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圆锥角膜（KC）致盲性显著，机制未明。研究人员通过转录组分析、机器学习及体外实验，探究线粒体功能障碍作用，发现 ACSL4 在角膜基质细胞高表达，与单核细胞正相关、嗜酸性粒细胞负相关，为 KC 诊疗提供新方向。
圆锥角膜（Keratoconus, KC）是全球主要的角膜移植适应证之一，其特征为角膜基质变薄、结构破坏及圆锥形前突，严重影响视力。尽管已有研究提示 KC 与线粒体异常相关，但具体机制仍模糊不清。当前，角膜移植作为晚期 KC 的金标准治疗，面临供体短缺、术后并发症等问题，因此深入挖掘 KC 的分子机制、寻找新型治疗靶点迫在眉睫。
为揭开 KC 中线粒体功能障碍的神秘面纱，上海交通大学医学院附属第九人民医院的研究团队开展了一系列研究。他们整合批量和单细胞转录组数据，结合机器学习算法与体外实验验证，系统分析了线粒体相关基因在 KC 中的作用，最终发现 ACSL4（脂酰辅酶 A 合成酶 4）作为关键生物标志物，在 KC 发病中扮演重要角色。该研究成果发表在《Computational and Structural Biotechnology Journal》，为 KC 的机制研究和治疗策略提供了全新视角。
研究人员采用的关键技术方法包括：① 从 GEO 数据库获取 KC 相关批量转录组数据集（GSE77938、GSE151631），结合 MitoMiner 数据库筛选线粒体相关差异表达基因（mDEGs）；② 利用 STRING 数据库构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络，并通过 Cytoscape 可视化；③ 运用 LASSO 回归和 SVM-RFE 等机器学习算法筛选枢纽基因；④ 从 GSA 数据库获取单细胞转录组数据（HRA000728），通过 Seurat 包进行细胞分群和基因表达分析；⑤ 构建基于基质硬度的体外 KC 模型（使用 32 kPa、64 kPa 底物及正常组织培养塑料），通过 qRT-PCR、Western blot 及转录组测序验证基因表达。
3.1 线粒体相关差异基因特征及功能分析
通过分析 GSE77938 数据集，研究人员鉴定出 3436 个差异表达基因（DEGs），其中 104 个为线粒体相关基因（mDEGs）。PPI 网络显示 33 个 mDEGs（如 ACSL4、CYP24A1）具有较高连接度。功能富集分析表明，这些基因主要参与氧化应激、线粒体凋亡改变、铁死亡（ferroptosis）及炎症反应等通路，提示线粒体功能障碍通过多途径驱动 KC 进展。
3.2 机器学习筛选及验证枢纽基因
利用 LASSO 和 SVM-RFE 算法，研究人员从 PPI 网络中筛选出 9 个枢纽基因（CYP24A1、ACSL4、ACADL 等）。SVM 模型在训练集（GSE77938，AUC=0.980）和验证集（GSE151631，AUC=0.857）中均表现出高诊断效能，其中 ACSL4 的 AUC 达 0.971，显示其潜在临床价值。
3.3 单细胞水平枢纽基因表达分析
单细胞转录组分析显示，ACSL4 主要表达于角膜基质细胞（CSCs），而 HELZ2 等基因在角膜上皮细胞（CECs）中高表达。结合 KC 以基质病变为主的特点，ACSL4 被确定为最具潜力的基质特异性生物标志物。
3.4 免疫浸润景观及相关性分析
免疫浸润分析表明，KC 中单核细胞、M2 巨噬细胞等浸润增加，而嗜酸性粒细胞减少。ACSL4 表达与单核细胞呈正相关，与嗜酸性粒细胞呈负相关，提示其可能通过调节免疫微环境参与 KC 发病。
3.5 体外模型验证
在不同基质硬度的体外模型中，ACSL4 表达随硬度降低显著上调，且与机械敏感通路（如 Hippo 通路）相关。功能富集分析显示，基质硬度变化影响炎症、氧化应激及铁死亡等通路，进一步支持 ACSL4 在机械应力诱导的 KC 中的作用。
4. 讨论与结论
本研究首次系统揭示了线粒体功能障碍在 KC 中的核心作用，并证实 ACSL4 通过调控铁死亡、免疫浸润及机械敏感通路驱动疾病进展。ACSL4 作为枢纽基因，不仅是 KC 的潜在诊断标志物，其靶向干预（如调节 YAP/ACSL4 轴）可能为 KC 治疗提供新策略，有望减少对角膜移植的依赖。尽管研究存在缺乏体内实验验证等局限，但其整合多组学与机器学习的方法为眼科疾病研究提供了范例，未来需进一步在临床队列中验证 ACSL4 的价值，并探索其上下游调控机制。
这项研究通过多维度分析，将线粒体功能障碍与 KC 的发病机制紧密相连，为理解 KC 的复杂病理提供了新框架。ACSL4 的发现不仅拓展了对 KC 分子机制的认识，更指向了以调节铁死亡和免疫微环境为核心的创新治疗路径，为全球数千万 KC 患者带来了非手术治疗的希望。
