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大腦為何會利用「酮體」?生酮飲食是失智症的曙光嗎?

  • 文 / 許家綸|尋常一般的神經專科醫師。

著名小說魯濱遜漂流記的主角遭逢海難,孤身漂流到荒島,三餐成了他最迫切的問題。起初,他採過野果、也用僅剩不多的槍彈打獵,吃了幾頓肥羊大餐,但野果和肥羊的來源不穩定,食物短缺的恐懼總是縈繞心頭;直到他意外獲得一批種子,開始農耕生活⋯⋯。

早在西元一萬年前,人類開始耕種,相較之前的狩獵採集,農耕時代之後供的穩定糧量為日後文明發展奠下根基。在生物體中,碳水化合物分解成葡萄醣,經過糖解與氧化磷酸化作用,製造出「ATP」(Adenosine triphosphate)—— 一種細胞共通的能量貨幣,藉此趨動組織器官的運轉。

而大腦作為人體的中央處理器,僅僅只佔身體重量 2% 的大腦,卻驚人地吃掉了總能源的 20%,其中最受大腦歡迎的燃料也正是葡萄醣。

飲食可以帶給我們能量,藉此趨動組織器官的運轉,圖/by GiselaFotografie@pixabay。

大腦不斷電的秘密:隱藏的備用燃料

就像停電時備用發電機自動切換電源供源,人體也有雙電力系統。遇到飢荒、山難……等艱困時刻,當作為戰備儲糧的肝醣(glycogen)相繼用罄,血糖快速下降之際,身體隱藏的能源系統開始啟動。大量的游離脂肪酸(free fatty acid)從脂肪組織釋出,身體大部分的器官都可直接運用脂肪酸,但脂肪酸在為大腦所用之前,得先在肝藏轉成酮體(ketone body),才能穿過血腦屏障(blood brain barrier)。研究顯示,在長期挨餓的狀態,血液中的酮體濃度會提高到原來的 10-20 倍,這足以支援大腦 60% 的能源需求 1

在饑困時期轉由儲量豐沛的脂肪作為燃料,也許是生物體特化後的設計,它藉此保留重要的蛋白質與肌肉組織,為將來的生存留下一線希望。

大腦不斷電的秘密——利用體內大量的游離脂肪酸當能量,圖/by holdentrils@pixabay。

 誰都想不到,這種古老的備用系統,在竟然引發了一場飲食革命。

 失智症的根源:能源供應系統的異常?

過去 30 年,異常的β-類澱粉和 Tau 蛋白質堆積是失智病的元兇 2, 幾乎被當成一項事實寫進教科書裡。利用神經元高度仰賴葡萄醣的特性,科學家發展出葡萄醣-正子攝影(FDG-PET)並計算出腦部各區堿的葡萄醣的代謝速率,以一窺退化性大腦的能量之謎。

在早期失智症患者身上,有葡萄糖的使用率變差的現象;他們與同年齡層的健康老人相比,整體效率下降 14% 左右 3,尤其是在顳葉、頂葉與後側扣帶迴等區域。我們很自然地理解成是因為前述的異常堆積,破壞了神經元與突觸,代謝需求降低只是功能喪失後的結果。

但一些觀察性研究企圖挑戰這個論點,對一群健康但帶失智基因(Presenilin-1, Apolipoprotein E4) 的人所作葡萄醣-正子攝影 4,5,竟然也有類似的代謝下降(hypometabolism);而令人不解的是,在臨床上他們的認知功能完全正常,平均年齡更只有 30 歲左右。

失智症可能因為能量供應異常造成?圖/by chevskij@pixabay。

這又該怎麼說明呢?會不會葡萄醣不是這些大腦的最佳燃料?倘若如此那酮體利用情形又如何呢?研究輕度阿滋海默病患大腦利用酮體的能力,令人驚奇的是,結果竟與認知正常的對照組無異 3。這是否暗示古老的酮體可成為退化性大腦再運轉的關鍵?這些想法令生酮飲食的擁護者非常興奮。

編按:生酮飲食指的是高脂肪、適量蛋白質、低碳水化合物的飲食法,不同於一般均衡飲食的狀態,人體會利用碳水化合物轉化成的葡萄糖作為能量,當然也包含維持大腦運作。生酮飲食則因為攝取低碳水化合物,所以能量來源則變為利用脂肪轉換的酮體。

 美國的瑪莉-紐波特醫師便是酮體療法的著名倡議者之一,她以生酮飲食、中鍵脂脂酸、酮酯(ketone ester)等方式治療罹有失智症的先生 6,並撰文分享,她們的故事走進許多正深陷失智惡夢的家庭,令他們重燃希望。

但是⋯⋯這真有這麼神嗎?

酮體的逆襲之旅:仍是長路漫漫

回到了現實世界,其實客觀的證據還很薄弱,目前僅有寥寥幾篇的人體研究。

其中一個研究引入生酮飲食做為輕度知能障礙(Mild cognitive impairment)治療,相較於高碳水化合物飲食的對照組,6 週後發現可改善記憶功能 7。另外兩篇以口服中鍵脂肪酸提升血中酮體濃度,聲稱對失智患者的認知測試有正向意義 8,9,但在日本,類似的研究卻沒有顯著差異 10。說到底,要令科學家們心悅誠服的點頭稱是,恐怕還是漫漫長路。不僅如此,仍有諸多疑點尚待釐清,比如椰子油富含的飽和脂肪酸與動脈硬化的相關性、葡萄醣代謝異常與類澱粉沉積的因果關係、長期的高酮酸狀態是否是身體的另一個負擔?

究竟,大腦的能量運轉危機是否能夠開啟失智治療的新篇章呢?且讓我們懷抱期望、但客觀以待吧。

參考資料

  1. Owen OE, Morgan AP, Kemp HG, Sullivan JM, Herrera MG, Cahill GF, Jr. Brain metabolism during fasting. J Clin Invest 1967;46:1589 –1595. 

  2. Karran E, Mercken M, De Strooper B. The amyloid cascade hypothesis for Alzheimer’s disease: an appraisal for the development of therapeutics. Nat Rev Drug Discov 2011; 10: 698–712.
  3. Castellano, C.A. et al. 2015. Lower brain 18F- fluorodeoxyglucose uptake but normal 11 C-acetoacetate metabolism in mild Alzheimer’s disease dementia. J. Alzheimers Dis43: 1343–1353. 

  4. Scholl, M. et al. 2011. Time course of glucose metabolism in relation to cognitive performance and postmortem neu-ropathology in Met146Val PSEN1 mutation carriers. J. Alzheimers Dis24: 495–506.

  5. Reiman, E.M. et al. 2004. Functional brain abnormalities in young adults at genetic risk for late-onset Alzheimer’s dementia. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101: 284–289. 
  6. Newport, M.T. et al. 2015. A new way to produce hyperketonemia: use of ketone ester in a case of Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement11: 99–103.
  7. Krikorian, R. et al. 2012. Dietary ketosis enhances memory in mild cognitive impairment. Neurobiol. Aging 33: 425.e19– 27
  8. Reger, M.A. et al. 2004. Effects of beta-hydroxybutyrate on cognition in memory-impaired adults. Neurobiol. Aging 25: 311–314.
  9. Henderson, S.T. et al. 2009. Study of the ketogenic agent AC- 1202 in mild to moderate Alzheimer’s disease: a randomized, double-blind, placebo-controlled, multicenter trial. Nutr. Metab. (Lond.) 6: 31.
  10. Ohnuma T, Toda A, Kimoto A, Takebayashi R, Higashiyama R, et al. (2016) Bene ts of use, and tolerance of, medium-chain triglyceride medical food in the management of Japanese patients with Alzheimer’s disease: a prospective, open-label pilot study. Clin Interven Aging 11: 29-36. 

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關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。

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