脑损伤后的脑代谢适应与酮类代谢

血浆水平

在正常喂养的成年哺乳动物中，β-OHB代谢占大脑总代谢的<3%，以低循环浓度（0.1 mmol/L）存在，对大脑的吸收可以忽略不计(霍金斯等, 1971). 然而，通过与饥饿或生酮饮食有关的生酮作用，血浆酮水平可以在2天内增加四到五倍。增加后β-PND20大鼠和成年大鼠的OHB动脉浓度、脑摄取显著增加4.9倍和1.5倍(达尔奎斯特和佩尔森1976;霍金斯等, 1971). 与啮齿动物大脑中的酮代谢量相比，人类大脑显示出更大的酮代谢能力。大脑对β-成人在饥饿3.5天后出现OHB（非AcAc），约占大脑能量产生的35%(哈塞尔巴赫等, 1995).

运输工具

在整个发育过程中，非血管性MCT1和神经元性MCT2的表达保持不变(Vannucci和Simpson，2003年)可能反映了它们在神经元和星形胶质细胞之间乳酸细胞间运输中的作用(佩尔兰等, 1998). 相反,微血管MCT1随着大脑成熟而降低，在成年时呈低水平(Vannucci和Simpson，2003年). 然而，大脑对酮类物质的快速摄取反映了MCT转运体的浓度依赖性(霍金斯等, 1971). 这种特性允许根据可用性在燃料或燃料组合之间快速“切换”。除了转运蛋白的浓度依赖性摄取特性外，有证据表明MCT转运蛋白中存在底物诱导的适应性变化。例如，成年大鼠在生酮饮食1周后可以获得2 mmol/L的血浆β-24小时内的OHB水平，持续7天。尽管血浆浓度相同β-OHB在这些时间点¹⁴C-D公司-β-第7天的OHB是第24小时的两倍，表明成人大脑摄取β-存在酮时OHB随时间变化(摩尔等, 1976).

MCT密度的变化可能是对血浆酮增加的另一种适应形式。免疫金电子显微镜显示，生酮饮食4周后，成人内皮细胞MCT1标记增加了8倍(莱伊诺等, 2001). 尽管MCT调节的时间进程尚未确定，但这一证据表明成人大脑有能力上调大脑MCT。据报道，在培养的结肠上皮细胞中，MCT1 mRNA和蛋白在底物作用下可迅速上调（12至24小时）(袖口等, 2002).

酶活性

葡萄糖供应减少后，血浆总酮的可用性增加，其进入大脑的转运也增加。然而，证明酮类代谢酶活性的适应性还不太确定。早期发现史密斯等(1969)线粒体增加6.9倍β-禁食3天后成年大鼠脑内OHB脱氢酶（BDH）活性。随后的研究表明下降了30%(康德等, 1990)，减少了38%(达尔基斯特等, 1972)，或无变化(Pull和McIlwain，1971年)成年大鼠饥饿至少72小时后，BDH活性下降。在长时间接触高脂肪饮食（10周）后，康德等(1990)据报道，BDH活性增加了47%。此外，高脂肪饮食喂养的PND45大鼠的BDH活性比标准饮食喂养的大鼠高1.9倍(谢尔曼和威尔逊，1978年). 最后，在培养的星形胶质细胞中，底物丁酸钠的存在使BDH活性增加72%，3-酮酸-CoA转移酶活性增加479%(波杜斯洛，1989年). 总之，这些发现表明，参与酮代谢的线粒体酶可以通过血液水平上调β-成人脑内OHB；然而，增加BDH活性并不是增加酮类代谢所必需的。这支持了这样的解释，即酮类代谢依赖于动脉酮类浓度，而速率限制步骤仍然是大脑摄取。

酮代谢

从该领域最早的一些研究中得知，人类长期饥饿会导致血浆浓度增加β-OHB水平和随后呼吸商从1降至0.63(欧文等, 1967). 大脑葡萄糖摄取量的减少伴随着β-OHB摄取，表明酮类代谢可以提供60%的人脑代谢需求。饥饿48小时后，成年大鼠大脑中酮代谢对总脑代谢的贡献远远低于人类，范围为15%(达尔奎斯特和佩尔森，1976年)至25%(鲁德尔曼等, 1974). 这可能反映了物种酮类代谢能力的差异，但也可以用饥饿持续时间或达到的酮症程度来解释。

酮的氧化代谢增加主要在星形细胞池中观察到(梅洛等, 2006). 在成年大鼠中实施生酮饮食后，1-¹³C-标记葡萄糖和[1,2-¹³C] 注射醋酸盐。核磁共振波谱显示葡萄糖的神经元氧化代谢降低，醋酸盐的星形细胞代谢增加。星形细胞代谢的增加反映在谷氨酸、谷氨酰胺和γ-氨基丁酸双倍体的增加以及丙酮酸羧基化的增加。

总之，大脑发育和饥饿的结果表明大脑有能力适应底物可用性的生理变化。这一基本认识为利用替代基质治疗神经病理学疾病提供了新的潜在途径。

使用酮进行神经保护

在神经病理学条件下，大脑的能量需求和供应常常因脑血流量（CBF）变化和线粒体功能障碍而不匹配。在高能量需求期间，葡萄糖可能不再充足，它可能变得不可用、无法输送、无法代谢，或者在某些情况下可能产生不太有利的副产品。在这种情况下，葡萄糖的代谢作用发生改变，大脑可能无法有效适应初级燃料的变化。然而，在大脑表达有利于酮类物质运输和细胞代谢的急性期，通过外源性提供酮类物质，大脑可能被迫“转变”对酮类物质的依赖。这种方法已成功应用于快速发展的病理学（谷氨酸兴奋性毒性、缺氧/缺血）和神经退行性疾病（帕金森病、阿尔茨海默病），以及最近的TBI(表2).

谷氨酸兴奋性毒性与许多神经退行性疾病和创伤的细胞死亡级联反应有关。谷氨酸是一种重要的兴奋性神经递质，但过量摄入谷氨酸会过度激活谷氨酸受体，导致细胞内钙超载、自由基产生、脂质过氧化和细胞死亡(Choi，1992年). AcAc输注14天在体外和体内谷氨酸诱导的神经毒性啮齿动物模型导致神经元损伤减少（32%），损伤体积减少（50%），细胞ATP水平提高(马休等, 2003).β-羟基丁酸脱氢酶和AcAc均显示能保护神经元免受红藻氨酸诱导的小鼠细胞死亡(否等, 2003)在培养的小鼠海马细胞中(否等, 2006).β-谷氨酸中毒前大鼠静脉输注羟丁酸脱氢酶，24小时时损伤体积减少51%，脂质过氧化减少32%(Mejia-Toiber公司等, 2006). 最近，添加1 mmol/Lβ-OHB至在体外谷氨酸兴奋性毒性模型通过减少神经元去极化提高细胞存活率(玛卢浮等, 2007)在谷氨酸诱导的兴奋毒性之前给予酮类保护的机制可能是自由基生成的减少(图3，菱形3）。

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图3

酮代谢特性的总结，可能有助于神经保护。黑色菱形中的数字表示每个机制。酮（1）只需要三个酶步骤即可进入TCA循环；（2） 减少NAD对；（3） 减少自由基生成；（4） 增加ATP的产量；（5） 增加线粒体解偶联；（6） 增加谷胱甘肽过氧化物酶活性；（7）抑制丙酮酸进入TCA循环。缩写：UCP，解偶联蛋白。

缺氧损伤会降低氧的可用性，从而降低氧化葡萄糖代谢，导致乳酸生成增加。高耐缺氧性与血浆酮水平升高有关(艾格等, 1980;达莱西等, 1990). 使用生酮饮食3周已表明增加了对体内缺氧(普乔维奇等, 2005). 施用4 mmol/Lβ-OHB对缺氧海马神经元的作用降低了急性细胞死亡，减少了凋亡细胞的数量，保持了线粒体膜电位，并降低了caspase-3的活化和多聚腺苷核糖聚合酶的裂解(Masuda公司等, 2005). 缺氧后的神经保护机制被认为是与酮代谢增加相关的糖酵解产物乳酸的减少，尽管自由基损伤减少和凋亡级联激活也可能参与其中(图3，钻石3,1,7）。

缺血损伤限制了所有底物的供应和氧化代谢，而在再灌注期间摄入葡萄糖会增加乳酸积累，从而加剧脑损伤，导致乳酸酸中毒。在这些条件下，酮代谢已被证明具有神经保护作用(表2). 1,3-丁二醇在大鼠体内的使用β-细胞内的OHB也被证明可以改善缺血后的神经恢复(玛丽等, 1997). 1,3-丁二醇预处理可增加缺血72小时后的磷酸肌酸，减少乳酸积累。与损伤前的操作相比，损伤后的治疗也证明了神经保护作用。大鼠注射β-双侧颈动脉结扎后立即开始OHB 3至6小时，显示脑水肿和组织Na减少⁺6h时的含量和3h时的ATP减少减弱(铃木等, 2001). 在这个模型中，作者报告了Wistar大鼠闭塞后CBF减少40%，这表明可能仍有足够的血流来循环β-职业健康保险。输液β-大脑中动脉短暂闭塞后立即开始OHB，显示脑梗死体积减少约50%(铃木等, 2002). 血浆升高β-禁食24小时的OHB使缺血诱导的梗死体积减少75%(里特等, 1996). 成年大鼠在四血管闭塞前禁食48小时，死亡率降低，创伤后癫痫发作减少，脑乳酸降低(玛丽等, 1990). 虽然在成年大鼠缺氧缺血后也观察到禁食相关的神经保护作用，但单用酮不能提供保护(去吧等, 1988). 缺血后细胞死亡的拟议机制之一是谷氨酸兴奋性毒性，类似的酮神经保护模式可能有助于缺血保护(图3). 然而，重要的是要记住，在缺血期间，局部血流停止，任何基质的输送都是有限的。研究表明酮类递送的时间过程非常重要，尤其是在缺血性损伤期间开始酮类给药时。

创伤性脑损伤与钾和谷氨酸的不分青红皂白释放、葡萄糖代谢短暂升高、随后葡萄糖代谢持续下降和ATP减少有关(片山等, 1990;川端康成等, 1992;吉野等, 1991;李等, 1999). 在这段葡萄糖代谢抑制的时期，通过磷酸戊糖途径、自由基产生和通过DNA损伤激活聚ADP核糖聚合酶的葡萄糖流量增加(霍尔等, 1993). NAD的使用⁺聚ADP-核糖聚合酶介导的DNA修复过程消耗细胞溶质NAD⁺pool可以抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶（糖酵解途径中的关键酶）。在糖酵解代谢受损的情况下，葡萄糖变得不太有利能量研究表明，底物和使大脑向酮类代谢转变可以提供神经保护。外源性给药β-成人TBI后立即静脉注射OHB，导致β-OHB摄入，增加10倍以上¹⁴C类-β-OHB氧化减轻伤后3h同侧皮层ATP含量的下降(普林斯等, 2004). 生酮饮食对PND30和PND45大鼠局灶性TBI后皮质挫伤体积减少50%的效果(普林斯等, 2005)也得到了证明。TBI后，葡萄糖代谢和自由基生成的即时变化（1小时）会引发脑代谢和损伤的持续变化。尽管在此时间点显示MCT2的血管表达增加，但它不是内皮细胞中的主要MCT。TBI后MCT1表达的变化也可能有助于TBI后数小时内酮类代谢的使用。尽管尚未记录人类TBI后禁食的神经保护潜力，但酮类的存在已被证明可以充分替代全身热量，而不会产生高血糖(里特等, 1996). 最后，通过比重测量表明，BD预处理可以减少TBI和缺血诱导的脑水肿(比罗斯和诺德斯，1996年). 优先利用β-OHB被认为可以减少乳酸的产生，从而减少脑水肿(图3，钻石1、2、3、4、7）。

在这一点上，值得注意的是，许多研究人员在诱导各种类型的损伤之前，在他们的实验设计中经常使用通宵禁食。虽然一些研究将此作为研究中的变量，但其他研究没有。在酮生成性脑代谢适应和脑发育部分，成熟大脑对空腹、饥饿或低血糖的反应发生了许多变化。饥饿或禁食6至12小时将显著增加血浆中的酮类水平，并可能影响结果测量，如葡萄糖代谢。此外，在中枢神经系统损伤诱导之前，酮类的增加可能会提供无意的损伤前“神经保护”，这可能会干扰对相关药物神经保护效果的研究。在解释与食物包装相关的损伤前结果时，应考虑这些变化。

谷氨酸中毒、缺氧/缺血和TBI的神经病理学都有快速的细胞进展，这就要求尽早给予酮类药物，以最大限度地发挥其治疗效果。这种早期分娩的方法也与缺血和TBI后观察到的酮类转运体表达的早期变化相吻合。建立酮类治疗的治疗窗口对于确定其在临床上的潜在用途至关重要。

与脑损伤引起的快速代谢变化不同，发展较慢的神经退行性疾病也可能受益于替代底物的代谢(表2). 在在体外帕金森氏病模型，1-甲基-4-苯基吡啶抑制线粒体NADH脱氢酶复合体的活性，从而降低电子传递活性并增加自由基的产生。施用4 mmol/Lβ-OHB通过1-甲基-4-苯基吡啶的毒性增加培养神经元的存活率(卡西瓦亚等, 2000). 另一个在体外帕金森病模型使用鱼藤酮，鱼藤酮抑制线粒体复合体I。应用8 mmol/Lβ-OHB对帕金森氏病模型的作用是增加细胞存活率，改善线粒体膜电位，降低细胞色素c（c）小鼠神经元培养物中的释放(伊玛毛拉等, 2006)在人神经母细胞瘤细胞培养中，细胞存活率提高了60%(奎恩等, 2004). 最近，24小时输注β-1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶小鼠的OHB表现出运动障碍减少45%，多巴胺能神经变性减少(箫等, 2003). 同样，在体外阿尔茨海默病模型表明β_1至42刺激丙酮酸脱氢酶磷酸化，从而阻止丙酮酸进入三羧酸（TCA）循环。在这些条件下，酮代谢可以绕过有缺陷的代谢途径，为能量生产提供乙酰辅酶A(图3). 施用4 mmol/Lβ-OHB对A培养的小鼠海马神经元的保护作用β_1至42毒性(卡西瓦亚等, 2000). 酮类也显示出神经保护作用体内阿尔茨海默病模型。转基因小鼠在生酮饮食中喂养43天，淀粉样蛋白减少25%-β沉积，但未能显示物体识别任务的差异(范德奥韦拉等, 2005). 此外，患有阿尔茨海默病或轻度认知障碍的人类患者在生酮饮食中的段落回忆和阿尔茨海默氏病评估量表测试中表现出改善(注册等, 2004). 值得注意的是，虽然在体外阿尔茨海默病研究允许人们研究一些机制问题，体内长期服用酮类药物的阿尔茨海默病模型对于了解这种治疗方法的最终康复潜力至关重要。

除了阿尔茨海默病和帕金森病外，肌萎缩侧索硬化症和脑肿瘤也对酮类代谢有积极反应。转基因肌萎缩侧索硬化小鼠（突变超氧化物歧化酶1，SOD1(赵等, 2006). 在SOD1突变小鼠中，线粒体功能障碍导致ATP生成减少，在含有β-职业健康保险。有趣的是，脑肿瘤的高糖酵解需求使其在葡萄糖降低和酮可用性增加的情况下特别容易受到底物剥夺的影响。使用限制热量的生酮饮食，小鼠星形细胞瘤的生长和血管生成减少，存活率增加(穆克吉等, 2002;赛弗里德等, 2003;周等, 2007).

最近，在儿童癫痫或顽固性癫痫的病例中，可能已经观察到酮类神经保护作用的最有文献记载的证据Gasior公司等(2006)和斯塔夫斯特罗姆（1999）这一主题将在关于在发育中的大脑中枢神经系统损伤中使用酮的章节中进行更详细的讨论。

我们感谢David Kovda博士和Chris Giza博士的学术支持。

这项工作得到了脑损伤研究中心、林德·劳伦斯基金会和NS052406的支持。