對於包括齧齒動物和非人類靈長類動物在內的多種物種而言，營養充足的卡路里限制（CR）飲食仍是迄今為止最有效的非遺傳干預手段，是最大限度地延緩衰老、延長健康和壽命的“金標準”，並且CR還能預防肥胖、癌症、神經退行性變、衰弱和一系列心臟代謝疾病，而對於人類來說，它也能促進適應性以防止這些疾病的發生【1】。但是對於許多人來說，長期堅持低熱量飲食是非常困難的，因此確定調節CR飲食有益影響的生理和分子機制具有重要的現實意義。
傳統觀點認為，CR飲食的有益效果是熱量攝入減少的結果，儘管有研究表明，特定常量營養素的減少也可能起作用【2】。直到人們意識到，實驗室中通常實施的CR飲食方案，不僅限制了熱量，而且還強制延長了每日禁食時間，因為CR動物在~2小時內便迅速消耗完每日的全部食物，然後禁食~22小時才進食下一餐【3】。而禁食期的干預措施，如限時餵養或膳食餵養，都有利於代謝，並延長小鼠壽命。所有這些發現都使得對CR研究的解釋複雜化，因為目前尚不清楚CR的哪些影響是由熱量攝入減少引起的，哪些是由附加的禁食引起的。
2021年10月18日，來自美國威斯康星大學-麥迪遜分校的Dudley W. Lamming團隊在Nature Metabolism上線上發表題為Fasting drives the metabolic, molecular and geroprotective effects of a calorie-restricted diet in mice的文章，研發了一系列的飲食和餵養方案以剖析在CR飲食中能量和禁食的影響，從而證明僅禁食而不減少能量攝入就足以重現CR的許多生理和分子效應，延長禁食對於CR飲食的關鍵代謝、分子和抗衰老作用是必要的。
本研究的四種飲食方案如下：
1. AL：自由攝入正常齧齒動物飼料；
2. 稀釋AL：自由攝入用不可消化的纖維素稀釋50%的飼料，相當於在不禁食的情況下限制30%的熱量攝入；
3. MF.cr：比AL組少喂30%的食物，使用自動餵食器在12小時黑暗期內分三等份釋放食物；膳食餵養（MF）減少了禁食期和暴飲暴食行為；
4. CR：每天早晨餵食1次，與AL組相比限制30%，並延長了餐間禁食時間。
研究人員首先對雄性C57BL/6J（B6M）小鼠進行了實驗，對每種飲食方案的小鼠進行跟蹤研究發現，所有三種飲食限制方案都能減少體重增加、脂肪量和肥胖。然而，儘管這三種飲食都減少了30%的熱量攝入，但飲食效果之間存在明顯差異。CR組比稀釋AL組或MF.cr組小鼠體重增加更多，而且雖然三組小鼠的瘦體重（去脂體重）最初都有不同程度的下降，但CR組小鼠的瘦體重最終反彈。同時，研究結果顯示，三種限制性飲食在9周後均能改善葡萄糖耐量，但令人驚訝的是，透過腹腔胰島素耐量試驗評估的胰島素敏感性僅在CR組小鼠中顯著改善，而稀釋AL組或MF.cr組小鼠沒有改善。由此提示禁食，而不是能量攝入的減少，介導了CR餵養動物胰島素敏感性的改善。
此外，研究人員將小鼠置於代謝室中，透過檢測呼吸交換率（RER）來確定底物利用。RER由消耗的O2和產生的CO2的比率計算得出，當其值接近1.0時，表明碳水化合物為主要產能來源，而其值接近0.7時則表明脂類為主要能量來源，RER＞1.0反映了碳水化合物在主動從頭脂肪生成中的利用。實驗結果顯示，CR飲食擁有與AL飲食小鼠明顯不同的能量來源利用模式，餵食後高脂肪生成（RER>1.0），在黑暗週期依賴於脂質氧化（RER<0.8），脂肪酸氧化總體增加。進一步地實驗表明，禁食（而不是能量攝入的減少）是改變CR餵養小鼠利用不同能量來源的原因，而卡路里的減少導致能量消耗的整體下降。
隨後，研究人員對AL組、CR組、稀釋AL組小鼠的肝臟進行了代謝組學研究，並根據化學結構將59種代謝物分為三大類：氨基酸、碳水化合物和核苷/核苷酸。結果顯示禁食對於熱量限制的獨特分子特徵是必需的，傳統的CR禁食組的小鼠有18種代謝物發生了顯著改變，且CR組的肝臟代謝組特徵也明顯不同，而AL組和稀釋AL組差別不大。此外分析結果顯示，CR飲食引起了顯著的表觀遺傳效應改變，而這依賴於長時間的禁食，而不僅僅是能量攝入的減少。
值得一提的是，由於性別和遺傳背景會影響小鼠對CR的反應，因此為了確定上述觀察到的熱量和禁食的不同作用是否在不同性別和品系中保持不變，研究人員對雌性C57BL/6J（B6F）小鼠以及雄性和雌性DBA/2J（D2M和D2F）小鼠進行了同樣的實驗。結果顯示，當只限制能量的攝入時，性別和品系的差異不大；但隨著禁食時間的延長，觀察到性別和品系的差異就越來越多。由此表明由於長期禁食的性別特異性和品系特異性反應，每種性別和品系對CR飲食都具有獨一無二的反應。
進一步地，研究人員設計了第5種飲食方案——TR.al，即B6M小鼠在3小時內攝入與AL組大致相同的能量，然後在剩餘的21小時內禁食。對TR.al組小鼠進行上述實驗，結果顯示幾乎所有CR組小鼠的代謝表型均在TR.al組小鼠中重現，表明長期禁食足以改善身體成分、糖耐量和胰島素敏感性，禁食不僅再現了對CR的生理反應，也再現了CR飲食的分子效應，對於CR的代謝反應是必要充分條件。與此同時，研究人員對20周齡的B6M小鼠分別給予AL、稀釋AL或CR飲食方案，並隨著小鼠的衰老測量體重、體成分、葡萄糖穩態、腸道完整性、衰弱程度、認知能力以及存活率，結果證明禁食是CR在衰弱、認知和壽命方面發揮抗衰老作用的必要條件。
古語有云，人如其食（你吃什麼在很大程度上決定了你是個什麼樣的人），但綜上所述，“人如其何時食”似乎更重要。本研究的結果表明每天延長禁食時間對健康有著巨大好處，為“何時吃”以及“吃多少”是如何調節代謝健康和壽命的問題提供了新的線索，推翻了長期以來的觀點——CR飲食對哺乳動物的有益作用完全是透過減少熱量攝入來實現的，證明了禁食是CR代謝和抗衰老的重要組成部分，對研究CR的作用機制具有不可忽略的重要意義。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s42255-021-00466-9
參考文獻
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).
