基于線粒體探討間歇性禁食改善神經退行性疾病的可能機制

王芳芳，崔艷如，李加鈺，龐日朝，張安仁

據相關統計，2020年全球65歲及以上人口已達7.27億，預計在未來30年中全球老年人數量將增加1倍以上[1]。這種人口結構的變化帶來了新的問題，老年人壽命的延長以不良的健康狀況和殘疾的增加為代價。事實上，慢性退行性疾病的發展已成為影響老年人生活質量的主要影響因素，其中神經退行性疾病最為常見。神經退行性疾病是以中樞神經系統內神經元的選擇性喪失引起的運動和/或認知功能進行性衰退為特征的疾病，阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、亨廷頓舞蹈癥（HD）、多發性硬化癥（MS）等較為常見[2]。在中樞神經系統中，神經元存活和興奮所需要的充足能量供應主要依賴于線粒體，故線粒體功能異常更容易引起神經元的損傷或死亡[3]。多項研究證實了線粒體功能障礙是神經退行性變的主要特征之一，其在神經退行性疾病發生和進展中發揮關鍵作用[4-5]。

目前臨床治療神經退行性疾病以對癥治療為主，許多臨床試驗藥物并未能預防或阻止疾病進展。間歇性禁食（IF）是一種正常能量和能量限制周期性交替進行的膳食模式，臨床確切證據顯示其對人類認知功能有潛在改善作用[6]，并且多項臨床前期研究顯示，IF通過調節代謝途徑發揮神經保護作用，可預防和減緩衰老和神經退行性疾病帶來的損害，但其具體機制仍在研究階段，尚不明確[7-8]。線粒體是參與細胞代謝的關鍵途徑，而IF可以增強神經元線粒體功能和細胞抗應激能力，通過調節或增強線粒體生物能量學來改變大腦的代謝能力[9]。這些證據提示IF、線粒體與神經退行性疾病三者之間可能存在密切關系。因此，本文依據現有的臨床及臨床前證據，從IF對神經退行性疾病的改善作用、線粒體在神經退行性疾病中發揮重要作用、IF對線粒體功能調節的可能機制以及過量熱量攝入對神經元及線粒體的影響4個方面、正反角度進行分析綜述，試圖從線粒體功能角度探討IF預防和延緩神經退行性疾病的可能機制，以期為研究IF改善神經退行性疾病的具體機制提供新的思路。

本文文獻檢索策略：以“mitochondria，intermittent fasting，alternate day fasting，time-restricted feeding，neurodegenerative diseases，Alzheimer's disease，Parkinson disease”為英文關鍵詞檢索PubMed、Medline、Web of Science、SCI-hub；以“線粒體、間歇性禁食、隔日禁食、限時禁食、神經退行性疾病、阿爾茨海默病、帕金森病”為中文關鍵詞檢索中國知網、萬方數據知識服務平臺、維普網以及中國生物醫學文獻服務系統，檢索時間為建庫至2022-05-25。納入標準：已發表的文獻；排除標準：數據信息少、重復發表、無法獲得全文或者質量差的文獻。

1 IF對神經退行性疾病的改善作用

營養攝入對衰老、健康和壽命的影響已得到大眾認可，而IF實則源于生物進化過程。為了能夠在食物短缺或匱乏的時期得以生存，并將對身體的損傷降到最低，動物必須進化出適應性的行為和代謝途徑[10]。隔日禁食（ADF）和限時禁食（TRF）是IF的兩種主要類型，其中ADF定義為36 h內不攝入能量，然后在隨后的12 h內隨意進食，相對不嚴格的ADF方案允許在禁食日攝入正常情況下25%的卡路里[11]；TRF是將每日食物攝入時間限制在8～10 h或者更短的時間窗口內[12]。

在IF干預的相關臨床研究中，MINDIKOGLU等[13]研究結果顯示，IF干預4周后受試者血清蛋白中β淀粉樣前體蛋白基因表達較前顯著下降，該蛋白在AD患者腦血管中會大量沉積，因此認為IF可能對AD患者有保護作用。OOI等[6]在觀察為期3年的IF對老年輕度認知障礙患者認知功能影響的研究中發現，長期IF的患者其認知功能較對照組提高，并在36個月的隨訪中恢復到更好的認知功能。相似地，在意大利開展的一項關于老年營養干預的研究指出，TRF與認知功能的改善呈正相關關系[14]。另外，關于IF干預神經退行性疾病動物模型的臨床前研究也有許多。在AD和PD的動物模型實驗中表明，隔日斷食可延緩疾病的發生和進展，且有相關報道指出，使用營養強化劑和調整喂養時間等飲食干預措施可以降低神經病變的風險[15]。在去卵巢AD（AD OVX）大鼠模型中，IF干預4周可以緩解雌激素缺乏大鼠的認知功能惡化、能量代謝受損和血脂異常，其結果表明，IF可以通過增強海馬胰島素信號傳導來改善記憶功能，進而抑制AD OVX大鼠β淀粉樣蛋白（Aβ）的沉積[16]。相似地，在其他類型的飲食限制模式中，例如3個周期的模擬禁食飲食（FMD）可以完全逆轉誘導的MS小鼠的疾病進展[17]。神經退行性疾病還可能與神經元的能量代謝密切相關，在小鼠實驗中，熱量限制（CR）早期干預可以提高小鼠大腦代謝效率并且在較長時間內維持該水平，小鼠腦代謝變化可能起著關鍵神經保護作用[18]。

綜上所述，IF及其相關飲食限制模式可以有效改善多種神經退行性疾病的病理變化，提高腦組織代謝效率，進而能夠緩解其相應功能障礙。

2 線粒體在神經退行性疾病中發揮重要作用

最常見的神經退行性疾病包括AD、PD、HD和MS等，與線粒體形態結構和功能改變息息相關。

2.1 AD AD是世界上普遍的神經退行性疾病之一，由于前腦和其他腦區神經元的進行性和選擇性喪失，患者主要癥狀表現為認知和記憶功能的惡化，并且隨著時間進展，AD患者可能會發生嚴重殘疾[19]。AD的病理特征包括：（1）光學顯微鏡下可見腦神經元外出現Aβ沉積形成的老年斑（SP），細胞內Tau蛋白異常磷酸化及由此引發的神經元纖維纏結（NFTs）；（2）海馬、內嗅覺皮質、額葉皮質以及與認知有關的相關結構中的神經元退化，同樣受到影響的還有涉及情緒行為的大腦區域，包括杏仁核、前額葉皮質、下丘腦等[20]。研究表明AD患者大腦中存在廣泛的線粒體異常，這與AD臨床觀察得到的能量代謝受損結果一致，線粒體功能障礙已被確認為疾病的早期突出特征[19]。

臨床研究發現，AD患者早期額葉、顳葉的頂葉皮質的氧代謝率顯著降低，這與AD的癡呆癥狀嚴重程度顯著相關[21]。另有研究發現，AD患者線粒體代謝減少；丙酮酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶和細胞色素氧化酶活性受損；線粒體形態結構改變等[22]；這意味著線粒體功能障礙可能是AD的最初觸發因素。SWERDLOW[22]最早提出AD線粒體級聯假說，即線粒體功能障礙的存在可能獨立于Aβ，或位于Aβ沉積的上游，其至少介導甚至可能啟動AD中病理分子級聯反應。PRADEEPKIRAN等[23]則認為，在早發和遲發的AD中，有缺陷的線粒體自噬通過觸發Aβ和磷酸化Tau蛋白（p-Tau）積累而導致突觸功能障礙和認知缺陷，并且提出可以通過在臨床前動物模型中測試使用目前可用的線粒體自噬增強劑，來尋找未來可能治療AD的方法。

綜合以上證據，AD的發生發展過程與神經元線粒體的形態結構改變和功能障礙密切相關，并且可能是啟動AD病理分子級聯反應的關鍵因素。

2.2 PD PD是一種無法治愈的慢性退行性疾病，影響了近2%的“50歲以上”中老年人群，PD的特征為大腦黑質中多巴胺能神經元優先喪失，導致進行性運動系統功能障礙，其病理學仍未知，但絕大部分病例分析結果顯示，PD患者存在路易體神經元內錯誤的蛋白質折疊，形成蛋白質聚集體，其主要成分為α-突觸核蛋白（α-Synuclein）[24]。有證據表明，α-Synuclein是一種親脂性蛋白，定位于線粒體并通過線粒體相關膜連接到內質網上；PD患者α-Synuclein的過表達可以抑制黑質紋狀體神經元的線粒體膜錨定呼吸鏈復合物的正常功能[25]。此外，LUTH等[26]認為，線粒體中α-Synuclein的過表達可引起神經元內Ca2+水平紊亂，從而導致線粒體膜電位改變和NADH氧化。在PD現有研究中，線粒體功能障礙無疑是PD發病機制中的參與者，其可以由基因突變和環境因素介導。

有研究調查發現PD患者的線粒體呼吸鏈存在缺陷。MONZIO COMPAGNONI等[27]發現PD患者黑質、骨骼肌、血小板和白細胞中線粒體復合物Ⅰ（MCⅠ）的功能受損。最新報道顯示，選擇性破壞小鼠多巴胺能神經元中MCⅠ功能發現，MCⅠ功能障礙足以導致進行性的帕金森相關運動缺陷，且不同類型的運動功能損傷（粗大運動和精細運動）與不同部位（紋狀體和黑質）多巴胺釋放具有相關性[28]。PD發病機制中，線粒體基因突變也是重要的影響因素。PD是由編碼與線粒體功能和質量控制密切相關蛋白質基因的顯性或隱性突變引起的，其中磷酸酶和張力蛋白同源基因誘導激酶1（PINK1）和E3泛素連接酶（Parkin）二者共同作用為保證線粒體質量控制的分子調控途徑奠定了基礎；在PD疾病發展過程中會引起PINK1和Parkin等相關蛋白突變，影響α-Synuclein清除途徑，從而導致α-Synuclein在細胞中以路易小體形式聚積，最終可能造成黑質的選擇性神經變性[27]。

綜上所述，線粒體在PD中的作用可能更為顯著，呼吸鏈的活動特別是MCⅠ的受損以及與線粒體功能直接相關的基因（PINK1和Parkin）的突變導致線粒體功能障礙，線粒體的功能障礙與病理產物α-Synuclein的累積密切相關。

迄今為止確定的神經退行性疾病的病理機制中雖然包含線粒體功能障礙，但其可能只是導致神經元退化或死亡復雜網絡中的一部分，具體機制仍需進一步探究。

3 IF對線粒體功能的調節作用

IF及其相關飲食限制模式干預可以有效改善多種神經退行性疾病的病理變化，而在神經退行性疾病中，線粒體的結構破壞和功能障礙是其重要的病理機制，反之，正常的線粒體代謝不僅能夠維持神經元活動，還能通過減少氧化損傷來保護神經元。有趣的是，研究表明IF能夠通過干擾線粒體動力學、呼吸鏈和相關的氧化應激來調節線粒體功能[29]。那么，IF是否通過調節線粒體功能改善神經退行性變？

3.1 IF對線粒體能量代謝的影響 有研究顯示，禁食期間線粒體脂肪酸氧化的主要調節因子肉毒堿棕櫚酰轉移酶（CPT-1）表達增加；相應地，內源性脂肪酸合成增加、氧化期延長，這可能使得在空腹代謝狀態時，從葡萄糖代謝轉化為脂肪代謝，使用游離脂肪酸，并產生酮體[30-31]。β-羥基丁酸（β-OHB）作為一種主要的酮體，其可以恢復受損的線粒體呼吸和神經元代謝障礙。更為重要的是，β-OHB的濃度是重要的影響因素，比如高濃度時，β-OHB可以抑制糖代謝；低濃度時，β-OHB通過調節NAD的氧化和還原形式比例來減少活性氧的產生，并提高線粒體代謝效率，從而改善線粒體功能[32]。并且，有證據表明，生酮療法具有神經保護作用，增強線粒體功能，抑制促炎細胞因子釋放和Aβ沉積等[33]；具體來說，β-OHB還可以與G蛋白偶聯受體109a結合，保護海馬區線粒體呼吸功能免受Aβ毒性的影響。

另一方面，ADF可以降低肥胖患者的胰島素抵抗，而胰島素抵抗又是AD患者的早期癥狀之一，且伴有Aβ累積加重以及葡萄糖轉運功能障礙。胰島素抵抗與機體代謝功能紊亂密切相關，主要是由于線粒體功能障礙。SHIN等[16]報道，IF可以調節大鼠機體能量代謝，并能夠通過增強海馬胰島素傳導信號，減少Aβ沉積來改善大鼠記憶功能。因此推測ADF等飲食限制模式干預可能通過改善AD患者胰島素抵抗，促進線粒體功能恢復，從而改善AD患者的病理狀態。

綜上所述，IF可能通過增加β-OHB水平、改善胰島素抵抗來影響線粒體代謝和生物能量代謝水平，從而對神經退行性疾病的能量代謝障礙產生有益影響。

3.2 IF對線粒體氧化損傷的影響 線粒體產生的氧化劑和自由基在生理情況下參與細胞信號傳遞，然而在病理情況下，神經元中活性氧過量產生會破壞線粒體DNA（mtDNA）、降低線粒體生物能量，導致線粒體功能障礙[34]。氧化應激也被認為是許多神經退行性疾病發病機制之一，致使病理產物堆積和突觸功能障礙。WEGMAN等[35]研究發現，在為期10周的雙交叉臨床試驗中，IF干預可以導致SIRT3（定位于線粒體，被認為是主要的線粒體蛋白去乙酰酶）輕度升高，而SIRT3在防止氧化應激方面具有積極效應。另有研究表明，IF不同于其他限制性飲食干預方式，其對于促進線粒體生物能量學和組織氧化還原狀態存在著復雜性和組織特異性：IF可改善部分老年大鼠大腦抗氧化酶的活性，減少病理產物的堆積；相反地，短期的IF干預則導致大鼠大腦中蛋白質羰基信號（蛋白質氧化）增加，這與線粒體生物能量變化無關；對于心臟組織而言，IF干預可以對心臟氧化還原狀態產生影響，防止谷胱甘肽氧化以及蛋白質羰基化[36]。

mtDNA在線粒體中靠近氧化劑產生的位置，但缺乏保護性蛋白，因此在線粒體內穩態失衡伴隨神經元炎性反應中氧化損傷加劇；反之，mtDNA損傷又影響呼吸鏈功能，增強氧化應激和炎性反應，誘導細胞凋亡，導致進一步的細胞功能障礙和組織損傷，從而形成惡性反饋回路[37]。LIU等[38]研究發現，IF干預認知障礙小鼠模型后可以改善線粒體生物能量代謝水平，提高海馬體mtDNA的水平以增加線粒體質量；并且經IF干預后的腸道微生物代謝物如5-羥色胺（5-HT）水平增加，其可以防止多巴胺誘導的線粒體和突觸體的氧化損傷。綜上所述，IF可通過提升SIRT3含量調節線粒體相關酶活性，并抑制mtDNA損傷來減少氧化應激損傷，從而改善神經退行性疾病癥狀。

3.3 IF對線粒體質量控制的影響 神經元線粒體的質量控制需要線粒體生命周期4個階段的全程參與，即生物發生、融合、裂變和自噬。線粒體生物發生是為適應細胞增加的能量需求而觸發，其過程需要核DNA和mtDNA的共同表達，以及轉錄因子A（TFAM）、核呼吸因子1和2（NRF1和NRF2）、蛋白過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PGC-1α）、沉默信息調節因子（sirtuins）和單磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）等共同參與，其中PGC-1α和AMPK是線粒體生物發生的重要調節因子，其活性隨年齡的增長而降低[39]。SERRANO等[40]證明禁食過程可以觸發AMPK激活以及上調PGC-1α蛋白含量，即通過AMPK/PGC-1α途徑上調線粒體生物發生，從而提高線粒體供能效率。

在線粒體合成后，其可能通過發生、融合和/或裂變來維持相對平衡，單一性促進或抑制線粒體的融合或裂變并不能改善線粒體功能障礙，也不能適應細胞波動的能量需求。動力相關蛋白1（DRP1）和線粒體分裂蛋白1（FIS1）來自線粒體外膜，是線粒體裂變的必需物質。有研究表明，AD、PD等神經系統疾病存在血-腦脊液屏障損傷，其可能依賴于DRP1-FIS1介導的線粒體動力學的紊亂[41]。有趣的是，KHRAIWESH等[42]研究顯示，在接受6個月40%CR干預后，小鼠肝細胞線粒體中的超微結構發生變化，并且裂變/融合標志物顯示以及線粒體裂變相關的蛋白質（FIS1和DRP1）隨著CR的延續而增加，但3種線粒體融合蛋白（MFN1，MFN2和OPA1）沒有表現出變化。

線粒體自噬是健康細胞的生理過程之一，其選擇性地去除受損或功能失調的線粒體，這些受損的線粒體可能通過產生過量活性氧或釋放促凋亡信號來破壞細胞[43]。HOOD等[44]發現，飲食能量限制和運動協同可以抑制mTOR通路激活并刺激線粒體自噬，從而改善腦功能，并增加神經元對氧化應激的抵抗性。

綜上可以推測，IF可能通過維持線粒體質量控制系統平衡以及重塑線粒體內環境穩態網絡而對神經退行性疾病起積極作用。

4 過量的熱量攝入對神經元以及線粒體的影響

以上研究均表明在神經退行性疾病中，IF的改善作用可能通過調節線粒體能量代謝，減少線粒體氧化應激損傷，促進線粒體生物發生、平衡線粒體融合分裂的穩定性以及促進線粒體自噬等來實現。反之，過量的熱量攝入對神經系統的不利影響也可能由于其干擾線粒體的正常結構和功能導致。

過度營養的飲食生活方式還可能會損害細胞的抗應激能力和神經可塑性，從而對大腦神經元產生不利影響。CARNEIRO等[45]認為，長期暴露于高脂肪飲食（HDF）的人群在各種測試中存在認知降低的表現，這些測試包括工作和空間記憶、情緒等；同樣，高蔗糖飲食也會對認知產生負面影響。相關動物研究也表明，HDF引起的高血糖癥和肥胖癥會加劇AD轉基因小鼠淀粉樣蛋白病理反應和認知障礙[46]。

相應地，飲食攝入不平衡以及熱量過剩已被證明能導致線粒體能量學的改變。EMELYANOVA等[47]發現，與標準飲食小鼠相比較，飼喂以豬油為基礎飲食的小鼠心臟NADH脫氫酶（MCⅠ）和細胞色素b-c1（MCⅢ）的功能活性降低，線粒體相關的超氧化物產生增加，并且導致心肌細胞的氧化應激損傷。另外，來自臨床和臨床前研究的大量證據表明，長期過量飲酒會增強氧化應激并改變線粒體功能，其通過抑制蛋白質復合物如MCⅠ、MCⅢ、細胞色素氧化酶（MCⅣ）或F1F0-ATP合酶（MCⅤ）的翻譯來限制線粒體氧化磷酸化[48]。

綜上所述，過量的高熱量飲食攝入方式會對認知功能以及神經可塑性產生有害作用，其可能是通過增強線粒體氧化應激損傷且導致線粒體功能障礙引起的。

5 小結與展望

線粒體功能障礙是神經退行性疾病的重要特征，IF可以調節線粒體功能，而過量熱量攝入可損傷神經元及線粒體功能，進而說明IF可能通過調節線粒體功能改善神經退行性疾病。但IF對于神經系統以及線粒體的影響可能是多因素的，本文未詳細分析，例如能量代謝感受器、具體信號傳導通路以及如何抑制細胞凋亡、氧化應激和炎性反應等，在之后的研究中需不斷細化。

在神經退行性疾病發病率日漸攀升且醫療成本不斷上漲的今日，IF作為一種低成本、簡便實施、有效的飲食療法，其臨床推廣具有重要意義。但考慮到神經退行性疾病患者多為老年人，據統計12.6%～59.8%的AD患者、17.2%～40.0%的PD患者在出現神經系統癥狀的同時可能存在營養不良的風險[49-50]。因此，筆者認為在IF作為一種臨床輔助療法應用前，需制定完善的實施標準，并對患者營養狀況進行全面評估，在符合標準后方可為其制定個性化禁食方案，這樣更能夠提高IF安全性，且更加符合倫理要求。除此之外，IF嚴苛的CR攝入，其臨床依從性也是一大難題。筆者認為未來需要進一步深入研究IF改善神經退行性疾病的具體機制及其對神經系統代謝轉變的具體信號通路，進而判斷最佳干預時間，開發更有靶向性的藥物替代療法，這樣無需大幅度改變當前飲食習慣，從而更有助于此種干預方式的臨床轉化。未來研究不僅需要從更多的臨床試驗和動物實驗中探索IF的個性化推廣方案；還需要從具體機制角度深入研究，探索IF替代性靶點治療，模擬其效果，克服患者依從性較差這一缺點。

作者貢獻：王芳芳提出研究選題方向，進行論文的構思與設計、文獻及資料的整理，并撰寫論文初稿；李加鈺負責檢索和匯總文獻及資料；崔艷如對初稿進行修訂；龐日朝、張安仁負責論文的質量控制及審校，對論文整體負責；所有作者確認了論文的最終稿。

本文無利益沖突。