《Experimental Eye Research》：Combining Single-Cell Data with Machine Learning Uncovers the Molecular Landscape of Keratoconus
编辑推荐：
•整合单细胞RNA测序和批量转录组数据，结合机器学习算法（LASSO和SVM-RFE），系统性地描绘了圆锥角膜（KC）的分子图谱。•通过全面的细胞贡献定量分析，鉴定角膜基质细胞为驱动KC病理进展的主要细胞亚群。•筛选出三种新型诊断生物标志物（KIAA0930、CCDC85B、KL
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整合单细胞RNA测序和批量转录组数据，结合机器学习算法（LASSO和SVM-RFE），系统性地描绘了圆锥角膜（KC）的分子图谱。
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通过全面的细胞贡献定量分析，鉴定角膜基质细胞为驱动KC病理进展的主要细胞亚群。
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筛选出三种新型诊断生物标志物（KIAA0930、CCDC85B、KLHL21），并在兔KC模型中从mRNA和蛋白质水平成功验证。
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KC的特征是CD8+ T细胞浸润和细胞溶解活性升高，这三个核心基因与眼部免疫微环境重塑及关键信号通路（包括ECM-受体相互作用、MAPK、PI3K-Akt和WNT/β-catenin）密切相关。
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拟时序轨迹揭示了KC中角膜基质细胞的异常分化，并预测多种小分子化合物作为KC靶向干预的潜在候选药物。
引言
圆锥角膜（KC）是一种进行性角膜扩张性疾病，其特征为基质变薄和锥形前凸，导致不规则散光和进行性视力损害1。该病通常于青春期发病，并随年龄增长而进展，严重损害患者的视功能和生活质量2, 3。流行病学数据显示全球患病率约为1/2000，并存在显著的种族和地区差异；在亚洲和阿拉伯人群中报告了较高的发病率3, 4, 5。
KC的确切病因尚不完全清楚，但广泛接受的是涉及遗传易感性和环境诱因的多因素模型。在10-20%的病例中观察到家族聚集性6，候选基因研究提示多个位点的突变，包括MMP和TGF-β基因家族成员7, 8。在环境因素中，慢性揉眼、过敏性结膜炎和眼部手术被认为是重要的风险因素9。当前的管理策略包括非手术和手术方式。非手术选择主要为眼镜和隐形眼镜，可提供症状性视力矫正，但随着疾病进展其效果降低10, 11。手术干预包括角膜胶原交联（CXL），早期应用可阻止疾病进展，以及角膜移植术，这是晚期KC的最终治疗方法12, 13。虽然CXL为大多数患者提供了长期稳定性，角膜移植术通常也能获得满意的视力恢复，但移植后患者需要长期监测移植物排斥反应14。建议每6至12个月进行一次常规角膜地形图和生物力学评估以追踪疾病进展，同时进行患者教育，避免剧烈体力活动和眼部创伤，并管理潜在的合并症15, 16。
过去十年中，生物信息学分析、单细胞测序（scRNA-seq）和高通量微阵列工具的持续进展极大地推动了与人类疾病相关的分子特征的挖掘17, 18, 19。批量芯片和单细胞转录组数据集的联合分析使研究人员能够筛选核心候选基因并绘制基因调控网络，为疾病机制和潜在治疗靶点带来新的见解。然而，先前的研究主要依赖于批量组织测序方法。这种混合细胞分析掩盖了单个细胞亚群特有的分子改变。作为强大的分析工具，scRNA-seq实现了细胞异质性的高分辨率解析，并揭示了主导疾病发展的细胞亚群，从而大大提高了筛选诊断分子标志物的准确性。
本研究深入检查了来自GEO数据库的KC相关mRNA表达数据集GSE151631和单细胞数据集GSE285060。经过严格的质量控制和细胞聚类，鉴定角膜基质细胞为主要的疾病相关亚群。利用LASSO回归和SVM-RFE算法，我们确定了KIAA0930、CCDC85B和KLHL21作为潜在的诊断生物标志物。在KC动物模型中，通过RT-qPCR和免疫荧光染色进一步验证了它们的差异表达。此外，我们通过Connectivity Map（cMap）数据库探索了免疫浸润模式、通路富集（GSEA和GSVA）、转录调控网络、拟时序轨迹以及潜在治疗药物预测。我们的研究强调了这三个基因作为早期KC诊断和个体化治疗的潜在生物标志物和治疗靶点的临床意义。
章节片段
单细胞RNA-seq数据的质量控制与数据标准化
为确保所有样本数据的一致性和可靠性，我们剔除了离群样本和检测基因数低于100的低质量细胞。进一步使用DoubletFinder包去除双细胞，最终保留2,215个有效细胞用于后续分析。我们通过小提琴图和散点图可视化了细胞过滤的效果（补充图1A-B）。接下来，我们筛选出2,000个高度可变基因用于下游分析（补充图1C）。
讨论
本研究采用综合生物信息学框架，结合批量RNA-seq、单细胞转录组学和机器学习算法，筛选新的诊断生物标志物并系统地表征KC的分子图谱。通过多维度生物信息学挖掘，我们鉴定了角膜基质细胞为驱动KC发病的核心细胞亚群，并成功筛选出三个关键基因，即KIAA0930、CCDC85B和KLHL21，这些基因显示出良好的...（注：原文在此处截断）
结论
总之，本研究确定了角膜基质细胞是KC发病的关键细胞贡献者，并筛选出三个新基因，KIAA0930、CCDC85B和KLHL21，具有潜在的诊断生物标志物价值。单细胞转录组谱与机器学习的结合为发现复杂眼部疾病中的分子靶点提供了稳健的策略。总的来说，这些发现加深了我们对KC的细胞和分子机制的理解，并为...（注：原文在此处截断）
CRediT作者贡献声明
陈鹏：写作 – 审阅与编辑，监督，概念化。 张杰：正式分析，数据管理。 华霞：写作 – 审阅与编辑，监督，概念化。 韩鹏飞：项目管理，正式分析，数据管理。 陈双双：方法学，调查。 方晓龙：写作 – 初稿，调查，数据管理
伦理声明
本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经中国中鑫华科（天津）生物科技有限公司动物伦理与福利委员会批准。（批准号：ZXHK-DWLL-2025-0170）
披露
方晓龙，无；韩鹏飞，无；陈双双，无；张杰，无；华霞，无；陈鹏，无。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究受山西省卫生健康委员会项目（中国）资助（2025QM029, 2024190），以及湖南省自然科学基金（中国）资助（2026JJ81523）。方晓龙构思并设计了研究。韩鹏飞进行数据分析并撰写了手稿。陈双双和张杰进行了实验并收集样本。华霞和陈鹏审阅并修订了论文。所有作者审阅并认可了最终手稿。
方晓龙|韩鹏飞|陈双双|张杰|华霞|陈鹏
