成骨不全症诊断与治疗的研究进展

邢川，李春竹综述 何冰审校

成骨不全症(osteogenesis imperfecta,OI)又称脆性骨病，是一种临床上罕见的异质性遗传性结缔组织病，在新生儿中发病率为1/15 000～1/20 000[1]。以骨量低下、骨骼脆性增加、反复骨折、骨畸形和生长缺陷为主要特征。其发病与Ⅰ型胶原编码基因及其代谢相关基因突变有关，导致胶原一级结构及数量、翻译后修饰、折叠、细胞内转运等多种异常。OI常幼年起病, 轻微创伤后反复发生骨折, 严重者在宫内或出生时即骨折, 导致脊柱侧凸、胸廓塌陷、四肢弯曲等畸形, 可因呼吸道感染、胸廓畸形及心脏结构异常引发呼吸、循环系统衰竭。患者还可伴有灰蓝色巩膜、听力下降、牙质发育不全、关节韧带松弛和心脏瓣膜病变等骨骼外表现[2]。OI危害大,致残率及致死率较高, 早期诊治可提高患者的生存质量。

1 成骨不全症的发病机制与分子遗传学

OI的发病机制是由Ⅰ型胶原蛋白编码基因或其代谢相关调控基因突变, 导致Ⅰ型胶原蛋白数量减少或功能异常, 引起骨皮质变薄、 骨小梁纤细或形态异常, 使骨密度与骨强度下降, 反复发生骨折和进行性骨骼畸形, 其遗传模式主要为常染色体显性遗传, 也有少数为常染色体隐性遗传或X染色体遗传[2]。

1.1 常染色体显性遗传的OI 在大多数欧洲血统的患病个体中，OI 是由编码Ⅰ型胶原α1和α2链的COL1A1/2基因杂合突变引起的。Ⅰ型和部分Ⅳ型患者的Ⅰ型前胶原合成约减少50%，通常是由于一个COL1A1等位基因的杂合突变(无义突变，移码突变或剪接位点改变)导致mRNA不稳定或不足[2]。尽管单个细胞的胶原合成减少50%，但这些患者的新骨形成高于平均水平，通过机体代偿，使骨形成单位的数量增加。在北美和欧洲，大多数Ⅱ～Ⅳ型是可遗传的，多数是由于COL1A1或COL1A2等位基因的三螺旋结构域的氨基末端小氨基酸(半胱氨酸、丙氨酸和丝氨酸)取代甘氨酸，少数是由于剪接位点改变，从而出现插入/缺失/复制事件，导致羧基末端前肽编码域中的帧序列改变和杂合突变，扰乱了Ⅰ型胶原多肽的三螺旋组装，负责Ⅰ型胶原翻译后修饰的酶过度加工，从而产生异常的Ⅰ型胶原。突变的Ⅰ型胶原和正常的Ⅰ型胶原链交织在一起产生异常的Ⅰ型胶原蛋白，该蛋白被迅速降解(显性—负效应)[2]。Ⅴ型是由IFITM5的50UTR(非翻译区)(c.-14C>T)的杂合C>T突变所致的。IFITM5编码干扰素诱导的跨膜蛋白5，影响成骨细胞的早期矿化[3]。影响OI发生的因素还包括基因和蛋白质缺陷、内质网应激、基质结构受损及组织矿化异常、细胞—细胞和细胞—基质相互作用异常[2，4-6]。

1.2 常染色体隐性遗传的OI 参与Ⅰ型胶原合成和翻译后修饰的基因隐性突变已在Ⅱ～Ⅳ型中被发现，隐性突变涉及参与编码Ⅰ型胶原生物合成的蛋白质基因，导致胶原3-羟基化复合物的组分缺陷或胶原3-羟基化缺陷，可细分为：(1)编码α1链中P986特定残基的3-脯氨酰羟基化的酶复合物突变，并可能影响CRTAP、LEPRE1、PPIB的链排列和螺旋折叠；(2)影响SERPINH1、FKBP10的胶原三螺旋的质量监查；(3)影响折叠Ⅰ型胶原链的后期加工，即影响骨中Ⅰ型胶原交联的PLOD2、FKBP10的三螺旋端肽中赖氨酸残基的羟基化和BMP1前C肽的裂解[6]。此外，编码成骨细胞特异性转录因子OsterixSP7和编码三聚体细胞内阳离子通道的TMEM38B的隐性突变也已被发现[6-7]。也有报道证实胶原蛋白伴侣HSP47、FKBP65和BiP的缺失或功能障碍可导致隐性遗传的OI[8]。

1.3 X染色体连锁遗传的OI 因基因突变所致的PLS3编码增殖素-3的功能丧失是X-连锁骨质疏松症合并骨折的一种原因。在男性患者中，PLS3的突变与骨质疏松症及儿童时期发生的中轴骨和附肢骨骼的骨质疏松性骨折有关。杂合子女性患者的临床表现各异，可表现为骨密度正常和无骨折，也可表现为早发性骨质疏松。在男性患者中无明显OI的骨骼外特征，只有不足50%的患者具有颅骨和巩膜的特征性改变，如Wormian颅骨，患者儿时巩膜呈灰蓝色，成年后逐渐变为正常[9]。

2 成骨不全症的诊断与临床表现

OI的临床诊断主要依据疾病的临床表现和影像特点, 包括自幼反复出现脆性骨折史、蓝色巩膜、听力下降、骨折家族史和骨骼X线影像特征。还应注意排除软骨发育不全、佝偻病、Fanconi综合征、骨纤维异样增殖症、低磷酸酶血症、肿瘤相关骨病和关节活动过度综合征等多种遗传及代谢性骨骼疾病[1]。

2.1 成骨不全症的骨骼表现 OI的主要骨骼表现是骨基质异常和骨强度降低，从而导致骨脆性、骨折风险增加、骨骼畸形和线性生长缺陷。年轻OI患者也常出现轻微创伤后反复骨折、关节松弛和肌张力减弱。同时可伴有长骨弯曲畸形，脊柱侧凸、后凸，基底印迹、胸壁畸形等进行性骨骼畸形[2]。严重者出现活动受限。OI的X线特征包括长骨细长,皮质菲薄,伴或不伴骨折或弯曲；下肢屈侧皮质增厚,骨小梁纤细、消失、显示不清或局限性紊乱；胸、腰椎椎体普遍变扁,呈双凹形或楔样变，后突或侧后突伴胸廓扭曲、塌陷, 还可伴多发肋骨骨折、串珠肋和鸡胸等改变；骨盆多呈三角样变形,髋臼内陷或伴髋内翻；偶有骨痂增生表现[10]。OI胎儿期超声表现为膜状颅骨；肢体短小并呈弓形弯曲，可伴多处自发骨折,骨痂处呈梭形膨大; 亦可出现胸腔变形、狭小,肋骨串珠状改变; 骨回声不均匀性减弱,后方可无声影; 部分孕妇孕晚期可伴有羊水增多[11]。大多数OI患者患有骨质疏松，骨骼的双能X射线吸收测量法和外周定量计算机断层扫描证实患者骨密度显著降低[12]。

2.2 成骨不全症的其他临床表现 一些OI患者还具有灰蓝色巩膜；皮肤和血管脆性增加而出现瘀伤；青壮年进行性听力损害；肺功能进行性损害；牙本质发育不全 (dentinogenesis imperfecta,DI)和身材矮小等特征[13]。听力损害是OI一个常见的次要特征，常为双侧渐进性，伴有混合传导和感觉神经性缺陷，发病年龄为2～40岁，OI患者也可有继发于内耳病变的前庭功能障碍和眩晕[14]。以乳白色牙齿、牙髓腔闭塞、和冠根部连接狭窄的DI是OI的特征性表现，40%～80%的Ⅲ型和Ⅳ型OI儿童乳牙存在DI，更换恒牙时DI有所改善[15]。神经学特征如大头畸形、脑积水、脊髓空洞症和基底动脉凹陷也与OI有关[16]。身材矮小也是OI的主要特征之一，尽管大多数OI患儿生长激素正常，然而大约1/2患儿对IGF-I刺激试验反应迟钝。鉴于OI的软骨—骨性表现，推测OI的矮小身材可能与软骨向骨转变的异常有关[17]。

3 成骨不全症的临床分型

Sillence等[18]于1979年根据患者的临床特征将OI分为Ⅰ～Ⅴ型。Ⅰ型是最轻的表型，其特点是骨脆性增加，存在骨量低、蓝灰色巩膜和青壮年进行性传导性听力丧失。患者有轻微的骨畸形，长骨或脊柱畸形不常见，通常表现为特发性脊柱侧凸, 身高接近正常，很少有DI。合并DI的患者有更高的骨折频率、更严重的矮小身材和骨骼畸形[19]。超过50%的OI Ⅰ型患者存在传导性和感觉神经损失导致的听力损害，且通常发生于40岁之前，部分患者可有眩晕，接近100%患者有蓝灰色巩膜，临床骨折的频率仅为90%～95%[18]。Ⅱ型是最严重的围产期致命性表型，约20%是死胎，其中90%胎儿在妊娠4周时死亡[20]。最常见的死亡原因是呼吸衰竭，与小胸、肋骨骨折、肺炎和肺组织胶原异常有关[21]。在孕18～20周时可检测到胎儿长骨短而皱缩，长骨弯曲或成角畸形，面骨和颅骨存在骨质疏松，常伴有宫内生长受限，平均出生身长和体质量低于正常，少数Ⅱ型患儿还存在脑移行性缺陷或白质改变[20]。Ⅲ型是最严重的非致命性表型，患者表现为骨脆性增加和多发性骨折导致的进行性骨骼畸形。患儿出生体质量通常正常，但由于下肢畸形，出生时身长略低于正常。所有患儿的纵向生长都较差。进行性椎体压迫和脊柱侧凸在儿童时期出现并进展到青春期。约50%在股骨骨骺处有“爆米花”样改变。伴或不伴有蓝灰色巩膜和DI，成人患者中可有听力损害[22]。约2/3患者在20岁左右因骨骼胸壁畸形引起的脊柱后凸，肺动脉高压和心肺衰竭等并发症而死亡[20]。Ⅳ型具有广泛的表型范围，严重程度介于Ⅰ和Ⅲ型之间。患者有反复骨折，骨质疏松症和不同程度的长骨和脊柱畸形，巩膜在出生时可能呈蓝灰色，但蓝色色调在儿童时期逐渐消退,听力障碍并不常见,可因基底压痕伴后颅窝底板升高而出现后颅窝压迫综合征[23]。Ⅴ型是具有骨间膜钙化的表型，导致旋前和旋后受限、桡骨头脱位。患者巩膜呈白色，无DI，受累肌腱具有较高的血清碱性磷酸酶，在骨折或骨科手术后发生增生性骨痂的风险增加[24]。

4 成骨不全症的相关并发症

OI所致的心脏和肺部并发症，如反复发作的呼吸道感染、瓣膜病和肺心病所致的右心衰竭，是导致OI死亡最常见的原因，是继发于脊柱侧凸、肋骨骨折或胸廓畸形等的骨骼改变。脊柱侧凸超过60°的OI患者肺功能显著下降，Ⅲ型的特征是胸廓畸形和呼吸肌协调性下降，导致胸壁和胸腔扭曲和无效呼吸；Ⅳ型的特征是呼吸功能降低[21]。异常胶原可能是Ⅱ型致死性OI合并肺发育不全患者的直接死因[25]。OI的心血管表现包括瓣膜功能不全、主动脉根部扩张、房间隔缺损、间隔和左心室后壁增厚。OI中的右心衰竭(肺心病)是肺功能不全的晚期表现[26]。主动脉根部扩张是OI最常见的瓣膜表现,但主动脉瓣反流的主要原因是瓣膜结构异常而不是根部扩张。心电图与心脏彩色超声发现无症状OI患者中瓣膜反流占95%，三尖瓣和二尖瓣反流伴或不伴主动脉瓣反流占60%，并有舒张功能受损，这可能是由于突变胶原所致的心肌组织较硬引起[27]。

5 成骨不全症的治疗

改善行动能力，实现自我照顾，功能独立和提高生活质量是OI治疗的目标。这些治疗基于多学科的合作，其中包括骨折和畸形的稳定与矫形治疗、肌肉强化和运动的康复治疗、骨骼重建药物治疗[28]。

5.1 骨折和畸形的稳定与矫形治疗 进行长骨截骨并放置髓内棒，以纠正畸形并防止骨折复发。目前有Fassier-Duval、Baily-Dubow/Sheffield 2种伸缩杆和不可伸缩的Rush钉用于截骨手术后长骨的固定[29]。Fassier-Duval棒具有经皮放置的优点，最大限度地减少创伤，允许在一次手术中治疗多块骨骼，随后进行早期康复,但约15%的截骨术后发生骨不连。连续使用光环牵引可使脊柱侧凸患者的脊柱曲度稳定或减小以改善呼吸功能和疼痛。对于基底骨内陷患者，分流术或枕颈融合减压术可防止后脑突出和脑脊液阻塞所致的压迫[14]。

5.2 肌肉强化和运动康复治疗 OI的物理康复目标是最大限度地提高患者的运动和日常生活能力。OI患儿的康复是个性化的，从而促进力量和运动的增加。参加低阻力体育训练计划的Ⅰ型和Ⅳ型OI患儿在3个月后峰值耗氧量、最大工作能力和肌肉力量得到改善，但在停止训练6个月后，相关改善再次减弱，这表明定期进行正确强度的运动对改善OI患者是必要的[30]。

5.3 骨重建药物治疗

5.3.1 双磷酸盐： 双磷酸盐是临床上OI的主要治疗药物之一，它在矿化的骨基质中可抑制破骨细胞的骨吸收，并增加骨矿物质密度，开始使用双磷酸盐前应充分补充钙和维生素D以增加疗效[31-32]。双磷酸盐可以增加骨小梁数目、皮质厚度和椎体高度并减轻肌肉骨骼疼痛和疲劳，可降低骨折发生率和增加患者的活动能力，但不会逆转OI的严重程度或脊柱侧凸的演变[33]。双磷酸盐不会延迟骨折后的骨愈合，但建议术后2～4个月不输注双磷酸盐[34]。长期使用双磷酸盐可出现累积性微损伤，继发性骨弹性丧失而导致非典型股骨应力性骨折，软骨钙化及老年患者的颌骨骨坏死[35]。双磷酸盐在治疗2～4年后效果减弱，因此间歇性治疗更有益[36]。

5.3.2 重组人甲状旁腺激素： 特立帕替特来源于重组人甲状旁腺激素，可刺激骨形成，增加骨密度，与双磷酸盐联合使用可通过促进骨痂形成，加速成人非典型股骨应力性骨折愈合，但亦增加儿童肿瘤的风险[37]。

5.3.3 生长激素： 虽然成骨不全通常与生长激素缺乏无关，但生长激素治疗可以通过增加OI患儿的骨密度和生长速度而受益。重组生长激素与双磷酸盐联合治疗时，虽然骨折的发生率无差异，但腰椎和腕部骨密度增加[38]。

5.3.4 RANKL抗体： 狄诺塞麦是一种完全人源化的RANKL抗体，可抑制破骨细胞的形成和骨吸收，多用于预防绝经后妇女骨质疏松骨折,它可抑制RANKL，改变RANKL/OPG比值，并减少刺激破骨细胞发育的成骨细胞信号。狄诺塞麦在3～4个月内降解，不会长期积累。在观察期间，狄诺塞麦对纵向骨生长没有影响，但可增加骨密度和活动性，产生显著但可逆的骨吸收抑制[39]。

5.4 分子治疗 骨髓和骨髓间充质干细胞移植是将具有成骨细胞分化潜能的正常间充质干细胞注入受试患者体内，在人和小鼠中均进行了间充质治疗的可行性研究，移植的细胞可以合成比内源性成骨细胞更多的正常基质，改善了骨结构和完整性。另一种方法是等位基因特异性沉默，模拟空的COL1A1等位基因。靶向突变转录物的试剂包括反义寡核苷酸、核酶和siRNA[14]。此外，可通过分子伴侣来解决蛋白质折叠错误[8]。

6 小 结

OI是Ⅰ型胶原编码基因及其代谢相关基因突变, 导致骨骼Ⅰ型胶原数量减少或质量异常, 引起骨质疏松、 反复骨折和进行性骨骼畸形为主的最常见单基因遗传性疾病。早期诊断并对骨折和畸形进行手术治疗，肌肉强化和运动的康复治疗及骨重建药物治疗，可以改善患者的活动能力并提高生活质量。