石汉平教授：低碳饮食

文章来源：石汉平,于恺英,周华.低碳饮食.肿瘤代谢与营养电子杂志2019,1(6):1-6

过去100年，人类变得越来越重，尤其是过去25年，人类体重增加更快，与1980年相比，2015年人类肥胖发病率增加了2倍。2015年全世界有22亿成人和儿童超重或肥胖，其中7.1亿人肥胖。美国成人肥胖率最高，有7,900万人，第二是中国，有5,700万人。体重增加不仅仅增加心血管疾病、2型糖尿病、肿瘤、慢性肾病、骨骼肌肉疾病等一系列代谢性慢病，还导致一系列社会问题，高体质指数（body mass index，BMI）每年导致400万人死亡[1]。因此，控制体重成为全球面临的重大问题。目前推荐的增加体力活动、减少总能量摄入是正确有效的干预手段，但是起效较慢，依从性不足，难以长期坚持，于是低碳饮食应运而生。

1 定义

人类远古祖先长期以动物肉、野果为生，居无定所、食无定餐，谈不上以脂肪或碳水化合物为主要能量来源。碳水化合物成为人体主要的能量来源是最近一万年的事情，人类学会了种植后才有了现在的碳水化合物。美国内科学院（institute of medicine）建议美国人从碳水化合物中获取45%~60%的能量[2]。作者认为，广义的低碳（low-carb，LC）应该包括3个层次：①控制总能量的摄入，避免过多、过饱；②减少精制碳水化合物、精制糖的摄入，但是不要求控制碳水化合物的总能量比；③降低碳水化合物在总能量中的比例或减少每日总碳水化合物的摄入量，后者即是本文讨论的低碳（水化合物）饮食（low-carbohydrate diet，LCD）。如何定义低碳饮食的“低”？理论上，任何低于日常平均或指南推荐的正常人碳水化合物摄入量的“低”，都是低碳饮食。不同种族的每日平均碳水化合物摄入量差异很大，所以全世界很难有一个共同的低碳标准。大多数国家居民的平均碳水化合物摄入量为≥45%（能量来源），所以，少于45%的任何“低”均属低碳饮食。由于碳水化合物（carbohydrate，CHO）低于45%的很多情况下，机体不会发生任何代谢改变，所以，Westman EC等[3]认为，碳水化合物低到可以产生代谢改变，即燃烧脂肪时，才是有意义的低碳饮食，此时机体供能方式由依靠葡萄糖转向依靠脂肪酸、酮体。一般认为，碳水化合物低于20~50g时，机体会产生酮体，所以，碳水化合物低于20~50g/d的饮食称为生酮饮食[3,4]；50~150g/d碳水化合物时机体既燃烧脂肪，又不产生酮体，此时称为低碳饮食[5]。碳水化合物超过150g/d后，机体不会燃烧脂肪，所以不是真正的低碳饮食，而是中碳饮食。根据碳水化合物在总摄入能量的比例，将饮食中的碳水化合物分为4等[6]：①极低碳（very low-carbohydrate，VLC）：碳水化合物占总能量比例小于10%，或者碳水化合物20~50g/d，即生酮饮食；②低碳（low-carbohydrate，LC）：碳水化合物占总能量比例小于26%，或者碳水化合物少于150g/d；③中碳（moderate-carbohydrate，MC）：碳水化合物占总能量比例为26%~44%；④高碳（high-carbohydrate，HC）：碳水化合物占总能量比例等于或大于45%，见图1。低碳饮食中的3种宏量营养素的供能比例，蛋白质一般为20%左右（15%~30%），碳水化合物比例根据不同情况调整，剩余的部分就是脂肪的供能比例。生酮饮食（ketogenic diet，KD）是低碳饮食的一个特殊类型，生酮饮食多数要求控制热量，而且要求限制蛋白质摄入，以防止糖异生[7]。但是，低碳饮食只要求控制碳水化合物，对热量及蛋白质没有限制。

2 应用

低碳饮食研究目前比较多地集中在肥胖、超重人群的体重降低、有心脏代谢性疾病（cardiometabolic diseases）风险人群、或心脏代谢性疾病患者如2型糖尿病患者和非酒精性脂肪肝患者。生酮饮食还被用于精神运动紊乱（seizure disorders）患者，肿瘤患者[8]，甚至运动人群。

2.1 肥胖 低碳饮食的绝大多数研究用于降低体重。低碳饮食，特别是生酮饮食，可以引起体重快速降低。早期的体重下降部分是由于脱水，随后是脂肪减少。随着对饮食治疗依从性的逐渐降低，不同饮食干预模式的体重降低效益在一年后趋于一致。然而，低碳饮食只要求控制碳水化合物，不要求控制热量，而是可以自由摄入热量，自由摄入蔬菜，而其他所有饮食干预方法均要求控制热量，所以，比较而言，低碳饮食依从性更好，持续时间更长。研究表明，低碳方法（low-carb approaches）在快速降低体重上，优于其他饮食方法。Meta分析14个随机对照研究、1,416位肥胖受试者发现[9]，低碳饮食后体重、脂肪体重（fat mass）下降；亚组分析发现，低碳饮食超过12个月的受试者中，体重没有继续下降，但是脂肪体重仍然降低，极低碳饮食受试者脂肪体重下降更加明显，而中碳饮食受试者脂肪体重无显著降低。低碳饮食降低的体重是身体脂肪总量和比例的减少，而不影响去脂体重（fat free mass，FFM）。11名篮球运动员口服4周低碳饮食后，身体脂肪总量（F=31.12，P=0.003）和脂肪比例（F=29.13，P=0.003）显著减少，而FFM无明显变化[（50.62±4.88）kg vs（48.20±3.65）kg，P＞0.05][10]。

2.2 糖尿病 在糖尿病药物发明之前，限制碳水化合物无论对1型还是2型糖尿病都是最为重要的降糖方法。即使是在糖尿病药物治疗风靡一时的今天，低碳饮食仍然是2型糖尿病的首选治疗方法（thefirst approach），是1型糖尿病治疗药物的最有效辅助手段（the most effective adjunct to pharmacology），不仅仅疗效确切，而且安全可靠，从来未见与药物不良反应同样严重的不良反应[1]。低碳饮食降低血糖不依赖体重降低而独立发挥作用，尽管伴随体重下降时其降糖效果更好[11]。McKenzie AL等[12]指导262例门诊糖尿病患者实施低碳饮食，干预10周发现，HbA1c平均下降了1.0%，47.7%的患者HbA1c恢复正常，HbA1c＜6.5%的患者比例由干预前的19.8%提高到56.1%；干预前89.3%的患者至少使用一种糖尿病药物，10周后56.8%的患者减量或停用一种或多种药物，见图2；体重平均下降7.2%；所有上述参数与干预前比较均有显著差异。美国糖尿病协会、欧洲糖尿病研究协会在最新发布的糖尿病治疗指南中，推荐包括低碳饮食在内的生活方式干预作为糖尿病的标准治疗[13,14]。

2.3 代谢综合征 代谢综合征包括一系列代谢性紊乱，临床上以五高一低为特征，即高血糖、高血压、高血脂、高腰围、高体重、高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein-cholesterol，HDL-C）降低。低碳饮食对代谢综合征表现出良好的治疗效果。Harvey CJDC 等[15]将77例受试者随机分为VLC、LC及MC3组，碳水化合物供能比例分别为5%、15%及25%，持续12周，39例（51%）受试者完成了研究，与试验前基线相比，完成研究的受试者的体重、BMI、腰围及臀围均显著降低，高密度脂蛋白显著升高，胰岛素及甘油三酯（triglyceride， TG）显著下降。VLC组HDL-C、TG及人体学测量变化最大，但是3组间无明显差异，而LC、MC组依从性更好。提示适度控制碳水化合物即可以有 效控制代谢综合征，见图3。来自日本的一个最新报告显示，即使是3d的等热量低碳高脂饮食（low carb-high fat，LCHF），也可以显著提高非肥胖健康成年人的胰岛素代谢廓清（metabolic clearance rate of insulin，MCRI），而MCRI是维持血糖稳定的重要机制[16]。摄入LCHF3d后，MCRI提高10%，稳态血清胰岛素（steady state serum insulin，SSSI）、葡萄糖输注速率（glucose infusion rate，GIR）分别下降10%和6%。高反应组肌肉细胞内脂肪（intramyocellular lipid，IMCL）升高，SSSI降低，而低反应组上述两个参数无明显变化。

3 原理与机制

根据热力学第一定律，能量不能被消灭，只能被机体获取、丢失或储存。基于此能量守恒定律研究肥胖，认为体重的增加是热量摄入增加或能量消耗减少的结果。但是，能量守恒定律不能解释为什么体重会持续升高而不是到达平台，而且低估了食物成分的变化对能量和中间代谢的影响。一个可替代的模型强调，果糖及果糖衍生的甜味剂具有调节细胞代谢的能力，通过改变AMP/ATP比值，激活AMP激酶和补偿机制，促进脂肪组织堆积，增强食欲，同时抑制体力活动。这个概念模型表明，在细胞饥饿的矛盾状态下，慢性高胰岛素血症是引起包括慢性体重增加等代谢改变的关键驱动力，该模型强调肥胖病因学的代谢可塑性（metabolic flexibility）和食物成分而不是能量平衡[17, 18]。低碳方法起源于降低胰岛素的理论假说，降低胰岛素是肥胖碳水化合物-胰岛素模型（the carbohydrate-insulin model of obesity）的必然选择。肥胖碳水化合物-胰岛素模型认为：高碳水化合物饮食特别容易使人发胖，因为它易于增加胰岛素分泌。胰岛素将能量储存为脂肪隔离于脂肪组织内，使能量不被代谢活跃组织氧化利用，导致一种细胞内饥饿状态。饥饿感及食欲反应性增强，热量摄入增加，继而能量正平衡，出现发胖[19,20]，见图4。

胰岛素是一种促进合成代谢、促进脂肪储存的关键激素。降低胰岛素水平，可以改善心血管代谢功能、降低体重。通常认为，高胰岛素血症继发于肥胖，实际上，高胰岛素血症可以是原发的，源于自主神经功能障碍。肥胖同时是一种瘦素抵抗状态，瘦素信号传导缺陷促进热量过多摄入，以维持正常能量消耗；胰岛素作为内源性瘦素的拮抗剂，与瘦素共享中央信号通路；抑制胰岛素可以减轻瘦素抵抗，进而减少热量摄入、增加自主活动。高胰岛素血症还会干扰腹侧被盖区和伏隔核内的多巴胺清除，促进业已升高的食物奖励（food reward）。高胰岛素血症通过下列3个机制促进体重升高：促进能量进入脂肪组织，干扰瘦素信号传导，干扰食物享乐反应的消退[20]。高胰岛素血症是高碳水化合物摄入的必然结果，高碳水化合物饮食的摄入，通过升高胰岛素分泌，抑制脂肪组织内脂肪酸释放入血，将脂肪锚定 在脂肪组织内，并将血液循环中的脂肪导入脂肪组织中储存[6]。代谢活跃器官组织如心脏、肌肉、肝脏从血液循环中获取的可利用脂肪酸减少，使这些细胞处于一种饥饿状态，通过提高细胞内AMP/ATP比值[17]，导致适应性能量消耗抑制、食物摄取增加。能量正平衡、继而肥胖，是食物碳水化合物比例升高、胰岛素驱使脂肪进入储存，远离氧化的结果。因此，将等热量的碳水化合物替换为脂肪，预期可以导致能量消耗增加，脂肪氧化加快，身体脂肪减少。传统观点曾经错误地认为，1kcal碳水化合物与1kcal脂肪完全一样，对能量消耗或身体脂肪没有任何不同的生理影响。实际上，恰恰相反，1kcal的碳水化合物、1kcal的脂肪、1kcal的蛋白质对机体的生理效应大相径庭[16]。基于碳水化合物-胰岛素模型，降低食物中碳水化合物与脂肪供能的比例，而不改变蛋白质或热量，可以减少胰岛素分泌，增加脂肪组织中脂肪动员，促进血液循环中游离脂肪酸（free fatty acids，FFAs）的氧化。这种代谢和内分泌环境的变化因此预期可以减轻细胞内饥饿状态，减轻饥饿感，增加身体脂肪丢失、升高能量消耗[21]，见图5。Ebbeling CB等[22]将164例BMI≥25的成人志愿者随机分为高、中、低CHO组，CHO分别占总能量的60%、40%、20%，干预时间20周。意向性治疗分析（intention-to-treat analysis）发现：与高CHO组相比，中、低CHO组总能量消耗（total energy expenditure，TEE）分别增加91kcal/d、209kcal/d；按方案分析（the per protocol analysis）发现：这个差别分别为131kcal/d、278kcal/d。对体重下降前胰岛素分泌最高的1/3志愿者进行分析，低CHO组与高CHO组TEE差值为308kcal/d（意向性分析）、478kcal/d（按方案分析）。碳水化合物在总能量中的比例每减少10%，TEE会升高52kcal/d，二者呈线性关系。饥饿素（Ghrelin）及瘦素在低CHO组显著低于高CHO组。提示，与碳水化合物-胰岛素模型一致，在减重维持中，降低饮食中的碳水化合物，增加了能量消耗。饮食（热量）控制方法介导的体重下降会产生严重的被动能量赤字（caloric deficit），而低碳饮食则否，因为在减少饮食中的碳水化合物时，脂肪和蛋白质会补偿性增加。低碳饮食降低体重的另外一个可能机制是，脂肪和蛋白质增加饱感，减少伴随性低血糖，进而减少饥饿感、减少食物摄入总量，产生主动能量赤字。低碳饮食的第3个机制是低碳饮食比高碳饮食会产生更高的代谢燃烧（metabolic burn），与等热量的高碳饮食相比，额外燃烧200~300kcal[21, 23]。

4 小结

低碳饮食作为一种治疗性饮食已经引起社会各界的广泛关注，将来也必将得到越来越多的关注。短期应用效果确切，不良反应远远少于药物， 卫生经济学效益显著，节省医疗费用。但是，必需清楚地认识到低碳饮食不是一种生理状态下的日常饮食，长期使用仍然有待进一步研究。本文借用Brouns F[5]对低碳饮食的综述性结论作为本文的小结：①任何减少能量摄入的饮食方式均可以降低体重，并产生有利的代谢和功能改变；②短期低碳高脂饮食表现出更多的有益作用、更少的不利作用；③长期维持生酮性低碳高脂饮食（要求控制热量及蛋白质）是非常困难的，每天100~150gCHO的非生酮性低碳饮食更加切实可行；④长期LCHF的疗效、安全性及健康益处仍然需要更多的数据证实；⑤对于存在2型糖尿病风险的人群进行生活方式干预，包括给予一定量的碳水化合物的低碳饮食，安全而且有效，可以长期预防2型糖尿病的进展。综上所述，作者认为，低碳饮食是慢病的首选解决方案。