经研究发现，结肠癌 (CRC) 的发病率与特定的饮食模式有关。例如，西方饮食会增强肠道干细胞的致瘤性并抑制抗肿瘤免疫。另外，高糖饮食和高血糖亦提高患CRC的几率。此外，过量摄入动物蛋白，尤其是红肉，也会增加患CRC的风险。相比之下，人们对促进预防或治疗肠道肿瘤发生的饮食知之甚少。尽管禁食和热量限制在动物模型中已显示出强大的效果，但是这些措施可能难以在人类中广泛实施，特别是在高危型CRC患者中。因此，研究并发现能够抑制肿瘤生长的新型饮食干预机制十分重要。
鉴于此，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院Christoph A. Thaiss和Maayan Levy教授合作，发表题为β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer的文章，利用CRC自体动物模型进行饮食筛选，发现生酮饮食（KDs）能够减少结肠隐窝细胞的增殖，并有效抑制CRC的生长。
图1 | 生酮饮食（KDs）对肠道肿瘤生长的抑制作用。
生酮饮食可预防CRC
为了确定影响肠道肿瘤生长的饮食干预，研究人员设计了具有确定的常量营养素来源、恒定蛋白质含量和不同脂肪与碳水化合物比率的小鼠饮食，包括两种生酮饮食 (KDs)，其中 90% 的脂肪含量来自植物或动物。在喂食这六种不同饮食的小鼠中，通过注射偶氮甲烷和三个周期的葡聚糖硫酸钠诱导结直肠癌。结果表明，随着脂肪/碳水化合物的比例增加，肿瘤的数量和大小受到抑制，并且KD提高了长期存活率。此外，KD抑制了CRC遗传模型中的肿瘤发展。
图2 |β-羟基丁酸 (BHB)对肠道肿瘤生长的抑制作用。
β-羟基丁酸抑制肠道肿瘤生长
研究人员接下来研究了KD对结肠肿瘤发展的影响的机制。在AOM/DSS模型中，癌症进展是由免疫细胞驱动的。最近的一项研究表明，KD喂养可减少产生IL-17的T细胞的数量。KD喂养的小鼠在稳态条件和CRC中的上皮细胞增殖显着降低。研究表明，来自KD小鼠的隐窝产生的类器官比来自对照小鼠的隐窝更小，表明饮食抑制了隐窝细胞的增殖。含有非常高比例脂肪的碳水化合物限制饮食被称为生酮饮食，因为它们能够刺激肝脏产生酮体乙酰乙酸 (AcAc) 和 BHB，这是人体对饥饿的生理反应。为了确定KD对上皮生长的抑制作用是否由酮体介导，研究人员监测了在AcAc或BHB存在下培养的肠类器官。尽管在AcAc存在下类器官的生长没有变化，但BHB以浓度依赖性方式减少了类器官的大小。BHB 的有效浓度与KD喂养达到的肠道组织水平相似，并且不影响类器官的活力。BHB的这种作用也在肿瘤类器官中观察到，并且与较低的增殖率相关。除了诱导肝脏生酮外，KDs通过降低全身葡萄糖水平和增强胰岛素敏感性利于健康。为了确定BHB补充和葡萄糖限制的相对贡献，研究人员使用不同的葡萄糖浓度用BHB处理类器官。BHB的添加减少了每种葡萄糖浓度下的类器官生长，表明葡萄糖限制和BHB补充可能通过不同的机制起作用。
图3 | BHB 介导的肿瘤生长抑制需要 Hopx。
BHB通过Hopx抑制肿瘤生长
研究人员接下来研究了BHB介导的肿瘤抑制的机制。为此，研究人员对BHB处理的类器官进行了RNA测序（RNA-seq）。在被BHB上调的基因中，编码同源结构域的蛋白Hopx是一种假定的致瘤性负调节因子。因此，研究人员假设Hopx的诱导可能对BHB介导的肿瘤生长抑制很重要。为了测试这一点，他们将Hopx缺陷小鼠和野生型同窝仔鼠的类器官暴露于 BHB。而BHB减少了野生型类器官的生长，Hopx缺陷类器官对BHB处理具有抗性。因此，BHB在野生型类器官中减少了上皮增殖，但在没有Hopx的情况下不受影响。Hopx在类器官中的过表达足以减少野生型和肿瘤类器官的生长。尽管有效抑制了癌症类器官的生长，但抑制葡萄糖代谢并未诱导Hopx表达。因此，尽管Hopx缺乏的类器官对BHB的生长抑制作用具有抗性，但在没有Hopx的情况下，葡萄糖限制仍会减缓生长。
图4 | BHB 通过 Hcar2 诱导Hopx表达并抑制肠上皮生长。
BHB对Hopx的诱导需要Hcar2
研究人员接下来试图确定BHB诱导Hopx表达的机制。首先，他们证实BHB处理和KD喂养确实降低了HDAC 活性。药理学HDAC阻滞剂伏立诺他和抑制HDAC的代谢物丁酸盐以类似于BHB的方式减少了类器官的生长。然而，RNA-seq 表明，用伏立诺他处理的类器官的转录谱在很大程度上不同于用BHB处理。Hopx是仅由 BHB 而不是由伏立诺他上调的基因之一。因为药理学HDAC抑制不能概括BHB对Hopx转录的影响，他们推断BHB诱导Hopx的能力可能独立于其HDAC 抑制作用而发生。此外，缺乏Hopx的类器官对BHB的作用具有抗性，但易受伏立诺他或丁酸盐介导的生长减少的影响，尽管事实上BHB在没有 Hopx的情况下仍会降低HDAC活性。如果BHB的HDAC抑制活性对于Hopx的诱导和生长抑制是可有可无的，那么与BHB和伏立诺他共同治疗应该对肠上皮细胞显示出累加效应。事实上，与仅用伏立诺他处理的类器官相比，除伏立诺他外，用BHB处理的类器官显示出更强的抑制生长。此外，与仅接受饮食或伏立诺他的小鼠相比，接受KD和伏立诺他的 AOM/DSS 治疗小鼠的肿瘤生长进一步减少。总之，这些数据表明，尽管 BHB 抑制肠上皮细胞中的 HDAC，但这种抑制 HDAC 的活性不会驱动Hopx表达和Hopx介导的生长停滞。
图5 | BHB 和HOPX对人肠上皮生长的影响。
BHB对人类肿瘤细胞的影响
接下来，他们探讨了BHB-HOPX途径是否同样有效地抑制人肠上皮增殖。事实上，BHB减少了健康供体和CRC患者中类器官的生长，表明肿瘤类器官对BHB介导的抑制作用。与他们在小鼠中的发现相似，BHB治疗导致人类类器官中HOPX表达升高。
在人CRC细胞系HT-29中也观察到BHB的抗增殖作用，以及在不同葡萄糖浓度下的S期细胞比例降低。相比之下，其他CRC细胞系，如HCT116、Caco-2和RKO，对BHB没有反应。他们假设HCAR2-HOPX通路可能与CRC细胞系的差异反应有关。只有HT-29细胞同时表达HCAR2和HOPX，表明这些基因可能决定对BHB的反应程度。
最后，我们试图了解血清BHB与CRC患者大肠中结肠HOPX水平的关系。为此，他们收集了41名CRC患者的血清，并测量了他们的BHB水平。然后，他们对9名BHB水平不同的患者的肿瘤和正常组织进行了单细胞 RNA-seq。他们对来自这些患者的总共11,208个细胞进行了分析和聚类，并使用标记基因来识别不同的细胞群。值得注意的是，在上皮亚群中，BHB水平与HOPX表达呈正相关，与细胞周期进程呈负相关。这些数据共同表明BHB可以提高HOPX水平并拮抗人肠上皮细胞的增殖。
研究人员发现减缓肠道肿瘤生长的BHB-Hcar2-Hopx信号通路有几个重要意义。首先，它为酮体的生物学增加了一个新维度。BHB抑制肠上皮生长的能力可能是其在饥饿时重新分配资源，是其远离周围组织的能量密集型更新的功能的一部分。因此，相同的代谢物不仅可以作为大脑等重要器官的能量来源，而且还可以作为信号分子，在营养缺乏时延缓周围细胞的生长。
其次，研究人员通过证明BHB通过与葡萄糖和丁酸盐不同的途径对肠上皮产生影响，扩展了与预防CRC相关的饮食模式。因此，限制碳水化合物但含有足量膳食纤维的KD可以提供最佳的肠道肿瘤发生保护。值得注意的是，在制定具体的预防和治疗建议之前，需要进行前瞻性随机对照研究。
第三，研究人员提出了一个模型，其中肿瘤特异性基因表达模式决定了对特定饮食干预的反应程度。该模型提出了一种可能性，即通过根据特定酶的表达调整膳食常量营养素组成以适应肿瘤类型，可以实现癌症预防和治疗的最佳结果。
最后，尽管营养干预措施很有吸引力，但长期食用特定饮食很难维持，并可能导致全身副作用。他们的研究表明，饮食的肿瘤抑制作用可以通过补充代谢物来概括。BHB介导的通路可能与手术、化学疗法或免疫疗法协同，并可能开辟成为癌症治疗“代谢疗法”新支柱。
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来源：高分子科学前沿
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