时空单细胞分析揭示人类角膜衰老的细胞与分子动态

为阐明角膜衰老的时空细胞及分子动态，温州医科大学研究团队利用 scRNA-seq 和 scStereo-seq，对 33-88 岁供体角膜组织展开研究。发现角膜上皮细胞 “时空向心迁移模式” 等，为角膜病理、移植等研究提供新资源。

角膜是维持视觉清晰的重要透明组织，随着年龄增长，其细胞机制的动态平衡会被打破，导致透明度和功能受损。然而，人类角膜的空间、细胞和分子结构以及衰老过程中的细胞间相互作用尚未阐明。传统的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）虽能揭示细胞异质性，但缺乏空间背景，且依赖动物模型或部分组织样本，限制了对角膜衰老的全面理解。因此，深入探究角膜衰老的时空细胞及分子动态，对角膜疾病治疗、移植及再生医学具有重要意义。

为解决上述问题，温州医科大学附属眼视光医院的研究人员开展了相关研究。他们利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）和单细胞空间增强分辨率组学测序（scStereo-seq）技术，对 8 只 33-88 岁供体眼的角膜组织进行分析，并结合免疫荧光染色和蛋白质免疫印迹（Western blotting）验证，首次构建了人类角膜衰老的时空单细胞图谱。该研究成果发表在《Genome Medicine》上。

研究采用的主要关键技术方法包括：scRNA-seq，用于获取角膜组织单细胞转录组数据；scStereo-seq，实现细胞空间定位及功能组织分析；免疫荧光染色，验证细胞亚群及分子表达；Western blotting，检测蛋白表达水平；此外，还运用生物信息学分析如细胞聚类、差异基因分析、基因本体（GO）富集分析等。样本来自温州医科大学眼库的健康供体角膜组织，包含不同年龄男性供体。

时空转录组与细胞类型图谱

通过 scRNA-seq 和 scStereo-seq，研究人员获得 25,604 个单细胞和 132,520 个空间转录组斑点，鉴定出 10 种主要细胞类型，包括角膜上皮细胞、基质细胞、内皮细胞等，并通过空间定位将细胞聚类与解剖区域对应，验证了角膜组织学结构，构建了角膜衰老的时空转录组和细胞类型图谱。

角膜缘干细胞（LSCs）的时空变化

LSCs 分为静止型（QLSCs）和活跃型（ALSCs）。进一步分析发现，ALSCs 可分为 UBE2S+、CLDN4 + 和 SLC6A6 + 三个亚群，分别与细胞增殖、上皮分化和线粒体功能相关。衰老过程中，QLSCs 比例下降，ALSC 亚群比例动态变化。时空分析显示，HIF1A+ QLSCs 靠近角膜缘上皮和血管内皮细胞，与血管内皮细胞相互作用增强，可能在维持角膜无血管状态中起重要作用。

角膜基底细胞的多样性与空间定位

角膜上皮基底细胞分为 KRT15+、NTRK2 + 和 LY6D + 三个亚群。衰老过程中，基底细胞从周边向中央迁移，NTRK2 + 基底细胞在中央角膜占比增加，提出 “时空向心迁移模式”。细胞间通讯分析表明，NTRK2 + 基底细胞通过 THBS1 介导细胞黏附与迁移，其与分化上皮细胞的相互作用随年龄变化。

基质细胞亚群特征

基质细胞分为角膜基质干细胞（CSSCs）、巩膜成纤维细胞、角膜基质细胞和睫状体基质细胞。CSSCs 主要分布于角膜周边，随年龄减少；巩膜和角膜基质细胞表达胶原和细胞外基质（ECM）相关基因，衰老样本中表达增加，提示基质细胞在维持角膜结构和衰老过程中的作用。

角膜内皮细胞的空间、分子与功能异质性

角膜内皮细胞分为周边和中央区域，周边内皮细胞线粒体基因表达更高，氧化磷酸化和离子运输活性更强，代谢更活跃，且随年龄增长，区域功能差异减小。免疫染色验证了内皮细胞代谢活性的空间差异，揭示了内皮细胞衰老与代谢功能变化的关系。

研究结论与意义

该研究首次提供了人类角膜衰老的全面时空图谱，揭示了角膜各细胞类型的时空动态、细胞间相互作用及分子机制。发现角膜上皮细胞 “时空向心迁移模式”，阐明角膜内皮细胞区域代谢异质性，鉴定 LSCs 亚群及其调控因子 HIF1A 的作用。这些发现为理解角膜组织稳态、角膜病理机制、移植供体评估及再生医学策略提供了重要资源，有望推动角膜衰老相关疾病如角膜内皮功能障碍、角膜上皮损伤等的研究与治疗。研究结果为角膜生物学领域奠定了基础，并为开发针对年龄相关性角膜疾病的干预措施提供了新方向。