生酮飲食與阿爾茨海默病

何本進 何麗艷 陳川 陳譽文 楊云飛 黎華 秦嬌琴 呂淵 周博鋒

(廣西壯族自治區江濱醫院 1檢驗科，廣西 南寧 530021；2神經內科)

阿爾茨海默病(AD)是老年癡呆的主要原因，是一種慢性神經退行性疾病。據國際阿爾茨海默病協會(ADI)公布的數據，全球每3秒將增加1例癡呆病例，2018年癡呆病例人數已達5 000萬，預計到2050年該數字將增至1.52億〔1〕。2016年我國AD患者人數已超過900萬，預計2050年將達2 700萬以上〔2〕。2002～2012年，413個AD新藥物的臨床試驗中，99.6%的新藥無明顯療效〔3〕。因此，探索預防與治療AD的方法刻不容緩。目前AD的具體致病機制仍不明確，但尸檢結果發現AD患者大腦β-淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊和神經纖維纏結大量聚積〔4〕，并與神經元細胞死亡、突觸丟失相關，故認為Aβ斑塊和神經纖維纏結在AD進展過程中發揮重要作用。一直以來，許多研究的方向主要集中在如何減少或阻止Aβ斑塊聚積、神經纖維纏結形成上。證據表明神經代謝問題如胰島素抵抗、大腦葡萄糖代謝減退等，可能是影響Aβ斑塊與神經纖維纏結形成并最終進展為AD的潛在原因〔5〕。為了解決這些代謝問題，研究人員對AD患者飲食干預，即生酮飲食(KD)進行了探索〔6,7〕。本文主要探討KD在AD治療及預防中的作用機制。

1 KD

1921年Russell Wilder醫生首次報道KD對癲癇患兒有較好療效。KD是一種高脂肪、低碳水化合物和適當蛋白質的飲食，其目標是建立一種酮癥狀態，酮癥是由于體內碳水化合物供應不足，導致脂肪過度分解而產生和累積酮類物質，即酮體〔β-羥丁酸(βHB)占78%、乙酰乙酸占20%和丙酮占2%〕，可在血液、尿液和呼吸中被檢測。從本質上講，KD使體內主要燃料來源從葡萄糖轉變為酮體。高脂肪意味著可提供更多的底物直接轉化為酮體，限制碳水化合物攝入意味著可通過減少糖酵解滿足能量的需求、降低胰島素信號及增加對酮體的需求以滿足生物能量的要求。傳統KD中，大部分脂肪是長鏈三酰甘油(LCT)，常見于肉類、魚類、乳制品及蛋類。但由于碳水化合物的誘惑及需要精確測量食物等原因，使用者難以堅持使用。棕櫚油、椰子油及哺乳動物的奶中含有中鏈脂肪酸(MCFA)。人乳中約10%的能量來自MCFA，后者可在嬰兒體內誘導持續輕微的酮癥，以支持能量代謝和大腦發育。改良KD包括MCFA經酯化而制成的生酮產品——含中鏈三酰甘油(MCT)的補充劑，如Axona、AC-1202和AC-1204等〔6,8,9〕及外源性酮類，如酮單酯、酮酯及酮鹽。目前外源性酮類產品主要是酮單酯，因為生酮作用和耐受性比酮鹽更高〔10〕。少數MCT攝入者可引起胃腸道癥狀，醫生需根據使用者的耐受性適當調整MCT比例〔11〕。與傳統KD相比，改良KD對碳水化合物和蛋白質的限制更低，生酮作用更強。不同KD中脂肪、碳水化合物和蛋白質的配方比例各異(表1)。

表1 不同KD中三大營養物質的配方比例〔12〕

2 酮體的分子生物學機制

2.1酮體的合成 哺乳動物在長時間處于饑餓狀態下可發生酮癥，此時由于碳水化合物攝入減少而導致血中胰島素分泌減低、胰高血糖素增高。受上述激素的影響，肝內啟動糖原分解和糖異生作用以維持血糖正常。胰島素減少也可促進脂肪分解，從而增加脂肪酸循環和β-氧化。脂肪酸β-氧化發生在肝細胞線粒體內，產生高濃度的乙酰輔酶(Co)A，一旦超過三羧酸循環的降解能力，將轉向其他所需，如膽固醇或酮體合成。在酮體合成過程中，兩分子乙酰CoA被硫解酶催化生成乙酰乙酰CoA。后者與第3個乙酰CoA分子結合后，由β-羥基-β-甲基戊二酰(HMG)-CoA合成酶催化生成HMG-CoA，其中HMG-CoA合成酶的催化反應是酮體合成途徑的限速酶。HMG-CoA被HMG-CoA裂解酶裂解后生成乙酰CoA和乙酰乙酸。乙酰乙酸就是該途徑中合成的第一個酮體。乙酰乙酸在βHB脫氫酶(BHD)1的催化下，被煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)還原生成βHB，該反應可逆。此步驟生成了大量的βHB。HMG-CoA裂解酶發生缺乏時可阻止酮體合成，因此禁食后可導致低酮低血糖的病理狀態。另外，一小部分乙酰乙酸經過脫羧酶催化脫羧生成丙酮，聚積體內形成高濃度的丙酮是具有毒性的，可通過甲基乙二醛途徑在肝臟轉化。丙酮極具揮發性，當其生成速率超過轉化率時，很容易被肺排出，故禁食或營養性酮癥狀態，丙酮水平增高不明顯。

2.2酮體的分解利用 肝臟生成酮體后，一元羧酸轉運體(MCTs)就會介導其釋放至血液中，在肝外組織如大腦、心臟和肌肉被分解代謝及產生能量。酮體通過血腦屏障后，在星形膠質細胞和神經元中分別經MCT1和MCT2轉運穿過細胞膜〔13〕，然后通過細胞質進入線粒體被分解代謝。酮體分解代謝通常是以酮體合成的逆反應為特點，第一步是βHB被氧化為乙酰乙酸，同時還原輔酶Ⅰ(NAD+)為NADH。乙酰乙酸被琥珀酰CoA，也稱為3-酮酸CoA轉移酶(SCOT)轉化為乙酰乙酰CoA，后者經過加工生成兩分子乙酰CoA，最后進入三羧酸循環。值得注意的是，肝臟缺乏SCOT，因此只能合成酮體，不能分解利用酮體。酮體向三羧酸循環提供碳原子，通過多種方式影響細胞生理功能。三羧酸循環正向生成高能電子載體NADH和黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH)2，它們作為電子傳遞鏈的底物，為氧化磷酸化過程中二磷酸腺苷(ADP)轉為三磷酸腺苷(ATP)所必需。這樣可使神經系統具有更大的生物能量可塑性，因為它減少了對葡萄糖的依賴，而使細胞轉向有氧呼吸。

3 AD中葡萄糖與酮體代謝

動物實驗表明，乳酸不能作為替代燃料向大腦提供能量，而在使用酮體作為替代燃料前，轉基因AD小鼠的葡萄糖代謝已出現下降〔14〕。臨床研究發現，AD患者出現認知障礙前，大腦已存在葡萄糖調節異常〔15〕，與健康人群相比，AD風險增加的無癥狀者、輕度認知障礙(MCI)和AD患者大腦都出現葡萄糖代謝減低〔16,17〕。AD大腦內葡萄糖的穩態異常可能在臨床癥狀出現前就已發生，故糖酵解流量減少所引起的葡萄糖代謝受損可能是導致AD發病的一種內在機制〔15〕。隨著AD不斷進展，大腦特定區域的葡萄糖代謝率減低，這種低糖狀態對神經元是有害的，可能導致癡呆。有學者認為AD屬于“3型糖尿病”〔18,19〕，因為AD患者體內存在胰島素抵抗及胰島素信號受損，與2型糖尿病的致病機制有相似性。該假說認為，由于胰島素信號機制發生紊亂，導致AD患者大腦利用葡萄糖減少，反過來又降低中樞神經系統編碼胰島素及其受體的基因表達〔20〕。盡管大腦葡萄糖轉運缺陷、糖酵解發生改變等參與了AD的進展過程，但葡萄糖代謝減低的具體機制仍不清楚。葡萄糖代謝受損是AD大腦出現最早的特征之一，通過代謝干預手段可能有效預防或阻止AD進展。多項研究發現，由KD生成的酮體可繞過葡萄糖代謝不足而向AD大腦提供替代燃料，增加線粒體效率、提高認知功能〔7,8,14〕。與對照組相比，給予酮酯喂食的轉基因AD小鼠海馬體βHB水平增高〔21〕，經KD喂食的小鼠盡管血糖水平和體重下降，但是酮體水平增高，罹患AD風險降低〔22〕。臨床上AD患者口服10～70 g MCT時，其劑量與血漿βHB水平呈正相關〔23〕。健康成人服用MCT后，能成倍增加血漿酮體水平〔24〕，AD或MCI患者在使用MCT后，記憶能力不但得到了改善〔11〕，而且改善程度與血漿βHB水平直接相關〔7,25〕。研究認為隨著血漿βHB濃度升高，大鼠小腦和額葉皮層的葡萄糖代謝被抑制〔26〕。而最新研究顯示，服用MCT后，MCI或AD患者血酮體、大腦酮體水平均增高，且大腦能有效代謝之，而大腦葡萄糖代謝并未受影響〔7,27〕。故AD患者體內酮體水平增高是否影響大腦葡萄糖代謝，仍需更多研究證實。

4 酮體對Aβ斑塊的影響

AD核心的分子病理機制為大腦Aβ聚積形成寡聚體、纖維及斑塊〔28〕。酮體除了改變細胞代謝外，還可減少或阻止與AD相關的毒性Aβ斑塊的產生，這對于改善MCI或延緩AD的進展可能具有重要意義。實驗表明，轉基因AD小鼠大腦葡萄糖供應減少可引起Aβ生成增多。Aβ被遠端軸突吸收后，聚積到細胞體的線粒體，并進一步轉移到鄰近的神經元。細胞內聚積的Aβ通過與線粒體蛋白結合而損傷線粒體功能，甚至引起線粒體衰竭。而線粒體功能障礙又能增加活性氧的形成，使氧化應激與AD存在關聯。Van der Auwera等〔29〕對AD小鼠給予43 d KD后，與對照組比較，發現血清βHB水平升高，總Aβ水平顯著減少。Yin等〔30〕發現酮體有一種新的神經保護機制，即能阻止Aβ42進入神經元，通過抑制Aβ42在細胞內聚積，保護線粒體復合物I活性，減少氧化應激，改善突觸的可塑性，從而提高Aβ誘導的AD小鼠的認知功能。研究人員用Aβ、βHB及兩者聯合分別處理培養中的大鼠海馬細胞時，發現單獨用Aβ處理可顯著增加細胞死亡，減少神經突起數量及長度，證實了海馬神經元Aβ的毒性；加入βHB后，其逆轉了Aβ毒性，使存活細胞的數量增加了一倍，表明βHB能修復神經元現存的損傷〔31〕。此外，尸檢結果發現，AD患者大腦組織βHB水平減低與Aβ生成具有相關性〔32〕。因此，酮體對抗Aβ而具有神經保護作用可能成為預防或治療AD的另一種復雜機制。

5 KD對不同載脂蛋白(APO)E基因型AD患者的影響

Torosyan等〔33〕研究表明，服用MCT后APOEε4(-)AD患者大腦特定區域血流量增加，而APOEε4(+)AD患者無明顯改變。Henderson等〔9〕研究顯示，與安慰劑對照相比，服用AC-1202患者血清βHB水平顯著升高，APOEε4(-)者評估量表-認知部分(ADAS-cog)評分顯著增加，而APOEε4(+)者的評分無明顯差異。這說明APOEε4基因型可能影響KD的干預效果，但也有不同的研究結果。Ohnuma等〔8〕發現輕至中度AD患者服用MCT后，2例簡易精神狀態檢查(MMSE)量表基線≥14分的APOEε4(-)者認知功能有所提高，但1例MMSE基線≥14分的APOEε4(+)者和1例MMSE基線≤14分的APOEε4(-)者認知功能持續下降；還發現1例ADAS-cog基線相對較低的APOEε4(-)者和1例APOEε4(+)者認知功能有改善，而2例ADAS-cog基線相對較高的APOEε4(-)者認知功能持續降低。Henderson等〔6〕發現，與安慰劑對照組比較， APOEε4(+)患者服用AC-1204后生命質量測評量表(Qol-AD)(患者版)得分升高；而APOEε4(-)患者MMSE得分卻下降。Fortier等〔7〕報道，MCI患者使用MCT后大腦酮體攝入增加，認知功能有部分改善，但酮癥狀態或認知結果與APOEε4無明顯相關性。可見，KD能否改善不同APOE基因型AD患者的認知功能及其內在機制如何，還需研究。

綜上，葡萄糖代謝減退是AD大腦早期出現的一個特征，使用KD能提高AD患者血液酮體水平，后者為大腦提供替代能量來源，改善部分AD患者的認知功能，這給臨床醫師預防或治療AD提供了新的視角。然而，傳統KD與改良KD都存在一個關鍵問題，即脂肪攝入增加，可引起低密度脂蛋白-膽固醇和三酰甘油升高，導致動脈粥樣硬化和心血管疾病，同樣會成為AD進展的危險因素，這似乎與KD生成酮體帶來的益處相互矛盾。因此，使用KD預防或治療AD患者，還需長期的、高質量的臨床研究對其最適劑量、副作用及在不同APOE基因型AD患者中的療效等方面進行探索。