Vieillissement
Les effets de la restriction calorique sur la prolongation de la vie et le retard de l’apparition de maladies associées à l’âge chez diverses espèces, y compris les rats, les souris, les poissons, les mouches, les vers et les levures, ont été démontrés8. Néanmoins, les molécules et les signaux cellulaires qui sous-tendent ces effets restent insaisissables. Des efforts intensifs ont révélé qu’un régime cétogène contribue à une durée de vie plus longue, similaire à la restriction calorique13. Le β-HB circulant est le métabolite le plus augmenté de manière significative lors des régimes de restriction calorique et cétogènes, mettant en évidence le β-HB en tant que métabolite anti-vieillissement11.
En effet, la supplémentation en β-HB prolonge la durée de vie de C. elegans de 20% par les voies DAF-16/FOXO et SKN-1/Nrf et la régulation du vieillissement et de la longevité14. Chez les mammifères, la β-HB diminue le phénotype sécrétoire associé à la sénescence (SASP) et la sénescence des cellules vasculaires15. De plus, le régime cétogène a considérablement prolongé la durée de vie médiane des souris et a permis de préserver la fonction physique du micro vieilli13. De plus, il a été rapporté qu’un régime cétogène cyclique réduisait la mortalité à la quarantaine et améliorait les performances de la mémoire chez les personnes âgées de 16 ans.
La reprogrammation de l’âge et le rajeunissement épigénétique contribuent à une augmentation de la durée de vie et à un rajeunissement amélioré de l’âge et des caractéristiques associées à l’âge17. Des études de médecine régénérative ont vu le jour, ouvrant la voie à de nouvelles interventions thérapeutiques pour ces maladies associées à l’âge. Bien que de nombreuses études sur le régime cétogène et ses effets thérapeutiques en médecine régénérative pendant le vieillissement et spécifiquement pour les maladies neurodégénératives continuent d’être publiées, le mécanisme moléculaire des corps cétoniques n’a pas encore été exploré de manière approfondie. Un régime cétogène a montré un effet neuroprotecteur sur le système nerveux central (SNC) via la régénération des nerfs sciatiques18. Un régime cétogène a également rétabli l’intégrité des oligodendrocytes et augmenté la myélinisation du SNC dans un modèle de maladie murine de Pelizaeus-Merzbacher 19. En outre, le β-HB exogène a amélioré l’homéostasie des cellules souches et la fonction des cellules souches intestinales grâce à l’activation de la signalisation Notch, qui est un axe de signalisation clé pour la régénération tissulaire 20. Ainsi, les régimes β-HB et cétogènes peuvent être considérés comme des médiateurs importants à potentiel régénérateur qui ont également la capacité de retarder les phénotypes associés au vieillissement.
Cancers
Le vieillissement est le facteur de risque le plus important dans le développement du cancer, qui est l’une des principales causes de mortalité humaine21. Les cellules cancéreuses ont des altérations importantes du métabolisme, entraînant une augmentation des niveaux d’espèces réactives de l’oxygène dérivées des mitochondries (ROS), telles que O2- et H2O2. Les cellules cancéreuses préfèrent passer à la glycolyse aérobie, connue sous le nom d’effet Warburg, pour compenser le dysfonctionnement mitochondrial induit par l’augmentation des niveaux de ROS 22. Ainsi, l’abaissement de la disponibilité du glucose aux cellules cancéreuses offre une option thérapeutique. Une étude récente suggère qu’un régime cétogène améliore la réponse thérapeutique des cellules cancéreuses grâce au stress oxydatif métabolique sélectif 23. D’autres études chez l’animal soutiennent qu’un régime cétogène inhibe la progression de la tumeur primaire24 ainsi que des métastases systémiques25,26. L’apport chronique d’un régime occidental riche en glucides entraîne des niveaux élevés d’insuline et de facteur de croissance analogue à l’insuline (IGF-1), favorisant la prolifération des cellules tumorales27. En outre, il a été rapporté que les cellules cancéreuses augmentaient leur dépendance au glucose dans le sang en réponse à la demande de croissance cellulaire rapide, et d’autres études ont suggéré que le glucose pouvait avoir un effet direct ou indirect sur la prolifération des cellules tumorales. Des régimes cétogènes limités en glucides et enrichis en graisses ont été rapportés à plusieurs reprises pour supprimer le cancer du sein28. De plus, des corps cétoniques utilisés comme source de carburant ont été rapportés pour supprimer la prolifération des cellules cancéreuses. En particulier, les chercheurs ont souligné une incidence plus élevée du cancer du sein chez les personnes atteintes de diabète et d’obésité, confirmant qu’un régime pauvre en glucides peut limiter la croissance tumorale.29. Ainsi, compte tenu de l’impact des glucides dans la promotion du cancer du sein, le régime cétogène a le potentiel de contrôler ou de réduire le risque de développer un cancer du sein. D’autres études ont également rapporté qu’un régime cétogène peut être particulièrement utile dans le traitement du cancer du cerveau30,31, car les patients atteints de la forme de cancer du cerveau la plus courante et la plus agressive, le glioblastome multiforme, ont montré une amélioration significative suite à l’adoption d’un régime cétogène32. Bien qu’il puisse ne pas affecter de manière significative la progression de la maladie dans les cancers avancés et terminaux, un régime cétogène est sans danger et a le potentiel d’améliorer la qualité de vie des patients cancéreux en association avec la radiothérapie ou d’autres traitements anticancéreux vérifiés33,34. Les preuves ci-dessus suggèrent que ces thérapies devraient être étudiées plus avant pour explorer les cétones en tant que traitements adjuvants potentiels avec une toxicité minimale.
Troubles neurologiques
À mesure que l’espérance de vie augmente pour la population, beaucoup plus de personnes âgées souffrent de troubles neurologiques, tels que l’épilepsie et la démentie35. Des résultats récents ont montré que les patients épileptiques présentent un risque plus élevé de démence, en particulier la maladie d’Alzheimer 36. Une activité cérébrale excessive chez les patients épileptiques provoque des crises. Les médicaments contre les crises ne sont efficaces que pour certains patients épileptiques, tandis que d’autres ne réagissent pas aux médicaments ou ne ressentent pas d’effets secondaires. Selon de nombreux rapports, un régime cétogène avec un apport riche en graisses et en glucides entraîne une amélioration significative chez les enfants épileptiques intraitables. Le régime cétogène en tant que traitement principal a réduit de plus de moitié les crises d’épilepsie et a donc été utilisé dans le monde entier pour l’épilepsie pédiatrique incurable37,38. En outre, d’autres rapports ont documenté des améliorations de l’épilepsie ainsi que d’autres maladies neurologiques chez les patients qui suivent un régime cétogène39,40. Fait intéressant, il a été rapporté que les cétones modifiaient le microbiote intestinal pour prévenir les convulsions et les convulsions tonico-cloniques spontanées par modulation des ratios GABA/glutamate de l’hippocampe41.
La maladie d’Alzheimer est la maladie neurodégénérative associée à l’âge la plus fréquente et nécessite une stratégie thérapeutique efficace en raison de son fardeau socio-économique croissant. Le vieillissement périphérique causé par l’inflammation, l’asymétrie des cellules immunitaires, la sénescence et l’infection favorise davantage l’incidence et la progression de la maladie d’Alzheimer 42. Cette maladie évolutive se caractérise par des enchevêtrements dans le cerveau et une accumulation de plaques β-amyloïdes, marqueurs connus de la maladie d’Alzheimer et susceptibles d’altérer la mémoire. Des études chez l’animal ont montré que le β-HB peut potentiellement réduire les plaques amyloïdes et, par conséquent, des mécanismes permettant d’augmenter les niveaux de β-HB dans le sang via un régime cétogène, une supplémentation en KEs ou en huile de triglycérides à chaîne moyenne (MCT) sont potentiellement pertinents pour le traitement de la maladie d’Alzheimer. De plus, il a été démontré que l’augmentation des taux de cétones résultant d’une manipulation alimentaire avec de l’huile KEs ou MCT améliorait certains symptômes de la maladie d’alzheimer43,44,45,46,47.
Pour évaluer l’effet du régime cétogène sur les performances motrices, deux lignées de souris transgéniques, des souris APP/PS1 (modèle de dépôt amyloïde) et des souris Tg4510 (modèle de dépôt tau), ont été utilisées44. Les souris modèles nourries avec un régime cétogène pendant trois mois ont montré des performances significativement meilleures sur les tests comportementaux des rotarodes que celles du groupe témoin indépendamment du génotype. Les données démontrent que les régimes cétogènes peuvent jouer un rôle important dans l’amélioration des performances motrices chez les modèles murins44.
La maladie de Parkinson est une maladie neurodégénérative caractérisée par la perte de neurones dopaminergiques nigrostriataux accompagnée d’une déficience respiratoire mitochondriale48. Les régimes cétogènes sont à l’étude comme thérapies complémentaires potentielles pour la maladie de Parkinson en raison de leurs effets protecteurs sur le cerveau et le système nerveux, comme décrit pour la maladie d’Alzheimer et l’épilepsie. Il a été démontré que les régimes cétogènes protègent les neurones de la substance noire contre la neurotoxicité de la 6-hydroxydopamine chez les modèles animaux de rat48. La 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) est une neurotoxine qui provoque une neurodégénérescence dopaminergique et une carence mitochondriale rappelant la maladie de Parkinson. Dans un modèle de maladie de Parkinson murine induite par le MPTP, la neurodégénérescence dopaminergique causée par le MPTP était partiellement protégée par une infusion de corps cétoniques. L’injection de β-HB chez la souris a conféré une protection partielle contre la neurodégénérescence dopaminergique et le déficit moteur induits par MPTP49. Ainsi, l’infusion de corps cétoniques ou l’adoption d’un régime cétogène protègent contre les lésions nerveuses et améliorent la fonction motrice dans les modèles animaux de parkinson48,49, suggérant une exploration plus poussée du potentiel de tels traitements pour les patients atteints de la maladie de parkinson48,49.
Maladie cardiovasculaire
L’obésité est associée à une maladie cardiovasculaire et entraîne des complications métaboliques, telles que la résistance à l’insuline50. Il a été rapporté que les régimes cétogènes réduisent le poids plus efficacement que la restriction calorique pure ou un régime faible en gras 51,52,53. En plus de la perte de poids, les régimes cétogènes diminuent les taux de triglycérides, de cholestérol LDL et de glucose sanguin et augmentent les taux de cholestérol hdl52,54. Un autre avantage est que ce type de régime aide l’individu à se sentir moins affamé, et les effets inhibiteurs de la cétose peuvent également aider les individus à consommer moins de calories55. Des régimes cétogènes à faible teneur en glucides sont souvent pratiqués pour perdre ou maintenir du poids, mais les effets métaboliques d’une exposition prolongée à ce type de régime restent controversés, car l’apport prolongé d’un régime cétogène réduit la sensibilité à l’insuline et altère la tolérance au glucose.56. Ces résultats peuvent rapidement inverser les effets de l’obésité. Par conséquent, un régime cétogène intermittent est considéré comme efficace pour réduire l’obésité.
Le syndrome métabolique, y compris l’intolérance au glucose et le diabète de type 2, est associé au viage57. Il a été démontré qu’un régime cétogène améliore le contrôle glycémique et les complications diabétiques chez les patients atteints de diabète de type 1 et de type 2. Ces patients ont pu arrêter ou réduire leurs médicaments contre le diabète en mangeant des cétones, en réduisant le poids et en réduisant les triglycérides et la pression sanguine58,59,60. Chez le rat, le maintien d’un régime cétogène pendant 8 semaines a diminué la sensibilité à l’insuline périphérique et a altéré la tolérance au glucose; cependant, un retour à un régime alimentaire normal après un régime cétogène a entraîné une inversion spectaculaire de ces effets. Ainsi, le maintien à long terme d’un régime cétogène affecte négativement l’homéostasie du glucose, mais cet effet peut être rapidement inversé à l’arrêt d’un régime cétogène56. Ainsi, on peut supposer que la consommation directe de corps cétoniques, en particulier de β-HB, est un moyen plus efficace de contrôler le syndrome métabolique.
La stéatose hépatique non alcoolique (NAFLD), également fréquente chez les personnes âgées, est étroitement liée au diabète de type 2, au syndrome métabolique et à l’obésité. Les personnes atteintes de NAFLD présentent un excès de triglycérides intrahépatiques. Un régime cétogène a réduit de manière significative les triglycérides hépatiques chez les sujets atteints de NAFLD par rapport à une restriction calorique61, et un autre rapport a démontré une amélioration de la NAFLD chez les patients ayant adopté un régime cétogène62,63.
Cibles moléculaires du β-HB
Le bénéfice du régime cétogène est maintenant bien compris par un soutien scientifique croissant. Étant plus qu’un simple métabolite, le β-HB a la capacité de déclencher et de contrôler une variété d’événements de signalisation ayant des implications pour de nombreuses maladies métaboliques. Cependant, il a un large spectre de cibles au niveau moléculaire, et les principales cibles moléculaires sont l’inflammasome NLRP3, les protéines de liaison à l’ARN et les récepteurs couplés aux protéines G (Fig. 3). De plus, le β-HB a également été identifié comme un modificateur épigénétique pouvant cibler l’ADN et les histones. Par exemple, la β-HB est un inhibiteur endogène de nombreuses désacétylases protéiques (HDAC) et un modulateur de β-hydroxybutyrylation (Fig. 3), qui est un nouveau type de mécanisme de régulation épigénétique. Ainsi, une compréhension claire des associations entre le métabolisme du β-HB et l’épigénétique fournirait un moyen de développer de nouvelles interventions pharmacologiques pour l’amélioration de diverses conditions pathologiques.
Histones désacétylases
L’augmentation de la β-HB par jeûne ou restriction calorique a entraîné une acétylation globale des histones chez la souris par inhibition des histones désacétylases de classe I (HDAC1, 2, 3 et 8), également appelées sirtuines et comprenant une famille de protéines qui régulent l’âge expression génique 64,65. L’inhibition des HDAC par le β-HB a régulé à la hausse l’expression des gènes Foxo3a et MT2 qui codent pour les facteurs de résistance au stress oxydatif65. De plus, le β-HB a empêché la rétraction du processus microglial et les comportements de type dépressif par inhibition de l’HDAC. la ramification induite par le β-HB et l’activation de l’Akt dans la microglie ont abrogé l’activité HDAC, entraînant une réduction supplémentaire de la neuroinflammation dans la microglie 66. Le butyrate est un acide carboxylique à chaîne courte produit dans l’intestin. Des études récentes ont rapporté que le butyrate similaire structurellement et fonctionnellement inhibe le HDAC plus efficacement que le β-HB. Dans les modèles de rongeurs, la supplémentation en butyrate induit l’expression de gènes métaboliquement importants qui peuvent améliorer la sensibilité à l’insuline liée à une dépense énergétique augmentée67. Cela inclut le coactivateur gamma du récepteur activé par les proliférateurs de peroxysomes 1-alpha (PGC1-α), la carnitine palmitoyltransférase 1B (CPT1b), les sirtuines mitochondriales, la superoxyde dismutase 2 (SOD2) et la catalase68.
Récepteurs couplés aux protéines G
il a été rapporté que le β-HB se lie directement au récepteur de l’acide hydroxycarboxylique 2 (HCA2). HCA2 est un récepteur couplé aux protéines G à haute affinité (GPCR), qui est un récepteur de l’acide nicotinique avec une concentration efficace demi-maximale (CE50) de 0,7 mM69. Comme GSK256073, un agoniste sélectif de HCA2, abaisse les taux de FFA par inhibition de la lipolyse et du glucose chez les diabètes de type 270, le β-HB peut également réduire les taux de FFA et de glucose par action en tant qu’agoniste de HCA2 pour inhiber l’activité athérogène.
L’expression de HCA2 n’est pas limitée dans les adipocytes, mais elle est également exprimée sur les neutrophiles et les macrophages résidents ainsi que dans le cerveau. Dans un modèle d’AVC, il a été identifié que HCA2 est nécessaire à l’effet neuroprotecteur du β-HB et du régime cétogène, car cet effet est perdu chez les souris HCA2−/−. De plus, l’activation de HCA2 induite par l’alimentation cétogène est connue pour délivrer des signaux neuroprotecteurs par infiltration non inflammatoire de macrophages dans le cerveau ischémique. la β-HB, via son activité agoniste HCA2, a induit un phénotype neuroprotecteur, car les monocytes et les macrophages dépendent de la production de prostaglandine D2 (PGD2) par la cyclooxygénase 1 (COX1) et la synthèse hématopoïétique de PGD271. Mécaniquement, PGD2 libéré par les monocytes et les macrophages médie l’effet neuroprotecteur de HCA2 en résolvant l’inflammation et en inhibant la kinase IkB (IKK) et la NF-kB, qui sont des acteurs clés des lésions cérébrales ischémiques.
Un autre récepteur du β-HB est le récepteur FFA 3 (FFAR3, GPR41), qui contrôle la dépense énergétique du corps pour maintenir l’homéostasie métabolique. Activé par les acides gras à chaîne courte (AGCC) et le β-HB qui est produit par le foie lors de la famine, ce récepteur inhibe les canaux calciques de type N et module l’activité des neurones sympathiques à travers une cascade de signalisation impliquant les sous-unités β et γ de sa protéine G couplée phospholipase C (PLC) et MAP kinases, telles que ERK. Par conséquent, ce facteur peut réguler la dépense énergétique grâce à ses effets sur le contrôle du rythme cardiaque par le système nerveux sympathique. le β-HB a supprimé l’activité du système nerveux sympathique en antagonisant le FFAR3 pendant la famine ou les conditions diabétiques 72.
Protéines de liaison à l’ARN
le β-HB lie directement plusieurs protéines de liaison à l’ARN, y compris la ribonucléoprotéine nucléaire hétérogène A1 (hnRNP A1), la proline et la glutamine riches en facteur d’épissage (SFPQ) et la protéine de liaison à l’ARN FUS/TLS. Le hnRNP A1 est un partenaire de liaison dominant du β-HB dans les cellules vasculaires, telles que les cellules musculaires endothéliales et lisses 15. La régulation à la hausse du β-HB circulant retarde la progression du vieillissement des souris en empêchant la sénescence des cellules vasculaires. De plus, hnRNP A1 a antagonisé la sénescence cellulaire et la SASP via la stabilisation des ARNM Oct4 et Sirt115,73. De plus, une diminution constitutive des taux et des activités de hnRNP A1 ou A2 dans les fibroblastes sénescents s’accompagne typiquement d’une augmentation du taux de l’isoforme p16 (INK4a), qui est un marqueur de vieillissement primaire 74. De plus, le SFPQ et le FUS sont également fortement associés à la maladie neurodégénérative associée à l’âge et à la sclérose latérale amyotrophique75,76.
NLRP3
Bien que de nombreuses études aient indiqué que la restriction calorique ou un régime cétogène réduisait le stress oxydatif et l’inflammation, l’impact d’une réponse immunitaire innée médiée par le β-HB reste mals77. le β-HB supprime l’activation de l’inflammasome de la protéine 3 (NLRP3) contenant des domaines NOD, LRR et pyrine en empêchant l’efflux de K+ et en réduisant la protéine de type speck associée à l’apoptose avec oligomérisation du domaine de recrutement de la caspase (ASC) et formation de speck78. Fait intéressant, le S-β-HB, un énantiomère chiral du β-HB, présente une capacité inhibitrice similaire, mais des molécules structurellement apparentées, telles que l’AcAc, le butyrate et l’acétate, n’inhibent pas l’activité du NLRP378. De plus, l’inhibition de l’inflammasome NLRP3 ne repose pas sur le découplage de la protéine-2 (UCP2), de la sirtuine-2 (SIRT2), du GPCR FFAR3 ou de l’HCAR2, qui ont été décrits comme des molécules cibles de β-HB. Ces observations indiquent que la suppression de l’inflammation par restriction calorique ou par un régime cétogène se produit par une régulation à la hausse du ciblage β-HB de l’inflammasome NRLP378.
β-hydroxybutyrylation
la β-hydroxybutyrylation, un nouveau type de modification des histones, a été rapportée comme marque régulatrice épigénétique enrichie en promoteurs de gènes actives79. Quarante-quatre sites de β-hydroxybutyrylation non redondants sur des résidus d’histone lysine ont été vérifiés dans des cellules humaines et de souris, offrant un aperçu d’une nouvelle marque régulatrice épigénétique qui contrôle l’expression de divers gènes en association avec une restriction calorique ou un régime cétogène79. Cette étude a également vérifié que la β-hydroxybutyrylation est l’une des modifications post-traductionnelles de p53, qui est l’un des suppresseurs de tumeurs les plus étudiés et est également fortement associée à la sénescence et à l’apoptose. il a été démontré que l’activité de p53 était finement ajustée par diverses modifications post-traductionnelles, notamment l’acétylation, la méthylation, la phosphorylation, l’ubiquitination, la sumoylation et la neddylation. la β-hydroxybutyrylation est observée aux sites d’acétylation des lysines 120, 319 et 370 de p53. Puisque la β-hydroxybutyrylation est en concurrence avec l’acétylation sur p53, une augmentation de la β-HB due à une restriction calorique ou à un régime cétogène réduirait l’acétylation de la p53, affectant l’activité de la p5380. De plus, la β-hydroxybutyrylation a été identifiée sur les histones, offrant également un nouveau type de régulation de la chromatine79.
Ces résultats suggèrent que les modifications épigénétiques et posttranslationnelles médiées par le β-HB peuvent jouer un rôle critique dans la régulation de l’expression génique et de la transduction du signal (Fig. 3, 4). Bien que la régulation de la β-hydroxybutyrylation et des enzymes impliquées dans ce processus ne soient pas claires, un rapport récent a démontré que Sirt3 est une enzyme cruciale impliquée dans la dé-β-hydroxybutyrylation de HDAC81. Une caractérisation plus poussée des cibles et des régulateurs de la β-hydroxybutyrylation pourrait offrir une nouvelle approche pour dévoiler les mécanismes moléculaires de la β-HB en association avec la restriction calorique et un régime cétogène.
Perspectives
En plus d’agir comme source d’énergie alternative, le β-HB est également un métabolite puissant qui régule les signaux cellulaires en ciblant diverses biomolécules. le β-HB est une minuscule molécule qui peut facilement traverser les membranes cellulaires et circuler dans tout le corps dans les vaisseaux sanguins, atteignant même le cerveau à travers la barrière hémato-encéphalique (BBB). Cette caractéristique offre un avantage au β-HB par rapport aux autres médicaments existants pour le traitement des maladies neurologiques. De plus, le β-HB réalise également un passage à travers les membranes cellulaires et régule les protéines dans divers organites cellulaires. β-HB affecte les facteurs de signalisation, y compris les RCPG dans le cytoplasme, les histones dans le noyau et les HDACs, hnRNP A1 et p53 dans le cytoplasme. De nombreuses études ont rapporté que le β-HB améliore les maladies neurodégénératives et les maladies cardiovasculaires liées au vieillissement. À ce jour, le régime cétogène a été utilisé pour soulager les symptômes de maladies, telles que le cancer, le syndrome métabolique, les maladies cardiovasculaires et les maladies neurodégénératives, en tant qu’agents thérapeutiques adjuvants. La validation dans des études approfondies supplémentaires établira le β-HB comme une nouvelle option thérapeutique pour ces conditions. De plus, l’utilisation de ce facteur en tant que thérapie nécessite l’optimisation de la dose thérapeutique de β-HB via des études pharmacocinétiques in vivo. Étant donné que les différences individuelles rendent difficile le contrôle des niveaux optimaux de β-HB circulant par restriction calorique ou par un régime cétogène, il est nécessaire de développer des options de traitement ajustables, telles que l’administration de KE. Comme des changements brusques dans la β-HB circulante peuvent perturber l’homéostasie énergétique, l’énantiomère chiral s-β-HB peut offrir une option thérapeutique potentielle, car cette molécule ne peut pas être utilisée comme métabolite énergétique alternatif. De plus, la s-β-HB n’est pas consommée par le système physiologique et la demi-vie de la s-β-HB en circulation est plus longue que celle de la β-HB. Comme la β-HB atténue divers symptômes de maladies associés à l’âge et des phénotypes vieillissants via des mécanismes moléculaires divers et encore inconnus, l’évaluation de la β-HB et / ou de la s-β-HB en tant qu’agent thérapeutique est une approche importante pour le traitement de la population vieillissante.