生酮饮食是一种脂肪高比例，碳水化合物低比例，蛋白质和其他营养素合适的饮食结构，通过模拟饥饿状态，肝脏代谢脂肪酸产生酮体提供能量，并具有抗炎等作用。生酮饮食现已应用于神经系统疾病，但其作用机制尚不十分明确，现从生酮饮食抑制病原微生物，调整肠道菌群，减轻疼痛和通过多种途径减少氧化应激等方面，阐述其抗炎作用机制。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
生酮饮食(KD)是一种脂肪高比例，碳水化合物低比例，蛋白质和其他营养素合适的饮食结构。多年来，通过对KD作用机制的研究表明，其可能对代谢，神经，免疫和消化系统均有影响，其在神经系统疾病中的抗惊厥、神经保护作用逐渐被证实，近年来KD抗炎机制为研究热点，但其作用机制尚不十分明确，现就其对病原体的作用、减轻疼痛、减轻氧化应激3个方面进行阐述。
KD模拟人体饥饿状态，脂肪酸能够为组织提供能量，但不能进入大脑，其代谢产物酮体[包含乙酰乙酸、β-羟基丁酸(BHB)和丙酮]通过转运体单羧酸转运蛋白进入大脑，进而代替葡萄糖为大脑提供能量，并起到抗惊厥、神经保护、免疫调节、抗炎等作用。早在希波克拉底时代人们已经发现控制饮食可以减少癫痫发作。1921年美国梅奥诊所Russell Wilder博士首次报道KD改善癫痫患者的发作情况。随着抗癫痫药物的面市，KD的应用和研究逐渐减少，但难治性癫痫的比例保持在1/3左右没有根本变化[1]，因此，近20年KD才再次引起人们的注意。我国最早于2004年将KD用于治疗癫痫，通过研究299例KD治疗难治性癫痫患儿，发现在密切监测KD不良反应的同时及时调整KD方案、采取干预措施的情况下，具有较高的安全性及有效性[2]。目前KD已作为一种主要的治疗方法广泛应用于各种神经系统疾病，如难治性癫痫、部分线粒体疾病、创伤性颅脑损伤、帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症等神经退行性变、孤独症谱系障碍等，在糖尿病、肿瘤等方面的疗效也逐渐被证实。
2009年Ruskin等[3]通过注射完全弗氏佐剂构建炎症小鼠模型，发现与对照组比较，KD喂养小鼠明显减轻了小鼠局部的肿胀及血浆外渗，因此证实了KD能够显著降低外周炎症反应的作用。2015年Dupuis等[4]通过脂多糖诱导的发热大鼠模型验证了KD的抗炎特性。随着KD广泛应用于各系统疾病，其在多系统中的抗炎作用逐渐被证实。
KD对于病原微生物的作用具有选择性，但其作用机制仍存在争议。1931年Heimholz和Clark最早提出应用KD治疗肾盂肾炎，1933年Fuller[5]通过体外试验发现KD患者尿液中的BHB可抑制大肠杆菌生长，且其活性与尿液酸性程度呈正相关。然而近年来，有报道肠道微生物群可以影响脑或外周各种神经活性分子水平[6]。Olson等[7]动物实验发现KD可以改变肠道菌群，降低肠道微生物群的丰富度，增加Akkermansia(AKK菌)、粪副拟杆菌、拟杆菌数量，减少变形杆菌、双歧杆菌数量[8]，促进选择性微生物的相互作用，降低γ-谷氨酰转肽酶活性及γ-谷氨酰化氨基酸(如亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸和酪氨酸)水平[7]。KD还能由AKK菌、粪副拟杆菌介导，提高海马体中γ-氨基丁酸(GABA)/谷氨酸的比例，并防止癫痫发作，且这种对癫痫发作的保护性与BHB或葡萄糖水平变化无明显相关性[7]。
Ruskin等[3,9]发现KD可减轻热痛，尤其对于缓解轻度疼痛更为有效。不仅如此，长期KD治疗可维持较低水平的热痛觉敏感性，且与KD执行的严格程度有关。该研究还发现仅增加血酮或降低血糖不足以降低对热痛的敏感性，因此考虑该机制与酮体直接作用于热痛敏感性分子靶点无关。对于急性疼痛，KD通过酮代谢激活腺苷A1、GABAa和GABAb受体增加中枢抑制性。同时，KD中高水平多不饱和脂肪酸可以通过激活过氧化物酶增殖激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)增强外周神经元钾离子传导，开放K+通道。因此可推断KD具有与抗癫痫药相似的减轻神经性疼痛的作用机制，即降低神经元活性及改变膜电位作用。
Ruskin等[3]动物实验发现KD的抗炎作用可能与酮代谢导致活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)生成减少有关。约90%的ROS都是在线粒体氧化磷酸化生成ATP这个过程中产生的。ROS主要来源于电子传递链复合体Ⅰ和Ⅲ，而氧化应激能够导致线粒体功能障碍，从而增加正反馈回路中的ROS产生[10]。而中枢神经系统含有高浓度脂质，且对自由基的过氧化反应非常敏感。KD能够从多种途径减少氧化应激反应[4]，改善线粒体功能，从而达到减轻神经系统炎症反应的作用。
Nrf2是一种启动氧化应激反应的主要转录因子。氧化应激时，Nrf2从胞质蛋白Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Keap1)中分离，并转移至细胞核中，再与抗氧化反应元件结合，激活保护性靶基因(如HO-1和NQO1)的转录，启动适应性应答，从而使抗氧化蛋白(如谷胱甘肽)和解毒酶的产生增加[11]。KD能够先引起低水平ROS产生，起氧化还原信号作用，再进一步激活Nrf2途径，从而减少ROS产生，增加解偶联蛋白表达，促进线粒体数目增多，并且刺激谷胱甘肽生物合成从而改变线粒体功能，且这种途径并不仅限定于大脑，而是一种全身性激活反应[12,13]。
NLRP3炎性小体是一种细胞内模式识别受体，由NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associated speck-like protein，ASC)及天冬氨酸蛋白水解酶-1(Caspase-1)3个部分组成的炎性复合物，主要由K+外流、溶酶体破坏、ROS生成3种途径激活[14]。该复合物的激活需要2个信号：启动信号(信号1)激活核因子κB(NF-κB)等转录因子，第二信号(信号2)激活炎性复合物，形成活化的Caspase-1[15]。KD的代谢产物BHB能够限制细胞中K+流出并防止ATP诱导的ASC寡聚和斑点形成，减少Caspase-1的激活，通过减少启动和组装步骤达到抑制NLPR3炎性小体的激活的作用，从而减少细胞因子IL-1β和IL-18的分泌，且这种作用方式无年龄依赖性[15,16]。Harun-Or-Rashid和Inman[17]青光眼大鼠模型实验显示，KD能够刺激HCAR-1-ARRB2信号传导，从而抑制NLRP3炎性小体激活。
氧化应激可激活NF-κB通路，该信号通路是炎症的重要调节因子[18]，可能构成KD在大鼠体内抗炎作用靶点。正常情况下，NF-κB与胞质中NF-κB抑制蛋白α(IκBα)结合，当激活时，NF-κB/NF-κB抑制蛋白(IκB)复合物在IκB丝氨酸残基上的磷酸化，使IκB与NF-κB分离，导致NF-κB易位至细胞核内，活化的NF-κB与特定的DNA序列结合并调节其靶基因的表达[17]。KD代谢产物BHB通过IκBα的异位和降解抑制NF-κB信号通路的激活，导致炎性细胞因子肿瘤坏死因子α(TNF-α)、IL-1β，γ干扰素(IFN-γ)表达降低[13]，进而起到减轻氧化应激和炎症的作用。也有研究报道KD可通过抑制腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活化抑制NF-κB的信号传导[17]。
NAD有2种形式：NAD+和NADH，其氧化还原对于维持细胞氧化还原稳态和调节包括细胞代谢在内的众多生物学事件至关重要[19]。NAD+ / NADH比值增加可以减少氧化应激反应。NAD+在细胞呼吸、线粒体的生物发生(再生)和氧化还原反应中起重要作用，还可作为影响细胞功能的酶的底物，包括从基因表达到翻译后蛋白质修饰，从而起到抗衰老的作用[19]。Elamin等[20]发现KD代谢产物酮体能够使NAD+还原为NADH的比例降低，提高了NAD+的生物利用率，从而在脑内特定的区域(如海马区)能够快速而持续地诱导NAD+/NADH比率增加，从而减少氧化应激反应。
PPARγ是PPAR家族中的一个亚型，其调节涉及线粒体、抗炎和抗氧化活性的多种基因。PPARγ激活在中枢神经系统的增殖，代谢，分化，发育和炎症反应的调节中起至关重要的作用[21]。PPARγ通过增加抗炎相关基因的表达来调节免疫细胞的选择性活化，并通过其对活化的小胶质细胞/巨噬细胞的作用而下调促炎性介质[21]。PPARγ的激活诱导抗氧化剂过氧化氢酶和铜/锌超氧化物歧化酶的表达，这两种酶能够缓解氧化应激并抑制NADPH氧化酶。PPARγ活化还可通过降低诱导型一氧化氮合酶(iNOS)活性，抑制NF-κB，抑制TNF-α释放或激活Nrf2达到抗氧化作用。Meng等[22]的脊髓损伤小鼠模型实验显示，PPARγ活化是通过抑制NLRP3炎性小体而不是NF-κB通路起到抑制炎症反应的作用。PPARγ还能介导促炎基因的下调，如环氧合酶-2(COX-2)、基质金属蛋白酶-9(MMP-9)、清道夫受体A、iNOS、促红细胞生成素等，以及炎症细胞因子，趋化因子和白细胞介素的生成[21]。在难治性癫痫患儿中，KD降低COX-2及其代谢产物前列环素水平，使PPARγ表达上调，促进Treg分化，使促炎因子辅助性T淋巴细胞(TH)1/TH17比例失衡，减少炎症性细胞因子(如IL-17A、IFN-γ)产生[23]，从而达到减轻氧化应激及炎症反应的作用。体外研究发现癸酸是中链甘油三酸酯KD的成分，可通过PPARγ增加抗氧化剂过氧化氢酶[24]。体内实验中，缺乏PPARγ2剪接变体的小鼠经KD喂养后则不能增加过氧化氢酶的mRNA和蛋白。过氧化氢酶的酶促活性催化过氧化氢分解为水和氧气，从而防止了ROS(特别是羟基)的形成以及随后的氧化损伤。因此推断KD能够调节过氧化氢酶的表达，且该调节涉及PPARγ2的活化[25]。
炎性介质，如细胞因子、趋化因子的增加为神经炎症的一个主要病理特征，细胞因子及趋化因子的表达上调能够触发ROS的产生，并以反馈的方式促进炎症级联反应。Kim等[26]发现KD喂养的小鼠能够下调CD4+细胞，从而减少细胞因子(如IL-17、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12)及趋化因子[IFN-γ、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、巨噬细胞炎性蛋白(MIP)-1α、MIP-1β]的表达。KD还可通过抑制NF-κB信号通路、抑制NLRP3炎性小体及激活上调PPARγ等途径，减少炎性细胞因子(如IL-1β、IL-17A、IL-18、TNF-α、IFN-γ等)的表达[13,15]，从而起到减轻炎症及氧化应激的作用。
KD还能通过UCPs的表达增强使线粒体ROS产生减少。脂肪酸通过增强转录因子(如PPAR、FOX转录因子家族)的活性诱导UCPs表达增加，在KD喂养小鼠模型中，UCPs活性增强，这与海马中UCP2、UCP4和UCP5的水平升高有关，其机制可能与STIR1激活有关。酮代谢通过UCPs的表达提高电子传递链的效率，增强线粒体的生物发生，降低线粒体膜电位，从而导致ROS生成减少[10]。
BHB在体外能够抑制HDAC1、3和4(Ⅰ和Ⅱa类)，在体内实验中发现，BHB是HDAC1的抑制剂。BHB增加组蛋白H3赖氨酸9和组蛋白H3赖氨酸14的乙酰化，增强了由FOXO3A调节的基因转录，包括抗氧化酶锰超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，直接抑制HDAC及其介导的转录过程，从而起抗氧化作用[27]。
急、慢性炎症反应在神经系统疾病中占据重要地位，因此安全、快速、有效地减轻神经炎症反应是至关重要的。目前国内外对于KD抗炎机制研究多为动物模型实验阶段，对于临床患者相关研究较少。现从KD对病原体的作用、减轻疼痛、减少氧化应激3个方面综述KD对微生物和抗炎作用机制，希望可以对临床上探索KD的抗炎作用，以及对存在神经系统炎性改变的疾病如癫痫、神经退行性变、颅内感染等的辅助治疗提供新的思路。
所有作者均声明不存在利益冲突
