成骨不全症轻重不一的原因：国际成骨不全症日

5月6日是经典的罕见病--成骨不全疾病日；近期完善几篇重要文献。

骨骼畸形和骨脆性增加是脆性骨发育不良成骨不全（osteogenesis imperfecta ，OI）的标志。成骨不全的诊断通常取决于家族史和临床表现，其特征是在产前、出生时或儿童早期骨折；基因检测可以确认诊断。成骨不全中约85%是由I型胶原编码基因(COL1A1和COL1A2)的常染色体显性突变引起的，影响胶原的数量或结构。在过去的十年中，在编码参与I型胶原合成、加工、分泌和翻译后修饰的蛋白质的多种基因中，以及在调节骨形成细胞的分化和活性的蛋白质中，出现的隐性(大多数)、显性和X连锁缺陷，也已被证明可导致成骨不全。大量致病基因使疾病的经典分类变得复杂，一种新的基因分类系统开始被广泛使用，但仍有争议。除骨骼外，其他器官的表型表现也有报道，如心血管和肺系统异常、皮肤脆弱、肌肉无力、听力损失和牙本质形成不全。治疗管理包括骨骼异常的外科和内科治疗，以及其他并发症治疗。更多基于基因和细胞治疗以及改变信号通路的创新方法正在研究中，近期有望获得重大进展。

成骨不全

osteogenesis imperfecta，OI

陈康 编译

概述和流行病学

概述

成骨不全--也称为“脆骨病（brittle bone disease）”—属于遗传性骨发育不良表型，但存在遗传异质性【Hum. Mutat. 28, 209–221 (2007)/这篇论文为胶原蛋白突变提供了最佳的基因型-表型相关性】。成骨不全主要临床表现涉及骨骼，但实际上是一种广泛的结缔组织疾病。

成骨不全个体的主要特征是低骨量和骨脆性增加，导致：

• 长骨骨折和脊椎压缩的易感性增加，

• 长骨、肋骨和脊柱畸形，

• 严重的生长缺陷。

一系列相关的次要特征可能存在，包括（图1）：

• 蓝巩膜

• 传导性或感觉性听力损失

• 牙本质形成不全

• 牙齿错合畸形

• 颅底凹陷症（basilar invagination，即导致枕骨大孔变窄的发育畸形)

• 脊柱侧凸

• 肺功能损伤

• 心脏瓣膜异常

• 肌无力

• 韧带松弛。

图1:与成骨不全相关的临床特征

成骨不全患者可表现出一系列次要特征:

• 蓝色巩膜(a)；

• 牙本质发育不全(b),以牙本质发育不良为特征，导致牙齿变弱和变色；

• 肢体畸形(c)；

• 隆突胸畸形(pectus carinatum chest deformity，d；也称为鸽胸)；

• 手指异常弯曲 (clinodactyly，e);

• 脊柱侧凸(f)。

自20世纪80年代初以来，成骨不全就被认为是一种显性遗传性疾病，由编码I型胶原(即COL1A1和COL1A2)的基因突变引起，COL1A1和COL1A2是骨和皮肤细胞外基质的主要成分【Hum. Mutat. 28, 209–221 (2007)/这篇论文为胶原蛋白突变提供了最佳的基因型-表型相关性】。自2006年以来，胶原相关基因的新突变（可有不同的遗传模式）被发现可导致成骨不全【Transl Res. 181, 27–48 (2017)】(表1)。这些新致病基因鉴定导致成骨不全的原始分类系统做出修改（BOX 1；表1): Sillence分类。本文中的成骨不全类型使用表1中概述的遗传分类。

表1 成骨不全的遗传分类

AD，常染色体显性；AR，常染色体隐性；OMIM, 在线孟德尔人遗传数据库(https://www.omim.org); XR，X连锁隐性。

*典型类型的成骨不全，如BOX 2所示。

在大多数患者中可发现致病突变，这为遗传咨询提供基础。了解基因缺陷也增加靶向治疗的前景。此外，大多数新鉴定的突变基因编码的蛋白质，参与以往所不知的对骨骼发育至关重要的途径。例如，脯氨酰3-羟基化(作为骨矿化和血管发育之间的连接途径)和调节膜内蛋白水解(已在对胆固醇代谢的影响中被广泛研究)也影响到骨骼【Lancet 387,1657–1671 (2016)/一篇重要的OI基因型的文献】。由于成骨不全长期以来一直被用作严重骨质减少或骨质疏松症的遗传模型，这些发现开辟了骨研究新领域，在少数尚未发现突变的患者中，也增强了鉴定新致病基因的兴趣。

本文内容主要涉及成骨不全流行病学、遗传学和病理生理学概述，以及诊断和治疗。

BOX 1:成骨不全分类

成骨不全的经典分类，由Sillence等在1979年提出，已经成为标准。SillenceI-IV型成骨不全被认为是典型的成骨不全，是由编码I型胶原(COL1A1和COL1A2)的基因的显性遗传突变引起，分类基于临床表现、影像学特征和遗传模式。

I型:特征为蓝色巩膜，接近正常身高，迟发性听力损失，但没有明显的牙本质形成不全

II型:围产期致死形式

III型:进行性畸形变体

IV型:特征为白色巩膜、身材矮小、骨畸形和牙本质发育不全，比I型严重，但比II型和III型轻

对成骨不全的遗传学理解导致两种新分类途径:一种是更具临床基础的方法，其中新的隐性类型被置于Sillence型临床类型中；另一种是遗传-功能方法，其中Sillence分型I-IV被保留用于COL1A1或COL1A2中的突变，并且新基因被赋予基于突变的额外类型编号。当提到成骨不全类型时，本文使用遗传分类(见表1)。

流行病学

来自欧洲和美国的研究发现，成骨不全的出生患病率为0.3-0.7/10,000新生儿【J.Med.Genet. 23, 328–332 (1986)；Am. J. Med. Genet. A 158A, 1046–1054 (2012)】。这些出生队列分析反映较为严重的成骨不全类型，不包括较轻微的类型，这些轻型患儿在出生后才逐渐表现。一项基于人群的研究使用了丹麦国家患者登记册，发现1997年至2013年间成骨不全的年发病率为1.5/10,000【J. Bone MinER. Res. 31, 2159–2166 (2016)】。在拥有全面医学数据库的国家(如芬兰)进行的人口调查估计，患病率约为0.5/10,000【Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 111, 939–946 (2002)】，大多数人患有表型较轻的I型和IV 型成骨不全(BOX 1；表1)。

因为这些出生队列和人群调查是基于临床发现并倾向于在相互排斥的人群中发现，因此成骨不全的发生率合理估计约为1/10,000人。大多数患者是COL1A1或COL1A2突变的杂合子。据报道，男女之间的患病率没有差异。

成骨不全突变数据库(http://www.le.ac.uk/ge/collagen/)中包含的3,000个突变个体中，约90%是COL1A1或COL1A2中存在突变，其他个体在新鉴定的某个基因中有纯合或双等位基因突变(表1)。然而，主要的测序中心提供了一组与成骨不全相关的致病突变，在中度至重度疾病患者中发现的COL1A1和COL1A2结构突变频率较低。例如，在加拿大蒙特利尔的斯林厄斯医院的598名患者中发现突变，其中77%在COL1A1或COL1A2中有杂合性改变，9%在IFITM5中有单一突变(成骨不全V型)，其余12%在导致成骨不全的其他基因中有纯合性或双等位基因突变【Osteoporos Int.27, 3607–3613 (2016)】。致死性胶原蛋白突变在该人群中可能代表性不足。

在具有高亲缘关系或高携带者数量的人群中，成骨不全的发生率高于远亲人群【Bone 31,12–18 (2002)；Genet. Med. 14, 543–551 (2012)；Am. J. Med. Genet. A 167A, 2065–2074 (2015)】。例如，在美国的非裔美国人中，P3H1(以前命名为LEPRE1；编码脯氨酰3-羟化酶1)携带者频率约为1/240【Genet. Med. 14, 543–551 (2012)】。这种所谓的西非等位基因（West African allele）的纯合性占该人群中所有致死性成骨不全婴儿的25%，临床上可能被误分类为II型成骨不全。相比之下，在加纳和尼日利亚的西非人中，该等位基因的携带频率为1.5%，其导致致死性隐性成骨不全的发生率等于I型胶原新生突变（de novo mutations）的发生率【Genet. Med. 14, 543–551(2012)】。在加拿大安大略省北部的第一民族（First Nations，印第安人）人群中，一个单一的深内含子变异体导致了一个隐性外显子的使用，该外显子破坏了CRTAP(编码软骨相关蛋白)基因的稳定性，并导致隐性成骨不全型VII【Bone 31, 12–18 (2002)；Cell 127, 291–304(2006)】。

与许多隐性疾病的情况一样，一些人群拥有一个单一等位基因，该等位基因在具有特定表型的个体中占大多数:

• 在来自沙特阿拉伯的个体中发现的TMEM38B中的单一外显子缺失【Hum. Mutat.34, 582–586 (2013)】；

• 在来自土耳其的个体中发现FKBP10的单个移码【Am. J. Hum. Genet.86, 551–559 (2010)】；

• 中国苗族人WNT1中发现错义突变【Am. J. Hum. Genet.92, 590–597 (2013)】。

机制/病理生理学

I型胶原的缺陷

胶原蛋白的合成和加工

I型胶原--骨、皮肤和肌腱的细胞外基质主要蛋白质成分--主要由成骨细胞、真皮成纤维细胞和肌腱细胞分泌(图2)。尽管胶原蛋白三螺旋结构相对简单，但I型前胶原蛋白的生物合成极其复杂，涉及多个步骤，需要一组蛋白质进行翻译后修饰、折叠、运输、分泌和质量控制(图3)【Biochim.Biophys. Acta 1833, 2479–2491 (2013)/胶原蛋白生物化学的详尽总结】。COL1A1和COL1A2转录物在粗面内质网(rER)中翻译，α(I)链经历一系列翻译后修饰：Gly-Xaa-Yaa重复序列(图2)Y位的螺旋脯氨酸在C4位被脯氨酰4-羟化酶1 (P4H1)羟基化，X位的特定脯氨酸被P3H1和P3H 2进行3-羟基化。一些赖氨酸残基被赖氨酰羟化酶(LH1和LH2)羟基化，羟基赖氨酸糖基化为半乳糖基-羟基赖氨酸和葡萄糖基-半乳糖基-羟基赖氨酸，这一过程由前胶原半乳糖基转移酶1和前胶原葡萄糖基转移酶1催化(图3a)。羧基末端前肽合成后，形成链内二硫键，并保持附着在rER膜上(图3b)。通过附着在rER膜上的C-前肽的扩散，选择和结合正确的链形成三重螺旋。形成了三螺旋形成的核心，它以正确的顺序交错链，并启动三螺旋形成。蛋白质二硫键异构酶催化链间二硫键的形成，从而稳定折叠核。脯氨酸残基和一些赖氨酸残基的羟基化继续进行，三螺旋形成从C末端向氨基末端进行。在此阶段，65kDa FK506结合蛋白(FKBP65由FKBP10编码)和由P3H 1—CRTAP--PPIase B(肽基-脯氨酰顺反异构酶B)--形成的复合物似乎起着关键作用。该复合物参与胶原蛋白α1(I)链的脯氨酸986和α2(I)链的脯氨酸707的羟基化，它们被认为对胶原蛋白纤维的超分子组装很重要，并作为伴侣蛋白或富含亮氨酸的小蛋白多糖的结合位点【Biochemistry51, 2417–2424 (2012)./对脯氨酰3-羟基化作用的谨慎假设】。除了脯氨酰3-羟化酶活性，该复合物还作为PPIase和胶原折叠分子伴侣。事实上，三螺旋的快速拓展需要将脯氨酸残基转化为反式构型的顺式肽键的异构化，主要是通过PPIase B (图3c)。当大部分螺旋折叠时，N端肽前体结合并在该结构域内形成小的三螺旋。新形成的三重螺旋由SerpinH1稳定(也称为热休克蛋白HSP47；由SERPINH1编码)和FKBP65。在含有黑色素瘤抑制活性蛋白3(也称为TANGO1)的特殊外壳蛋白复合物囊泡中，从rER转运至高尔基体的过程中，进一步的修饰发生在通过膜囊成熟（cisternal maturation.）穿过高尔基体的过程中。SerpinH1还具有沿分子螺旋部分的结合位点，有助于折叠的胶原蛋白穿梭进入顺式高尔基体。这些生物合成步骤依赖于合适的rER环境(例如，最佳的钙水平和氧化还原电位)，质量控制机制可以通过ER相关的降解途径或自噬介导的溶酶体降解系统来激活未折叠的蛋白质反应，从而消除未正确折叠的分子。前胶原的前肽一旦分泌出来，就会被具有血小板反应蛋白基序的去整合素和金属蛋白酶2 (ADAMTS2)和骨形态发生蛋白1 (BMP1)的去整合素和金属蛋白酶切割成成熟的I型胶原。此过程启动胶原纤维的形成，并且这些原纤维通过交联形成而稳定，其中三螺旋和末端肽中的某些赖氨酸和羟基赖氨酸残基被赖氨酰氧化酶氧化并转化为烯丙基和羟基赖氨酸。然后这些残基最初形成二价交联，转化成成熟的三价吡啶啉（pyridinoline）和吡咯（pyrrole）交联，以稳定组织中的原纤维结构(图3d)。

图2:胶原蛋白的结构

I型胶原是一种异三聚体，由两条α1和一条α2左旋多聚蛋白II样链组成，组装成右旋三螺旋。它被合成为一种前胶原，包含氨基末端和羧基末端前肽序列，这些前肽序列被特异性蛋白酶蛋白水解切割，分别是ADAMTS2（具有血小板反应蛋白基序的去整合素和金属蛋白酶2 )和骨形态发生蛋白1 (BMP1)，所述蛋白酶识别末端肽中的序列，即α1(I)中的p.Pro161Gln162和α2(I)中的p.Ala79Gln80作为N末端切割位点，以及C端的切割位点p.Ala1218Asp1219和 p.Ala1119Asp1120。每个胶原链的序列由甘氨酸-Xaa-Yaa重复序列表征(其中X和Y可以是任何氨基酸，但最常见的是脯氨酸和羟脯氨酸)。每三个位置都需要甘氨酸，并且在三螺旋结构的中心紧密堆积。胶原蛋白含有20%的脯氨酸残基。大多数脯氨酸在Yaa位置的翻译后4-羟基化是三螺旋稳定性所必需的。沿α1链，鉴定出与胶原蛋白与其它胶原蛋白分子或细胞外基质蛋白相互作用相关的特定区域，即主要配体结合区域(major ligand-binding region ， MLBR)。

图3:I型胶原的合成和加工

a, α1前体和α2前体的翻译和翻译后修饰。

b. 与分子伴侣相互作用，防止过早形成三螺旋。

c. 由两条前α1链和一条前α2链组成的三螺旋结构。

d. 前胶原的分泌，细胞外分解为胶原和交联。

ADAMTS2,一种具有血小板反应蛋白基序2的去整合素和金属蛋白酶；BMP1，骨形态发生蛋白1；软骨相关蛋白；GLT，半乳糖基转移酶1；肌醇-1，4，5-三磷酸受体；LH，赖氨酰羟化酶；P3H1，脯氨酰3-羟化酶1；P4H1，脯氨酰4-羟化酶1；PPIase B,肽基脯氨酰顺反异构酶B；PPIase B,粗面内质网。TANGO1,运输和高尔基组织蛋白1；TRIC B，三聚体细胞内阳离子通道B型。

*编码这些蛋白的基因突变与成骨不全有关。

结构和数量胶原蛋白缺陷

COL1A1和COL1A2的突变可导致正常I型胶原合成量减少(定量缺陷)或产生结构改变的胶原分子(结构缺陷)。定量缺陷与轻度的I型成骨不全有关，而结构性胶原缺陷可分别引起中度和渐进性变形IV型和III型，以及致死性II型(BOX 1；表1)。

结构突变可导致未折叠的α(I)链在内质网中的滞留时间延长，从而导致胶原链因长时间暴露于翻译后修饰酶而发生过度修饰。这些过度修饰的胶原分子聚集成异常的纤维，导致异常的细胞外基质——成骨不全中骨脆性的关键特征之一。在某些情况下，异常胶原蛋白部分保留在内质网中，导致内质网应激，并与自噬刺激、细胞凋亡激活和受损成骨细胞分化相关【Stem Cells30, 1465–1476 (2012)/一篇描述成骨细胞发育缺陷作为成骨不全病理生理学一部分的论文】。这些异常会加剧基质功能障碍，减少胶原合成，从而减少骨量。

最常见的导致结构性胶原蛋白缺陷的突变是单核苷酸变异，用更大或带电的残基取代甘氨酸-Xaa-Yaa重复序列中的甘氨酸。一些结构性胶原蛋白缺陷(20-25%)是由于3’或5’剪接位点的突变造成的，这些位点是COL1 A1 1和COL1A2外显子跳读的原因。如果不连续的胶原蛋白外显子被跳过，Gly-Xaa-Yaa三联体模式不会改变，但链排列可以改变，这影响折叠和分泌。少于5%的突变发生在前胶原的C-前肽结构域，削弱了链的联系和/或导致折叠延迟。一组有趣而独特的螺旋结构缺陷是一个或两个甘氨酸-Xaa-Yaa三联体重复或缺失的结果。这种突变导致异源三聚体分子链的移位，并与致死性或严重的成骨不全相关。

沿着链的突变位置、取代氨基酸的性质以及发生取代的特定链影响临床结果。由于三个α链的拉链状折叠的C末端到氮末端方向(图3c)，三重螺旋氮末端200残基的突变对螺旋形成的干扰最小，并且通常与非致死表型相关，而C末端螺旋区的突变导致致死和中度结局。支链或带电荷的氨基酸取代可导致严重表型。一般而言，COL1A2中的突变比COL1A1中的突变导致致死性成骨不全的比例更小，这通常归因于I型胶原化学计量，这意味着分别有75%和50%的胶原三螺旋中存在来自α1和α2缺陷的突变链。三个主要的配体结合区（MLBR，图2)沿着α1(1)-链识别的对基质质量特别重要。C端MLBR3对于胶原蛋白与细胞外基质蛋白的相互作用尤其重要；该结构域中的取代会损害细胞外基质组织，并具有主要致死性的结局。削弱α链识别的C-前肽突变是内质网相关蛋白降解激活的原因，这有利于去除未组装的链。在α2(I)链中，与胶原纤维上的蛋白多糖结合位点对齐的致死区域已经沿着该链被鉴定；这些结构域的突变可能严重影响正常的基质组装。

胶原蛋白加工缺陷

前肽的细胞外裂解对于自发的胶原组装和细胞外间隙中的原纤维和纤维的形成是必需的(图2，3) 。影响C-前肽或氮前肽切割位点的显性突变或影响催化切割的酶活性的隐性突变(即BMP1和ADAMTS2)导致不同的表型(表1)。

影响α1(I)链或α2(I)链中胶原螺旋的前90个N末端氨基酸的显性突变，改变了N-前肽切割位点的三级结构而不改变其序列，这使得该位点不能被识别为ADAMTS2底物。生成的pN-胶原(即附着有前肽的成熟胶原)组装成具有规则边界的小直径纤维【J. Biol.Chem. 280, 19259–19269 (2005)/这篇论文描述了由胶原N-前肽断裂缺陷导致的成骨不全的机制】。N-前肽在胶原分子中的保留也可能损害前肽的细胞内功能，如蛋白质磷酸化、胶原合成和细胞粘附。此外，细胞外基质中的N-前肽结合特定的细胞因子，例如TGFβ1（转化生长因子β1 )和BMP2，这些细胞因子对骨发育至关重要。由于外显子缺失导致的去除N末端切割位点残基的突变导致Ehlers–Danlos综合征，而非成骨不全 (BOX 2)。

影响α1(I)和α2(I)C末端切割位点的显性突变或导致BMP1缺陷的隐性突变(图2)，导致细胞外基质中存在Pc-胶原(即附着有C-前肽的成熟胶原) 。破坏C-前肽切割位点的突变导致轻度成骨不全，通过双能X光吸收法测得的z值正常或增加(表明骨密度正常或增加)。与切割位点突变相比，BMP1突变导致更严重形式的成骨不全，因为BMP1通过处理I型和III型胶原蛋白的C-前肽、前α1(V)和前α1(XI)的N前肽、胶原蛋白和弹性蛋白交联酶前赖氨酰氧化酶以及富含亮氨酸的小蛋白多糖如前胶原蛋白和前聚糖的切割，广泛影响细胞外基质的组装和结构。BMP1还负责多种细胞因子的激活，如TGFβ1、BMP2和BMP 4。pC-胶原的存在影响原纤维结构，有利于异常高矿化，这与骨脆性有关，并导致反常高骨量成骨不全。过度矿化可能是纤维间距增加的结果，也是pC-胶原蛋白作为矿物成核剂的直接作用。导致前α1(I)切割位点残基取代的突变导致原纤维具有有限的空泡化和几乎正常的直径，而前α2(I)切割位点残基的取代产生具有多个空泡化的细纤维，这可能是由于突出的C-前肽，其可能被非特异性蛋白酶不同地消化。

胶原翻译后修饰的缺陷

翻译后修饰和I型前胶原的正确折叠在成骨不全发病机制中的关键作用，证据来自于对编码在这些过程中具有重要作用的蛋白质的基因进行隐性突变的患者的鉴定，例如CRTAP13，56，P3H1【Nat. Genet. 39, 359–365 (2007)】和PPIase B(图3；表1)【Am. J. Hum. Genet. 85, 521–527 (2009)】。

纯合或双等位基因CRTAP无效突变（失去功能）是从与成骨不全II型和III型重叠但不同的表型的患者中鉴定的(BOX 1)。CRTAP缺乏导致严重至致死性骨软骨发育不良（osteochondrodysplasia），伴有肢体节段比例失调，其中近端节段相对较短（rhizomelia）、新生儿骨折、因缺乏骨干塑型而呈圆柱形的（undertubulated）长骨和脆弱肋骨。罕见的幸存者有严重的生长缺陷和骨骺爆米花样钙化（popcorn calcifications）。CRTAP缺乏导致α1(I)链脯氨酸986位的羟基化严重减少，螺旋折叠延迟，以及随后LH1和P4H1对I型胶原螺旋区的过度修饰。Crtap敲除小鼠表现出严重的骨软骨发育不良【Cell 127,291–304 (2006)】。

因为蛋白质间的相互保护作用，CTRAP或P3H1的任意一个缺失会导致两者活性的缺失 (图3)【Hum. Mol. Genet. 19,223–234 (2010)/描述脯氨酰-3-羟基化复合物中P3H1–CRTAP相互保护关系的研究】。因此，P3H 1-无效突变（ mutation）产生的表型在临床上与CRTAP缺乏症无法区分。从生物化学角度看，在P3H1突变的患者中，观察到α1(I)链的脯氨酸986的羟基化严重减少，I型胶原过度修饰，并且与对照组相比，胶原产量意外增加50%。

PPIase B(图3)的缺陷导致临床和生化表型更加多变，与CRTAP和P3H1突变引起的表型重叠，除了缺少肢体节段比例失调（近段短）。在两个患者中，描述了中度成骨不全表型【N.Engl. J. Med. 362, 521–528 (2010)】，其与α1(I)链的脯氨酸986位的正常3-羟基化和正常螺旋折叠相关，而在其他患者中，α1(I)链的脯氨酸986的羟基化比CRTAP和P3H1缺乏的患者减少的程度小，并且观察到胶原过度修饰【Am.J. Hum. Genet. 85, 521–527 (2009)】。这些发现表明胶原蛋白的修饰依赖于PPIB突变。

胶原蛋白伴侣和交联的缺陷

当主螺旋折叠完成时，分子伴侣(serpin H1和FKBP65)与I型前胶原相互作用，防止rER内过早形成原纤维(图3)。Serpin·H1稳定rER中折叠的前胶原，并帮助其穿梭于顺式高尔基体。FKBP65还具有PPIase活性。

目前只描述了四种不同的纯合SERPINH1错义突变，一种在腊肠犬（Dachshunds）中，三种在人类中，都导致中度至重度成骨不全【Am.J. Hum. Genet. 86, 389–398 (2010)】(表1)。这些突变位于SerpinH1丝氨酸型内肽酶抑制剂域，这对于伴侣功能至关重要，可导致细胞内滞留的I型胶原。在受影响的人和狗中，α1(I)链的脯氨酸986的3-羟基化是正常的。翻译后I型胶原过度修饰在人类中不存在，但在狗中存在，这也显示了骨中异常的胶原交联和内质网应激【J. Biol.Chem. 290, 17679–17689 (2015)】。人类较温和的表型可能是残留的血清蛋白H1功能造成的。Serpinh1-小鼠在胚胎时期是致命的【J. CellBiol. 150, 1499–1506 (2000)】，这是由于rER中不正确折叠的胶原聚集、延迟的胶原分泌和最终的胶原原纤维形成缺陷【Mol. Biol.Cell 17, 2346–2355 (2006)】。

FKBP65缺陷导致一系列重叠表型，包括中度至重度成骨不全、Bruck综合征(以伴有先天性挛缩的重度成骨不全为特征)和Kuskokwim综合征(伴有最小骨骼受累的先天性挛缩)。已经观察到显著的表型变异，甚至在家族内。从FKBP65缺陷细胞分泌的胶原蛋白显示出α1(I)链的脯氨酸986的正常3-羟基化和正常到仅轻微过度修饰的螺旋修饰，但是对胶原蛋白交联至关重要的C-末端肽赖氨酸残基是严重的低羟基化。C端肽赖氨酸残基的羟基化由LH2催化，其缺乏主要导致Bruck综合征，但也导致没有挛缩的隐性成骨不全的形式。FKBP65如何降低LH2活性还不清楚。FKBP65伴侣或PPIase功能的缺乏可能阻断LH2或端肽结构的激活。

BOX 2: Ehlers–Danlos综合征

前α1(I)和前α2(I)中氨基末端切割位点的缺失分别导致Ehlers–Danlos综合征(EDS) VIIA或VIIB，而不是成骨不全【Am.J. Med. Genet. 72, 94–105 (1997)】。EDS是一种结缔组织疾病，其特征是皮肤和关节松弛，并伴有某些类型的血管症状。虽然这些患者有轻度骨质减少，但他们的主要临床特征是严重的关节过度活动、脱位和韧带松弛。基质纤维含有pN-胶原(即附着有N-前肽的成熟胶原)，导致边界不规则和直径减小。ADAMTS2中的缺陷导致EDS VIIC，这与皮肤极度脆弱有关【Am.J. Hum. Genet. 65, 308–317 (1999)】。在这种隐性条件下，不仅I型胶原的加工，而且其他原纤维型胶原的加工，如II型胶原【Biochem. J. 355,271–278 (2001).】，都受到损害，使突变的分子后果复杂化。

骨形成和矿化缺陷

骨骼矿化受损

某些类型的成骨不全不是由影响胶原途径本身的突变引起的，而是由参与骨矿化和成骨细胞分化的基因突变引起的(图4；表1)。

图4:成骨不全中的骨形成和矿化缺陷

（a）骨重塑。骨形成由成骨细胞分泌骨细胞外基质成分(主要是I型胶原)组成。未矿化的骨基质(类骨质)随后被矿化。此外，成骨细胞和骨细胞释放许多细胞因子，包括核因子-κB配体的受体激活剂(RANKL；也称为TNFSF11)和骨保护素(osteoprotegerin，OPG)，通过破骨细胞调节骨吸收。RANKL通过与核因子κB受体激活剂(receptor activator of nuclear factor-κB ，RANK也称为TNFRSF11A)，从而有利于它们分化为破骨细胞。OPG通过与RANKL的互动，阻止RANKL与RANK的结合。一些成骨细胞嵌入矿化骨基质并分化为骨细胞，骨细胞产生硬化素（sclerostin），硬化素是WNT途径的抑制剂，已知通过刺激成骨细胞活性来刺激骨形成。

（b）WNT1是一种分泌型配体，通过与成骨细胞前体细胞上的受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6 (LRP5/6)和Frizzled相互作用，刺激成骨细胞分化相关基因的转录。内肽酶S2P是高尔基膜中的一种蛋白酶，参与转录因子的调节性膜内蛋白水解(regulated intramembrane proteolysis , RIP)，如旧的星形胶质细胞特异性诱导物质(old astrocyte specifically inducedsubstance , OASIS)，其在内质网应激时从内质网膜转运用于加工。色素上皮衍生因子(Pigment epithelium-derived factor , PEDF)是一种具有抗血管生成活性的多功能分泌蛋白；骨限制干扰素诱导的跨膜蛋白样蛋白(bone-restricted interferon-induced transmembrane protein-like protein , BRIL)是一种参与矿化的跨膜蛋白。在成骨不全患者中发现突变后，这两种蛋白质之间的相互作用得到了阐明。

虚线表示未知路径。

InsP3R, 肌醇-1，4，5-三磷酸受体；OASIS-N , OASIS的N末端部分；MALEP，蛋氨酸、丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸和脯氨酸五肽；S40L，p.Ser40Leu替代；TRIC-B，三聚胞内阳离子通道B型；VEGF,血管内皮生长因子。

*编码这些蛋白质的基因突变与成骨不全有关。

成骨不全VI型是由编码色素上皮衍生因子(PEDF)的SERPINF1隐性无效突变（ mutations）引起的。PEDF是一种抗血管生成因子，也与核因子κβ配体的受体激活剂相互作用(RANKL；也称为TNFSF11)途径，从而增加破骨细胞的活性(图4a) 。PEDF缺失导致骨中宽的类骨质缝(未矿化的骨基质)，这表明矿化延迟。

成骨不全V型是由IFITM5的5’非翻译区反复出现的显性突变引起的，它产生了一个新的起始密码子并延长了骨限制干扰素诱导的跨膜蛋白样蛋白的N末端(bone-restrictedinterferon-induced transmembrane protein-likeprotein ，BRIL；也称为IFM5)。除了由COL1A1和COL1A2突变引起的典型类型外，V型是成骨不全的另外唯一的显性类型【Am.J. Hum. Genet. 91, 349–357 (2012)；Am. J. Hum.Genet. 91, 343–348 (2012)】。BRIL似乎在骨骼矿化过程中起着至关重要的作用。有趣的是，如果蛋白质被拉长，编码BRIL的基因突变似乎具有功能增益效应，诱导骨形成增加，这导致增生性骨痂和膜的骨化，而编码区的突变削弱骨的矿化。

PEDF和BRIL之间的相互作用在IFITM5中p.S40L替代的患者中变得明显。这些患者表现出严重的非典型临床病程，其组织形态学和实验室检查结果与VI型成骨不全患者一致。成骨细胞中类骨质的数量增加，PEDF的产生减少。这些发现支持了BRIL和PEDF在成骨细胞发育、类骨质形成和矿化过程中相互作用的假设，但确切的机制仍有待阐明。

与成骨不全的IV型患者相比，成骨不全的V型患者的整体脆性骨具有相似的严重程度，但是骨异常的特征三联征是增生性骨痂形成、骨骺处的放射致密线和前臂骨间膜的钙化【J. BoneMiner. Res. 15, 1650–1658 (2000)】。成骨不全的V型患者也可能有桡骨脱位，但没有与I型胶原的数量、结构或加工缺陷相关的成骨不全的巩膜或牙齿发现。骨组织形态计量学也是不同的，在偏振光下呈网状片状。相比之下，第VI型成骨不全患者在出生时大多受到轻度影响，表现出进行性脆性骨病，并且在童年时血清碱性磷酸酶(成骨细胞活性的标志)水平通常显著升高。他们的骨组织形态计量学是不同的，在偏振光下，未矿化的类骨质和鱼鳞样增加。成骨不全的VI型患者对双膦酸盐(抗再吸收)治疗反应不佳【J. Bone Miner. Res.17, 30–38 (2002)】。

成骨细胞分化和功能缺陷

成骨细胞分化相关基因最近与成骨不全有关，但大多数情况下，潜在的发病机制仍有待确定(表1)。在一个患有隐性成骨不全的儿童中，描述了SP7中的一种亚效等位基因突变(hypomorphic mutation，即部分功能丧失)，该突变编码成骨细胞特异性转录因子SP7(也称为osterix)，这是骨形成所必需的。Sp7-小鼠显示成骨细胞分化和增殖不足，成骨细胞标记表达减少【Cell 108,17–29 (2002)】。

三聚体细胞内阳离子通道B(trimeric intracellular cation channel type B ，TRIC-B；也称为TM38B，由TMEM38B编码)缺陷在中度成骨不全的患者中发现【PLoS Genet.12, e1006156 (2016)】(图4b)。TRIC B是一种单价阳离子特异性通道，是细胞内钙流量所必需的，并参与细胞分化95。Tmem38b-/-小鼠是新生儿致死性的，并且骨体积减少【Development136, 2355–2361 (2009)；Nature 448, 78–82 (2007)】。ER钙流量缺陷通过影响多种ER酶而导致胶原合成紊乱(图3d) 。

在中度至重度进行性成骨不全患者中发现WNT1纯合突变。杂合子WNT1突变导致骨质疏松。WNT1与Frizzled受体（卷曲受体）及其共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6 (LRP5/6)相互作用，激活骨形成(图4b)。纯合子或双等位基因LRP5功能缺失突变导致骨质疏松-假胶质瘤综合征（osteoporosis-pseudoglioma syndrome）【Cell 107, 513–523 (2001)；Am. J. Hum.Genet. 77, 741–753 (2005)；Rev. Endocr. Metab. Disord.16, 141–148 (2015)】，而杂合子功能增益突变导致van Buchem病2型(或骨内膜骨质增生，endosteal hyperostosis)【Minerva Stomatol. 48, 227–234 (1999)】。Wnt1-/-小鼠是胚胎致死性的，具有严重的脑异常，但没有报告的骨骼表型，而Swaying小鼠(其在Wnt1外显子3中的单核苷酸缺失是纯合的)在出生后存活，具有严重的骨质减少和小脑缺陷，类似于某些人类WNT1突变【N. Engl. J. Med.368, 1809–1816 (2013)；Cell 67, 969–976 (1991)】。

最后，据报道，两个编码蛋白的基因是成骨细胞中受调节膜内蛋白水解（regulated intramembrane proteolysis，RIP）途径的一部分，可导致成骨不全(图4b)。在RIP中，高尔基膜中的内肽酶S1P(由MBTPS1编码)和S2P(由MBTPS2编码，第一个被鉴定为成骨不全的X-连锁基因)在内质网应激或甾醇代谢物缺乏时顺序切割内质网膜转运的调节蛋白。据报道，在两个中重度成骨不全的家系中，突变导致S2P离子配位位点或其附近的单残基取代，并损害其对底物转录因子的切割。α1(I)链和α2(I)链的赖氨酸的羟基化减少，胶原交联改变，并且在MBTPS2突变患者的骨组织中骨强度受损。RIP激活的转录因子之一是旧星形胶质细胞特异性诱导物质(old astro­cyte specifically induced substance ， OASIS，由CREB3L1编码)(图4b)。在一个严重至致死性成骨不全的家族中报道了OASIS缺乏症【Orphanet J.Rare Dis. 8, 154 (2013)】。OASIS是一种内质网应激传感器，调节发育过程、分化和成熟相关基因的转录。Creb3l-1-小鼠显示严重骨质减少，伴有自发性骨折和骨中I型胶原生成减少【Nat. Cell Biol. 11,1205–1211 (2009)】。

骨组织特征

成骨不全的显著特征是由低骨量和骨材质特性异常(如韧性降低)引起的高骨脆性。在大多数类型的成骨不全中，骨组织特征的改变惊人相似。在微观尺度上，组织形态学研究显示，在患有经典的Sillence成骨不全的儿童中(BOX1)，以及在隐性VII和VIII型中，骨质量的减少反映为皮质宽度和松质骨体积的减少。然而，由于成骨细胞和破骨细胞数量较高而骨转换增加，单细胞水平的基质生成显著减少几乎独立于临床结局。

通过使用定量背散射电子成像（quantitative back scattered electron imaging）测量骨矿化密度分布来确定骨基质的矿化程度，发现在成骨不全中骨矿化程度几乎普遍增加。一致地，来自轻度表现型和定性或定量COL1A1或COL1A2突变儿童的活检样本显示骨基质的平均钙含量有相似的增加【Calcif.Tissue Int. 82, 263–270 (2008)/文章表明骨过度矿化是几种成骨不全的共同特征】。在更严重的表型(第IV型和第III型)和隐性VII型和VIII型患者中也是如此。然而，在第VI类中，高度矿化的骨区域被显示低矿物质含量和异常矿化的年轻骨组织的边缘所包围【Bone73, 233–241 (2015)】。成骨不全患者骨中矿物质含量的增加在双膦酸盐治疗后没有改变。在来自轻度成骨不全儿童和通过小角度X光散射(small-angleX‑ray scattering)研究的小鼠模型的样品中，骨矿物质颗粒的厚度与对照相同或更小【Bone 50,1317–1323 (2012)；Bone 60, 122–128 (2014)】。增加的基质矿物质含量和相似的颗粒大小意味着矿物质颗粒在细胞外基质中更紧密地堆积。由于细胞外基质主要含有胶原蛋白，在成骨不全中，胶原蛋白分子和矿物颗粒之间留下的水的总空间减少，使骨骼变硬。此外，胶原交联被改变，这也可能增加骨组织的脆性。

在成骨不全的小鼠模型中定量测定的抗骨折性，例如在成骨不全的小鼠(oim, 在编码C肽的区域携带Col1a2的点突变，阻止α2（I）链并入胶原异源三聚体)和脆性IV (Brtl/ )小鼠(col1a 1中的点突变导致α1(I)链中Gly 349 Cys取代和过度修饰的I型胶原的合成)中发现抗骨折性降低【J. BoneMiner. Res. 29, 1392–1401 (2014); J. Bone Miner. Res. 19, 614–622 (2004)】。骨折易感性的增加可能是由于矿化基质在不同层面的异常，影响了通常可阻止裂缝扩展的结构【Calcif. Tissue Int. 97,201–212 (2015)】。

• 首先，与对照组相比，在oim小鼠模型【J. BoneMiner. Res. 29, 1392–1401 (2014)；J. Clin. Invest.97, 396–402 (1996)】和来自成骨不全患者的活组织检查样本中【Bone 26,103–109 (2000)】，发现胶原纤维的排列更无序且更少层状；

• 第二，胶原基质不仅数量减少，而且显示更多的非酶交联；

• 第三，来自oim小鼠模型的未去神经化的胶原纤维在张力下显示出降低的强度和对水更强的亲和力。相比之下，在oim 小数的完全矿化骨和成骨不全患者的骨活检中发现较少的组织水。

• 最后，这与基质中矿物质含量的增加非常一致，对应于oim小鼠模型【J. BoneMiner. Res. 29, 1392–1401 (2014)；J. Clin. Invest.97, 396–402 (1996)】和成骨不全患者【Bone 60,122–128 (2014).】中较薄的矿物质小板的较高密度。正如最近的综述中所讨论的，这些继发缺陷对骨脆性的协同作用可能比胶原蛋白突变本身更重要【J. BoneMiner. Res. 31, 699–708 (2016)】。

机械检测表明，骨骼通常硬度下降，较小的力即有弯曲，达到不可恢复的畸形或骨折点的负荷量也降低；这些特征导致骨畸形的恶化，仅仅是由于正常肌肉的牵拉，以及骨折。最重要的是，成骨不全的骨是一种脆性组织，不能有效地耗散能量；虽然健康的骨骼可以随着变形的推进将能量吸收到细胞外基质中，但成骨不全的骨骼会像白垩一样断裂，位移极小【J. BoneMiner. Res. 31, 699–708 (2016)】。

诊断、筛查和预防

分类

成骨不全的现代分类始于1970年代后期大卫·Sillence斯（DavidSillence）及其同事的临床研究，根据临床表现、影像学特征和遗传模式，将四个不同的组标准化为“类型”【J. Med.Genet. 16, 101–116 (1979)】。经过过去十年遗传学的发展，两种分类方法已经形成(BOX 1)。推荐使用基因-功能方法，其中SillenceI-IV型(典型的成骨不全)保留给COL1A1或COL1A2突变，新基因被赋予额外的类型号(表1)。

基因分类的一个优点是，病人和家属知道疾病的原因，他们很快就明白尽管有共同疾病特征，但并非所有类型都是相同的。遗传分类为咨询提供遗传模式，为疾病自然史和治疗研究提供功能分组。与临床分类不同，个体的基因“类型”不会随着年龄或家庭成员的不同而改变。人类线孟德尔遗传数据库（The Online Mendelian Inheritance in Man database）使用了一种混合分类，根据Sillence分类将类型I-IV分类，其余的根据类型号和基因分类，并带有一些临床分化的元素。成骨不全基金会（Osteogenesis Imperfecta Foundation）采用了一种基于Forlino等人的遗传-功能分类，其中基因与数字类型相关联，并根据功能相似性进行分组(表1)。

相比之下，临床分类的优势在于，大多数关于治疗的评估和决定都是基于临床基础做出的，因此基于基因的分类的价值可能是有限的，例外的是有证据表明，双膦酸盐类药物对SERPINF1突变和其他基因某些突变的个体的疗效较差。这导致了一种分类的产生，该分类主要基于国际骨骼发育不良学会工作组（the International Skeletal Dysplasia Society）建议的基于临床基础的群体识别能力(临床分类)，其亚类由遗传模式和宿主基因定义【Am.J. Med. Genet. A 167A, 2869–2892 (2015)】。增加了另一种类型V型，其特征是成骨不全，骨间膜钙化和/或肥厚性骨痂。

不同类型成骨不全的分类仍有争议，特别是需要产生一个分类方案，但不改变新兴类型的标准。

诊断

成骨不全的诊断通常取决于临床表现(图1)，包括(产前)骨折或家族史。有些类型可以在产前诊断，而其他类型只有在出生时或幼儿期才变得明显。临床成骨不全的筛查有时作为婴儿和幼儿意外骨折评估的一部分，并通过基因检测进行确认。在回顾性分析中，对最初诊断为非意外伤害或虐待的儿童进行的基因检测在262名胶原异常儿童中发现了11名，其中6名通过体检被怀疑有成骨不全【J. Med.Genet. 39, 382–386 (2002).】。

长骨和颅骨的临床检查和检查以及牙列的评估为临床诊断提供了基础。全身性结缔组织疾病的体征(如身材矮小、相对大头畸形、蓝色巩膜、典型的面部或胸部形态、听力损失、脊柱侧凸和肌肉减少)是可变的，但也要考虑在内。根据具体临床情况，诊断可以通过基因检测来确认。

使用下一代测序方法检测所有已知的与成骨不全相关的基因panel有助于快速诊断。如果检测到功能不确定的突变，可以用凝胶电泳分析从出生后皮肤活检培养的真皮成纤维细胞产生的胶原来确定功能；例如，生物化学分析可以检测成骨不全中I型前胶原的量、结构或翻译后修饰的改变，包括I型(相对于III型胶原水平，I型相对降低)病例，大多数II型、III型、IV型、VII型和VIII型(胶原过度修饰)，以及XV型(修饰不足)。在基因测序不能鉴定突变的罕见情况下，COL1A1和COL1A2中的单个或多个外显子缺失可以通过多重连接依赖性探针扩增或通过I型前胶原链的显著过度修饰来检测【Eur.J. Hum. Genet. 20, 11–19 (2012)】。

筛查

成骨不全的常规筛查通常限于产前超声成像(图5)，其可以在妊娠14-16周检测到围产期致死形式的成骨不全，即使没有该疾病的家族史。III型疾病可通过妊娠18周来识别，会表现为纵向生长下降接近第5百分位。虽然还没有这方面的报道，但原则上，严重的隐性病例可在产前通过超声检查发现。绒毛样本的测序有时在产前用于确认有该疾病家族史的个体的成骨不全。

图5:成骨不全的产前筛查

两个胎儿在妊娠32周(a部分)和33周(b部分)的超声图像显示，在两个病例中均存在遗传性成骨不全，显示股骨严重弯曲(箭头)，其中一个病例可能存在子宫内骨折(a部分)。

胎儿肢体严重缩短和骨折的鉴定，为基因确认并可能早期终止妊娠或分娩管理提供了信息。植入前遗传诊断适用于父母有显性遗传形式的成骨不全的家庭、父母都是隐性遗传形式的携带者的家庭，以及父母一方有显性遗传形式的嵌合体的家庭(通常是因为在鉴定了受影响的胎儿或婴儿后进行了父母检测，并鉴定致病基因和突变)。对于这些家庭来说，体外受精产生的胚胎可以被筛选，而那些没有患这种疾病风险的胚胎可以被选择。使用未受影响个体的卵子或精子可以确保亲代成骨不全不会传播。

管理

成骨不全没有治愈方法。治疗以症状为基础，取决于并发症的类型和严重程度。

肌肉骨骼干预

成骨不全的临床范围很广，从严重身材矮小和骨畸形，到非常轻微的未骨折形式，导致特定的肌肉骨骼损伤/挑战(BOX1；表1)。长骨弯曲、关节松弛、活动范围和肌肉力量下降等特征，会导致运动发展指标（motor milestones/运动里程碑）延迟、活动能力降低和日常生活活动受限【 J. Clin.Endocrinol. Metab. 98, 3095–3103 (2013)；Ther. Clin. Risk Manag. 6, 367–381 (2010)；Lancet 363, 1377–1385 (2004)】。

肌肉骨骼损伤在更严重表型中表现明显【Pediatr. Phys.Ther. 26, 245–252 (2014)】(表1)。成骨不全I型个体属于社区活动者（community ambulators），他们可能在运动和身体功能方面表现出局限性【Pediatr. Phys.Ther. 22, 288–295 (2010)；J. Pediatr. Orthop. 34,118–122 (2014)】。肌肉力量，虽然在顾虑骨折的人群中很难检测，但据报道在成骨不全I型人群中肌肉力量下降【Pediatr. Phys.Ther. 22, 288–295 (2010)；J. Pediatr. 145, 813–818(2004)】。相比之下，成骨不全III型患者属于运动行走者(exercise ambulators)，受限于受保护的康复环境中，其严重的上肢畸形会影响自理和活动能力。在不同类型成骨不全的儿童样本中，握力弱于未受影响的儿童【Pediatrics111, e601–e603 (2003)】，但肌肉质量下降与身体活动受限的相对作用尚不清楚。

成骨不全的肌肉骨骼管理包括康复(术前和术后)、手术干预和药物治疗。

康复

在成骨不全的治疗中，康复是一个特别重要的组成部分。一项分析了为期12周的分级锻炼计划的干预研究表明，肌肉力量有一些短期改善，提示康复带来的获益。

对于受严重影响的婴儿而言，最初的康复是通过教父母如何处理脆弱的婴儿来促进与父母之间的联系。后期，康复的重点是最大限度地提高力量、功能和独立性，以及手术后的恢复。

康复干预最能或获益的情况:

• 在婴儿期和幼儿期，如果出现运动迟缓，

• 当过度保护或对运动的恐惧阻碍技能的获得，

• 在过渡到新环境的时期，

• 以及受伤、骨折或手术后。

身体康复也有助于支持骨强度的药物治疗。基线运动功能良好的患者需要较少的干预，特别是I型成骨不全患者。

BOX3概述广泛使用的具体康复模式和战略。当环境是安全的，强烈提倡通过水疗（aquatic therapy/水中运动）对成骨不全的个体进行强化和负重【J. Musculoskelet.Neuronal Interact. 14, 445–453 (2014)】。增加骨密度的新模式，如负重，以及增加核心肌肉力量的普拉提（Pilates）课程正在出现。

整形外科管理

成骨不全的外科治疗包括下肢、上肢和脊柱手术，通常与内科治疗、术前和术后康复相结合。

用骨切开术(osteotomies/一种外科手术，通过骨切割使其变直)和髓内棒(intramedullaryrodding/将金属棒插入骨髓腔中以提供强度和对准)进行重新对准仍然是成骨不全患者下肢手术的最佳选择(图6)。不应使用板和螺钉，因为应力可能会增加板上方或下方的断裂风险。打钉的并发症包括钉子从骨外移动到软组织或关节间隙。当儿童准备站立和行走时，应对四肢弯曲的儿童进行手术。与普通杆(regular rods)相比，伸缩杆(telescoping rods/一种复合杆，由两部分组成，相互伸缩，两端用螺钉固定在骨头上，在生长过程中延伸)的使用仍有争议，而且在技术上比直杆要求更高、更昂贵。使用伸缩杆的再手术率接近50%，而使用普通杆的再手术率为58-87%，但是这个数字包括由于骨折或弯曲的钉子造成的重复手术【Biomed. J.38, 143–147 (2015)】。此外，伸缩杆存在不伸长或冲击生长板的风险【Vestn.Ross. Akad. Med. Nauk 4, 441–449 (2015)】。采用微创方法的“开放”截骨术或经皮截骨术的选择取决于畸形的严重程度和骨骼的形状。双侧股骨和胫骨可以在一次手术中进行手术，但输血可能是必要的。术后制动不应超过正常骨骼的愈合时间。外科医生和治疗师之间必须计划好支撑和康复。

图6:成骨不全患者的下肢手术

影像学图像显示两个成骨不全患者的下肢(a和c)严重弯曲，通过长骨杆支撑(b部分和d部分)得到改善。

上肢手术比过去更频繁，因为上肢畸形现在被理解为可影响自我护理，而以前则被认为是纯粹美观需要。事实上，医学进步现在使越来越多患者能够行走，为此他们需要上肢功能，例如，使用助行器（依赖于上肢）。由于需要保护桡神经，肱骨棒固定技术要求很高；选择伸缩杆或普通杆【http://dx.doi.org/10.1097/BPO.0000000000000729(2016)】。对于前臂畸形，弹性棒（elastic rods）或克氏针(Kirschnerwires/用于对齐骨段的金属线)是最佳植入物。V型成骨不全由于术后增生性骨痂风险和治疗关节内骨畸形的困难，如桡骨头脱位、下颌冠状突肥大（the mandibular coronoid process）和肱骨远端伸展畸形，会是一个特殊挑战【http://dx.doi.org/10.1097/BPO.0000000000000724(2016)】。

双膦酸盐的使用以及随之而来的骨量增加和椎骨压缩的缓解，现在使得椎弓根螺钉(插入后弓和椎体的螺钉)和夹具的使用成为可能，它们比钩（hooks）提供了更强的固定【J. Child.Orthop. 5, 217–224 (2011)】，并且减少术后固定的需要。尽管双膦酸盐并未降低脊柱侧凸的发生率或程度，但严重成骨不全III型患者曲线发育的轻度减缓允许在老年人中进行手术【Bone 86,53–57 (2016)】。手术前需要使用halo牵引装置（多针固定）减少脊柱严重弯曲。

BOX3:成骨不全的康复策略和方式

• 有针对性的关节伸展和肌肉强化计划

• 根据下肢力量的大小进行负重活动和使用助行器(如助行器、拐杖)

• 下肢矫形器(如夹板和支架)，用于补偿关节松弛或肌力量

• 护理人员的保护性操作和定位，以避免受伤和防止挛缩

• 用于特定环境的行动设备，如手动或电动轮椅

• 用于弥补身材矮小、畸形和虚弱的适应性设备

• 适应家庭、学校或工作场所的环境，促进独立性

• 身体健康和健康生活方式辅导

药物治疗

骨强度取决于骨材料属性(质)、骨量(量)和骨结构(分布)。成骨不全中无序的、高度矿化的骨基质不会被任何现有的药物治疗直接改变【J. BoneMiner. Res. 31, 699–708 (2016)】。然而，抗再吸收(例如双膦酸盐)和合成代谢(例如生长激素)治疗都可以改善骨量。据推测，拥有量更多的相同材质（质差）的骨骼可能是有益的。

有明确的证据表明，双膦酸盐可以改善骨微结构【J. Clin.Endocrinol. Metab. 91, 1268–1274 (2006)】、骨量【Lancet 382, 1424–1432(2013)】、长骨弯曲变形【J. Bone Miner. Res.25, 32–40 (2010)】，并在成骨不全时恢复椎骨的大小和形状【J. Pediatr.148, 456–460 (2006)】。在成骨不全的大多数儿科安慰剂对照试验中，第一个治疗年的椎体压缩减少，面积骨密度（areal bone density）增加约1.5个标准差(z评分)【Cochrane Database Syst. Rev. 7, CD005088 (2014)】。但是，双膦酸盐治疗不能改善韧带松弛，而韧带松弛是成骨不全的脊柱侧凸的主要原因。与此一致的是，对接受双膦酸盐治疗的成骨不全儿童的脊柱侧凸进行的回顾性分析显示，与未接受双膦酸盐治疗的儿童相比，即使在5岁前接受治疗的患者中，脊柱侧凸的发病率也没有改善【J. BoneMiner. Res. 25, 32–40 (2010)；Lancet 363, 1427–1431 (2004)；J. Clin. Endocrinol. Metab. 96, 355–364 (2011) 】。在最初的2-4年治疗中，成骨不全III型儿童的脊柱侧凸进展率略有下降，但最终的发病率没有变化【Bone 86,53–57 (2016)】。

对于长骨骨折，在成骨不全儿童的随机对照试验中，双膦酸盐的抗骨折功效证据有限，在成人中没有证据。荟萃分析和两项Cochrane综述不支持双膦酸盐治疗成骨不全儿童长骨骨折的效果【J. Bone Miner. Res. 30, 929–933 (2015); Cochrane Database Syst. Rev. 7, CD005088 (2014)；Horm. Res. Paediatr. 84, 26–42 (2015)/一组关于双膦酸盐治疗试验的三项荟萃分析表明，在成骨不全的情况下，双膦酸盐对骨折的影响不明确】。这一发现表明，改善骨结构可能不足以克服因骨材料性质改变而增加的骨折风险，尤其是在受影响更严重的儿童中。事实上，用双膦酸盐治疗，在全骨水平上增加了小鼠模型的骨脆性，这可能是由于骨转换减少而削弱了微裂纹修复和降低了矿化异质性【J. BoneMiner. Res. 24, 849–859 (2009)】。此外，双膦酸盐的长累积半衰期也引起关注，因为双膦酸盐被掺入到骨基质中，可能会导致骨折和截骨术的愈合受损以及牙齿萌出延迟。此外，早期的病例报告双膦酸盐治疗可减轻骨痛，但安慰剂对照试验中没有证实【 Cochrane DatabaseSyst. Rev. 7, CD005088 (2014)】。这一发现可能反映病例研究中的安慰剂效应，也可能是由于缺乏疾病特异性评估工具。

虽然双膦酸盐被广泛认为是成骨不全儿童多学科治疗的一部分，但在使用哪种药物、剂量和持续时间方面缺乏共识。基于骨组织学【J. Clin.Invest. 110, 1293–1299 (2002)】和面积骨矿物质密度【Bone Miner. Res. 20,977–986 (2005)】评估的最大获益出现在治疗3年后，但是许多儿童持续接受治疗，直到研究方案之外的骨骺生长板闭合。此外，与各种疾病中双膦酸盐的成人研究相反，不良事件的报告很少，但是没有关于共病的系统报告，并且很少有长期随访数据可用。

骨骼外表现

虽然骨骼发现在成骨不全中占主导地位，但其他受影响的组织包括肺和心脏系统、脉管系统和牙齿【Curr. OsteoporosRep. 5, 91–97 (2007)】。这些系统的异常应根据器官特异指南进行监测和治疗。

肺部表现

肺部并发症是成骨不全导致死亡的主要原因，并归因于脊柱侧凸和肋骨骨折的继发效应。有明显脊柱侧凸的成骨不全患者可能发展为阻塞性肺疾病，并表现出肺功能参数的逐渐下降。因此，患有或怀疑脊椎或胸壁畸形的患者应至少通过肺活量测定法(肺功能分析)进行评估，并进一步评估标准肺干预措施。如果发现限制性或阻塞性疾病，应根据器官特异指南管理患者。最近的证据表明，随着年龄的增长，成骨不全患者的肺功能减弱，在没有脊柱侧凸的患者中观察到肺部疾病，这表明肺部缺陷可能是疾病的内在原因，而不仅仅是脊柱侧凸的后果【Spine(Phila Pa 1976) 24, 1673–1678(1999)；Hum. Mol. Genet.21, 3535–3545(2012)】。

心血管表现

I型胶原是心脏瓣膜和主动脉壁细胞外基质的主要成分。因此，I型胶原合成的改变会影响它们的生物力学性能，在极少数情况下会导致主动脉夹层【Emerg.Radiol. 19, 553–556 (2012)】。最常见的心脏异常是主动脉根部扩张和左侧瓣膜反流，偶尔还有右侧瓣膜病变。在有脊柱侧凸或胸壁畸形、心脏杂音或任何心脏或肺部症状的患者中应进行超声心动图，并转诊给适当的专家。

出血倾向

据报道，在成骨不全中，由于血管脆性和血小板功能障碍导致了组织脆性和/或出血素质(Bleeding diathesis/不寻常的出血易感性)【Haemophilia19, 246–250 (2013)】。因此，成骨不全的患者在受到最小程度的创伤后可能会发展成硬膜下和硬膜外血肿，并且有更高的手术并发症的风险【J. Neurosurg.Pediatr. 1, 229–236 (2008); Am. J. Med. Sci. 336, 70–72 (2008)】。

听力损失

一半的成骨不全患者会出现听力损失，通常发生在10-40岁。传导性耳聋经常与影响卵圆窗区的骨质改变有关，并由于镫骨和砧骨的变薄、萎缩和骨折而导致镫骨踏板固定。最初的传导性听力损失可演变成混合(传导性和感音神经性)听力损【Otol.Neurotol. 33, 115–122 (2012)】。所有成骨不全的患者应定期评估听力损失，从儿童开始，并根据需要推荐助听器、镫骨手术或耳蜗植入。

牙科表现。牙本质发育不全I型，即牙齿发育过程中产生的牙本质发育障碍，与胶原结构缺陷引起的成骨不全有关(图1b)。由于有缺陷的异常牙本质穿过半透明的珐琅质，牙本质发育不全的牙齿会有不同程度的灰-黄-棕色变色。由于牙质矿化不良，釉质经常断裂，导致牙齿快速磨损，甚至磨损到牙龈【Pediatr.Dent. 35, E179–E184 (2013)】。口腔健康治疗包括细致的口腔卫生和方法，重点是预防龋齿和牙周病，并优化外观。

成人管理

与其他儿童期发病的疾病类似，成骨不全成年时不得不将其儿科团队诊治转移给在该条件下可能不具备相同专业水平的成人诊治医务人员。受影响的个体应根据家庭健康史风险分层进行常规健康监测【Am.J. Med Genet. C Semin. Med. Genet. 166C, 24–33 (2014)】，并遵循已建立的成人起病疾病筛查指南(http://www .uspreventiveservicestaskforce . org)。由于成人成骨不全的患病率较低，目前尚无针对该并发症的疾病特异性治疗。

由于骨折的持续风险【J. Am.Acad. Orthop. Surg. 24, 298–308 (2016)；J. Clin.Invest. 124, 476–477 (2014)】，重要的是患者与熟悉成骨不全的成人整形外科医生建立联系。与骨质疏松症患者相似，钙的充分摄入、维持适当的维生素D水平和持续的活动能力是其他医疗干预的简单辅助治疗。应根据成骨不全的类型、骨折的发生率、基于影像学研究的骨质疏松程度以及是否存在绝经，对每个患者进行个体化的药物治疗。可能需要进行关节置换，与标准形状的关节相比，基于详细成像的定制关节最为成功。进行性脊柱侧凸的发展可能会导致肺部并发症，并且在极少数情况下，需要通气。应该对所有成骨不全的成人进行肺功能的基线检测和随访。

与年龄匹配的对照组相比，成骨不全的成年人患动脉瘤和夹层动脉瘤和耳聋的风险增加。心脏评估对于严重进行性变形成骨不全或有任何心肺症状的个体非常重要。定期进行的听力评估也能确保评估助听器或人工耳蜗的需要。此外，与牙本质形成相关的问题对生活质量有很大影响(QOL)。骨痛是成人成骨不全的常见症状，应采用多学科方法进行治疗，包括骨科、理疗师、心理学家和疼痛专家。成骨不全中会增加发生率的其他医学并发症包括与基底内陷相关的头痛、青光眼、肾脏表现以及绝经对骨骼和整体健康的不利影响。

生活质量（QOL）

成骨不全的临床特征和相关治疗影响健康、功能和QOL。世卫组织将QOL定义为个人对其所处文化和价值体系背景下的生活地位的看法，以及与其目标、期望、标准和关注点的关系（the individual's perception of their positionin life in the context of the culture and value systems in which they live andin relation to their goals, expectations, standards and concern）。成骨不全的个体与普通人群相比，除QOL的身体机能部分，报告相同或更好的QOL(精神和心理社会领域)。疼痛、骨折、脊柱侧凸、活动受限和因功能下降导致的参与能力受限与较低的身体质量水平相关。对于那些有肺部问题的人而言，预期寿命可能会受到影响。据报道，严重成骨不全的儿童比轻度成骨不全的儿童身体QOL更差。身体机能下降和环境障碍会妨碍QOL，这表明环境适应和无障碍环境可能会产生积极影响。双膦酸盐治疗对QOL的影响尚不清楚，因为迄今为止的对照试验使用了不同的定义和监测方法。轶事报道支持由于双膦酸盐治疗，总体QOL略有改善。

成骨不全儿童的照料者中，QOL低于一般人群，特别是在环境领域，这包括物质环境、获得保健和社会护理的机会以及参与休闲活动的机会。轻度和重度成骨不全儿童的父母在这方面也有显著差异。另一项使用相同检测方法的研究未发现与正常人群的差异，但也报告严重成骨不全儿童的父母在环境领域的得分低于轻度成骨不全儿童。

一项针对特定疾病的QOL检测正在研发中，会反映父母、儿童和从事成骨不全工作的专业人员如何看待这种情况对生活质量的影响。它将包括六个主题:安全(避免不切实际的活动)、功能、疼痛、恐惧骨折、孤立和独立。

观点和展望

诊断和遗传学

产前超声成像并不总是能区分成骨不全和低磷血症(一种罕见的遗传代谢性骨病)以及其他骨骼疾病。骨骼发育不良遗传panel的增加和全外显子测序的使用将增加遗传确认的成骨不全患者的数量。然而，产前诊断会给父母和医生带来巨大的伦理考虑，增加了解释结果的重要性。遗传分析有助于为再现（家系中再现病例）提供准确的咨询，但基因型-表型相关性目前还不足以就个体儿童的预后向家庭提供咨询。

成人管理

青春期后，除骨折外，成骨不全的其他方面变得更加重要。在青少年和年轻人中，由于残疾和行动不便造成的心理问题，对他们过独立成人生活的能力的担忧，以及经济和个人观点，都可能导致抑郁症状【Am.J. Med. Genet. 45, 207–211 (1993)】。这些问题并不仅限于成骨不全疾病本身，并且应该由有治疗慢性病经验的心理学家来治疗。

由于中度和重度成骨不全儿童的治疗有所改善，患者的预期寿命可能会延长。在2016年丹麦的一项研究，纳入国家注册的所有成骨不全患者，排除产前或围产期致死类型，患者的全因死亡率几乎是参考人群的三倍，成骨不全患者的预期寿命总体缩短7-10年，约四分之一的死亡发生在35岁前。严重受损的患者即使到了一定年龄，其他与成骨不全无关的疾病也会变得更加普遍，如恶性肿瘤。严重成骨不全患者的这些疾病的治疗将是一个挑战，需要对相应的标准治疗途径进行评估。例如，关于成骨不全相关和非疾病相关对心脏病的影响、如何治疗这些患者【Int.J. Cardiol. 196, 149–157 (2015).；Can.J. Cardiol. 31, 1386–1392 (2015)】，以及现代治疗方法对此类患者是否可行【Heart Lung Circ. 23,e169–e171 (2014)】等知识非常有限。通过在多学科团队中治疗患者，儿科领域取得的积极成果应鼓励所有医生制定差异化治疗策略，以改善成骨不全的成人患者的状况。

新兴治疗

新的药物策略正在出现，为解决成骨不全固有脆性表型提供了新的方法。在成骨细胞患者【Pathobiology68, 106–112 (2000)】和成骨不全小鼠模型【Nat. Med.20, 670–675 (2014)】中观察到转化TGFβ信号增加；还不清楚检测到的增长在多大程度上是旁观者效应TGFβ中和抗体可通过破骨细胞和成骨细胞活性的联合降低来改善Crtap小鼠的小梁骨量、皮质厚度和骨强度。此外，在该模型中，抑制TGFβ途径改善了肺超微结构。在Col1a2 /p.G610C(Amish)小鼠中观察到类似的小梁结果，表明过度的TGFβ信号可能在成骨不全的显性和隐性模型中起作用。

如果具有胶原或胶原相关缺陷的成骨细胞产生足够的骨量来克服骨质地中的基质水平缺陷，抗骨硬化素治疗可能通过促进成骨细胞的募集和活性而在成骨不全的管理中发挥作用【.N. Engl. J. Med. 375, 1532–1543 (2016)】(图4a)。与安慰剂治疗相比，8周龄Brtl/ 小鼠的抗骨硬化素治疗2周导致骨形成增加【J. BoneMiner. Res. 28, 73–80 (2013)】。为了解这种方法在快速生长期间的功效，Brtl/ 小鼠从3周龄开始接受为期5周的治疗，在此期间Brtl/ 小鼠的体重增加了一倍以上【Bone 71,115–123 (2015)】。与空白治疗相比，该治疗由于骨形成增加和骨吸收减少，皮质厚度增加。在6周龄时接受治疗的Col1a2 /p.G610C小鼠和在1周龄或6周龄时接受治疗的隐性Crtap小鼠中观察到皮质骨和小梁骨的类似改善。年轻Brtl/ 、Col1a2 /p.G610C和Crtap/-小鼠的皮质骨增加转化为骨强度和硬度的前产出指标（pre-yieldmeasures）的显著改善。尽管后产出指标的骨脆性保持不变，但对年龄匹配的对照骨的拉曼光谱（Raman spectroscopic）分析表明，抗骨硬化素治疗可以减轻新形成的骨组织中高矿物质与基质的比例。

然而，成骨不全是高度异质性的，潜在的严重程度可能影响抗骨硬化素治疗的反应。尽管4周大的Col1a1Jrt/ 小鼠在一个等位基因中携带外显子9剪接供体位点缺陷，当用如上所述的独特但相似的抗硬化素抗体治疗4周后，显示远端股骨小梁骨量增加60%，皮质厚度增加近20%，但该治疗并未转化为腰椎的结构获益或长骨的生物力学获益，并且5个月大的小鼠在这些位点没有显示结构或生物力学获益【Bone 66,182–188 (2014).】。重要的是，抗硬化素治疗可能需要连续的抗再吸收干预，以保持合成代谢治疗停止后的小梁增益，尽管其水平低于初始干预【Bone 93, 79–85 (2016)】。

分子和细胞治疗

成骨不全是一种遗传性疾病，最终治愈需要纠正基因缺陷。然而，对于典型的由于COL1 1和COL12(BOX1)中的结构缺陷引起的成骨不全，突变COL1 1或COL1 2等位基因的特异性抑制，将由胶原蛋白中的显性负结构缺陷导致的严重表型，转化为与具有正常结构的胶原蛋白量减少 (约正常的一半)相关的较轻形式【Am. J. Hum. Genet. 55, 638–647(1994)】。使用各种沉默技术(即核酶/ ribozymes、小干扰核糖核酸/smallinterfering RNA和短发夹核糖核酸/ shorthairpin RNA)的基因治疗方法已经在体外进行了尝试，并在体内等待原理最终证明【Expert Opin. Orphan Drugs 3, 165–181 (2015)】。在临床前和临床试验中也尝试过使用正常移植的多能细胞进行细胞治疗，但细胞移植率低【Blood 120, 1933–1941(2012)】。研究报告接受野生型人胚胎绒毛膜干细胞的小鼠的骨力学改善【Stem Cells Dev. 23, 262–276(2014)】。仍然需要确定最佳的细胞类型和最佳的移植时机，以在骨室中获得更高的移植物【Adv. Regen. Biol. 2, 27964 (2015)】。欧洲批准了一项临床试验，研究胎儿间充质干细胞在成骨不全的儿童和胎儿中促进正常胶原生成的安全性和对骨代谢的影响。细胞将在出生后的第一个月给予，或者在子宫内已经给予，这取决于诊断的时间(BOOSTB4欧盟项目编号:681045)【Gynecol. 48 (Suppl. 1), 356(2016)】。

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