禁食療法減輕2型糖尿病作用機制的研究進展*

楊 坡，李艷紅，韓揚卓，張徑遂，何恩鵬△

（新疆師范大學1體育學院運動人體科學重點實驗室，2新疆特殊環境物種保護與調控生物學實驗室，新疆烏魯木齊830054；3成都體育學院，四川成都610041）

目前，糖尿病已經成為影響全球4.22億成年人的主要公共衛生問題，每年全球醫療系統費用約為8270億美元［1］。如果不加以控制，到2045年患者將增加至6.93億，而每年費用將增加至8500億美元［2］。因此，尋找高效、安全的治療方法顯得尤為重要。研究表明，禁食療法是目前國際上公認的治療糖尿病的有效手段。

1 禁食療法定義、分類及作用

禁食療法是指在保證為機體提供充分的營養成分（如必須氨基酸、維生素等），保證機體不發生營養不良的情況下，部分/全部的節制飲食，或是選擇性節制被禁止的食物，從而達到限制每日攝取總熱量的目的［3］。與傳統醫學禁食最大區別在于，醫學禁食更多運用于術前，禁食8～12 h、禁飲4 h，減緩焦慮情緒，促進機體康復［4-5］。

自McCay等［6］在1935年提出禁食療法這種干預手段至今，眾多研究發現其在治療肥胖、糖尿病等代謝性疾病、抗炎、抗癌、保護心血管和延長壽命等方面發揮重要作用。

禁食療法作為一種非藥理性干預手段，根據實際用的應用方式的不同大致可以分為以下3類：熱量限制（calorie restriction，CR）、間歇性禁食（inter‐mittent fasting，IF）和飲食限制（dietary restriction，DR）。其中IF最常用的兩種模型分別是隔日禁食（alternate day fasting，ADF）和定期禁食（periodic fasting，PF），也稱5∶2輕斷食。

2 禁食療法的作用機制

2型糖尿病（type 2 diabetesmellitus，T2DM）發生發展的兩大基本原因是胰島素抵抗和胰島β細胞功能障礙。而禁食療法在減輕胰島素抵抗和保護胰島β細胞功能方面有著重要作用，且其涉及的作用機制眾多。

2.1 禁食療法減輕胰島素抵抗 禁食療法減輕胰島素抵抗的機制主要包括以下幾個方面（圖1）。

Figure 1.Mechanismof fasting treatment to attenuate insulin resistance.圖1 禁食療法減輕胰島素抵抗的機制

2.1.1 禁食療法與AMP活化蛋白激酶（AMP-acti‐vated protein kinase，AMPK）信號通路 AMPK是研究糖尿病及其他相關代謝疾病的核心，任何通過干擾ATP合成來擾亂能量平衡的代謝壓力都會激活AMPK［7］。王禎等［8］通過IF發現大鼠骨骼肌AMPK相關蛋白表達提高，AMPK磷酸化水平增強，并在AMPK被激活后引發糖脂代謝的基因轉錄調控。而Pires等［9］對Wistar大鼠進行短期CR后發現，不僅大鼠骨骼肌AMPK被激活而且肝臟AMPK也被激活，同時AMPK磷酸化水平提高，肝臟和肌肉的胰島素敏感性增強。另外，Wang等［10］和Silvestre等［11］通過對AMPK基因被敲除的小鼠進行CR發現骨骼肌對葡萄糖的攝取完全停止，且糖耐量未得到改善。說明AMPK信號通路在禁食改善糖脂代謝過程中發揮著重要作用。

2.1.2 禁食療法與磷脂酰肌醇3-激酶（phosphati‐dylinositol 3-kinase，PI3K）-蛋白激酶B（protein ki‐nase B，PKB/Akt）信號通路 Li等［12］的研究發現PI3K-Akt信號通路可以提高胰島素敏感性，同時PI3K的激活還可以促進脂代謝，另外PI3K-Akt信號通路還可能是禁食療法影響胰島素敏感性的介體，但分別檢測3個小鼠組的PI3K和p-PI3K水平，發現差異并無統計學顯著性。除此之外，在CR后胰島素受體（insulin receptor，IR）和胰島素受體底物1（insu‐lin receptor substrate-1，IRS-1）等活性都產生明顯變化［13］。Silvestre等［11］和Sharma等［14］發現，CR激活IR上相關位點磷酸化，Akt2磷酸化被激活，胰島素抵抗減輕。因此，PI3K-Akt信號通路在胰島素抵抗中的作用機制可能是：胰島素與IR結合后，激活IRS-1的酪氨酸磷酸化，導致PI3K和Akt磷酸化以及下游蛋白（如葡萄糖轉運體4和糖原合成酶激酶3β等）的激活，進而增強葡萄糖代謝，達到減輕胰島素抵抗的目的［5，15-16］。

2.1.3 禁食療法與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mam‐malian target of rapamycin，mTOR）信號通路 mTOR信號通路也是胰島素信號轉導的主要通路之一。Linden等［17］發現，能量過剩可以激活mTOR通路并促進脂肪生成，而CR和二甲雙胍治療可以增加AMPK活性并抑制mTOR通路，抑制脂肪生成。另外，研究發現CR是降低肝臟固醇調節元件結合蛋白1（sterol regulatory element binding protein-1，SREBP-1）水平，抑制mTOR復合物1，增強與脂肪分解相關的基因表達，從而減輕胰島素抵抗［17-18］。而mTOR是人類細胞自噬的主要負性調節因子，禁食可能是通過抑制mTOR的活性而提高哺乳動物體內細胞自噬能力。因此，禁食療法可能是通過抑制mTOR通路，增強分解脂肪基因表達或提高自噬能力減輕胰島素抵抗。

2.1.4 禁食療法與沉默信息調節因子（silent infor‐mation regulators，SIRTs）信號通路 SIRTs蛋白家族是煙堿腺嘌呤二核苷酸依賴的脫乙酰酶，在細胞代謝平衡、基因毒性應答以及各種應激刺激中發揮重要作用。SIRTs包括SIRT1～7，其中SIRT1是CR下游通路的主要調節因子，Silvestre等［11］通過對AMPK敲除小鼠進行CR發現其糖耐量受損，這可能與AMPK基因敲除后，導致下游SIRT1表達下調有關。而SIRT1是通過使其下游底物（轉錄輔助活化因α、缺氧誘導因子1α等）去乙酰化而調節細胞的氧化或糖脂代謝［19-20］。在CR實驗中發現大鼠血液循環中的脂聯素水平增加，胰島素敏感性提高，也是由SIRT1介導的［21］。但有研究認為機體SIRT1激活后不是刺激肝臟葡萄糖的產生，而是改善并提高大鼠的糖異生能力［22］。朱志宏等［23］卻發現CR是通過促進SIRT高表達對大鼠胰島及NIT-1細胞壽命、胰島素的分泌功能及胰島素抵抗等進行調控。除此之外，SIRT1減輕胰島素抵抗是通過參與炎癥過程進行的。因此，SIRT1可能通過調節IR后信號，減少炎癥、脂質動員和脂聯素分泌，控制脂肪酸氧化和線粒體生物發生來減輕胰島素抵抗。

2.1.5 禁食療法與白色脂肪組織（white adipose tis‐sue，WAT）內脂肪細胞調節 調節WAT內脂肪細胞的大小和體積，減少脂肪促炎因子的分泌，是減輕胰島素抵抗的有效途徑［24］。IF中的ADF方式能夠刺激WAT形成具有棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）細胞特征的米色脂肪，并且能夠顯著地減輕肥胖狀態和胰島素抵抗等［25］。Lapa等［26］對雄性糖尿病大鼠CR干預后，發現其BAT攝取葡萄糖的能力增強，解偶聯蛋白1的表達升高。楊玉彬等［24］通過不同CR方法處理胰島素抵抗大鼠，發現CR50%組和IF組大鼠過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxi‐some proliferator-activated receptorγ，PPARγ）的mRNA及蛋白表達水平較模型組顯著降低，可能抑制前脂肪細胞增殖，減少脂肪細胞數量，降低內臟脂肪含量，減輕脂毒性，進而改善糖脂代謝并減輕胰島素抵抗。總而言之，IF、ADF和CR方案在減輕體重、促進白色脂肪棕色化、降低內臟脂肪量、降低空腹胰島素和提高胰島素敏感性方面有著顯著作用。

2.1.6 禁食療法與機體炎癥反應 炎癥是胰島素抵抗發病機制中最重要的因素之一。在對小鼠進行IF和慢性長期限食后，發現小鼠血清中的白細胞介素6（interleukin-6，IL-6）和胰島素樣生長因子1（in‐sulin-like growth factor-1，IGF-1）與自由飲食相比均降低，限食可能是通過降低促炎細胞因子而減輕炎癥［13］。研究發現，脂肪組織釋放的炎癥性細胞因子可能是誘導骨骼肌產生胰島素抵抗的一大原因。Park等［27］發現禁食期間脂肪組織中抗炎脂肪因子升高，促炎脂肪因子下降，胰島素敏感性增加。CR、IF等禁食方式均可有效降低總脂肪和內臟脂肪量，降低C-反應蛋白、瘦素、腫瘤壞死因子、抵抗素、血管緊張素原、IL-6等促炎因子。另外，SIRT1在炎癥期間亦會被激活，但目前沒有直接證據表明SIRT1可以減輕胰島素抵抗期間的炎癥反應［21］。因此，SIRT1可能為抗炎治療提供新的、有希望的靶點。

2.1.7 禁食療法與腸道菌群 腸道菌群在胰島素信號傳導、糖脂代謝和蛋白質代謝以及減輕胰島素抵抗中發揮著舉足輕重的作用。Qin等［28］發現，T2DM患者普遍存在腸道菌群失調，同時大量腸道細菌轉移到血液和組織中，造成胰島素抵抗。而接受二甲雙胍治療過的糖尿病患者其腸道微生物組成更健康［29］。另外，研究發現IF中的ADF通過重塑腸道菌群來激活白色脂肪組織棕色化，改善機體脂肪代謝，達到減輕肥胖狀態、胰島素抵抗和脂肪肝的目的［30］。在模擬禁食飲食研究中發現機體中與較低的血糖水平相關對側吸蟲和白菌的數量明顯增加，與較高的血糖水平相關的Prevotellaceae_UCG001、Alis?tipes和Ruminococcaceae_UCG01的數量明顯減少［31］。在地中海飲食提高胰島素敏感性的研究中，亦發現一種名為Bacteroidesdistasonis的腸道細菌，可以降低血漿葡萄糖水平和肝臟甘油三酯水平改善糖脂代謝，還具有降低血漿中脂蛋白水平，肝臟中谷氨酰胺水平和糖原水平等全身性作用［31］。

目前，益生菌菌株、短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）生成微生物以及具有氨基酸降解功能的微生物方面的研究為禁食改善腸道微生物治療T2DM提供新思路［32］。不過腸道微生物減輕糖尿病的機制尚未明確，可能與循環代謝產物、腸道激素、腸道微生物群等作用機制相關［33-34］。

2.2 禁食療法改善胰島β細胞功能 禁食療法改善胰島β細胞功能的機制主要包括以下幾個方面（圖2）。

2.2.1 禁食療法與胰島β細胞去分化 Talchai等［35］在2012年提出β細胞去分化是導致β細胞數量減少的重要機制。Sheng等［36］對糖尿病小鼠進行CR后發現，長期CR組小鼠的β細胞去分化顯著減少，β細胞特定轉錄因子表達隨著長期CR顯著增加，胰高血糖素樣肽-1途徑被重新激活。另外，CR可能是通過氧化應激等途徑使β細胞的特異性轉錄因子的表達具有可逆性，去分化顯著降低，功能改善［37］。因此，維持β細胞成熟分化狀態、防止β去分化在減輕胰島β細胞功能障礙中顯得尤為重要。

2.2.2 禁食療法與胰島β細胞線粒體功能障礙

Figure 2.Mechanism of fasting treatment to improve isletβcell function.圖2 禁食療法改善胰島β細胞功能的機制

線粒體通路是胰島細胞凋亡的主要信號轉導途徑，其功能障礙是糖尿病的發病基礎［38］。CR的作用類似于線粒體增加后膜電位降低，可逆轉高糖、高胰島素引起的線粒體功能障礙。楊雪等［39］還發現CR可以下調促凋亡蛋白Bax和caspase-3的表達，減輕線粒體功能障礙。而在CR降低肝新生脂肪標志物（脂肪酸合酶、乙酰輔酶A羧化酶等）的實驗中發現，肝線粒體活性增加，肝臟線粒體功能改善［17］。卡路里限制是依賴NO/cGMP途徑調節線粒體功能，cGMP處理細胞可促進線粒體的生物發生和ATP的合成，但不會增加活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的產生［40］。Cerqueira等［41］還發現，CR使線粒體裂解相關蛋白的水平降低，血清線粒體融合率、長度增加，裂解率降低，線粒體功能得以改善。因此，禁食療法中的CR對于減輕線粒體功能障礙有著重要意義。

2.2.3 禁食療法與SIRTs功能 Deng等［42］發現，CR顯著提高了糖尿病大鼠對胰島素的敏感性，顯著增加了SIRT1的mRNA和蛋白表達，同時降低了胰島細胞的凋亡率。SIRT1通過下游底物（p53和叉頭框蛋白O）調控細胞壽命和在應激情況下調節細胞的凋亡或修復，還可以通過抑制NF-κB等炎性因子的作用，減少組織炎癥以及保護胰島β細胞和延緩衰老［43］。除了SIRT1外，對野生型小鼠進行CR后，SIRT3能夠通過去乙酰化激活異檸檬酸脫氫酶2（iso‐citrate dehydrogenase 2，ICDH2），催化異檸檬酸不可逆地形成α-酮戊二酸和二氧化碳，產生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide ade‐nine dinucleotide phosphate，NADPH），減少氧化型谷胱甘肽，減緩氧化應激作用［44-45］。另外，SIRT3蛋白還可以使乙酰輔酶A合成酶2（acetyl-coenzyme A synthetase 2，AceCS2）和鳥氨酸循環關鍵酶去乙酰化，從而激活脂肪酸氧化代謝［45］。因此CR可能通過激活SIRT3蛋白的脫乙酰酶活性，減輕氧化應激和激活脂肪酸氧化代謝，從而達到改善胰島β細胞功能的作用。

2.2.4 禁食療法與胰島β細胞自噬 自噬可由饑餓、化學和機械應激等不同刺激引發，而禁食一直被認為是自噬的主要生理誘導物［46］。在禁食過程中能量消耗可改變AMP/ATP比例，激活AMPK強烈誘導自噬發生，以維持細胞穩態［8］。在長期禁食時可上調自噬關鍵基因的轉錄，增加骨骼肌中的beclin-1和微管相關蛋白1輕鏈3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）蛋白水平，去除功能失調的細胞器和受損蛋白質，減少炎癥，改善代謝穩態［47-48］。CR除了可以直接激活AMPK和SIRT1，還可以抑制胰島素和IGF-1信號，從而抑制mTOR通路并激活自噬［49］。而IF可以恢復胰島的自噬通量，促進葡萄糖刺激的胰島素分泌、β細胞存活和胰腺再生標志物神經源素3（neurogenin 3，NEUROG3）表達，從而改善葡萄糖耐受性［21］。IF可顯著減少細胞凋亡，但對細胞增殖無顯著影響［31］。Liu等［50］發現，β細胞的再生依賴于完整的自噬-溶酶體途徑，再生位于雷帕霉素作用靶點的下游。

另外，Sun等［51］通過對比16周正常飲食、高脂肪飲食和CR飲食的Sprague-Dawley大鼠的胰腺組織和血液樣本，發現高脂肪飲食大鼠的游離脂肪酸、甘油三酯水平和胰島素抵抗水平均顯著升高，CR組下降。因此，胰島細胞自噬程度可能受到游離脂肪酸、胰島細胞胰島素和胰高血糖素水平的調節，這可能與beclin-1/Bcl-2的作用有關。還有研究認為禁食期間細胞激活自噬基因的分子機制可能是Sequoia、YL-1和Sir2等蛋白質與細胞質中自噬相關的蛋白Atg8a相互作用的結果［52］。因此，禁食與自噬的研究對糖尿病等代謝疾病具有重要意義。

除此之外，Ugochukwu等［53］發現，小鼠CR后出現促炎介質降低，抗炎細胞因子升高，胰島β細胞功能障礙減輕。由此可認為禁食療法可能是通過降低炎癥反應減輕胰島β細胞功能障礙。另外，陳莉等［54］在Kkay小鼠CR實驗中發現，β細胞去分化顯著降低和功能障礙減輕是通過氧化應激途徑起作用的。因此，禁食療法減輕胰島β細胞功能障礙還可能與抗氧化應激相關。

3 小結和展望

禁食療法作為一種飲食療法，其使受試者的飲食習慣改變以及熱量攝入減少，從而達到治療T2DM的目的，其安全性及有效性已經得到臨床試驗的證實。但是禁食療法減輕T2DM的許多分子機制例如自噬、腸道菌群、抗炎、抗氧化應激等仍需要進一步研究，且不僅限于動物實驗來探討。另外，目前國內對減輕胰島素抵抗及胰島β細胞功能障礙的禁食療法的具體方法和量效關系等方面研究較少，這些都是我們未來進一步研究的方向。