《Scientific Reports》：Ketogenic diet sex-dependent effects on rat bone marrow cells during development and β-HB protection in hypoglycemia
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为明确生酮饮食在生命关键期对骨健康的影响，研究团队系统评估了该饮食对幼年Wistar大鼠骨髓细胞在低糖微环境中的成骨/破骨分化的性二型性影响，并探索了主要酮体β-羟基丁酸(β-HB)的调节作用。结果发现，生酮饮食在雌、雄幼鼠中具有不同的骨向分化影响，而外源β-HB在低糖培养中可有效保护并促进成骨，为理解生酮饮食的骨相关应用及性二型性影响提供了新依据。
在探索更优健康管理方案的道路上，生酮饮食(ketogenic diet, KD)正从一种控制难治性癫痫的“利基”方案，演变为在减重、代谢管理领域广受关注的选择。其“高脂肪、适量蛋白、极低碳水”的独特配比，能引导身体从主要利用葡萄糖供能，转向利用脂肪分解产生的酮体(ketone body)供能，即“生酮”状态。这种能量代谢的“大转换”在控制某些疾病上表现出了希望，但一个关键而常被忽略的“健康暗面”也正浮出水面：骨健康。对于本已因年龄、疾病（如2型糖尿病、肥胖）而骨量减少的广大群体，生酮饮食的长期、甚至短期影响，其“是利是弊”的答案，在科学上仍不明确，甚至存在矛盾。更关键的是，在骨组织再生的“发源地”——骨骼内部那由各种前体细胞、成骨细胞(osteoblast)和破骨细胞(osteoclast)等共同构成的、精妙而动态的“骨微环境”中，生酮状态到底在发生着什么样的变化，其研究几乎是空白的。这就像只看到一株植物是长高还是变矮，却对地下的根、土、水、菌的复杂互作一无所知，这显然无法科学地指导“种植”与“护理”。为了回答“生酮状态如何影响骨再生的‘细胞兵工厂’（即骨髓）？其影响是否在生命不同阶段、不同性别中表现不同？在生酮状态常伴的、对骨微环境不友好的低糖（即“低糖微环境”）中，生酮的“主将”β-羟基丁酸(β-hydroxybutyrate, β-HB)是“推手”还是“救兵”？”等关键问题，一个研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的工作，为我们提供了从“骨微环境”这一细胞与分子层面理解生酮饮食影响的崭新视角。
为开展研究，作者主要运用了以下关键方法：通过建立低蛋白生酮饮食喂养的Wistar大鼠模型，在母鼠妊娠、哺乳及仔鼠出生后30天等不同生命阶段，评估其对子代骨及全身指标的影响。从30天龄的幼年雄性和雌性大鼠中分离其骨髓细胞(Bone Marrow Cells, BMCs)进行体外实验，以研究性二型性。在细胞功能学评估中，通过成骨分化诱导、细胞外基质(ECM)矿化（如通过染色）和破骨细胞形成与活性（如通过抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色）等关键检测，系统评价了生酮饮食和β-HB对成骨和破骨分化的影响。在机制探索方面，通过设定低糖（2.5 mM D-葡萄糖）的细胞培养微环境，并外源添加不同浓度（0-5 mM）的β-HB，分析了β-HB在低糖压力下对BMCs的细胞活力、炎症反应、成骨分化和破骨活性的影响，以评估其保护与调节作用。
生酮饮食在幼年雌、雄大鼠中产生体质量降低与性二型性骨向分化影响。研究首先在动物模型上观察到，经生酮饮食干预的30天龄幼年大鼠，无论雌雄，其体质量均较正常饮食组显著降低，这符合生酮饮食的减重效应。然而，对骨再生“兵工厂”——骨髓细胞(BMCs)的深入分析，却揭示出令人惊讶的性别差异。在来自雌性幼鼠的BMCs中，生酮饮食展现出“亲骨”效应：它支持了BMCs的成骨分化，并显著抑制了破骨细胞(osteoclast)的活性，这提示了在雌性幼鼠中，生酮状态可能更有利于骨形成与骨量维持的“建设”过程。然而，在来自同龄雄性幼鼠的BMCs中，情况则相反：生酮饮食削弱了BMCs的骨再生潜力，即“建设”能力下降。这一性二型性(sex-dependent)的发现，为评估生酮饮食的骨健康影响提供了关键且前所未有的新维度，强调了“男女有别”在营养代谢对骨影响中的重要性。
外源β-羟基丁酸(β-HB)在低糖微环境中可保护并促进BMCs的成骨功能，并抑制破骨。生酮状态在生理上常与相对较低血糖水平（可模拟为“低糖微环境”）相伴，而低糖环境本身已被证明不利于骨形成。研究通过构建低糖（2.5 mM D-葡萄糖）的细胞培养体系，直接检验了这一“骨不友好”环境对BMCs的影响，并评估了生酮主要执行者——β-HB的调节作用。结果发现，在低糖培养中，外源添加β-HB可有效保护BMCs的细胞活力，并降低与骨吸收相关的促炎细胞因子（如TNF-α, IL-1β, IL-6）水平。更为关键的是，β-HB的加入，在低糖培养的幼年与成年大鼠BMCs中，均能有效促进细胞外基质的矿化（即“成骨”的最终功能指标）和BMCs的增殖，并逆转了低糖对BMCs成骨分化的负面作用。同时，β-HB对低糖环境中破骨细胞的形成与活性也表现出明显的抑制作用。这些结果共同表明，在生酮状态常伴的、对成骨不利的低糖微环境中，其关键效应分子β-HB不仅没有“助纣为虐”，反而扮演了“骨微环境稳定器”和“成骨保护者”的积极角色，能有效促进“成骨-破骨”平衡向成骨（即“建设”）侧倾斜。
低糖与β-HB对BMCs的成骨作用具有可分离的、方向相反的影响。通过将“低糖”和“β-HB”两个因素解构并分别研究，该工作进一步清晰地区分并定位了它们各自在“生酮-骨”关系网中的角色。低糖（即低浓度D-葡萄糖）环境直接对BMCs的成骨分化和功能产生负面影响，这符合“骨形成需要能量（糖）支持”的经典认知。而β-HB，则被证明是成骨分化的“促能”和“促建”因素，能有效抵抗并逆转低糖的破坏作用。这提示，在生酮状态中，对骨微环境同时存在“低糖的破坏力”和“β-HB的建设力”两股方向相反的力量，而细胞与骨组织的最终表现，是这两股力量、以及可能存在的性激素等信号网络综合作用的结果。这为理解生酮饮食在骨健康上可能呈现的复杂、甚至矛盾结果（如不同研究、不同个体、不同阶段结果不一）提供了细胞与分子水平的合理解释框架。
研究结论、意义与讨论。该研究通过系统性的动物与细胞实验，得出了几项关键结论。第一，在生命早期（幼年）阶段，生酮饮食对骨再生的“细胞基础”——骨髓细胞的影响，具有明确的性二型性(sex-dependent effects)，在雌性中表现“亲骨”促进，在雄性中则可能抑制。这提示，在实施生酮饮食等限制性饮食时，必须将潜在性别差异、以及实施阶段（如妊娠、发育期）的长期影响纳入审慎考虑，不能“一刀切”。第二，在生酮状态常伴的、对成骨不利的低糖微环境中，生酮核心分子β-羟基丁酸(β-HB)能有效保护BMCs的细胞功能，并积极促进成骨、抑制破骨，从而在“低糖”的骨微环境压力中，起到保护性、建设性的“骨微环境稳定器”作用。第三，该工作从机制上解构了“生酮-骨”关系，明确将“低糖的破坏作用”和“β-HB的成骨保护/促进作用”在BMCs水平上进行了分离和定位，为理解生酮饮食在骨健康上表现出的复杂结果提供了新的、可检验的模型。
这项发表于《Scientific Reports》的研究，其重要意义在于将生酮饮食对骨健康影响的评估，从宏观的骨密度、骨转换标志物等临床指标，深入到了骨再生的“细胞兵工厂”——骨髓微环境内部，并揭示了其中关键的性二型性规律和核心分子β-HB的保护性机制。这不仅为理解生酮饮食在特定人群（如肥胖、糖尿病患者）中应用时的骨健康风险与获益评估，提供了更精细、更多维度的科学依据，也强烈提示了未来相关研究和临床实践需高度重视生命阶段、性别等个体差异。同时，该研究提示，β-HB本身作为一种内源性代谢物，其促进成骨、抑制破骨的作用，也为未来探索针对骨相关疾病（如骨质疏松症）的、基于代谢调节的新干预策略，提供了潜在的新靶点和新思路。最后，作者在讨论中也谨慎指出，鉴于该研究揭示的早期生命阶段生酮饮食对骨再生的复杂、特别是对雄性个体可能的负面影响，在考虑将短期生酮饮食或禁食用于骨相关疾病的辅助治疗时，应保持科学审慎的态度，并鼓励未来研究在更多年龄层、更长周期、以及更接近临床的模型中继续深入探索。
