。這是因為MCT比傳統KD方案中所采用的長鏈脂肪酸具有獨特的促進肝臟合成酮體的能力，生酮效果更快，可以減少飲食對碳水化合物的限制，耐受性較好，而ω-3多不飽和脂肪酸具有抗炎、抗腫瘤血管生成等作用，因此選擇富含ω-3多不飽和脂肪酸和MCT的KD用于治療腫瘤是一個很好的方向[8]。

6 KD的安全性

Schmidt等[43]對16例晚期轉移性腫瘤患者進行為期3個月的生酮飲食研究發現，5名完成試驗的患者除了暫時性便秘和疲勞外，沒有發現其他不良反應，并且對膽固醇和血脂沒有明顯的影響，其他生活質量參數也都保持穩定。Caroline等[44]發現應用KD 12周后，患有卵巢癌或子宮內膜癌患者的身心健康、情緒和失眠問題得以改善，并減少了饑餓感和對甜食以及淀粉類食物的渴望。一項對35名總膽固醇升高的肥胖受試者進行56周KD發現，總膽固醇、甘油三酯以及低密度脂蛋白膽固醇水平降低，高密度脂蛋白膽固醇水平有所改善[45]。盡管KD在多項研究中被認為是安全的，可以改善生活質量。但是也有一些研究報道在KD早期(約4周內)容易造成維生素、礦物質及膳食纖維的缺乏，引起一些消化系統癥狀，如惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、便秘等。長期使用KD(約6個月后)還會造成低蛋白血癥、高膽固醇血癥、腎結石、骨代謝異常的發生[14，46-49]。所以我們在臨床上應用KD應密切關注不良反應的發生，及時采取適當的措施對癥處理。

7 KD的局限性

雖然KD抗腫瘤研究取得不錯的效果，但大多都集中在動物實驗上，臨床研究的報道很少，主要是由于KD要求非常嚴格，并且需要高比例的脂肪，患者難以堅持這種飲食方案。另一方面KD可能引起惡心、嘔吐、便秘等一些消化系統癥狀，導致依從性較差。另外，為了提高研究結果的可比性，KD方案的統一是很重要的。但是在臨床試驗中KD很可能會受到患者個人飲食偏好的影響，難以達到完全統一。由于KD的這種局限性，所以目前關于KD抗腫瘤的臨床研究仍然缺乏大規模的隨機對照試驗。

8 結論與展望

傳統的腫瘤治療方法雖然在一定程度上可以控制腫瘤的發展，但是放化療的副作用明顯，許多腫瘤患者的預后仍然很差。Warburg效應為腫瘤治療提供了一個新的方向。KD具有可操作性強、成本低、副作用小等優點，既可以單獨使用，也能夠與其他療法聯合使用。目前KD抗腫瘤治療還處在初級階段。已有大量的動物模型研究證實KD可以抑制腫瘤生長、延長生存時間、增強放化療效果，但是臨床試驗的研究報道卻很少。目前在美國臨床試驗注冊網站上注冊的KD治療惡性腫瘤的臨床試驗共有28個，包括神經膠質瘤，前列腺癌，頭頸部腫瘤，子宮內膜癌，胰腺癌，乳腺癌，非小細胞肺癌，卵巢癌。其中大多數處在募集患者期，為了能提高患者的依從性，提升治療效果，建議開發一些多樣化的生酮產品，如生酮面包、生酮餅干、生酮飲料等等，這樣更容易被患者接受，有條件的話還可以將患者統一管理，提供一日三餐。關于生酮飲食對腫瘤進展的影響，還是需要足夠數量的患者進行大樣本研究。