近日，視覺健康全國重點實驗室、溫州醫科大學附屬眼視光醫院陳蔚教授、周猛研究員 和中國科學院杭州醫學研究所杜媛媛研究員團隊合作在Genome Medicine在線發表了題為Spatiotemporal single-cell analysis elucidates the cellular and molecular dynamics of human cornea aging的研究論文。該研究將單細胞RNA測序（ scRNA -seq）和單細胞空間轉錄組技術（ scStereo -seq）相結合，構建了人類全角膜衰老的高精度時空轉錄組圖譜，系統揭示了角膜細胞異質性、干細胞動態及代謝功能隨年齡演變的細胞和分子機制，為角膜組織穩態調控、衰老相關眼病機制解析及再生醫學研究提供了重要的理論依據。

角膜是人體中獨特且高度有序的透明組織，其細胞活動的精確協調對于維持角膜的透明度和視覺功能至關重要。然而，隨著年齡增長，角膜的細胞組成、空間結構以及分子特征發生復雜變化，這些隨齡變化尚未被充分解析。這一知識空白在一定程度上限制了我們對角膜衰老及相關疾病的理解，也阻礙了針對老年性角膜疾病的精準干預策略開發。此前，雖然單細胞測序（ scRNA -seq ）等技術已經揭示了人類角膜緣組織中存在的細胞異質性，但傳統 scRNA -seq 缺乏空間信息，無法展現細胞在組織中的解剖位置和相互作用。同時，由于不同年齡段的完整供體角膜樣本稀缺，研究多依賴動物模型或局部組織，這使我們難以全面了解人類角膜隨年齡 的變化。針對這一挑戰，新近發展起來的單細胞空間轉錄組測序技術（如 Stereo-seq ）能夠在納米尺度上解析組織中細胞的空間分布和功能狀態。這為深入研究角膜的時空動態提供了前所未有的機遇。

本研究團隊收集了 8 例年齡在 33 歲、 50 歲、 68 歲和 88 歲的人類供體角膜（均包含角膜全層及鄰近鞏膜和結膜組織）。研究者對每例角膜樣本同時進行了 10x Genomics 平臺的單細胞 RNA 測序以及高分辨率單細胞空間轉錄組測序（ scStereo -seq ），并結合免疫熒光染色和蛋白質印跡實驗對結果加以驗證。通過整合這兩種單細胞技術，研究繪制出了覆蓋角膜上皮、基質和內皮全三層結構、貫穿青年至老年不同階段的角膜細胞圖譜。在該圖譜中，不僅鑒定出 19 個主要的細胞簇及其對應的 10 種細胞類型，還展現了 7 個解剖區域的空間基因表達特征。這種時空單細胞數據的結合創新性地填補了單一技術的不足，為我們提供了前所未有的角膜組織全景視圖。

研究發現了角膜干細胞（LSCs）亞群動態變化與衰老調控機制。 研究團隊在角膜緣區域鑒定出兩類角膜干細胞亞群，即靜息態LSCs（QLSCs）和激活態LSCs（ALSCs），發現QLSCs的比例在33歲時最高，此后隨著年齡增長顯著減少，這可能導致角膜自我修復能力的下降。進一步分析發現，在QLSCs中存在一個HIF1α高表達的亞群（HIF1α + QLSCs），其相關基因模塊富集了干細胞對低氧、創傷等刺激反應的通路。HIF1α + QLSCs通過增強“血管內皮細胞遷移”相關信號，在維持角膜無血管的微環境中發揮關鍵作用。這一機制為抑制角膜病理性新生血管提供了潛在靶點。除了干細胞隨齡減少外，研究還驚奇地發現隨著年齡增長某些激活態干細胞出現補償性增加：例如一個SLC6A6 + ALSC亞群在老年角膜中比例“逆勢”上升，提示其可能作為老化干細胞功能補償的分子坐標。

研究 揭示 了角膜上皮基底細胞“時空向心遷移”模型。 角膜上皮細胞從周邊向中央的“向心性遷移”是已有認識，但本研究通過時空單細胞分析提出了“時空向心遷移”新范式，揭示角膜上皮基底細胞在衰老過程中存在由周邊向中央持續遷移的動態軌跡。研究發現三類基底細胞亞群中，NTRK2 + 基底細胞在老年角膜中央顯著富集，而另一亞群KRT15 + 基底細胞主要分布于角膜周邊。這一現象在人源數據和小鼠模型中均得到驗證：老年角膜中NTRK2蛋白表達較年輕顯著增加，且呈現由外圍向中央擴張的趨勢。進一步分析揭示NTRK2 + 基底細胞中THBS1基因高度表達，并構成了以THBS1為“樞紐”的基因網絡模塊，涉及細胞黏附和遷移等功能。相比THBS1陰性的NTRK2 + 細胞，THBS1陽性的NTRK2 + 基底細胞表現出更高的黏附和分化相關基因表達，且在組織空間上更貼近角膜上皮表層細胞。由此提出NTRK2 + -THBS1通路作為調控老年角膜上皮基底細胞向心遷移和功能狀態的重要軸線。 這一發現為深入理解角膜上皮衰老機制以及干預老年性角膜上皮再生障礙指明了新的方向。

研究還 觀察到了 角膜內皮區域功能異質性與代謝特征隨齡變化。 研究將角膜內皮按空間位置劃分為周邊和中央兩部分，發現周邊內皮細胞具有顯著更高的氧化磷酸化水平和離子泵（Na + /K + -ATPase）轉運活性，是角膜中代謝最活躍的區域。具體而言，周邊內皮富集表達與線粒體呼吸、ATP合成耦聯質子轉運和鈣離子反應等相關基因，而中央內皮細胞更傾向于激活糖酵解抑制等通路。這些結果表明角膜內皮在不同解剖區域存在功能代謝上的異質性差異。值得注意的是，這種代謝活性的區域差異會隨著年齡增加而逐漸縮小：老年角膜的中央和周邊內皮在代謝能力上的差距減少，提示老年角膜內皮的功能冗余和代償能力受限。因此，靶向提高角膜內皮的代謝功能有望成為延緩角膜老化的新策略，為老年性角膜內皮失代償等疾病的防治提供思路。

綜上所述，本研究利用單細胞測序與空間轉錄組相結合的前沿技術，成功構建了全球首個涵蓋全年齡跨度的人類角膜單細胞時空圖譜。這一突破性研究詳細描繪了角膜組織隨衰老在細胞組成、干細胞亞群動態和區域功能代謝等方面的變化規律，為理解角膜穩態維持和衰老相關眼病機制提供了寶貴資源和理論支持。同時，這些發現為未來開發針對角膜衰老及相關疾病的精準干預策略提供了新的視角和潛在靶點。

視覺健康全國重點實驗室、溫州醫科大學附屬眼視光醫院 陳蔚教授、周猛研究員和中國科學院杭州醫學研究所杜媛媛 研究員為本文共同通訊作者 ，溫州醫科大學附屬眼視光醫院主治醫師姜丹博士、，李柯博士，孫一寧博士為共同第一作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s13073-025-01475-z

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