近日，视觉健康全国重点实验室、温州医科大学附属眼视光医院陈蔚教授、周猛研究员 和中国科学院杭州医学研究所杜媛媛研究员团队合作在Genome Medicine在线发表了题为Spatiotemporal single-cell analysis elucidates the cellular and molecular dynamics of human cornea aging的研究论文。该研究将单细胞RNA测序（ scRNA -seq）和单细胞空间转录组技术（ scStereo -seq）相结合，构建了人类全角膜衰老的高精度时空转录组图谱，系统揭示了角膜细胞异质性、干细胞动态及代谢功能随年龄演变的细胞和分子机制，为角膜组织稳态调控、衰老相关眼病机制解析及再生医学研究提供了重要的理论依据。
角膜是人体中独特且高度有序的透明组织，其细胞活动的精确协调对于维持角膜的透明度和视觉功能至关重要。然而，随着年龄增长，角膜的细胞组成、空间结构以及分子特征发生复杂变化，这些随龄变化尚未被充分解析。这一知识空白在一定程度上限制了我们对角膜衰老及相关疾病的理解，也阻碍了针对老年性角膜疾病的精准干预策略开发。此前，虽然单细胞测序（ scRNA -seq ）等技术已经揭示了人类角膜缘组织中存在的细胞异质性，但传统 scRNA -seq 缺乏空间信息，无法展现细胞在组织中的解剖位置和相互作用。同时，由于不同年龄段的完整供体角膜样本稀缺，研究多依赖动物模型或局部组织，这使我们难以全面了解人类角膜随年龄 的变化。针对这一挑战，新近发展起来的单细胞空间转录组测序技术（如 Stereo-seq ）能够在纳米尺度上解析组织中细胞的空间分布和功能状态。这为深入研究角膜的时空动态提供了前所未有的机遇。
本研究团队收集了 8 例年龄在 33 岁、 50 岁、 68 岁和 88 岁的人类供体角膜（均包含角膜全层及邻近巩膜和结膜组织）。研究者对每例角膜样本同时进行了 10x Genomics 平台的单细胞 RNA 测序以及高分辨率单细胞空间转录组测序（ scStereo -seq ），并结合免疫荧光染色和蛋白质印迹实验对结果加以验证。通过整合这两种单细胞技术，研究绘制出了覆盖角膜上皮、基质和内皮全三层结构、贯穿青年至老年不同阶段的角膜细胞图谱。在该图谱中，不仅鉴定出 19 个主要的细胞簇及其对应的 10 种细胞类型，还展现了 7 个解剖区域的空间基因表达特征。这种时空单细胞数据的结合创新性地填补了单一技术的不足，为我们提供了前所未有的角膜组织全景视图。
研究发现了角膜干细胞（LSCs）亚群动态变化与衰老调控机制。 研究团队在角膜缘区域鉴定出两类角膜干细胞亚群，即静息态LSCs（QLSCs）和激活态LSCs（ALSCs），发现QLSCs的比例在33岁时最高，此后随着年龄增长显著减少，这可能导致角膜自我修复能力的下降。进一步分析发现，在QLSCs中存在一个HIF1α高表达的亚群（HIF1α + QLSCs），其相关基因模块富集了干细胞对低氧、创伤等刺激反应的通路。HIF1α + QLSCs通过增强“血管内皮细胞迁移”相关信号，在维持角膜无血管的微环境中发挥关键作用。这一机制为抑制角膜病理性新生血管提供了潜在靶点。除了干细胞随龄减少外，研究还惊奇地发现随着年龄增长某些激活态干细胞出现补偿性增加：例如一个SLC6A6 + ALSC亚群在老年角膜中比例“逆势”上升，提示其可能作为老化干细胞功能补偿的分子坐标。
研究 揭示 了角膜上皮基底细胞“时空向心迁移”模型。 角膜上皮细胞从周边向中央的“向心性迁移”是已有认识，但本研究通过时空单细胞分析提出了“时空向心迁移”新范式，揭示角膜上皮基底细胞在衰老过程中存在由周边向中央持续迁移的动态轨迹。研究发现三类基底细胞亚群中，NTRK2 + 基底细胞在老年角膜中央显著富集，而另一亚群KRT15 + 基底细胞主要分布于角膜周边。这一现象在人源数据和小鼠模型中均得到验证：老年角膜中NTRK2蛋白表达较年轻显著增加，且呈现由外围向中央扩张的趋势。进一步分析揭示NTRK2 + 基底细胞中THBS1基因高度表达，并构成了以THBS1为“枢纽”的基因网络模块，涉及细胞黏附和迁移等功能。相比THBS1阴性的NTRK2 + 细胞，THBS1阳性的NTRK2 + 基底细胞表现出更高的黏附和分化相关基因表达，且在组织空间上更贴近角膜上皮表层细胞。由此提出NTRK2 + -THBS1通路作为调控老年角膜上皮基底细胞向心迁移和功能状态的重要轴线。 这一发现为深入理解角膜上皮衰老机制以及干预老年性角膜上皮再生障碍指明了新的方向。
研究还 观察到了 角膜内皮区域功能异质性与代谢特征随龄变化。 研究将角膜内皮按空间位置划分为周边和中央两部分，发现周边内皮细胞具有显著更高的氧化磷酸化水平和离子泵（Na + /K + -ATPase）转运活性，是角膜中代谢最活跃的区域。具体而言，周边内皮富集表达与线粒体呼吸、ATP合成耦联质子转运和钙离子反应等相关基因，而中央内皮细胞更倾向于激活糖酵解抑制等通路。这些结果表明角膜内皮在不同解剖区域存在功能代谢上的异质性差异。值得注意的是，这种代谢活性的区域差异会随着年龄增加而逐渐缩小：老年角膜的中央和周边内皮在代谢能力上的差距减少，提示老年角膜内皮的功能冗余和代偿能力受限。因此，靶向提高角膜内皮的代谢功能有望成为延缓角膜老化的新策略，为老年性角膜内皮失代偿等疾病的防治提供思路。
综上所述，本研究利用单细胞测序与空间转录组相结合的前沿技术，成功构建了全球首个涵盖全年龄跨度的人类角膜单细胞时空图谱。这一突破性研究详细描绘了角膜组织随衰老在细胞组成、干细胞亚群动态和区域功能代谢等方面的变化规律，为理解角膜稳态维持和衰老相关眼病机制提供了宝贵资源和理论支持。同时，这些发现为未来开发针对角膜衰老及相关疾病的精准干预策略提供了新的视角和潜在靶点。
视觉健康全国重点实验室、温州医科大学附属眼视光医院 陈蔚教授、周猛研究员和中国科学院杭州医学研究所杜媛媛 研究员为本文共同通讯作者 ，温州医科大学附属眼视光医院主治医师姜丹博士、，李柯博士，孙一宁博士为共同第一作者。
原文链接：https://doi.org/10.1186/s13073-025-01475-z
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