結直腸癌 (CRC) 是最常見的癌症之一，其發病率與特定的飲食模式有關。例如，西方飲食會增強腸道祖細胞的致瘤性並抑制抗腫瘤免疫。同樣，高糖飲食和高血糖易患 CRC。此外，過量攝入動物蛋白，尤其是紅肉，也會增加患CRC的風險。
生酮飲食（KD）是一種高脂肪、低碳水化合物，蛋白質和其他營養元素合適配比的飲食方案，起初是一種療效確切的用於治療兒童難治性癲癇的非藥物療法。
近日，來自美國賓夕法尼亞大學的科學家們在Nature發文報導稱生酮飲食表現出強烈的腫瘤抑制作用。酮體 β-羥基丁酸 (BHB) 概括了生酮飲食的這些特性，能夠減少了結腸隱窩細胞的增殖並有效地抑制了腸道腫瘤的生長。
研究者設計了具有確定的常量營養素來源、恆定蛋白質含量和不同脂肪與碳水化合物比率的小鼠飲食（圖1a、b），並通過注射偶氮甲烷（AOM）和三個週期的葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導結直腸癌（圖1a），從而確定影響腸道腫瘤生長的飲食干預。
結果顯示隨著脂肪與碳水化合物的比例增加，腫瘤數量和大小受到抑制（圖1c）。不僅如此，生酮飲食（KD）也能抑制Cdx2CreERTApcfl/fl CRC模型小鼠及已發生CRC小鼠的腫瘤進展，從KD飼餵恢復到正常飲食會導致CRC復發。這些結果表明，KD不僅能夠預防小鼠CRC的發生，也能起到抑制CRC進展的效果。
圖1. a，AOM/DSS 處理小鼠的飲食暴露示意圖。b , 膳食的常量營養素組成。c，餵食六種不同飲食的 AOM/DSS 治療小鼠的腫瘤評分。d，Cdx2 CreERT Apc fl/fl小鼠的飲食暴露示意圖。e ，餵食KD或對照飲食的Cdx2 CreERT Apc fl/fl小鼠的腫瘤評分。f-k，膳食暴露示意圖 ( f , i ) 和基於結腸鏡檢查的腫瘤量化 ( g , h , j , k) 在治療模型 ( f-h ) 和停止模型 ( i-k ) 中經 AOM/DSS 處理的 KD 餵養小鼠。
接下來，研究人員探索了 KD 對結腸腫瘤發展的影響的機制。
實驗首先排除了熱量攝入的差異。在 AOM/DSS 模型中，癌症進展是由免疫細胞驅動的，然而適應性免疫細胞在功能上並不是飲食保護作用所必需的。同時，NLRP3 炎性體也被證明和腫瘤發展機制無關。另外，他們使用了一個概括了腸上皮的幹細胞衍生生長的類器官系統來研究 KD 對腸幹細胞 (ISC) 的影響，表明飲食抑制了隱窩細胞的增殖。
生酮飲食（KD）能夠刺激肝臟產生酮體乙醯乙酸 (AcAc) 和 酮體 β-羥基丁酸 (BHB)，這是人體對飢餓的生理反應。為了確定KD對上皮生長的抑制作用是否由酮體介導，實驗監測了在AcAc或BHB存在下培養的腸類器官（圖2a）。儘管在 AcAc 存在下類器官的生長沒有變化（圖2b，c），但 BHB 以濃度依賴性方式減少了類器官的大小（圖2d，e）。BHB 的這種作用也在腫瘤類器官中觀察到（圖2f，g）。除了誘導肝臟生酮外，KD通過降低全身葡萄糖水平和增強胰島素敏感性賦予健康益處。
為了確定 BHB 補充和葡萄糖限制的相對貢獻，我們使用不同的葡萄糖濃度用 BHB 處理類器官。結果表明葡萄糖限制和 BHB 補充可能通過不同的機制起作用。
圖2. a，用 AcAc 或 BHB 培養的類器官生長示意圖。b、c 、暴露於 AcAc 或 BHB 的類器官的代表性影像 ( b ) 和量化 ( c )。d–g , 代表影像 ( d , f ) 和量化 ( e , g ) 野生型 ( d , e ) 和 AKS 類器官 ( f , g ) 與 BHB 一起培養。h，AOM/DSS 處理的小鼠中 BHB 的血清濃度，這些小鼠食用具有指定脂肪含量的飲食。i–k , 血清 BHB ( i)、基於結腸鏡檢查的腫瘤定量 ( j ) 和KD 餵養或 BHB 治療的Cdx2 CreERT Apc fl/fl小鼠的組織學腫瘤計數 ( k )。
接下來，研究人員研究了酮體 β-羥基丁酸 (BHB) 介導的腫瘤抑制機制。他們對 BHB 處理過的類器官進行了 RNA 測序（RNA-seq），發現BHB 誘導了全域性基因表達的顯著變化（圖3a）。其中一種抑制腫瘤發生的轉錄因子Hopx（表達集中於結腸隱窩基部，腸道幹細胞分裂緩慢的標誌物）的表達水平顯著上升。
通過將來自 Hopx 缺陷小鼠和野生型同窩仔鼠的幹細胞培養的類器官模型暴露於 BHB下發現，BHB 減少了野生型類器官的生長（圖3c，d)，而Hopx 缺陷類器官對 BHB 處理具有抗性（圖3e，f）。因此，BHB 在野生型類器官中減少了上皮增殖，但在沒有 Hopx 的情況下不受影響。Hopx 在類器官中的過表達足以減少野生型和腫瘤類器官的生長（圖3g-j）。接受 KD 的小鼠在結腸組織中Hopx水平升高（圖3k），在誘導結腸腫瘤後進一步加重（圖3l）。這種效應是結腸獨有的。而在 Hopx 缺陷小鼠和 KD 上的野生型同窩小鼠中誘導了 CRC後，雖然野生型組在 KD 餵養後腫瘤生長明顯減少，但該飲食對缺乏 Hopx 的小鼠無效（圖3m、n）。綜上，KD 和 BHB 的腫瘤抑制作用需要Hopx的表達。
圖3. a，BHB處理和對照類器官中差異表達基因的熱圖。b，BHB 處理的類器官中Hopx的表達。c-f ，用 BHB 處理的野生型（c，d）和 Hopx 缺陷型（e，f ）類器官的代表性影像（c，e）和量化（d，f ）。g–j，代表影像（g，i）和量化（h，j）野生型（g，h）和 APKS （i , j ) 過表達Hopx的類器官。k，l ，在穩態條件下 ( k ) 和腫瘤誘導後 ( l ) 餵食 KD 的小鼠中Hopx的結腸轉錄水平。m，n，基於結腸鏡檢查的腫瘤定量 ( m ) 和 KD 餵養的 Hopx 缺陷小鼠和對照的組織學腫瘤計數 ( n )。
文章同時討論了BHB-HOPX 途徑是否同樣有效地抑制人腸上皮增殖（圖4a）。事實上，BHB 減少了健康供體（圖4b，c）和 CRC 患者中類器官的生長，表明腫瘤類器官對BHB 介導的抑制作用。與在小鼠中的發現相似，BHB 治療導致人類類器官中Hopx表達升高（圖4d）。
圖4. a，從健康供體或用 BHB 或對照培養基培養的 CRC 患者獲得的隱窩的腸道類器官生長示意圖。b、c, 用指定濃度的 BHB 培養 10 天后，來自健康成年供體的類器官的代表性影像 ( b ) 和量化 ( c )。d，來自CRC患者的BHB治療和對照類器官中HOPX的表達。
該研究結果提出了一個模型，其中腫瘤特異性基因表達模式決定了對特定飲食干預的反應程度。該模型提出了一種可能性，即通過調整膳食常量營養素組成以適應腫瘤型別以實現癌症預防和治療的最佳結果，例如限制碳水化合物但含有足量膳食纖維的 KD 可以提供最佳的腸道腫瘤發生保護。儘管營養干預措施很有吸引力，但長期食用特定飲食很難維持，並可能導致全身副作用。飲食的腫瘤抑制作用可以通過補充代謝物來概括。BHB 介導的通路可能與手術、化學療法或免疫療法協同作用，並可能成為癌症治療新支柱“代謝療法”的一個例子。
參考文獻：
[1] Oxana Dmitrieva-Posocco, Andrea C. Wong, Patrick Lundgren, et al. β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer. Nature 2022.
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