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限制热量的生机(酮)饮食:一种治疗恶性脑癌的有效替代疗法
时间:2018-10-17 浏览次数:1012次

摘要

背景

恶性脑癌仍是导致成年人发病和死亡的主要疾病,也是儿童癌症死亡的第二大原因。目前许多恶性脑瘤的治疗方法都不能提供长期有效的治疗,因为它们以牺牲正常脑细胞的健康和活力为代价并且只着眼于肿瘤细胞的缺陷。脑瘤细胞缺乏代谢灵活性,它的生长和存活很大程度上都依赖葡萄糖,而正常细胞的能量来源既可以是葡萄糖也可以是酮体。该研究评估了一种治疗儿童癫痫的营养均衡的新型高脂低碳生酮饮食KetoCal®,对于CT-2A和U87-MG恶性肿瘤的生长和血管供应的影响。

方法

向成年小鼠同位移植恶性脑肿瘤,根据,将KetoCal®分别以不限量的方式,以及制造商对难治性癫痫患儿所建议的降低热量摄入的限量方式施用给小鼠。KetoCal®对肿瘤生长、血管性和小鼠存活的影响与不受限制的高碳水化合物标准饮食进行比较。

结果

结果表明,当限量施用时,KetoCal®在实验性小鼠和人脑肿瘤中具有抗肿瘤和抗血管生成作用。KetoCal®用于脑癌治疗的治疗效果主要是由于总热量的减少,这减少了快速肿瘤生长所需的循环葡萄糖。葡萄糖对能量的依赖以及酮体代谢缺陷很大程度上解释了为什么脑肿瘤在生酮饮食限制饮食或标准限制饮食中生长最少。酮体代谢的基因可用于筛选脑瘤,而脑瘤可通过热量限制的高脂肪/低碳水化合物生酮饮食进行靶向治疗。该临床前研究表明,限制性KetoCal®是一种安全有效的饮食疗法,应被视为恶性脑癌的替代治疗选择。

结论

结果表明,在限制性饮食下,KetoCal®在实验小鼠和人类脑瘤中具有抗肿瘤和抗血管生成作用。此外,酮体代谢的基因可用于筛选脑瘤,而脑瘤可以通过采用KetoCal®或其他热量限制的高脂肪低碳水化合物饮食进行靶向治疗。这项在小鼠的临床前研究表明,限制性KetoCal®饮食应该是治疗人类恶性脑癌的有效替代治疗选择。

背景

恶性脑癌仍是导致成年人发病和死亡的主要疾病,也是儿童癌症死亡的第二大原因。目前许多恶性脑瘤的治疗方法都不能提供长期有效的治疗,因为它们以牺牲正常脑细胞的健康和活力为代价并且只着眼于肿瘤细胞的缺陷。我们以前的研究表明,热量限制(CR)在实验小鼠(CT-2A星形细胞瘤)和人类(U87-MG恶性胶质瘤)脑瘤中可以起到抗血管生成、抗炎和促凋亡的作用。热量限制CR主要是通过降低循环葡萄糖水平和糖酵解(肿瘤细胞需要以糖酵解的方式存活)和提高酮体(为正常脑细胞提供一种替代葡萄糖的燃料)来靶向肿瘤细胞的。我们以前通过使用线性回归分析表明血糖水平可以预测影响肿瘤血管生成的CT-2A生长以及胰岛素样生长因子1(IGF-1)水平。与葡萄糖相反,酮体(β-羟基丁酸酯和乙酰乙酸酯)避开糖酵解并直接进入线粒体进行氧化。通过避开糖酵解,酮体对于葡萄糖转运蛋白和丙酮酸脱氢酶的遗传性缺乏的治疗也是有效的,丙酮酸脱氢酶将糖酵解与呼吸作用联系起来。酮体比丙酮酸或脂肪酸更具能量效率,因为它们比丙酮酸具有更大的氢/碳比(更低),与脂肪酸不同,它们不会分离线粒体。脑能量代谢来源从葡萄糖转换为酮体这一过程在热量限制的自然条件下表现为最好。

主要循环酮体β-羟基丁酸(β-OHB)对能量的代谢依赖于两种关键线粒体酶:β-羟基丁酸脱氢酶(β-OHBDH)和琥珀酰-CoA,即3-酮酸辅酶A转移酶(SCOT)。在可用的葡萄糖含量降低的条件下,神经元和胶质细胞需要过渡到以酮体为燃料来维持能量平衡,这时以上两种酶变得至关重要。除了作为比葡萄糖更有效的代谢燃料之外,酮体还通过减少活性氧和增加谷胱甘肽过氧化物酶活性而更具抗炎潜力。像大多数恶性肿瘤一样,脑瘤由于线粒体数量和功能的异常,其生长和存活在很大程度上依赖于葡萄糖和糖酵解。根据进化生物学和代谢控制理论的原则,在热量受限的条件下,脑的主要能量来源从葡萄糖向酮体的转变利用了脑瘤细胞的代谢缺陷,同时增强了正常神经元和神经胶质的健康和活力。

Nebeling及其同事之前发现,由中链甘油三酯组成的高脂肪/低碳水化合物生酮饮食(KD),能够长期控制小儿星形细胞瘤,同时增强患者的营养状态。另一项实验对具有CT-2A星形细胞瘤的小鼠使用基于猪油的生酮饮食,使人类小儿星形细胞瘤的研究结果得到了证实。然而,热量限制饮食和一些生机(酮)饮食并不属于标准化饮食,由于涉及到合规问题,所以这种方法在临床上可能难以实施。例如,小鼠中的热量限制是模仿人类的治疗性禁食,包括只饮用水式节食法。而中链甘油三酯或以猪油为基础的生酮饮食可引起儿童和成人的胃肠和肾脏问题。我们的目标是开发一种更有效的替代饮食疗法来治疗脑癌,这种疗法可以在不影响正常细胞健康和活力的情况下延长患者的生命。

在这项研究中,我们评估了KetoCal®生机(酮)饮食的治疗效果,KetoCal®生酮饮食是一种新的营养平衡的大豆油生酮饮食,专门用于治疗儿童顽固性癫痫。以前并无研究对KetoCal®生机(酮)饮食治疗脑癌的疗效进行过评估。我们的研究表明将KetoCal®生机(酮)饮食按照热量限制的标准喂养小鼠,可明显降低其循环血浆葡萄糖水平,同时显著提高携带原位CT-2A和U87-MG脑瘤的小鼠酮体水平。此外,限制性KetoCal®生机(酮)饮食抑制了脑瘤的生长并降低了微血管密度,同时延长了小鼠的存活期。β-OHBDH和SCOT在肿瘤中的基因表达比对侧正常大脑的低,表明脑瘤代谢酮体的能力降低。这一临床前研究表明,KetoCal®生机(酮)饮食是一种针对恶性肿瘤的安全有效的饮食疗法,可视为替代或辅助治疗选择。有关这项工作的初步报告已经生成。

研究方法

小鼠

从缅因州巴尔港杰克逊实验室获得C57BL / 6J(B6)菌株和BALBc / J重症联合免疫缺陷(SCID)菌株的小鼠。利用之前描述的动物饲养条件,将小鼠置于波士顿学院生物系的动物护理设施中进行繁殖。选取雄性小鼠(10-12周龄)用于研究,并在限制或无限制条件下提供食物和水。将SCID小鼠保持在无病原体环境中的层流罩中。所有的动物实验均按照美国国家卫生研究院的实验动物护理和使用指南,并获得伦理委员会和动物管理委员会的批准。

脑瘤模型

同系小鼠脑瘤CT-2A最初是通过将化学致癌剂20-甲基胆蒽植入B6小鼠的大脑皮层而产生的,并被定性为间变型星形细胞瘤。CT-2A小鼠脑瘤的形态、生物化学和生长特征在之前的研究中都有描述。U87-MG(U87)肿瘤最初来源于人体恶性胶质瘤细胞系,并在SCID小鼠中作为异种移植物生长。

脑内和皮下肿瘤植入

如前所述,使用套针将小鼠CT-2A和人类U87肿瘤分别植入B6或SCID小鼠的大脑皮层。简而言之,用2,2,2-三溴乙醇麻醉小鼠,并在无菌条件下剃刮它们的头部,然后用70%乙醇擦拭。如上方所述,将来自供体小鼠的小肿瘤片(约1mm3)植入到麻醉的受体小鼠的右半脑中。由于肿瘤组织含有已经建立的促进肿瘤快速生长的微环境,所以从完整的肿瘤碎片引发的肿瘤优于从培养的细胞引发的肿瘤。所有从外科手术中恢复的小鼠都在完全活跃时由实验人员送回笼中。

对于存活研究,分别从B6或SCID小鼠中取出CT-2A或U87侧面生长的肿瘤,并在pH7.4的冷磷酸盐缓冲盐水(PBS)中冲洗并切块。用异氟烷(Halocarbon,NJ)将小鼠麻醉,并将悬浮于0.2ml PBS中的0.1ml切块肿瘤组织用1cc结核菌素注射器和18号针头注射到右侧皮下(s.c.)。将受体小鼠的侧面剃毛以方便肿瘤检测和生长评估。每天监测接种的小鼠结节的形成。

饮食和喂养

在开始实验之前将小鼠分组饲养,然后在肿瘤植入前一天将其分别置于塑料鞋盒中。在实验之前,所有小鼠接受PROLAB食物。这是一个标准的高碳水化合物鼠标食物(SD),包含平衡营养成分。根据制造商的规定,这种饮食的总能量为4.4千卡/克,其中脂肪、碳水化合物、蛋白质和纤维分别含有55克、520克、225克和45克/千克。KetoCal®生机(酮)饮食由北美纽迪希亚公司提供。KetoCal®生机(酮)饮食是一种营养全面的生酮配方,根据制造商的规定,脂肪、碳水化合物、蛋白质和纤维的含量分别为720克,30克,150克和0克/千克。两种饮食中氨基酸、维生素、矿物质和微量元素的含量(g / kg)也有微小的差异。膳食的生酮比是4:1(脂肪:蛋白质+碳水化合物),脂肪来源于大豆油。将生机(酮)饮食以糊状物的形式并按照上方所述的步骤喂给笼子里的小鼠(水与KetoCal®生酮饮食的比例 1:2)。表格1列出了SD和KetoCal®生酮饮食的营养成分比较。

表格1

标准饮食和生酮饮食的成分组成(%


动物饲养室的温度保持在22±1°C,并提供棉花嵌套垫以获得额外温度。所有携带脑瘤的B6和SCID小鼠在植入肿瘤后保持喂养SD饮食3天,然后随机分配到三个饮食组:1)标准饮食自由进食,不受限制(SD-UR); 2)KetoCal®生酮饮食自由进食,不受限制(KC-UR); 3)受限制的KetoCal®饮食,并于第三天减掉原体重的20%(KC-R)。饮食治疗持续8天以便进行肿瘤重量分析。对于生存分析,在皮下植入后7天开始饮食治疗,并持续至肿瘤达到2.5cm3

图形1

饮食对携带CT-2A星形细胞瘤(A)的B6小鼠和携带人类U87胶质瘤的SCID小鼠体重的影响。 在第0天将肿瘤进行同位移植,并在第3天开始饮食(箭头)。 SD-URKC-URKC-R

肿瘤生长和生存分析

通过测量肿瘤总湿重直接分析脑内肿瘤生长。从正常出现的脑组织切下肿瘤并称重。如前所述,肿瘤接种后,皮下肿瘤达到2.5cm3大小的时间被确定为生存期。 如前所述用卡钳测量肿瘤体积。接种后大约7天出现肿瘤结节。

血浆葡萄糖和β-羟基丁酸(β-OHB)的测定

实验的最后一天(1-4点之间),在杀死小鼠并切除肿瘤前,从小鼠体内收集血液。所有小鼠在采血前禁食2小时以稳定血糖水平。用异氟烷麻醉小鼠,从心脏收集血液到肝素化的管中。将血液以1500×g离心10分钟,收集血浆储存于-80℃的温度中,直到进行化验。分别使用StanBio® 葡萄糖酶测定法和改良的Williamson酶法对血浆葡萄糖和β-OHB浓度进行分光光度法测量。对于血酮体分析,我们只测量了β-OHB水平,因为这是血浆中的主要血酮体。

组织学

将肿瘤样品固定在10%中性福尔马林中并包埋在石蜡中。切开肿瘤并用光学显微镜检查。对于组织学研究,按如上所述的方式治疗,并持续7天以防止肿瘤相关组织变形。

VIII因子染色和微血管分析

如上所述,在脱石蜡、再水化和洗涤后,将肿瘤切片与胰蛋白酶一起置于37℃条件下30分钟。简言之,将切片用0.3%H2O2 - 甲醇淬灭30分钟,然后采用10%的正常山羊血清磷酸盐缓冲溶液和白蛋白(PBA)对切片进行处理。白蛋白(PBA)中含有1.0g牛血清白蛋白和0.1ml吐温20,溶于100 ml的0.01 M 磷酸盐和0.9%氯化钠(pH 7.4)。按照制造商的要求,先用针对人体F8相关抗原的兔多克隆抗体(1:100 稀释)对切片进行处理;其次选用生物素化抗兔二抗(1:100稀释)再次处理;然后用抗生物素蛋白 - 生物素复合物进行第三次处理;接着用3,3'-二氨基联苯胺作为底物对切片进行染色;最后,用含有0.9%NaCl的0.01M磷酸盐缓冲液冲洗切片三次,并用甲基绿色复染并装上切片。没有一级抗体的相应组织切片用作阴性对照。如前所述,通过检查高功率区中的血管热点区域来对微血管密度进行量化,并进行一些修改。简而言之,在40×和100×下扫描切片以定位血管热点。在肿瘤的三个最坏的非坏死性血管区域在200×下计数血管。三个切片中的每个CT-2A肿瘤的值都已平均化。如前所述,分支结构被视为单个血管。由于热点区域分布广泛,所以不对U87肿瘤中的血管进行计数。在这种情况下,仅显示肿瘤切片用于定性分析。

半定量RT-PCR

按照制造商的要求,使用TRIzol试剂从匀浆组织中分离总RNA。在260和280nm的条件下采用分光光度法测定RNA浓度和纯度。按照制造商的要求,在含有莫洛尼鼠类白血病病毒逆转录酶的20-μl反应中使用低聚物,并从总RNA(3μg)合成单链cDNA。cDNA(3μl)用于β-OHBDH、SCOT和β-肌动蛋白基因的特定区域的PCR扩增。可以使用登录号EF095208-EF095213在NCBI上来观察小鼠和人类β-肌动蛋白、β-OHBDH和SCOT基因的引物序列和扩增子信息。通过进行梯度PCR以获得如前所述的最佳引物退火温度。为了确定半定量RT-PCR的最佳线性范围,增加PCR的循环测量次数。用Taq DNA聚合酶对每个基因使用类似的方法进行PCR扩增。在含有溴化乙锭的1.0%琼脂糖凝胶上分离PCR产物(10μl),用紫外光显像,并用1D柯达软件分析。

统计分析

使用单因素方差分析法对体重、肿瘤生长、血浆葡萄糖和β-OHB水平进行分析。使用Fishers PLSD测试来预测Statview 5.0. 条件下不同测试组之间的成对比较。 在每个图中,n表示分析的单个小鼠的数目。图中的误差条用平均值±SEM表示。根据非参数Kaplan-Meier分析对生存率进行计算和绘图,对照组和治疗组之间的比较采用log-rank检验。

结果

本研究的目的是根据治疗顽固性癫痫儿童的建议,确定KetoCal®生机(酮)饮食是否可以治疗实验小鼠和人类脑瘤。与其他生机(酮)饮食配方(猪油或中链甘油三酯饮食)相比,KetoCal®生机(酮)饮食是一种营养全面的儿童医疗食品,可广泛用于恶性脑癌等其他适应症。因为我们以前表明高碳水化合物标准饮食的CR对CT-2A和U87实验性脑瘤具有抗肿瘤和抗血管生成作用,所以低碳水化合物饮食组不在我们的研究范围之内。因此,将限制热量摄入的KetoCal®生酮饮食组小鼠与接受标准食物饮食或不限制热量摄入的KetoCal®生机(酮)饮食组小鼠进行比较。

体重和饮食耐受

在整个研究中,尽管SD-UR组和KC-UR组饮食中的热量含量和组成差异很大,但两组小鼠的体重基本相似。KC-R组中限制热量摄入的KetoCal®生机(酮)饮食是根据制造商关于儿童癫痫治疗的建议制定的。即每天摄入65%-70%的卡路里热量或限制30%-35%的卡路里限摄入。11天后,小鼠体重与原来相比大约减轻20%-23%。在B6和SCID KC-R组中的肿瘤植入。和正常小鼠相比,KC-R组小鼠中没有发现维生素或矿物质缺乏的迹象。事实上,KC-R组小鼠的体力活动和理毛行为显著优于SD-UR和KC-UR组。这些发现表明KetoCal®生机(酮)饮食在携带肿瘤的B6和SCID小鼠中具有良好的耐受性,并且在限量饮食时,它们在健康和活力方面显著改善。

饮食对肿瘤生长和小鼠存活的影响

在SD-UR和KC-UR组中,CT-2A和U87肿瘤在脑内生长迅速,但KC-R组的CT-2A和U87肿瘤分别减少了约65%和35%。这些肿瘤重量的减少超过了体重的减少。值得一提的是,KC-R组中所有植入的CT-2A和U87肿瘤均在生长,这表明限制热量摄入的摄食方法并不能阻止肿瘤从中获取营养,但却显著降低了肿瘤的脑内生长速度。存活率(皮下肿瘤结节达到2.5cm3所需的时间)相比SD-UR或KC-UR组的小鼠,KC-R组中小鼠的存活时间更长。无论是SD-UR组,还是KC-UR组,两组携带肿瘤的小鼠存活率没有显著差异。这些发现表明,按照推荐的生酮饮食量喂养小鼠,都能显著降低肿瘤生长和延长存活,无论小鼠携带CT-2A还是人类U87脑瘤。

图形2

饮食对CT-2AA)和U87B)脑瘤生长的影响。星号表明,KC-R组的肿瘤重量与SD-UR组的P <0.03 *P <0.01 ** 不同。

图形3

饮食对CT-2A (A) U87(B)脑瘤(<2.5 cm3)的百分比的影响。运营kaplan - meier生存曲线来表达数据。KC-R饮食组的小鼠存活时间明显长于另外两组。


饮食对血浆葡萄糖和β-OHB水平的影响

在限制热量摄入的条件下,通过多个集成系统完成从葡萄糖到酮体的能量转换,这一过程有助于抑制脑瘤生长。相比于SD-UR 和KC-UR组,KC-R组小鼠的血浆葡萄糖水平明显较低。然而,SD-UR 和KC-UR组小鼠的血浆葡萄糖水平都同样高。这些发现与我们之前在小鼠身上的研究达成一致:在不限制饮食量喂养小鼠的情况下,KD不会降低血浆葡萄糖水平。与血糖水平相反,KC-UR组小鼠的循环β-OHB水平比SD-UR组高2-3倍。有趣的是,KC-UR组小鼠的β-OHB水平比SD-UR组高5-9倍。这些发现与我们以前在白鼠身上进行的相关研究结果相符:限制小鼠的热量摄入与不限制小鼠的热量摄入相比,前者的循环β-OHB水平更高。

图形4

饮食对血糖和对携带CT-2A星形细胞瘤小鼠或携带人类U87神经胶质瘤小鼠β-OHB水平的影响。数值用平均数±SEM(每组小鼠的数量用n 表示,n = 12 - 14)来表示。

饮食对脑瘤血管的影响

为确定生酮饮食是否会对血管生成产生影响,我们使用VIII因子免疫染色对CT-2A和U87脑瘤中的血管密度做了检查。从每个饮食组随机选择3个独立的CT-2A和U87肿瘤。KC-R组CT-2A肿瘤的血管数目明显低于SD-UR组。同时,KC-R组中CT-2A肿瘤的微血管密度/高能量场也明显低于SD-UR组。就像在CT-2A肿瘤中发现的那样,KC-R组中的U87肿瘤的血管数目明显低于SD-UR组。与CT-2A肿瘤相比,由于U87肿瘤中血管密度较高,所以不可能准确测量U87肿瘤中的微血管密度。在CT-2A和U87两种肿瘤(未显示数据)中,不管是SD-UR中的CT-2A和U87肿瘤,还是KC-R组中的两种肿瘤,我们并未观察到血管数量或密度的差异。这些发现表明,按照限制的量进行KetoCal®生机(酮)饮食,抗血管生成在可在CT-2A和 U87脑瘤中起到抗血管生成的作用。

图形5

饮食对原位生长在B6SCID小鼠中CT-2A U87脑瘤血管的影响。使用VII因子抗体对血管进行染色,各染色部分代表整个肿瘤。

正常的大脑和脑瘤组织中β-OHBDH SCOT不同的mRNA表达

β-OHBDH和SCOT是大脑线粒体中酮体代谢必不可少的。我们使用半定量RT-PCR对生长在右半脑中CT-2A和U87肿瘤组织的β-OHBDH和SCOTmRNA水平和左半脑中的正常大脑组织的β-OHBDH和SCOTmRNA水平进行比较。我们发现右半脑的β-OHBDH和SCOT mRNA水平明显低于左半脑的β-OHBDH和SCOT mRNA水平。此外,携带脑瘤的小鼠脑组织和不携带脑瘤的小鼠脑组织的β-OHBDH和SCOT mRNA水平并无不同。这些发现表明,在使用酮体获取能量方面,CT-2A和U87肿瘤细胞不如正常的小鼠脑细胞。

图形6

B6SCID小鼠脑中的CT-2AU87脑瘤的β-OHBDHSCOT表达。就像在研究方法中描述的,使用RT-PCR检测β-OHBDHSCOTβ-actinmRNA水平


讨论

我们发现KetoCal®是一种营养平衡的、用于治疗癫痫儿童且在市场上可以买到的生酮饮食,它可以显著降低小鼠体内星形细胞瘤(CT-2A)和人类胶质瘤(U87)的原位生长和血管分布。此外,KetoCal®显著延长了小鼠的存活期。值得一提的是,只有当以有限的食物量喂养小鼠时,才可以观察到KetoCal®的抗血管生成和生长抑制效果,但如果随意喂养或对小鼠的饮食量不加以节制的话,就不会观察到这种效果。这些发现与之前的观察结果达成了一致:即限制饮食中热量的摄入对治疗癌症(包括脑癌在内)具有强大的抗血管生成和抗炎症作用。我们在本研究和以前的研究中发现,热量含量的降低会引起血糖水平的降低。事实上,肿瘤生长与循环葡萄糖水平的关系比循环酮体水平更强。限制饮食中热量的摄入后,葡萄糖水平得以降低,这也在很大程度上解释了为什么在限制性生酮饮食或限制性高碳水化合物标准饮食中肿瘤长得最少。然而,考虑到符合规范的问题,限制人类的热量摄入可能难以实现。KetoCal®可能更符合要求,因为这种饮食旨在限制热量摄入的条件下治疗人类顽固性癫痫症。然而,CR在小鼠和人类中并不能直接作比较。打个比方,小鼠中40%的CR饮食与人类治疗性禁食相当,这对许多人来说是很困难的。除了降低循环葡萄糖水平外,限制总热量的摄入还可以降低饮食中高脂肪含量的潜在不利影响,因为不管热量来源如何,能量在CR条件下达到最大化。因此,限制性KetoCal®饮食应比脑癌患者的禁食治疗更容易实施。

虽然我们以前表明,高碳水化合物标准饮食或啮齿动物生酮饮食的CR(热量限制)在降低血液葡萄糖水平(肿瘤细胞依赖血液葡萄糖存活)方面基本相同,但是我们在该研究中的发现表明,相比于不限制小鼠的热量摄入,在限制小鼠热量摄入的条件下喂养生酮饮食更能有效地提高循环酮体。这是非常重要的,因为轻微的酮症,在葡萄糖利用率下降的情况下,对于提高正常脑细胞的生物能量潜力是必不可少的。另外,酮体可以通过多种神经保护机制直接保护正常神经元和神经胶质细胞免受与侵袭性肿瘤生长相关的损伤。与大多数无区别性靶向正常细胞和肿瘤细胞的常规脑瘤疗法相比,CR和限制性生酮饮食如KetoCal®是目前已知的唯一可以靶向脑瘤细胞,同时增强正常脑细胞的健康和活力的疗法。在这方面,用于治疗脑癌的限制热量摄入的生酮饮食与其它所有常规治疗方法都不同。

以前的研究表明,包括脑瘤在内的许多肿瘤由于缺乏关键的线粒体酶,如β-OHBDH或SCOT,而在很大程度上不能代谢酮体。我们在小鼠CT-2A和人类U87脑瘤中的基因表达结果与先前在其他肿瘤中的发现一致,并且也支持癌症的线粒体缺陷理论。然而,这些酶的缺陷只有在葡萄糖水平降低和细胞需要酮体进行能量消耗的热量限制条件下才对治疗肿瘤很重要。这从非限制性KetoCal®组中的肿瘤生长分析中最明显,尽管有轻度酮病,但生长速度很快。这与葡萄糖水平较高有关,由于肿瘤细胞依赖于糖酵解,所以它们将优先使用葡萄糖获取能量。然而,当葡萄糖变得有限时,如在CR下发生的那样,SCOT和β-OHBDH缺陷会阻止肿瘤细胞使用酮作为替代燃料,从而通过代谢来分离肿瘤细胞与正常细胞。我们认为,这些酶的基因可能是筛查脑瘤和其他肿瘤类型的有用标记物,因为它在限制性KetoCal®或其他限制性生酮饮食治疗中可能会有反应。这一有趣的可能性还有待进一步研究。

无论是儿童还是成年人,恶性脑癌的治疗都是很困难的。这与大脑的独特解剖结构和代谢环境有很大的关系,从而阻碍了肿瘤组织的大规模切除及化学治疗药物的递送。此外,患有长期脑瘤的存活者常常伴有显著的神经异常现象。鉴于正常脑细胞和脑瘤细胞之间的能量代谢差异,我们最近提出了一种基于进化生物学和代谢控制理论的脑癌治疗的替代方法。具体而言,正常细胞所进化形成的这种能够使其在极端恶劣条件下生存的基因和代谢灵活性,可用于间接靶向遗传缺陷和不健全的肿瘤细胞。这一使用限制性KetoCal®作为实验性脑癌治疗的结果为这种脑癌治疗的替代方法提供了直接的支持。应该认识到,这种替代治疗方法不仅适用于脑癌,而且对于任何含有基因受损和代谢异常肿瘤细胞的癌症也有效。此外,KetoCal®在治疗人类脑瘤方面比在治疗小鼠脑瘤方面更有效,因为由于基础代谢率的内在差异,相比于小鼠,长时间的热量限制可以在人体中更好地耐受。

虽然Nebeling和他的同事成功地用中链甘油三酯生酮饮食治愈了儿童星形细胞瘤,但是这种KD(生酮饮食)制剂可能难以实施,因为它不是标准化的饮食,并且,如先前在儿童服用该饮食治疗癫痫的过程中所观察到的,这种饮食会产生一些不利影响。值得注意的是,在Nebeling研究中接受治疗的儿童血糖水平也降低了。在限制性KetoCal®饮食下,KetoCal®可能比中链甘油三酯或猪油类的生酮饮食具有更好的治疗效果,而且副作用更少。另外,由于KetoCal®最初设计用于治疗顽固性癫痫发作,因此KetoCal®可以消除或减少对脑瘤患者使用抗癫痫药物的需求。在限制性KetoCal®饮食下,由于糖皮质激素水平在热量限制条件下自然增加,辅助性甾体药物(通常用于脑瘤患者并可能产生严重不良反应)的使用也可能减少。生酮饮食和限制热量饮食也可以拮抗癌症恶病质。这些观察,同时考虑到饮食的抗血管生成效应,表明限制性KetoCal®饮食可以通过多个整合系统来治疗脑瘤。

先前已经对如何在年轻和老年患者中实施KetoCal®和其他限制热量摄入的KD(生酮)饮食方法做了介绍。KetoCal®适用于所有在医疗中心或诊所使用生酮饮食治疗癫痫的脑瘤患者。根据我们在小鼠和Nebeling及其同事的研究结果,我们有必要启动随机临床试验,以确定KetoCal®是否对恶性脑癌和其他糖酵解依赖性癌症的长期治疗有效。这对于多形性胶质母细胞瘤患者尤为适用,多形性胶质母细胞瘤是一种积极的脑瘤类型,但当前针对这一肿瘤的有效方案很少。虽然KetoCal®是用于治疗儿童癫痫发作的,但是含有营养和热量成分的KD制剂更适合于治疗脑瘤。这也涉及使用低血糖的饮食,它可以有效地维持低循环血糖水平,而且比一些生酮饮食更容易实施。此外,饮食可以与特定的药物结合,以进一步提高疗效。还有一点需要注意,无论是由于遗传或药物诱导缺陷,还是由于肉碱或脂肪代谢过程中导致禁食不耐受的少数人,我们并不推荐他们采用限制热量摄入的KD饮食方法。我们在小鼠和人类脑瘤模型中的研究结果表明,限制性KetoCal®饮食将成为治疗人类恶性脑癌的有效替代疗法,应被视为一线或辅助治疗选择。

结论

结果表明,在限制性饮食下,KetoCal®在实验小鼠和人类脑瘤中具有抗肿瘤和抗血管生成作用。此外,酮体代谢的基因可用于筛选脑瘤,而脑瘤可以通过采用KetoCal®或其他热量限制的高脂肪低碳水化合物饮食进行靶向治疗。这项在小鼠的临床前研究表明,限制性KetoCal®饮食应该是治疗人类恶性脑癌的有效替代治疗选择。

缩略语表

使用的缩写语:CT-2A,小鼠星形细胞瘤; U87,人类恶性胶质瘤(U87-MG); CR,热量限制; β-OHB,β-羟基丁酸酯; β-OHBDH,β-羟基丁酸脱氢酶; SCOT,琥珀酰-CoA:3-酮酸CoA转移酶; KD,Ketogenic饮食; B6,C57BL / 6J; SCID,BALBc / J-严重联合免疫缺陷; 脑内,i.c。 SD,高标准碳水化合物小鼠食物饮食; SD-UR,标准自由进食或非限制性饮食; KC-UR,KetoCal®自由进食或非限制性饮食; KC-R,KetoCal®限制性饮食。

利益冲突

作者声明他们不存在利益冲突。

作者的贡献

WZ采用了所有描述的方法并起草了手稿。 PM帮助设计研究和数据分析。 MAK参与了引物的设计、序列和数据分析。WTM参与了小鼠的饲养、肿瘤植入和数据分析。JGM进行酮化验,并参与数据和统计分析。TNS构思、参与设计和协调此项研究,并帮助准备了这个手稿。所有作者都阅读并批准了终稿。

小注

数据存储注释:小鼠和人体β-肌动蛋白,β-OHBDH和SCOT基因的引物序列和扩增子信息可以在NCBI(National Center for Biotechnology Information,PubMed)中使用登录号EF095208-EF095213查看。

致谢

我们要感谢Leanne Huysentruyt的意见。我们要感谢Nutricia North America(正式SHS International,Inc.)为我们提供KetoCal®生酮饮食。这项工作得到了美国国立卫生研究院的拨款(HD39722)和(CA102135),以及美国癌症研究所和波士顿学院费用基金的资金支持。

本文章为转载,仅为教育目的,任何治疗都需要在专业医生指导下进行

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