生酮飲食防治腸癌的分子通路終於打通了！
近日， 賓夕法尼亞大學的Christoph A. Thaiss和Maayan Levy教授領銜的團隊在《自然》發表重要研究成果， 破解了生酮飲食抑制腸癌的分子機制[1]。
他們發現 生酮飲食的代謝產物β-羥丁酸（BHB，脂肪酸代謝後產生的酮體）可通過與細胞表面受體Hcar2結合，誘導轉錄調節因子Hopx表達增加，從而抑制腫瘤細胞增殖。
這一發現提示BHB或可作為結直腸癌預防和治療的補充手段，或可與手術、化療或免疫治療起到協同作用，並 開啟「代謝療法」的新篇章。
文章首頁截圖
結直腸癌（CRC）約占到全世界每年確診癌症人數的10%，是女性的第二大常見癌症，男性的第三大常見癌症，且發病率仍在逐年攀升[2]。
除了遺傳因素外， 多種特定飲食習慣已被報道與結直腸癌風險增加相關，如西方飲食[3, 4]、高糖飲食[5]和過量攝入動物蛋白 （尤其是紅肉）[2]等。相比之下，對於 是否有飲食習慣能預防或治療CRC，我們知之甚少。
生酮飲食 （極低碳水，高脂肪）是近年來炙手可熱的一種飲食方式，多個研究表明其具有抗癌的作用，其抗癌機制包括：促進人體糖代謝產生的細胞毒性物質甲基乙二醛降解 （脂肪酸代謝後產生的酮體乙醯乙酸介導）[6]、增加腫瘤抑制蛋白P53的表達（BHB介導）[7]，以及改善PI3K抑制劑的抗癌效果[8]等。
作為與飲食最相關的癌症之一，生酮飲食在CRC中對起到什麼作用呢？
帶著這個問題，Christoph A. Thaiss和Maayan Levy教授團隊首先給小鼠準備了6種不同的飲食 （蛋白質含量恆定，脂肪/碳水化合物比例不同），其中包括兩種生酮飲食，並通過注射偶氮甲烷（AOM）和葡聚糖硫酸鈉（DSS）來構建CRC小鼠模型 （AOM/DSS誘導CRC小鼠模型）。
為CRC小鼠模型喂食6種不同的飲食
研究人員發現， 隨著脂肪/碳水化合物比例的增加，小鼠形成的CRC腫瘤數目減少，體積也更小。並在另一CRC小鼠模型 （ Cdx2 cre ERT A pc fl/fl 基因編輯自發CRC小鼠模型） 中發現了同樣的現象。以上研究初步表明， 生酮飲食可抑制腫瘤的發生。
生酮飲食可抑制腫瘤發生
除了抑制腫瘤發生，研究人員發現 生酮飲食還可以抑制腫瘤發展。給已形成CRC腫瘤的小鼠喂食生酮飲食後，腫瘤生長明顯被抑制，而中斷生酮飲食後，腫瘤很快又復發。
生酮飲食可抑制腫瘤發展
新問題又產生了，生酮飲食是如何抑制腫瘤發生、發展的呢？
研究人員注意到，生酮飲食喂養的小鼠，在正常腸道和長腫瘤的腸道中，腸上皮細胞增殖水平都顯著降低，且上皮細胞的凋亡也明顯減少。
這表明上皮細胞的更替明顯變慢，而上皮細胞的更替是由位於腸隱窩底部的Lgr5 + 幹細胞調節，因此 生酮飲食很可能影響到了腸道幹細胞的功能。
為了驗證這一點，研究人員構建了腸道類器官，並發現來自 生酮飲食喂養小鼠的腸道幹細胞構建的類器官長的明顯不如對照組，這一結果佐證了生酮飲食影響了腸道幹細胞的功能這一猜想。
來自生酮飲食喂養小鼠的腸道幹細胞構建的類器官長的明顯不如對照組
在先前的研究中，生酮飲食的各種功能往往都是由脂肪酸氧化產生的酮體，如乙醯乙酸和BHB介導，因此研究人員首先懷疑生酮飲食對CRC的抑制是由酮體介導。
在培養的腸道類器官中分別添加乙醯乙酸和BHB， 添加乙醯乙酸的腸道類器官生長未有變化，而添加BHB的腸道類器官生長受到抑制（BHB達到與生酮飲食喂養小鼠腸道內相似的濃度），同時在CRC類器官中也發現了BHB對腫瘤生長的抑制作用，這表明 生酮飲食代謝物BHB很可能是抑制腫瘤生長的關鍵。
添加BHB的腸道類器官生長受到抑制
在體內實驗中，給多種CRC小鼠模型喂食BHB，使其體內濃度達到與生酮飲食小鼠相似的程度，同樣可以抑制腫瘤的生長，而喂食乙醯乙酸並不能達到這一效果。這下子板上釘釘了， 生酮飲食就是通過BHB來發揮抑癌作用。
給CRC小鼠喂食BHB同樣可以抑制腫瘤的生長
為了尋找下游機制，研究人員對BHB處理後的腸道類器官和對照進行RNA測序，發現 BHB處理使得編碼抑癌蛋白Hopx的基因表達顯著上調。
結合BHB對Hopx功能缺失小鼠來源的腸道類器官缺乏抑制作用，且將腸道類器官中Hopx過表達同樣能夠達到抑制腸道類器官生長的作用，研究人員猜想BHB的抑癌作用很可能是由Hopx介導的。
為了明確BHB的腫瘤抑制作用是否由Hopx介導，研究人員用生酮飲食喂養長有CRC的Hopx功能缺失小鼠和野生型小鼠，發現野生型小鼠腫瘤受到明顯抑制，而Hopx功能缺失小鼠腫瘤則無明顯變化。對這兩組小鼠的腸道結腸組織進行RNA測序後發現，Hopx功能缺失小鼠腸道組織中增殖相關基因明顯上調。
生酮飲食對Hopx功能缺失小鼠腫瘤無明顯抑癌效果
這些發現都表明，生酮飲食（或BHB）誘導的Hopx表達增加抑制了腫瘤的生長。那BHB是如何誘導Hopx表達增加呢？
為了尋找BHB與Hopx之間的「橋樑」，研究人員通過CRISPR技術在類器官中篩選BHB的下游基因，包括BHB受體Hcar2和Ffar3，同時還包括受BHB調控的幾個基因。
經過實驗後發現，BHB對Hcar2功能缺陷類器官的生長無抑制作用，且Hcar2功能缺陷使得BHB上調Hopx基因表達的作用消失。這些結果表明， BHB是通過細胞表面受體Hcar2，誘導Hopx表達來抑制腫瘤的生長。
BHB是通過細胞表面受體Hcar2誘導Hopx表達來起到抑制腫瘤生長的作用
最後，研究人員探究了BHB-Hcar2-Hopx通路是否同樣能夠抑制人腸上皮增生。實驗結果表明， BHB可抑制健康人群和CRC患者來源的腸道類器官的生長。
此外，對9名血清BHB水平不同患者的腫瘤和正常結腸組織進行的單細胞RNA測序結果也顯示，CRC患者血清中BHB含量與結腸中Hopx表達水平呈正相關，與細胞周期進展呈負相關。這些數據表明， BHB對人腸上皮細胞的增殖同樣可起到抑制作用。
BHB可抑制健康人群和CRC患者來源的腸道類器官的生長
總的來說，研究人員發現了生酮飲食可抑制CRC的發生髮展，並闡明了其內在機制： 生酮飲食通過BHB-Hcar2-Hopx信號通路抑制腸道腫瘤生長。
機制示意圖
BHB在癌症中的作用目前其實還是不明確的，其作用多種多樣，甚至有報道表明BHB具有促進癌症發展的作用[9]。因此， 探究不同濃度BHB在不同組織中的作用十分關鍵，同時也需要進行臨床試驗來驗證這一些臨床前研究的結果。
該研究的亮點在於明確了特定的飲食模式可對腫瘤起到抑制作用，尤其是胃腸道腫瘤，其與飲食的關係應該是最密切的，因此該研究的切入點選的很好，證明了病不僅可從口入，還可從口治。
參考文獻
1.Dmitrieva-Posocco O, Wong AC, Lundgren P, Golos AM, Descamps HC, Dohnalová L, Cramer Z, Tian Y, Yueh B, Eskiocak O et al: β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer. Nature 2022.
2.Dekker E, Tanis PJ, Vleugels JLA, Kasi PM, Wallace MB: Colorectal cancer. Lancet 2019, 394(10207):1467-1480.
3.Beyaz S, Mana MD, Roper J, Kedrin D, Saadatpour A, Hong SJ, Bauer-Rowe KE, Xifaras ME, Akkad A, Arias E et al: High-fat diet enhances stemness and tumorigenicity of intestinal progenitors. Nature 2016, 531(7592):53-58.
4.Ringel AE, Drijvers JM, Baker GJ, Catozzi A, Garcia-Canaveras JC, Gassaway BM, Miller BC, Juneja VR, Nguyen TH, Joshi S et al: Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity. Cell 2020, 183(7):1848-1866 e1826.
5.Xu J, Ye Y, Wu H, Duerksen-Hughes P, Zhang H, Li P, Huang J, Yang J, Wu Y, Xia D: Association between markers of glucose metabolism and risk of colorectal cancer. BMJ Open 2016, 6(6):e011430.
6.Salomon T, Sibbersen C, Hansen J, Britz D, Svart MV, Voss TS, Moller N, Gregersen N, Jorgensen KA, Palmfeldt J et al: Ketone Body Acetoacetate Buffers Methylglyoxal via a Non-enzymatic Conversion during Diabetic and Dietary Ketosis. Cell Chem Biol 2017, 24(8):935-943 e937.
7.Roberts MN, Wallace MA, Tomilov AA, Zhou Z, Marcotte GR, Tran D, Perez G, Gutierrez-Casado E, Koike S, Knotts TA et al: A Ketogenic Diet Extends Longevity and Healthspan in Adult Mice. Cell Metab 2017, 26(3):539-546 e535.
8.Hopkins BD, Pauli C, Du X, Wang DG, Li X, Wu D, Amadiume SC, Goncalves MD, Hodakoski C, Lundquist MR et al: Publisher Correction: Suppression of insulin feedback enhances the efficacy of PI3K inhibitors. Nature 2018, 563(7731):E24.
9.Huang CK, Chang PH, Kuo WH, Chen CL, Jeng YM, Chang KJ, Shew JY, Hu CM, Lee WH: Adipocytes promote malignant growth of breast tumours with monocarboxylate transporter 2 expression via beta-hydroxybutyrate. Nat Commun 2017, 8:14706.