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卡路里限制（calorie restriction，CR），又稱為能量限制，是一種降低食物攝入量從而減低能量攝入但同時(shí)不造成生物營養(yǎng)不良的飲食方式。自CR飲食問世以來，大量研究表明，CR可以改善代謝和葡萄糖穩(wěn)態(tài)，能預(yù)防或延遲許多與衰老相關(guān)的疾病，延長壽命和健康壽命。然而，也有報(bào)道顯示，CR飲食會導(dǎo)致體重過低、低血壓、骨質(zhì)疏松和生育能力下降等問題。 目前對CR飲食獲益機(jī)制的認(rèn)識仍不明確。長期以來，主流觀點(diǎn)認(rèn)為哺乳動(dòng)物的CR獲益是能量攝入減少導(dǎo)致的。然而，大多數(shù)研究中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物接受的CR飲食方案是一日一餐：每天在凌晨約2h內(nèi)吃完食物，在剩下的22h內(nèi)饑餓（fasting），直到第二天才能再次攝食。這種傳統(tǒng)的CR飲食方案在降低小鼠能量攝入的同時(shí)，也改變了小鼠的攝食行為和食物消耗方式，間接地對小鼠進(jìn)行了長時(shí)間饑餓。因此，傳統(tǒng)的CR飲食方案不能完全排除長時(shí)間饑餓是否對CR飲食獲益有貢獻(xiàn)。 最近，有研究報(bào)道，在不限制熱量攝入的情況下，膳食喂養(yǎng)（Meal feeding，12小時(shí)內(nèi)完成一日三餐）也可以延長小鼠壽命。這提示我們CR飲食附帶的長時(shí)間饑餓有可能是小鼠代謝獲益的一個(gè)關(guān)鍵卻被忽視的因素。 2021年8月18日，Wisconsin–Madison大學(xué)的Dudley W. Lamming團(tuán)隊(duì)在Nature Metabolism上發(fā)表了題為《Fasting drives the metabolic, molecular and geroprotective effects of a calorie-restricted diet in mice》的文章。作者探索了多種飲食方案對小鼠代謝健康和壽命的影響，發(fā)現(xiàn)長時(shí)間饑餓是CR飲食改善小鼠胰島素敏感性和衰老、延長小鼠的壽命和健康壽命的必要條件，延長的饑餓時(shí)間而不僅僅是降低能量攝入是CR飲食代謝獲益的原因。該研究挑戰(zhàn)了長期以來的觀點(diǎn)，提供了理解飲食方式和代謝健康之間的關(guān)系的新視角，對健康飲食有指導(dǎo)意義。 
C57BL/6J雄性小鼠對不同飲食模式的響應(yīng) 為了研究CR和長時(shí)間饑餓對小鼠的影響，作者對9周齡C57BL/6J雄性(B6M)小鼠進(jìn)行相同飲食1周后，稱重并隨機(jī)分成4組，給與4種飲食模式。 1. AL，小鼠可以自由攝取正常的嚙齒動(dòng)物飼料。 2. Diluted AL，小鼠可自由攝取含50%不可消化纖維素的飼料，相當(dāng)于在不長時(shí)間饑餓的情況下限制30%的熱量攝入。 3. MF.cr，小鼠比AL組小鼠少喂食30%的飼料，且在12小時(shí)的夜間（dark period）使用自動(dòng)喂食器將飼料分成3等份分3次喂養(yǎng)（三餐喂養(yǎng)，MF，減少小鼠饑餓時(shí)間和暴飲暴食行為）。 4. CR，小鼠每天早晨喂食1次（和MF.cr相比，饑餓時(shí)間更長），與AL組相比限制30%的能量攝入。 作者發(fā)現(xiàn)，和AL相比，其他3種飲食方案都抑制了小鼠體重和脂肪含量的增加。此外，盡管3種飲食都減少了同等的熱量攝入，但是效果有一定的差異。CR小鼠比Diluted AL和MF.cr小鼠體重增加更多；所有三組小鼠的瘦(非脂肪)體重最初都有不同程度的下降，但CR喂養(yǎng)小鼠的瘦體重最終反彈。有報(bào)道表明CR飲食可以改善哺乳動(dòng)物的葡萄糖穩(wěn)態(tài)。作者發(fā)現(xiàn)，除了AL外其他3種飲食方式在飲食9周后和飲食13周后均改善了小鼠的葡萄糖耐受；CR小鼠的胰島素敏感性有顯著改善， Diluted AL或MF.cr組小鼠則沒有。這表明長時(shí)間饑餓(而不是能量減少)改善小鼠的胰島素敏感性。有報(bào)道稱，CR小鼠在進(jìn)食后會快速進(jìn)行脂肪生成、儲存能量，用于維持后續(xù)能量消耗。呼吸交換率(RER)可以用來確定食物的利用方式，RER接近1.0表明碳水化合物用來產(chǎn)生能量，而接近0.7表明脂類用來產(chǎn)生能量，RER > 1.0表明碳水化合物用于脂肪從頭合成。作者通過代謝籠檢測B6M（雄性C57BL/6J）小鼠的RER后發(fā)現(xiàn)，CR和MF.cr小鼠RER在攝食后迅速上升到1.0以上，然后在暗周期下降到0.8以下。計(jì)算脂肪酸、碳水化合物/蛋白質(zhì)氧化利用情況后，作者發(fā)現(xiàn)CR和MF.cr組小鼠脂肪酸氧化高于Diluted AL 組。這表明在能量限制飲食中，長時(shí)間饑餓調(diào)控小鼠的食物利用方式，使CR小鼠在攝食后快速儲備脂肪，在長時(shí)間饑餓期用來產(chǎn)生能量。不同品系和性別小鼠對長時(shí)間饑餓和CR的反應(yīng)有報(bào)道稱不同性別和不同遺傳背景的小鼠對CR的反應(yīng)有差異。作者對雌性C57BL/6J (B6F)小鼠，以及雄性和雌性DBA/2J (D2M和D2F)小鼠進(jìn)行了前述4種飲食方案，發(fā)現(xiàn)D2M小鼠對Diluted AL、MF.cr和CR這3種飲食方案的反應(yīng)與B6M小鼠相似，提示遺傳背景的影響因素可能不大。除了CR的B6F小鼠外，所有性別和品系的小鼠的葡萄糖耐受性在能量限制飲食后得到改善。在胰島素敏感性評估中，MF.cr和CR的B6M、B6F小鼠的胰島素敏感性均有顯著改善。作者進(jìn)一步通過代謝籠檢測了不同性別、不同品系和不同飲食方式的RER和能量消耗。所有性別和品系的MF.cr和CR的小鼠的RER模式與前述B6M相似。為了進(jìn)一步可視化不同飲食模式對不同品系和性別的小鼠的影響，作者以AL小鼠為對照繪制了17種代謝表型變化的雷達(dá)圖。總體而言，當(dāng)只限制熱量攝入時(shí)，品系和性別對飲食方式的響應(yīng)差異不大。隨著禁食時(shí)間的增加，性別和品系的響應(yīng)差異增加。正常能量攝入結(jié)合長時(shí)間饑餓可以重現(xiàn)CR飲食的代謝效應(yīng)作者根據(jù)上述結(jié)果推測CR飲食獲益需要通過長時(shí)間饑餓來實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證這個(gè)推測，作者設(shè)計(jì)了TR.al飲食模式：B6M小鼠在3 h內(nèi)攝入與AL小鼠大致相同的食物量，然后在當(dāng)天剩下的21 h內(nèi)禁食，即不改變攝食量、但延長饑餓時(shí)間。作者發(fā)現(xiàn)，盡管TR.al小鼠和AL小鼠攝入的能量相似，但是TR.al小鼠和CR小鼠一樣，體重和脂肪重量都有所減少，在飲食9周后TR .al小鼠的葡萄糖耐受和胰島素敏感性也和CR小鼠一樣得到改善。這表明，延長饑餓時(shí)間足以改善體重、葡萄糖耐受和胰島素敏感性。代謝籠檢測RER發(fā)現(xiàn)，TR.al小鼠RER曲線和脂肪酸氧化情況與CR小鼠相似。此外，TR .al小鼠幾乎重現(xiàn)了所有CR小鼠的代謝表型。這些結(jié)果表明TR.al飲食重現(xiàn)了CR飲食益處，表明長禁食時(shí)間，而不是能量減少，是CR飲食獲益的真正原因。“正常能量攝入+長時(shí)間饑餓”重現(xiàn)了CR飲食的分子效應(yīng)那么長時(shí)間饑餓的代謝獲益和CR的代謝獲益在分子層面有什么特征呢？作者對AL、CR和TR.al小鼠的肝臟組織和腹股溝白色脂肪組織(iWAT)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)CR和TR.al誘導(dǎo)的差異基因具有較高的相似性。用NetworkAnalyst進(jìn)行了無偏功能分析發(fā)現(xiàn)，在CR和TR.al飲食有6個(gè)相同的功能通路都發(fā)生上調(diào)：胰島素信號通路、PPAR信號通路、脂肪酸生物合成、晝夜節(jié)律、代謝途徑和脂肪酸代謝。這提示正常能量攝入的禁食和CR飲食有共享的分子機(jī)制。為了闡釋長時(shí)間饑餓對衰老的影響，作者對20周齡的C57BL / 6J雄性老鼠進(jìn)行了AL、Diluted AL和CR的飲食。作者發(fā)現(xiàn)，和AL小鼠相比，CR小鼠在飲食開始后的體重、脂肪量和瘦體重不再增加，并且脂肪量低于AL小鼠。相比之下，Diluted AL小鼠在9月齡時(shí)體重、脂肪量和瘦體重才開始穩(wěn)步下降。在10月齡時(shí)，作者評估了3組小鼠的葡萄糖和胰島素耐受，發(fā)現(xiàn)Diluted AL和CR均改善了小鼠的葡萄糖耐受，但是只有CR改善了小鼠的胰島素敏感性。15月齡的CR小鼠的RER曲線和前述年輕B6M小鼠一樣，飲食后表現(xiàn)出快速的脂肪合成，夜間后RER下降。與其他組相比，CR小鼠在一天中使用脂肪酸作為能源的次數(shù)顯著增加。這表明延長饑餓時(shí)間，而非僅僅降低能量攝入，顯著改善了老年小鼠的代謝。長時(shí)間饑餓有利于老年小鼠改善健康、延長壽命作者進(jìn)一步評估了饑餓時(shí)間延長對老年小鼠的健康和壽命的影響。和預(yù)期一致，隨著年齡的增長，CR小鼠衰弱程度顯著低于AL和Diluted AL小鼠，而AL小鼠和Diluted AL小鼠的衰老程度沒有差異。在身體狀況等方面，AL和Diluted AL小鼠的皮毛質(zhì)量和皮毛顏色均下降，而CR小鼠仍保持健康的皮毛。此外，和AL相比，Diluted AL和CR小鼠的短期記憶無改善，但是CR而不是Diluted AL小鼠長期記憶有所改善，這表明長時(shí)間饑餓，而非降低能量攝入，改善了小鼠的衰老和認(rèn)知。在延長壽命方面，相較于AL飲食，CR飲食小鼠延長了約20%的壽命(中位壽命，AL vs CR=850 d vs 1022 d, p<0.0001)，Diluted AL使小鼠壽命縮短了9% (AL vs Diluted AL=850 d vs776 d, p<0.0001)。此外，與AL相比，CR延遲了癌癥的發(fā)生，而Diluted AL小鼠仍有較低的癌癥發(fā)病率，但這可能是由于Diluted AL小鼠的壽命較短。綜上，這些結(jié)果表明長饑餓時(shí)間（而非降低能量攝入）有利于改善老年小鼠的衰弱、認(rèn)知，延長其壽命和健康壽命。幾十年來，CR飲食的健康獲益機(jī)制一直有待闡釋。大多數(shù)CR研究忽視了CR飲食方式在降低能量攝入情況下也同時(shí)延長了小鼠的饑餓時(shí)間。本文中，作者設(shè)計(jì)了一系列飲食方式，證明了正常能量結(jié)合長時(shí)間饑餓的飲食方式和限制能量同時(shí)長時(shí)間饑餓的飲食方式有相似的效果，長時(shí)間饑餓（而非僅僅降低能量攝入）是改善小鼠代謝和衰老的必要條件。分子層面上，轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析提示CR飲食通過PPAR、胰島素、TGF-β和AMPK信號，以及氨基酸、碳水化合物和脂肪酸代謝的多種代謝途徑和晝夜節(jié)律的改變使小鼠獲益。該研究發(fā)現(xiàn)了長時(shí)間饑餓是能量限制飲食獲益的必要條件，揭示了饑餓、能量限制和代謝獲益之間的關(guān)系，對健康飲食具有指導(dǎo)意義。
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