成骨不全症骨骼特征与治疗策略研究进展

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Bone in osteogenesis imperfecta: features and therapy

　　

成骨不全症（osteogenesis imperfecta，OI）是一组异质性遗传性骨发育不良疾病，以低骨量和骨脆性为特征，并可能发生骨折。OI既往被认为是一种主要由编码Ⅰ型胶原的基因（COL1A1和COL1A2）突变所致的遗传性疾病。近年来的进一步研究已鉴定出胶原相关基因的新突变，从而识别并分类了不同类型的OI。治疗策略主要集中在使用双膦酸盐（bisphosphonates）和/或单克隆抗体（monoclonal antibodies）作为优选疗法，但针对细胞治疗和基因治疗的不同临床试验正在进行中，这些为OI患者提供了新的选择。

引言

成骨不全症（OI）是一组异质性遗传性骨发育不良疾病，又称“脆骨病”，为罕见病，发病率约为1/15,000–20,000。该病以低骨量和骨脆性为特征，伴随全身结缔组织紊乱所致的骨骼畸形及潜在骨折风险。OI骨折发生率在儿童期达高峰，中年期下降，但仍高于普通人群，老年期骨折风险再次上升。绝经后女性及55岁以上男性OI患者的骨折率为非OI个体的4.9至8.0倍。其他特征包括蓝色巩膜、听力丧失、错颌畸形、牙本质发育不全、心脏瓣膜异常、肺功能改变、韧带松弛及肌无力。自20世纪80年代初，OI被确认主要由编码Ⅰ型胶原的COL1A1和COL1A2基因突变所致。近年研究鉴定出更多胶原相关基因突变，形成“Sillence分类”并更新为遗传学分类，因此OI的确诊需依赖基因检测。

纤维发生

骨与机体细胞外基质中的主要蛋白为Ⅰ型胶原，其前体为Ⅰ型前胶原异三聚体，由两条pro-α1链和一条pro-α2链组装而成，在内质网（ER）中合成，经脯氨酰-4-羟化酶1（P4H1）和赖氨酰羟化酶（LH1）催化脯氨酸和赖氨酸的翻译后修饰。ER驻留的脯氨酰3-羟化复合物（由P3H1、CRTAP和PPIB组成）负责羟化P896氨基酸，对前胶原链排列至关重要。分子伴侣HSP47与FKBP10协同，介导前胶原从ER向高尔基体的转运；KDEL受体2通过逆转运参与ER驻留蛋白的回收。Ca²⁺对翻译后修饰至关重要，ER至胞质的钙流由TRIC-B和IP3R调控，TRIC-B还正向影响线粒体融合与分裂。OASIS为重要转录因子，经S1P和S2P切割后其N端进入细胞核激活胶原基因转录，其多聚腺苷酸化由FAM46A支持。CCDC34通过抑制ERK和JNK影响胶原合成。前胶原分泌后经BMP1和ADAMTS-2分别进行C端和N端切割，成熟为Ⅰ型胶原参与基质纤维组装，此过程需SPARC参与。胶原纤维和原纤维通过交联稳定，赖氨酸和羟赖氨酸经赖氨酰氧化酶氧化形成醛赖氨酸和羟醛赖氨酸，进而形成成熟的吡啶诺林和吡咯交联结构。

OI分型

OI包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型（常染色体显性遗传），由COL1A1或COL1A2突变导致胶原合成和结构异常。Ⅰ型患者身高接近正常、蓝色巩膜、迟发性听力丧失；Ⅱ型为围产期致死型；Ⅲ型呈进行性畸形；Ⅳ型骨畸形较Ⅰ型重但较Ⅱ、Ⅲ型轻，且牙本质发育不全更严重。Ⅱ、Ⅲ型长骨皮质组织显示编织骨合成正常但成熟延迟，层状骨呈短而斜向排列的层板。成骨细胞超微结构显示粗面内质网（RER）明显扩张、高尔基体突出且池紊乱，提示储存障碍/应激反应；线粒体肿胀提示细胞凋亡。组织形态计量学显示编织骨细胞多于层状骨。

Ⅴ型OI由IFITM5基因突变（常染色体显性）所致，编码骨限制性干扰素诱导跨膜蛋白样蛋白（BRIL），表现为正常至重度骨骼畸形、放射致密带、桡骨头脱位、骨间膜骨化及可变听力丧失。Ⅵ型OI由SERPINF1基因突变（常染色体隐性）所致，编码色素上皮衍生因子（PEDF），表现为中重度骨骼畸形、鱼鳞样层状骨模式、骨过度矿化伴周围低矿化及破骨细胞增多，血清碱性磷酸酶升高。PEDF为血管生成抑制剂，与胶原Ⅰ结合发挥抑制作用。

Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ型OI（均为常染色体隐性遗传）表现为胶原翻译后修饰异常，涉及ER驻留脯氨酰3-羟化复合物（P3H1、CRTAP、PPIB）。CRTAP突变致Ⅶ型，表现为强肢根性缩短、白色巩膜；P3H1（原LEPRE1）突变致Ⅷ型；PPIB突变致Ⅸ型，表现为严重骨畸形和灰色巩膜。P3H1缺失导致Ⅰ型胶原链过度修饰。

Ⅹ型OI由SERPINH1基因突变所致，编码Serpin H1（HSP47），表现为蓝色巩膜、严重骨骼畸形、腹股沟疝、皮肤异常及牙本质发育不全。Ⅺ型OI由FKBP10基因突变所致，编码FKBP65，表现为正常至灰色巩膜、轻至重度骨骼畸形及进行性关节挛缩。PLOD2基因突变（编码LH2）导致非分类型OI，伴骨骼畸形和关节挛缩。Ⅻ型OI由BMP1基因突变所致，表现为轻至重度骨骼畸形伴脐疝。

ⅩⅢ至ⅩⅧ型OI以成骨细胞活性和分化异常为特征。SP7基因突变（常染色体隐性）致ⅩⅢ型，表现为面部发育不全、骨骼畸形和牙齿萌出延迟。TMEM38B基因突变致ⅩⅣ型，编码TRIC-B，表现为正常至蓝色巩膜和严重骨畸形，TRIC-B缺失导致ER应激及胶原Ⅰ合成和分泌异常。WNT1基因突变致ⅩⅤ型（常染色体显性或隐性），表现为神经系统缺陷、白色巩膜和严重骨骼异常。CREB3L1基因突变致ⅩⅥ型，编码OASIS，表现为严重骨畸形。SPARC基因突变致ⅩⅦ型，表现为严重骨骼改变。MBTPS2基因突变致ⅩⅧ型（X连锁隐性），表现为浅蓝色巩膜、骨骼畸形、胸廓畸形和脊柱侧凸。

2006年后遗传学分类扩展至22型，新增ⅩⅨ至ⅩⅫ型（均常染色体隐性）。ⅩⅨ型由TENT5A基因突变所致，编码FAM46A，表现为致死至严重型OI。ⅩⅩ型由MESD基因突变所致，导致WNT信号破坏。ⅩⅪ型由KDELR2基因突变所致，表现为多发性骨折、身材矮小和胸廓畸形。ⅩⅫ型由CCDC134基因突变所致，表现为身材矮小、多发骨折、骨密度降低、弯曲和wormian骨。2023年PHLDB1双等位基因致病变异被描述为轻症OI，注册为ⅩⅩⅢ型。

OI的其他介质

Schnurri-3为骨形成的负调控因子，其敲除可增加成骨细胞活性并保护骨丢失。在oim/oim OI小鼠模型中，Schnurri-3敲低可挽救骨损伤。免疫细胞在OI中发挥重要作用，OI小鼠T细胞呈活化表型，IFNγ和TNFα分泌升高，Treg细胞减少；移植野生型Treg可改善骨表型。TGFβ信号通路在OI中异常激活，TGFβ与LAP和LTBP形成复合物，其信号通过SMAD2/3介导。胚胎期成骨细胞Smad4消融可重现OI样表型。RANKL/RANK/OPG/NFκB轴在OI中亦异常，OI患者外周血单核细胞中RANKL升高、OPG降低，支持高破骨细胞生成潜能。

骨细胞

OI骨中骨细胞密度增加，骨细胞源性RANKL对OI低骨量有显著贡献。在oim/oim小鼠中，骨细胞条件性敲除RANKL导致小梁骨量显著增加。转录组分析显示Crtap KO和oim/oim模型中大量转录本失调，共同涉及WNT和TGFβ通路。OI患儿骨活检显示骨细胞陷窝密度增加而面积减少。

肌肉与OI

OI患者存在肌力下降、易疲劳、平衡受损等骨骼肌功能缺陷，与肌量减少和肌质下降相关。oim/oim小鼠骨骼肌存在线粒体功能障碍，肌球蛋白重链纤维类型分布异常，Ⅰ型肌纤维减少而Ⅱa型增加。肌生成抑制蛋白（myostatin）和激活素A（activin A）通过结合激活素受体抑制肌肉生长，激活素受体2B抑制治疗在多种OI小鼠模型中显示对骨骼的有益作用。

治疗

目前OI管理指南中，双膦酸盐类药物中奈立膦酸（neridronate）为儿科唯一推荐，其他可用于成人。双膦酸盐通过抑制破骨细胞骨吸收并促进其凋亡，增加骨密度（BMD）、减轻疼痛并增强肌力。地舒单抗（denosumab）为靶向RANKL的单克隆抗体，可显著增加OI患儿aBMD并改善脊柱形态，但需警惕反跳性高钙血症。抗硬骨素抗体在OI小鼠模型中改善骨质量，成人OI中可增加骨量，setrusumab在2b期ASTEROID试验中显示剂量依赖性骨形成和骨吸收增加。特立帕肽（teriparatide）为重组人PTH类似物，可增加BMD和骨转换标志物，但近期试验显示其联合唑来膦酸未降低骨折风险。抗TGFβ抗体（fresolimumab）在Ⅰ期研究中改善成人Ⅳ型OI腰椎aBMD。

细胞与基因治疗

OI细胞治疗旨在通过移植健康细胞或沉默突变等位基因改善成骨细胞活性。两项临床研究对重症OI儿童静脉输注组织相容性间充质干细胞（MSCs），显示安全性良好，供体细胞植入、骨参数改善，骨折频率降低80%。BOOST2B试验评估胎儿肝脏来源MSCs多次静脉及骨内给药的安全性和耐受性；BOOSTB4试验评估产前及产后给药治疗重症OI。胎儿MSCs较成人MSCs免疫原性更低、增殖和分化能力更强。基因编辑方面，CRISPR/Cas9系统为最具变革性的基因技术，已成功用于修复OI患者iPSCs中的COL1A1突变，恢复成骨特性，为OI治疗提供新工具。

结论

OI为遗传性疾病，具有多种明确分型，需新方法优化治疗。目前双膦酸盐和/或单克隆抗体、特立帕肽为优选疗法，细胞和基因治疗试验正在进行。OI常规筛查限于产前超声，可于孕14–16周识别围产期致死型；Ⅲ型约18周可识别。有OI家族史者可进行绒毛膜绒毛样本测序及植入前遗传学诊断。Ⅱ、Ⅲ型OI与产前骨折关联最强，Ⅲ型出生时骨折率最高（92.6%），其次为Ⅳ型（50.7%）和Ⅰ型（17.2%）。