肥胖影响着全球数百万人。肠道微生物群会影响体脂积聚，但其作用机制仍有待研究。在此，我们通过一项大规模中国人群纵向队列研究，揭示了血清中微生物芳香氨基酸代谢物与体脂积累之间的关联。随后，我们发现4-羟基苯乙酸（4HPAA）及其类似物能有效预防雄性小鼠高脂饮食诱导的肥胖。这些代谢物通过作用于肠黏膜调控免疫反应，进而控制脂质吸收，从而发挥抗肥胖作用。进一步研究发现，T细胞和B细胞并非4HPAA介导的肥胖预防机制的关键因素，而先天淋巴样细胞在其中发挥拮抗作用。这些发现共同揭示了特定微生物代谢物通过免疫调控抑制肥胖的关键机制，阐明了肠道微生物代谢物调控宿主的分子通路。

科学背景与研究现状
肥胖作为全球公共卫生危机，其发病率在过去半个世纪激增（全球超19亿成人超重）。传统病因学聚焦于遗传-环境-行为的相互作用，但肠道微生物组（gut microbiome）作为"第二基因组"的角色日益凸显。过去十年研究证实，肠道菌群通过能量代谢重编程（energy metabolism reprogramming）和免疫稳态调控影响宿主体脂累积，其中短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、次级胆汁酸（secondary bile acids）等代谢产物已被证实参与脂质吸收与炎症反应。

值得注意的是，芳香族氨基酸（aromatic amino acids, AAAs，包含色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸）的微生物代谢网络正成为研究热点。这类分子可转化为神经递质前体（如血清素）和免疫调节物（如吲哚衍生物），形成"肠-脑轴"（gut-brain axis）的关键信号分子。然而，AAAs代谢在肠道局部免疫微环境中的作用机制仍存在知识缺口。现有研究存在三个关键矛盾：(1) 队列研究中特定菌种（如Akkermansia muciniphila）的抗肥胖效应存在人群异质性；(2) 菌群介导的代谢产物调控多聚焦于适应性免疫细胞（adaptive immune cells, 如T/B细胞），而对先天淋巴细胞（innate lymphoid cells, ILCs）这一急速反应部队的关注不足；(3) 代谢组学筛选发现的潜在生物标志物（如4-羟基苯乙酸(4HPAA)）缺乏机制验证。

在此背景下，本研究致力于破解三个核心科学问题：① 特定芳香族代谢物能否跨越相关性研究，被证实为调控肥胖的关键效应分子？② 肠道免疫系统如何介导代谢物对脂质吸收的时空精准调控？ ③ 适应性免疫与先天免疫系统在此过程中是否存在交互作用网络？通过对万人队列的纵向分析结合多组学方法，研究创新性地发现4HPAA等代谢物通过重塑ILC2-Th17免疫轴抑制脂质摄取，这一发现突破了传统"菌群-代谢-能量消耗"的线性认知框架，为开发靶向肠道免疫微环境的代谢性疾病干预策略提供了全新视角。

实验技术方法

关键实验技术与方法总结

1. 人类纵向队列代谢组学研究

(1)技术原理：采用代谢组学与机器学习方法解析血清代谢物谱与体脂的关联性。

(2)核心步骤：

·样本采集：收集大样本中国人群（数据量未明确）的血清、粪便，记录体脂分布（全身、躯干、腹区等）。

·代谢物检测：使用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS） 检测血清中胆汁酸和芳香族氨基酸代谢产物，如4-羟基苯乙酸（4-hydroxyphenylacetic acid, 4HPAA）、5-羟色氨酸等。

·数据分析：通过多元统计模型（如线性回归）计算代谢物与体脂百分比、血脂参数（LDL-C、总胆固醇）的关联性，识别显著负相关的代谢物（如4HPAA）。

2. 小鼠肥胖模型构建与代谢干预

(1)动物模型：雄性C57BL/6J小鼠（n=未明确），分为正常饮食（ND）组与高脂饮食（HFD，脂肪含量未明确）组。

(2)代谢物干预：

·口服给药：在饮水中添加10 mM 4HPAA、1.5 mg/ml 3HPP（3-羟基苯丙酸） 或 4HPP（4-羟基苯丙酸），持续8-12周。

·腹腔注射对照实验：12 mg/kg体重的4HPAA或3HPP，每周2次，避免肠道首过效应。

(3)检测指标：

·H&E染色：取棕色脂肪组织（iBAT）、腹股沟白色脂肪（iWAT） 和附睾白色脂肪（eWAT），评估脂肪细胞肥大程度。

·肝脏油红O染色：量化肝组织脂滴面积，判断脂肪肝严重性。

·体重与体脂：通过核磁共振成像（MRI）或双能X射线吸收法（DEXA）测量体脂百分比。

3. 能量代谢与脂质吸收动态监测

(1)食物摄入量与能量消耗：

·间接热量测定法：代谢笼系统（如CLAMS）检测氧气消耗率（VO2）、二氧化碳产生率（VCO2），计算能量消耗。

(2)粪便热量检测：收集24小时粪便样本，通过弹式热量计测定燃烧释放的热量，量化未吸收的能量。

(3)糖代谢功能测试：

·口服葡萄糖耐受试验（OGTT）：空腹后灌胃2 g/kg葡萄糖，检测0、15、30、60、120分钟血糖。

·胰岛素耐受试验（ITT）：腹腔注射0.75 U/kg胰岛素，监测血糖变化率。

4. 肠道免疫调控机制研究

(1)免疫缺陷小鼠模型：

·Rag2−/−小鼠（缺乏成熟T、B细胞）与Il2rg−/−小鼠（缺失ILC2/3），通过杂交获得Rag2−/− Il2rg−/−双敲除鼠，验证适应性免疫与先天免疫的贡献。

(2)免疫细胞功能分析：

·流式细胞术：标记肠道固有层淋巴细胞（如ILC2、Th17细胞），检测比例变化。

·RNA测序：提取肠道上皮细胞或免疫细胞RNA，分析脂吸收相关基因（如CD36、FABP2）及炎症通路（如IL-17信号）的表达差异。

5. 代谢组学与微生物组整合分析

(1)靶向代谢组学：采用LC-MS定量粪便中4HPAA及相关代谢物（如3HPP、酪醇）。

(2)微生物代谢通路关联：宏基因组测序预测肠道菌群中芳香族氨基酸代谢酶（如酪氨酸转氨酶），通过KEGG数据库注释功能通路。

6. 行为药理学评估

(1)神经行为学测试：

·高架十字迷宫（Elevated Plus Maze）：评估焦虑样行为。

·旷场实验（Open Field Test）：检测运动活性与探索行为。

·Y迷宫自发交替实验：判断工作记忆功能。

关键结果图表

研究问题与假说
肥胖已成为全球性公共卫生挑战，尽管肠道微生物与肥胖的关联被广泛研究，但其分子机制尤其是微生物代谢物如何调控宿主代谢与免疫仍有待阐明。研究者通过大规模人群队列分析发现，血清中微生物芳香族氨基酸（AAA）代谢物，如4-羟基苯乙酸（4HPAA）与体脂百分比呈显著负相关（图1b,c），提示这些代谢物可能在抑制脂肪积累中发挥关键作用。基于此，提出假说：肠道微生物衍生的AAA代谢物可通过调节肠道免疫与代谢稳态，抵抗高脂饮食（HFD）诱导的肥胖。

研究思路与方法
研究首先通过代谢组学与多组学关联分析，定位与肥胖相关的微生物代谢通路（图1a,b），随后采用小鼠HFD模型评估4HPAA及其结构类似物（3HPP、4HPP）对肥胖的干预效果。通过检测体重、脂肪组织病理（图2a-c, 3a-e）、肝脏表型及代谢指标（图3d,e；补充表4）验证代谢物的功效。进一步结合肠道免疫细胞敲除模型（Rag2-/-、Il2rg-/-小鼠）和转录组学手段（图5d,e；Extended Data 3a-f），探究机制层面的免疫调控通路。此外，通过粪便热量测定与能量代谢监测（图4a-e），解析宿主能量吸收与消耗的动态平衡。

结果分析与证据支撑

1.人群队列中微生物AAA代谢物与体脂的关联性
在纵向队列中，血清4HPAA水平与全身及区域体脂百分比显著负相关（图1b,c），且与总胆固醇、低密度脂蛋白水平呈负相关（图1d）；粪便中检测到毫摩尔级4HPAA（Extended Data 2a），提示其可能直接来源于肠道微生物代谢。这一结果为后续实验提供了关键人群数据支持。

2.4HPAA及其类似物有效抑制小鼠肥胖表型
口服4HPAA、3HPP与4HPP显著降低HFD小鼠体重增加（图2a,b）、脂肪占比（图2c）及脂肪细胞肥大（图3a-c），并减轻肝脂肪变性（图3d,e）。实验证明，仅口服（非腹腔注射）代谢物可产生显著保护效应（图5a-c），提示其作用靶点为肠道局部，而非全身循环。代谢组学分析显示，代谢物改变了肠道菌群代谢模式（Extended Data 3e,f），且不影响摄食量（图4a），但显著增加粪便热量排出（图4e），表明其通过抑制肠道脂质吸收发挥作用。

3.肠道免疫调控的机制解析
转录组学显示4HPAA处理后，肠道脂吸收基因表达下调，而B细胞免疫应答相关通路上调。通过免疫缺陷模型发现，T/B细胞并非4HPAA的保护作用所必需，但天然淋巴样细胞（ILCs）与代谢物存在拮抗性互作（Extended Data 6a,b）。这表明4HPAA通过重塑肠道固有免疫细胞功能，调控炎症稳态与脂质代谢，进而抵御肥胖。

总结与科学意义
本研究系统揭示了肠道微生物AAA代谢物（以4HPAA为代表）通过**“肠道免疫-代谢轴”抑制肥胖的分子机制**。其核心贡献在于：（1）从人群数据中锁定关键代谢物，并验证其直接抗肥胖效应；（2）阐明肠道局部免疫微环境（ILCs）的调控枢纽作用；（3）提出微生物代谢物靶向肠道的干预策略。该发现为肥胖个性化治疗提供了基于微生物代谢物的潜在靶点。

延伸问题与展望

1.机制拓展：需解析4HPAA结合的具体肠道受体及下游信号通路（如GPCR或核受体），并明确ILCs亚群（如ILC2/ILC3）的具体角色。

2.转化研究：评估其他人群（如不同饮食背景或遗传风险）中4HPAA的疗效差异，并探索其与现有疗法（如GLP-1激动剂）的协同作用。

3.代谢网络：需厘清AAA代谢物与其他菌群代谢产物（如短链脂肪酸）的交互效应，及对全身能量代谢的影响路径（图1e）。

图1：微生物芳香氨基酸代谢与人体脂肪积累相关。

图2：口服4HPAA、3HPP或4HPP可抑制高脂饮食喂养小鼠的体重增长。

图3：代谢物缓解脂肪细胞肥大与肝脏脂肪变性。

图4：4HPAA和3HPP喂养小鼠的代谢特征。

图5：4HPAA和3HPP靶向肠道以最大化抗肥胖效应。

图6：4HPAA和3HPP预防肥胖的作用不依赖微生物群。

图7：4HPAA治疗减轻结肠上皮慢性炎症。

文章来源：

Zengliang Jiang, Liuqing He, Diyin Li, et al.Human gut microbial aromatic amino acid and related metabolites prevent obesity through intestinal immune control.Nat Metab.2025 Mar 14. doi: 10.1038/s42255-025-01246-5. Online ahead of print.

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