[研究]生酮饮食疗法(KD)在脑胶质瘤治疗中的研究现状 | 杨凯元 任晓辉 林松
神外前沿编者按
生酮饮食疗法在脑胶质瘤治疗中是一个新的探索，很多医生和患者都在关注。2016年北京天坛医院神经外科林松教授在接受神外前沿专访时就表示：有些患者，用一段化疗后，出现耐药，现在别的药也不多，还想用这个药，怎么解决？如果是糖代谢极其旺盛的肿瘤，我们就可以用生酮治疗，就是不补充糖，包括饮食控制，主要补充蛋白质和脂类物质，加上维生素（蔬菜）。因为肿瘤有个显著的能量代谢特点就是有氧糖酵解，主要通过糖酵解途径产生能量，肿瘤细胞较正常细胞的葡萄糖消耗量增加，但不能利用酮体供能，而正常细胞可以利用酮体供能。这样我们就可以通过生酮饮食疗法，降低血糖，升高血酮体水平，有些药物治疗无效的，就开始有效果了。
生酮饮食疗法在脑胶质瘤治疗中的研究现状
脑胶质瘤是最常见的颅内肿瘤，约占颅内恶性脑肿瘤的80％，恶性程度高、侵袭性强，其中以胶质母细胞瘤(glioblastoma multiform，GBM)的恶性程度最高。近年来，尽管手术治疗、放射治疗、化学治疗及靶向治疗等均在不断进展，治疗方案采取综合和个体化治疗措施，但治疗效果和预后仍不佳，GBM患者接受手术及放化疗后的平均生存期仅为18个月，5年存活率低于10％。因此，积极探索胶质瘤的发病机制及寻找新的治疗方法十分重要。生酮饮食(ketogenic diets，KD)作为脑胶质瘤治疗的新方法，具有安全性及有效性。本文将对KD疗法在脑胶质瘤治疗中的研究现状加以概述。
一、KD的概述
KD是指由高脂肪、适量蛋白质和低碳水化合物所组成的一种特殊膳食。在正常进食情况下，脑部能量主要由葡萄糖供给，而KD将机体的主要代谢能源从利用葡萄糖转变为利用脂肪，以脂肪取代碳水化合物作为主要供能物质，通过肝脏代谢产生酮体，诱导机体发生生理性酮血症。
酮体包含3种成分：乙酰乙酸、β-羟丁酸、丙酮，当肝外组织需要利用酮体产生能量时，β-羟丁酸在β-羟丁酸脱氢酶的作用下脱氢产生乙酰乙酸，继而在琥珀酰辅酶A：3酮酸辅酶A转移(uccinyl-CoA:3-ketoacid CoA transferase，SCOT)的作用下活化成乙酰乙酰辅酶A。最后，乙酰乙酰辅酶A裂解为2分子的乙酰辅酶A，进入三羧酸循环产生能量，被肝外组织所利用。
KD疗法已有近百年的临床应用历史，最初于1921年由Wilder等用于治疗儿童难治性癫痫。而将KD疗法应用于肿瘤治疗，则始1956 Warburg对肿瘤代谢问题所提出的观点——肿瘤组织需要利用大量的葡萄糖通过有氧糖酵解为自身的快速生长提供能量，这是肿瘤细胞区别于正常细胞的最显著代谢特征，这种现象被称为沃伯格效应(Warburg effect)。近年来，随着研究的不断深入，Warburg的理论不断得到了证实。这种代谢途径的转变成为新的肿瘤治疗靶点，使得将KD应用于肿瘤的治疗成为可能。
经典KD对热卡摄入不限制，故在营养师的科学指导下不会产生生长迟缓等严重不良反应，而且可以通过对手指血及尿酮体浓度的检测了解患者的依从性。经临床营养师的不断改进，在经典KD的基础上已衍生出多种不同的KD方案。目前，临床和动物研究中应用的KD疗法主要有以下2大类。
改变食物结构的KD疗法
主要通过改变食物结构达到升高血酮的目的，常用方法包括：
(1)经典的生酮饮食疗法(the classic KD)：以长链三酰甘油(10ng chain triglyceride，LCT)为主，脂肪、蛋白质与碳水化合物的比例为4：1，所产生能量的90％来源于LET。
(2)中链三酰甘油饮食疗法(the medium chain triglyceride diet，MCTD)：以中链三酰甘油(the medium chain triglyceride，MCT)为主，脂肪、蛋白质与碳水化合物的比例为1.5:1.0，所产生能量的60％来源于MCT。其优势在于单位质量的MCT比LCT供能更多。此外，MCTD为机体提供的多不饱和脂肪酸具有抗氧化、抗炎及促肿瘤细胞凋亡的作用。
(3)低血糖指数饮食(10w glyeemie index diet，LGID)：LGID中所含的碳水化合物的血糖指数应低于50，主要靠食物中的脂肪及蛋白质供能，其碳水化合物供能比例约占10％。
(4)Atkins饮食方案(the modified Atkins diet，MAD)：组成类似于经典生酮饮食疗法，强调限制碳水化合物、尤其是精制碳水化合物(如面粉等)的摄入。MAD不限制热卡、液体、脂肪、蛋白质的摄入。MAD饮食方案更易于被患者所耐受，可提高患者的依从性。
限制能量饮食(calorie restriction，CR)的KD疗法
将热卡的摄入限制在正常饮食摄入量以下，但需保障机体基本的能量供给，避免产生营养不良、生长停滞等不良作用。
以上几种不同的KD方案本质都是通过调整饮食方案从而降低血糖并提高血酮水平，以使机体处于酮代谢状态，干扰肿瘤的生长及演进。患者可根据其不同的食谱范围及口感上的差异，在营养师的指导下选择适合自己的KD方案。
二、KD抗肿瘤治疗的可能机制
将KD应用于肿瘤治疗，尤其是脑胶质瘤的治疗起步较晚，具体机制尚不明了。根据目前国际研究所取得的成果，其可能机制可概括为以下几个方面。
肿瘤细胞的线粒体缺陷
在细胞的呼吸、能量代谢及凋亡信号传导等过程中，线粒体的作用极为重要，若其结构、功能发生改变，则可导致细胞的磷酸化途径受损、细胞异常增殖。正常细胞在葡萄糖缺乏时可以将酮体作为主要的供能物质，然而肿瘤细胞由于基因组的改变导致其线粒体结构或功能受损，使其不能动态适应细胞外环境的变化，而单一依赖糖酵解产能。
因此，与正常细胞相比，肿瘤细胞对葡萄糖的缺乏更敏感。已有动物实验证实，颅内恶性肿瘤尤其是GBM高度依赖葡萄糖为其供能。同时，利用酮体供能代谢过程中的关键酶一SCOT，在多种颅内肿瘤中表达下调，导致肿瘤细胞对酮体的利用障碍。而KD通过调整饮食方案，以脂肪取代碳水化合物作为机体主要供能物质从而降低血糖并提高血酮水平，以使机体处于酮代谢状态，大大减少肿瘤细胞的能量来源，进而抑制肿瘤细胞的生长。此外，线粒体还承担着电子传递的作用，是机体活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)产生的主要场所。
因此，线粒体DNA极易受到ROS的损伤，进而导致线粒体DNA发生突变。而细胞线粒体DNA发生突变后，其致癌基因表达诱导因子及与其对应的酪氨酸激酶受体常高表达，进而细胞异常增殖，最终导致细胞慢性缺氧及肿瘤形成。同时，因缺氧环境可以增强肿瘤细胞的生存能力并促进肿瘤内血管生成，故常与肿瘤的进展密切相关。已有研究证实，肿瘤细胞常高表达ROS。Stafford等建立了小鼠GL261胶质瘤模型，并取实验鼠的肿瘤组织与正常脑组织进行基因组分析。研究发现，KD组肿瘤生长受到抑制，预后明显改善，机制可能为KD饮食通过升高血中β-羟基丁酸浓度减少体内肿瘤组织的ROS水平，进而减少线粒体DNA因受ROS的损伤而导致的致癌突变，抑制肿瘤生长。
与炎性反应相关的改变
近年来，随着对肿瘤研究的不断进展，炎性反应在肿瘤的发生、发展中所发挥的作用受到广泛关注。在GBM中存在着一类称为肿瘤相关巨噬细胞(tumor—associated marcrophages，TAM)的细胞群，这类细胞群可通过释放炎性因子及促血管生成因子促进肿瘤的进展。
而且，目前胶质瘤标准治疗方案中的联合放疗、化疗也会导致组织坏死和炎性反应，使得组织中的谷氨酰胺水平增高。
有研究证实，恶性胶质瘤组织中富集增高的谷氨酰胺水平与肿瘤细胞的侵袭性增强及预后差相关，且谷氨酰胺与葡萄糖一样，都可以作为加快肿瘤细胞生长的能源物质，部分肿瘤细胞的生长依赖谷氨酰胺，若其缺乏谷氨酰胺的供给则
会很快凋亡。Mulrooney等研究发现，KD饮食可明显降低核因子KB(nuclear factor—KB，NF—KB)的表达，进而抑制NF—KB环氧化酶2(cycloxygenase一2，COX2)和同种异体移植炎性反应因子1(allograft inflammatory factor一1，A1F1)的表达；与此同时，KD饮食还可抑制TAM表达巨噬细胞炎性蛋白2
(macrophage inflammatory protein-2，MIP-2)，进而减轻炎性反应，降低肿瘤组织中谷氨酰胺水平，抑制肿瘤的发生、发展。
然而，在某些GBM患者中，当外周环境缺乏葡萄糖时，谷氨酰胺可作为替代能源被肿瘤组织所摄取利用，由于KD可降低血糖，这或许会对KD应用于脑胶质瘤治疗的效果产生不利影响。
KD与相关代谢通路
正常组织细胞可通过对代谢通路进行系统性的调节来维持在营养不足时的自稳态。而肿瘤细胞难以动态适应营养不足环境的变化，导致其凋亡率增加。Lee等发现，在“饥饿”条件下，肿瘤细胞的凋亡率明显高于正常组织细胞，且已证实可利用这点提高对肿瘤化疗的效果。
Marsh等研究发现，KD疗法作用于肿瘤细胞的代谢途径主要与胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor一1，IGF一1)相关的张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologue，P1EN)/蛋白激酶B(the protein kinase B，PKB or Akt)／结节性硬化复合体2(tuberous sclerosis complex 2，TSC2)通路(PTEN/Akt/TSC2通路)相关。PKB是一种酪氨酸激酶受体，其作用是调节细胞的生长、凋亡、能量代谢及蛋白质合成，可极大地影响肿瘤的发生、发展过程。IGF-1与其对应的受体结合后可激活PKB，促进肿瘤血管生成，并参与肿瘤的形成及其转移过程。而KD可以显著降低肿瘤患者和健康受试者体内的IGF-1水平，延缓肿瘤的进展，改善预后。
然而也有研究表明，具有CD36受体的肿瘤细胞可以摄取细胞外环境中的脂质并通过脂肪酸的β-氧化产生ATP供能。有研究证实，CD36+肿瘤细胞具有促进肿瘤细胞发生转移及演进的能力，而这需要以CD36+细胞对脂肪酸的代谢供能作为基础。而高脂饮食或脂质培养基则可以提供脂肪酸并被CD36+肿瘤细胞所摄取利用，激发其转移及演进的潜能。
三、KD的不良反应及处理
目前，有关文献报道的KD疗法总体上是安全、可行的。其中不良反应主要分为2类。
短期不良反应
大多数为暂时性、轻度不良反应，不会明显影响患者的治疗。其中包括困倦嗜睡、低血糖、脱水、食欲不振、恶心呕吐、胃肠功能紊乱等。应对策略：若出现困倦嗜睡、低血糖、恶心呕吐等症状，可给予患者口服适量碳水化合物(50％葡萄糖10～20ml或30～40ml含糖饮料)；若出现腹泻等胃肠道反应，可在医生指导下给予蒙脱石散剂(商品名：思密达)、山莨菪碱片缓解症状，并做适当的饮食调整。
长期不良反应
长期不良反应的发生率较低，可出现便秘、肾结石、生长迟缓、贫血、维生素和矿物质缺乏、酸中毒及骨质疏松等。严重不良反应有时与联合用药治疗有关，尤其是丙戊酸钠。应对策略：在医生及营养师的指导下，长期不良反应可以有效避免及恰当处置。其中便秘和肾结石发生率相对较高。若出现便秘，可增加患者每天液体摄入量及配餐中不含碳水化合物的膳食纤维；若便秘仍得不到改善，可以指导使用缓泻剂或灌肠剂。若出现肾结石，可用枸橼酸钾碱化尿液，若结石仍无法消除时可行碎石术(很少需要)并停用碳酸酐酶抑制剂。
四、KD疗法在胶质瘤治疗中的应用现状
国内外目前关于KD抗脑胶质瘤的研究(包括动物实验和临床试验)相对较少。美国临床试验网(https://clinicahrials.gov)，介绍了关于KD疗法的临床试验，大多还处于志愿者招募阶段。
KD干预脑胶质瘤的动物实验
近年来，国际上在脑肿瘤动物模型中开展了大量KD与脑肿瘤生长相关性的研究。2007年，Zhou等构建同系CT-2A小鼠脑胶质瘤模型，并分别给予KD或限制热量的KD(restricted ketogenic diet，RKD)喂养，结果显示，RKD组小鼠脑胶质瘤体积减少65％。2012年，Seyfried等的研究结果发表，其将恶性星形细胞瘤小鼠模型分为标准饮食(standard diet，SD)组和RKD组，且RKD组中有一半给予2-脱氧葡萄糖(抑制肿瘤)。结果表明，与不限制热量的SD组相比，单纯RKD组、RKD+2一脱氧葡萄糖组肿瘤重量分别下降48％、80％；与单独采用膳食热量限制或者2一脱氧葡萄糖相比，RKD+2一脱氧葡萄糖组肿瘤重量减轻更加明显，显示了膳食与药物的协同作用。
同年，Abdelwahab等分别给予颅内生物发光GL261脑胶质瘤小鼠模型SD、KD喂养，同时分别设置不同喂养条件下的放疗组，通过影像学评估活体小鼠肿瘤的增长状况。结果显示，与sD组小鼠比较，KD组小鼠B一羟丁酸水平高，且中位生存期增加了5d；而KD+放疗组的11只小鼠中，有9只小鼠在颅内检测到的生物发光信号(为脑肿瘤的存在标记)明显减少，且低于检出限，证实了KD能够提高放疗抗肿瘤的效果。
2014年，Rieger等发表了KD单独作用或者与贝伐单抗联合作用于脑胶质瘤小鼠的研究结果，KD+贝伐单抗能够延长脑胶质瘤小鼠的生存时间，抑制肿瘤生长，降低肿瘤细胞利用ATP的能力。2015年，Woolf等采用KD喂养胶质瘤模型小鼠，发现KD不仅可使胶质瘤内微血管减少、血管内皮生长因子受体表达下调，且可显著减轻瘤周水肿。2016年，Lussier等建立小鼠胶质瘤模型，研究KD对肿瘤特异性免疫应答的影响。结果显示，KD可通过弱化免疫抑制提高肿瘤细胞对CD8+T细胞及CD4+T细胞的免疫应答，提示KD或可作为辅助治疗与胶质瘤的免疫疗法联合应用。
然而，De Feyter等利用13C磁共振波谱分析研究KD喂养的胶质瘤模型小鼠肿瘤组织中13C标记的酮体代谢水平，结果显示，与对侧正常脑组织比较，肿瘤组织中的13C-β-羟丁酸代谢水平差别并无统计学意义，且KD可使小鼠胶质瘤中酮体
转运蛋白表达上调，提升肿瘤摄取利用酮体供能的能力。
KD干预脑胶质瘤的临床试验
1995年，Nebeling等首次尝试应用KD疗法治疗2例儿童晚期恶性胶质瘤患者，正电子发射计算机断层显像(PET-CT)检查发现，2例患儿肿瘤部位的葡萄糖摄取率平均降低21.8％。
KD治疗2个月后，其中1例患儿精神状态明显得到改善，继续KD治疗12个月后，肿瘤未发现进展。2010年，Zuccoli等在给予1例65岁女性恶性胶质瘤患者标准治疗的前提下，辅以RKD治疗。
研究发现，在RKD治疗期间，PET-CT或MRI检查并无肿瘤复发和炎性细胞浸润迹象，但停用RKDl0周后检查发现肿瘤复发。Champ等对53例WHO III～Ⅳ级高级别胶质瘤患者(其中6例在放化疗的同时，辅助KD治疗)进行回顾性研究，显示KD可以改善预后，4例辅助KD治疗的患者中位生存期增加了14个月，机制可能与其显著降低血糖水平有关。
2014年，Rieger等对复发的恶性脑胶质瘤患者行KD干预治疗，观察KD治疗的可行性，以尿酮、无进展生存期、生存时间为评估标准。结果显示，KD治疗可行、安全，但是单独应用在脑胶质瘤治疗上未发现显著的效果。
2015年，Schwartz等采用RKD干预2例脑胶质瘤患者，结果显示RKD安全、有效，然而无论将RKD作为脑胶质瘤的单独疗法或辅助疗法，影响RKD疗效的因素都需要进一步的研究。Strowd等给予8例脑胶质瘤患者MAD饮食，在持续13.2个月的随访中，所有患者均存活。仅1例患者中途自行终止了MAD饮食，症状未得到明显控制；其余7例均对MAD耐受良好，未出现明显的不良反应，症状均有明显改善。
之后，Artzi等采用磁共振质子波谱分析接受KD治疗的9例脑胶质瘤患者，发现其中2例患者脑内酮体累积量增加，其中1例正常脑组织内丙酮及乙酰乙酸盐水平升高，1例正常脑组织和肿瘤组织中丙酮及乙酰乙酸盐水平均升高。提示，KD或可作为一种有效的代谢疗法，改变脑组织的供能方式。
五、结语与展望
KD作为胶质瘤治疗的辅助手段之一，通过产生大量酮体作为葡萄糖的替代能量，改变了肿瘤患者体内的能量代谢方式，具有安全性及有效性。通过多项长期临床试验的检验，为我们提供了肿瘤治疗的新方法。
然而，KD疗法需要患者在医生和营养师的指导下进行严格的饮食控制，这种严格、持续的饮食改变以及身体对酮代谢的适应过程(如酮症所导致的持续性的低血糖)有可能使患者难以耐受，影响KD的疗效。
因此，KD疗法用于肿瘤患者的治疗中应遵循个性化的KD治疗原则，在对抗肿瘤细胞的同时，将KD疗法对机体造成的不良作用降至最低。临床医生应加强与临床药师、营养师之间的合作，共同为脑胶质瘤患者研究制定个性化的KD治疗方案。
目前，国内将KD应用于脑胶质瘤的临床治疗研究相对较少，具有广阔的应用前景，如对于复发高级别脑胶质瘤患者，尚可尝试应用KD结合挽救l生化疗，延长肿瘤患者的生存时间；将KD应用于其他中枢神经系统肿瘤的治疗也值得尝试。
参考文献（略）
作者之一：林松
林松：博士，主任医师，教授。师从国际著名神经外科专家王忠诚院士和多位国内著名教授，现任神经外科四病房主任。从事神经外科医疗、教学和科研工作二十多年。在显微神经外科手术方面技术精湛，善于做高难度的脑肿瘤手术和微创手术；在最大限度地切除肿瘤、注重神经血管的保护和个体化治疗方面有较深的造诣和独到之处。同时在在脑胶质瘤基础和综合治疗研究方面进行了深入研究。
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