人如其食？——延长禁食而不是卡路里限制改善了机体的代谢状态

撰文 | 咸姐

对于包括啮齿动物和非人类灵长类动物在内的多种物种而言，营养充足的卡路里限制（CR）饮食仍是迄今为止最有效的非遗传干预手段，是最大限度的延缓衰老、延长健康和寿命的“金标准”，并且CR还能预防肥胖、癌症、神经退行性病变、衰弱和一系列心脏代谢疾病，而对于人类来说，它也能促进适应性以防止这些疾病的发生【1】。但是对于许多人来说，长期坚持低热量饮食是非常困难的，因此确定调节CR饮食有益影响的生理和分子机制具有重要的现实意义。

传统观点认为，CR饮食的有益效果是热量摄入减少的结果，尽管有研究表明，特定常量营养素的减少也可能起作用【2】。直到人们意识到，实验室中通常实施的CR饮食方案，不仅限制了热量，而且还强制延长了每日禁食时间，因为CR动物在~2小时内便迅速消耗完每日的全部食物，然后禁食~22小时才进食下一餐【3】。而禁食期的干预措施，如限时喂养或膳食喂养，都有利于代谢，并延长小鼠寿命。所有这些发现都使得对CR研究的解释复杂化，因为目前尚不清楚CR的哪些影响是由热量摄入减少引起的，哪些是由附加的禁食引起的。

2021年10月18日，来自美国威斯康星大学-麦迪逊分校的Dudley W. Lamming团队在Nature Metabolism上在线发表题为Fasting drives the metabolic, molecular and geroprotective effects of a calorie-restricted diet in mice的文章，研发了一系列的饮食和喂养方案以剖析在CR饮食中能量和禁食的影响，从而证明仅禁食而不减少能量摄入就足以重现CR的许多生理和分子效应，延长禁食对于CR饮食的关键代谢、分子和抗衰老作用是必要的。

本研究的四种饮食方案如下：

1. AL：自由摄入正常啮齿动物饲料；

2. 稀释AL：自由摄入用不可消化的纤维素稀释50%的饲料，相当于在不禁食的情况下限制30%的热量摄入；

3. MF.cr：比AL组少喂30%的食物，使用自动喂食器在12小时黑暗期内分三等份释放食物；膳食喂养（MF）减少了禁食期和暴饮暴食行为；

4. CR：每天早晨喂食1次，与AL组相比限制30%，并延长了餐间禁食时间。

研究人员首先对雄性C57BL/6J（B6M）小鼠进行了实验，对每种饮食方案的小鼠进行跟踪研究发现，所有三种饮食限制方案都能减少体重增加、脂肪量和肥胖。然而，尽管这三种饮食都减少了30%的热量摄入，但饮食效果之间存在明显差异。CR组比稀释AL组或MF.cr组小鼠体重增加更多，而且虽然三组小鼠的瘦体重（去脂体重）最初都有不同程度的下降，但CR组小鼠的瘦体重最终反弹。同时，研究结果显示，三种限制性饮食在9周后均能改善葡萄糖耐量，但令人惊讶的是，通过腹腔胰岛素耐量试验评估的胰岛素敏感性仅在CR组小鼠中显著改善，而稀释AL组或MF.cr组小鼠没有改善。由此提示禁食，而不是能量摄入的减少，介导了CR喂养动物胰岛素敏感性的改善。

此外，研究人员将小鼠置于代谢室中，通过检测呼吸交换率（RER）来确定底物利用。RER由消耗的O2和产生的CO2的比率计算得出，当其值接近1.0时，表明碳水化合物为主要产能来源，而其值接近0.7时则表明脂类为主要能量来源，RER＞1.0反映了碳水化合物在主动从头脂肪生成中的利用。实验结果显示，CR饮食拥有与AL饮食小鼠明显不同的能量来源利用模式，喂食后高脂肪生成（RER>1.0），在黑暗周期依赖于脂质氧化（RER<0.8），脂肪酸氧化总体增加。进一步地实验表明，禁食（而不是能量摄入的减少）是改变CR喂养小鼠利用不同能量来源的原因，而卡路里的减少导致能量消耗的整体下降。

随后，研究人员对AL组、CR组、稀释AL组小鼠的肝脏进行了代谢组学研究，并根据化学结构将59种代谢物分为三大类：氨基酸、碳水化合物和核苷/核苷酸。结果显示禁食对于热量限制的独特分子特征是必需的，传统的CR禁食组的小鼠有18种代谢物发生了显著改变，且CR组的肝脏代谢组特征也明显不同，而AL组和稀释AL组差别不大。此外分析结果显示，CR饮食引起了显著的表观遗传效应改变，而这依赖于长时间的禁食，而不仅仅是能量摄入的减少。

值得一提的是，由于性别和遗传背景会影响小鼠对CR的反应，因此为了确定上述观察到的热量和禁食的不同作用是否在不同性别和品系中保持不变，研究人员对雌性C57BL/6J（B6F）小鼠以及雄性和雌性DBA/2J（D2M和D2F）小鼠进行了同样的实验。结果显示，当只限制能量的摄入时，性别和品系的差异不大；但随着禁食时间的延长，观察到性别和品系的差异就越来越多。由此表明由于长期禁食的性别特异性和品系特异性反应，每种性别和品系对CR饮食都具有独一无二的反应。

进一步地，研究人员设计了第5种饮食方案——TR.al，即B6M小鼠在3小时内摄入与AL组大致相同的能量，然后在剩余的21小时内禁食。对TR.al组小鼠进行上述实验，结果显示几乎所有CR组小鼠的代谢表型均在TR.al组小鼠中重现，表明长期禁食足以改善身体成分、糖耐量和胰岛素敏感性，禁食不仅再现了对CR的生理反应，也再现了CR饮食的分子效应，对于CR的代谢反应是必要充分条件。与此同时，研究人员对20周龄的B6M小鼠分别给予AL、稀释AL或CR饮食方案，并随着小鼠的衰老测量体重、体成分、葡萄糖稳态、肠道完整性、衰弱程度、认知能力以及存活率，结果证明禁食是CR在衰弱、认知和寿命方面发挥抗衰老作用的必要条件。

古语有云，人如其食（你吃什么在很大程度上决定了你是个什么样的人），但综上所述，“人如其时何食”似乎更重要。本研究的结果表明每天延长禁食时间对健康有着巨大好处，为“何时吃”以及“吃多少”是如何调节代谢健康和寿命的问题提供了新的线索，推翻了长期以来的观点——CR饮食对哺乳动物的有益作用完全是通过减少热量摄入来实现的，证明了禁食是CR代谢和抗衰老的重要组成部分，对研究CR的作用机制具有不可忽略的重要意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s42255-021-00466-9

参考文献

1. Green, C. L., Lamming, D. W. & Fontana, L. Molecular mechanisms of dietary restriction promoting health and longevity. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. https://doi.org/10.1038/s41580-021-00411-4 (2021).

2. Solon-Biet, S. M. et al. The ratio of macronutrients, not caloric intake, dictates cardiometabolic health, aging and longevity in ad libitum-fed mice. Cell Metab. 19, 418–430 (2014).

3. Acosta-Rodriguez, V. A., de Groot, M. H. M., Rijo-Ferreira, F., Green, C. B. & Takahashi, J. S. Mice under caloric restriction self-impose a temporal restriction of food intake as revealed by an automated feeder system. Cell Metab. 26, 267–277 (2017).