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近年研究发现,肠道菌群与人体健康息息相关,宿主代谢和免疫过程与肠道菌群之间存在着密切的相互作用。失调的肠道菌群会导致或加重包括代谢性疾病在内的多种疾病。饮食是影响肠道菌群最重要的因素。高膳食纤维饮食可以改善代谢性疾病特别是2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus,T2DM）,然而其作用机制仍不清楚。膳食纤维能够被某些肠道细菌发酵利用,从而可能改变菌群结构。但是,T2DM患者的肠道菌群会对高纤维饮食产生怎样的响应,并通过怎样的机制改善T2DM仍有待进一步研究。本实验室发展了一套高膳食纤维饮食（包括全谷类、中医药食同源食品和益生元,whole grains,traditional Chinese medicinal foods and prebiotics,WTP饮食）,通过调节肠道菌群显著改善肥胖和代谢综合征。为研究肠道菌群与T2DM之间的关系,我们招募T2DM受试者随机分为两组:对照组（U组）受试者服用阿卡波糖;干预组（W组）在阿卡波糖基础上食用WTP膳食,干预3个月。我们发现两种干预方式均能显著改善受试者的糖脂代谢状况,且W组改善幅度更大。利用GC-MS检测,发现两组受试者在干预后粪便乙酸水平均有升高的趋势,而只有W组受试者粪便丁酸水平在干预期间显著升高。干预后只有W组受试者的胰高血糖素样蛋白1（Glucagon-like protein 1,GLP-1）、酪酪肽（peptide YY,PYY）等肠道激素的分泌显著上升。不仅如此,两种干预方式均能显著改善受试者的炎症水平,且W组改善幅度更大。此外,我们还发现干预后W组患者粪便中吲哚和H2S水平显著下降。因此,膳食纤维可能是通过调节肠道中细菌及其产物对宿主代谢产生有利的影响。我们在采用16S rRNA基因测序对肠道菌群结构进行分析后,发现两组受试者菌群多样性均在干预后显著下降。干预前两组受试者的肠道菌群结构无显著差异,干预28天时两组受试者菌群与干预前相比发生显著变化,且两组菌群结构自28天至84天均未再发生显著变化。干预期间两组受试者之间的菌群结构一直存在显著差异。我们利用Random Forest模型筛选出每组干预前后和两组干预后有差异的OTUs,再根据干预前后OTUs丰度的共变化规律,通过SparCC计算出这些关键OTUs之间的相关系数,以此构建网络并划分共变化群（CAG）。发现包含Bifidobacterium属和Lactobacillus属OTUs的CAG2丰度在两种干预后均显著上升,且均与糖脂代谢失调表型负相关。另一方面,以潜在机会致病菌Escherichia/Shigella为主的CAG16、Bacteroides属OTUs为主的CAG17和CAG18丰度在两种干预后均显著下降,并与糖代谢失调指标显著正相关。干预后W组受试者粪便中,富含丁酸盐产生菌的Roseburia属和Lachnospiraceae科OTUs为主的CAG6的丰度显著高于U组,这可能是导致干预后W组患者粪便中丁酸高于U组的因素之一。为进一步研究膳食纤维引起的肠道菌群变化是否与糖代谢改善之间存在因果关系,我们从W组和U组各挑选一名受试者,将他们干预前后菌群分别移植给无菌小鼠。受体小鼠菌群与供体菌群较为接近,说明供体肠道菌群较好地移植给了无菌小鼠。移植W组干预后菌群（MW-Post）组和移植U组干预后菌群（MU-Post）组小鼠的α-多样性明显低于移植各组相应的干预前菌群（MW-Pre和MU-Pre）组。通过OGTT血糖检测,发现MW-Post和MU-Post组小鼠的血糖曲线下面积（GlucoseAUC）均显著低于MW-Pre和MU-Pre组,且MW-Post组小鼠的GlucoseAUC是所有组中最低的。以上结果印证了临床试验的结果,说明膳食纤维调控的肠道菌群对患者临床指标的改善有贡献。进一步地,采用RT-qPCR分析悉生小鼠参与调节糖代谢的组织功能基因表达,并将它们与糖代谢指标作关联分析。结果显示,MW-Post组小鼠结肠Gcg（编码GLP-1生成）表达显著低于MW-Pre组小鼠,且所有小鼠Gcg的表达与GlucoseAUC显著正相关,这一结果与人群试验不一致,考虑这可能与无菌小鼠存在着GLP-1抵抗,移植经过膳食纤维改善菌群的MW-Post组小鼠GLP-1敏感性显著高于移植失调菌群的MW-Pre组有关。MW-Post组小鼠结肠组织Sqr（编码硫化物:醌氧化还原酶）表达有高于MW-Pre组小鼠的趋势,Sqr表达与GlucoseAUC负相关。提示MW-Post组小鼠菌群可能促进宿主结肠氧化降解H2S。MW-Post组小鼠宫旁脂肪垫Slc2a4（编码GLUT4蛋白）的表达显著高于MW-Pre组,宫旁脂肪垫Slc2a4表达与GlucoseAUC显著负相关,提示高纤维饮食干预后的肠道菌群可能还通过增加脂肪细胞对血液葡萄糖的摄取来改善宿主糖代谢。最后,发现经Random Forest模型筛选出的关键OTUs中绝大部分都与结肠Gcg和Sqr、宫旁脂肪垫Slc2a4的表达以及GlucoseAUC密切相关。综上所述,本研究通过采用高膳食纤维饮食干预T2DM的临床试验及菌群移植试验,提示高纤维饮食干预能富集SCFAs产生菌,引起肠道中SCFAs的水平升高,刺激肠道细胞分泌更多的GLP-1,升高胰岛素水平,降低炎症和H2S水平,从而改善T2DM。另一方面,菌群移植试验结果还显示,膳食纤维还可能通过调节肠道菌群来促进肠道细胞对H2S的降解以及促进脂肪细胞摄取葡萄糖来调节宿主糖代谢。而第二个方面的结论尚有待更多实验进行验证。本研究将为进一步理解肠道菌群失调或改善参与T2DM发生发展或改善的机制,完善以肠道菌群为靶点的膳食干预方案提供理论依据。