成骨不全症最新治疗：国际成骨不全疾病日，成骨不全症的经典类型和罕见类型的机制联系

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编译：陈康教授

成骨不全的诊断通常取决于家族史和临床表现，其临床特征是在产前、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。

序

成骨不全症(OI)是一组表型和遗传异质性骨骼发育不良，其特征为骨脆性、生长缺陷，以及骨骼畸形。先前已知由I型胶原(细胞外基质的主要蛋白)缺陷引起，现在也理解为由胶原折叠、翻译后修饰和加工、骨矿化和成骨细胞分化缺陷引起的胶原相关疾病，OI类型的遗传跨越常染色体显性和隐性以及X连锁隐性。

本文涉及OI的最新进展，包括经典OI和罕见OI的形式、作用机制及其病理生理学中涉及的信号通路。特别强调I型前胶原C-前肽结构和加工中的突变，后者会导致OI，并伴有显著的高骨量。V型和VI OI型虽然显著不同，但通过干扰素诱导的跨膜蛋白5 p.S40L突变显示它们是相互关联的，该突变揭示了骨限制性干扰素诱导的跨膜蛋白样蛋白和色素上皮衍生因子途径之间的联系。受调控的膜内蛋白水解的功能已通过受调控的膜蛋白水解成分位点2蛋白酶和陈旧性星形胶质细胞特异性诱导物质的缺陷，从胆固醇代谢扩展到骨形成。还介绍了几个最近提出的新型OI候选基因。新OI基因的发现增加了已经具有挑战性的OI管理的复杂性；本文还涉及当前和潜在的管理方法。

经典文献 l 2023 l 速览版

成骨不全症

经典类型和罕见类型的机制联系

（全）

编译/陈康

基本要点

成骨不全症(OI)或“脆性骨”疾病是一种遗传性骨骼发育不良，伴有骨脆性、生长缺陷和不同的次要特征。
OI目前被认为是一种胶原相关疾病，不仅由胶原结构缺陷引起，还由影响胶原折叠、翻译后修饰和加工、骨矿化和成骨细胞分化的基因缺陷引起。
直接存在于I型胶原结构或数量中的缺陷导致80-85%的病例。
I型前胶原前肽加工或结构缺陷会导致不同的OI形式，包括由C-前肽加工缺陷引起的反常高骨量OI。
通过BRIL p.S40L替代，揭示了V型[IFITM5/骨限制性干扰素诱导的跨膜蛋白样蛋白(BRIL) 5' MALEP]和VI (PEDF) 型OI的细胞途径与色素上皮衍生因子缺乏症的症状、组织学和分子发现有关。
由调节性膜蛋白水解(RIP)的成分(位点2蛋白酶、旧星形胶质细胞特异性诱导物质)缺陷引起的OI使RIP的功能从胆固醇代谢扩展到骨发育。
目前的药物治疗包括抗再吸收双膦酸盐，结果不一；合成代谢性抗硬化蛋白抗体在动物模型中显示出在不增加骨脆性的情况下增加骨强度的前景。

概述

成骨不全症(OI)或“脆骨病/brittle bone disease”是一种罕见的可遗传性骨骼发育不良，在15 000至20 000例活产中有1例发生。临床表现为骨脆性、骨骼畸形和身材矮小。除了骨表型外，OI还会影响其他结缔组织的功能，导致各种牙本质形成不全、听力损失、关节过度活动、蓝色巩膜、基底内陷和心脏/呼吸缺陷（图S1）。

图S1: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)。

Sillence分类中描述的经典OI I至IV型主要是由COL1A1或COL1A2基因(分别编码I型胶原的α1(I)和α2(I)链)的结构或数量缺陷引起的遗传性疾病（BOX 1）。OI I型、IV型和III型的临床结局从轻度到中度到重度不等，而II型有围产期致死结局。

BOX 1:成骨不全Sillence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

OI是一种与胶原相关的结缔组织疾病，OI的统一特征开始指导诊断个体的OI或将特定基因中的缺陷指定为“OI致病”。随着对OI遗传学认识的提高，OI的定义特征已经出现。该领域对于Ehlers-Danlos综合征定期举行共识会议，会议规定了诊断的主要和次要特征。目前，I型胶原的特征、临床表现、骨组织和细胞异常的组合，影响了对哪些基因缺陷组构成OI的评估。

首先，I型胶原的结构或数量缺陷至关重要，包括转录物减少、ER滞留导致的分泌减少、翻译后修饰改变、前肽加工或交联以及组织中的异常原纤维。每种类型都有一些但不是所有的胶原蛋白异常。
第二，临床上，发现骨脆性，表现为骨折和椎体压缩，以及弓状畸形（bowing deformity），但并非所有受影响的个体骨折和许多脆性疾病都不是OI。某种程度的身材矮小通常是OI的一部分。许多人有继发性骨骼特征，如牙本质形成不全、传导性听力丧失、轻度面部畸形或相对大头。呼吸和心脏系统功能异常作为一种全身性结缔组织病并不少见。
第三，骨组织的特征是骨量低，皮质薄，由于小梁数量(TbN)和矿物质附着率(MAR)/骨形成率(BFR)下降，骨体积/组织体积(BV/TV)下降。全骨硬度较低，在较低载荷下会断裂，断裂前脆性或位移减小是OI的关键特征。OI骨的另一个关键特征是过度矿化，这是其脆性的基础。OI的双能X射线吸收法(DXA)骨密度测量结果几乎一致较低，这反映了基于phantom/投影的测量结果，而通过定量背散射电子成像(qBEI/ackscattered electron imaging)或灰度化对骨进行的直接测量结果显示矿物质含量增加。
第四，在细胞水平，OI骨几乎总是高转换率，成骨细胞和破骨细胞增加。在培养中，成骨细胞对脂肪细胞表现出延迟分化和增加的可塑性。

表型变异(Phenotypic variability, 即使在具有相同突变的患者中)是OI和其他骨骼发育不良的标志之一，目前仍知之甚少。此外，这一特征掩盖了更好地理解OI的分子基础以识别新的靶分子或途径作为改善治疗的潜在基础的尝试。

近年来，胶原相关形式OI的发现使人们对骨代谢相关关键途径有了新的认识。这些新鉴定的致病基因中有两个负责OI的显性遗传形式—IFITM5和WNT1。

大多数新型OI类型具有基因缺陷的隐性遗传(注意到了例外情况)，这些基因是影响骨矿化[IFITM5(显性遗传，SERPINF1)、胶原修饰(CRTAP，LEPRE1，PPIB)、胶原加工和交联(SERPINH1，FKBP10，PLOD2，BMP1)以及成骨细胞分化和功能的途径的关键成员[SP7，TMEM38B，WNT1，CREB3L1，SPARC，MBTPS2 (X连锁遗传)](表1)。小鼠OI模型对理解经典和新鉴定类型的OI病理机制做出了重大贡献。最近，斑马鱼（zebrafish）成为OI表型分析的有效工具，有可能对药物筛选研究做出特殊贡献。

表1 成骨不全症的遗传分类及独特特征

简称:AD，常染色体显性遗传；AR，常染色体隐性；COL1A1，I型胶原α1链；COL1A2，I型胶原α2链；CREB3L1，3′，5′-环腺苷5′-单磷酸反应元件结合蛋白3-样1；CRTAP，软骨相关蛋白；CyPB，亲环素B；FAM46A，末端核苷酸转移酶5A；FKBP10，FKBP脯氨酰异构酶10；FKBP65，FKBP脯氨酰异构酶65；KDELR2，KDEL内质网蛋白滞留受体2；LH2，赖氨酰羟化酶2；MBTPS2，膜结合转录因子肽酶位点2；SERPINH1，serpin家族H成员1；SPARC，分泌的蛋白质呈酸性，富含半胱氨酸；XR，X连锁隐性。

目前，儿童和部分成人OI患者的药物治疗包括双膦酸盐(BP)给药，这种给药会增加骨量，但不会改善OI骨的材料特性，且对骨折发生率的影响不明确。特立帕肽可用于I型OI的成人OI患者【Calcif Tissue Int. 2013;93(5):448-452；J Clin Invest. 2014;124(2):491-498】，但除了I型胶原之外的其他胶原的血清生物标记物的增加提高了细胞外基质(ECM)组成的更广泛改变的可能性【Bone. 2021;142:115703】。最近在OI小鼠模型中对其他合成代谢剂(如抗硬化素和抗转化生长因子-β(抗TGFβ)抗体)的研究表明，骨量和骨强度均有改善，并可能在未来改善OI患者的表型【Lancet. 2016;387(10028):1657-1671】。

胶原缺陷及其机制

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S2)。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S3)【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S3a)。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S3b)。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S3c)。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*********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S3d)。

图S2: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S3: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。

螺旋突变

在经典显性OI中发现的最常见突变类型导致甘氨酸残基之一被具有大段或带电侧链的氨基酸取代，这种情况在胶原蛋白α链螺旋部分的每三个残基中都会发生。这些取代破坏胶原三螺旋结构域的折叠【Faseb J. 1991;5(7):2052-2060】(图1,表1)。胶原蛋白折叠缓慢又会导致赖氨酰羟化酶1 (LH1)和脯氨酰4-羟化酶1 (P4H1)等酶对胶原蛋白螺旋过度修饰，在某些情况下会导致错误折叠的胶原蛋白在细胞内滞留。负责脯氨酸残基羟基化的酶是P4H1，其对于三螺旋稳定是关键的，并且其通常修饰胶原螺旋区中约50%的脯氨酸残基【Eur J Clin Invest. 1995;25(5):306-310】，以及脯氨酰3-羟化酶1 (P3H1)，其选择性地修饰骨中I型胶原的每个α链上的1个脯氨酸。P3H1底物脯氨酸的羟基化对于骨中的胶原交联和结构组织是重要的【Matrix Biol. 2020;90:20-39】。赖氨酰羟化酶修饰胶原螺旋和端肽中的残基。许多羟基赖氨酸残基随后被单糖基化或二糖基化。LH1对三螺旋结构域中的赖氨酸残基进行羟基化，而赖氨酰羟化酶2对C-和N-端肽起作用，赖氨酰羟化酶3具有羟基化和糖基化活性。在前胶原在细胞周隙加工后，胶原分子组装成原纤维。在原纤维形成过程中，N-和C-端肽中的赖氨酸和羟基赖氨酸残基被赖氨酰氧化酶氧化脱氨基，这是在胶原原纤维中建立共价分子内和分子间交联的关键步骤(图1A)。这些交联有助于组织中胶原的机械强度【Essays Biochem. 2012;52:113-133】。

图1. OI中的胶原结构、折叠、修饰和加工

(A)前胶原是一种异源三聚体，由两条proα1 (I)和一条proα2 (I)链组成，在螺旋折叠期间分别由脯氨酰-4-羟化酶和赖氨酰羟化酶1对脯氨酸和赖氨酸残基进行翻译后修饰。脯氨酰3-OH复合物(P3H1、软骨相关蛋白和肽基脯氨酰异构酶B)作为折叠伴侣；对底物P986残基的修饰微调了胶原蛋白的排列以进行交联。三螺旋由er伴侣Hsp47进一步稳定。一旦分泌到细胞外空间，前胶原的N-和C-前肽分别被ADAMTS-2(一种具有血小板反应蛋白基序的崩解素和金属蛋白酶)和BMP1酶裂解，成熟的I型胶原被释放并整合到细胞外基质中。一种新发现的致OI基因KDELR2编码KDEL受体2，该受体2与Hsp47一起促进er驻留蛋白的细胞内再循环。

(B)在OI病理生理学中，突变会导致前胶原链错误折叠和过度修饰，从而可能增加ER中的蛋白累积，导致ER应激。ER应激引起细胞骨架蛋白(肌动蛋白丝，微管)的改变，诱导UPR途径[PERK(特别是肌醇需要酶1，ATF6)]以适应慢性应激。对于某些突变，超过了ER的应激能力，并且突变胶原被自噬蛋白标记，以便在ER出口位点通过微噬过程降解溶酶体(ERES)。KDELR2突变无法使Hsp47与KDEL受体2结合，因此Hsp47仍与胶原分子结合，在细胞外破坏胶原纤维的形成。

不同取代如何导致OI的广泛临床严重程度仍不完全清楚。1个COL1A1等位基因的突变导致胶原定量异常和相当一致的轻度表型，与骨质疏松重叠。一般而言，将甘氨酸残基替换为带有带电荷或支链的残基会产生更有害的影响。基因型-表型建模表明，特定取代、其位于的链及其在链上的位置均影响临床结果。α1(I)链上的取代比α2(I)链上的取代更常产生严重/致死性结果，致死病例的最高浓度出现在胶原三螺旋的主要配体结合区。在α2(I)链中，严重突变集中在与高阶胶原纤维上的蛋白聚糖结合位点相关的链长方向的簇中。很明显，临床严重程度与胶原过度修饰的程度无关。螺旋的缓慢折叠开始了一系列事件，包括细胞内和细胞外因素。ER中胶原保留的程度不同，细胞内存在一些ER应激，而非胶原蛋白(NCP)结合受损、与破骨细胞的相互作用、细胞-基质相互作用和基质过度矿化等细胞外因素均有助于病理。目前无法根据第一原理预测甘氨酸替代的临床结局，但之前引用的因素以及与成骨不全症已知胶原突变数据库的咨询(https://oi.gene.le.ac.uk)可用于了解特定突变的结果范围。如前所述，胶原结构突变以及细胞和基质途径的贡献已在其他地方进行了详细阐述。

脆性小鼠模型(Brtl /−)在1个 COL1A1等位基因中含有α1(I)Gly349Cys取代，已被证明对研究经典OI非常有用，因为它模拟显性OI的临床特征，而且重要的是，它显示了在OI患者中发现的表型异质性。三分之一的Brtl /-新生小鼠在出生后第1天死于呼吸窘迫，而存活的小鼠表现出中度严重的OI表型【J Biol Chem. 1999;274(53):37923-37931】。对这些具有相同突变的表型差异小鼠的蛋白质组学和细胞信号通路进行比较，发现在与细胞骨架成分、细胞应激、能量代谢、信号转导和凋亡相关的通路中存在潜在的修饰因子。最令人惊讶的发现之一是，与Brtl /-小鼠相比，纯合子Brtl/Brtl小鼠具有正常的骨表型。纯合子小鼠中挽救的骨脆性和高矿化的一个可能原因是，通过同一异源三聚体中半胱氨酸之间形成的二硫键(S-S)稳定了基本上所有的突变α1(I)胶原链。然而，杂合小鼠和纯合小鼠之间的ECM组成也有所不同，因为纯合小鼠中的所有α1链都是突变的，而杂合小鼠具有基质异质性，25%的胶原蛋白中有纯合二聚体，50%的胶原蛋白中有1条突变链，25%的胶原蛋白中没有突变链。此外，杂合子中存在相对分泌选择，其中具有一条突变链的异源三聚体部分保留在细胞内，导致中度基质缺乏【Matrix Biol. 2007;26(8):604-614】。目前仍不清楚纯合Brtl小鼠中挽救表型的机制。

ER应激，细胞骨架变化

胶原蛋白是ECM中含量最多的蛋白质，最初合成时为前胶原链，转运至内质网(ER)进行翻译后修饰和适当折叠，然后释放至细胞外空间。折叠不当的胶原蛋白通常从细胞中分泌较慢，或可能部分保留在ER中。突变胶原蛋白的保留触发细胞管理由错误折叠蛋白的累积引起的应激所必需的途径的诱导(图1B)。已发表的研究指出，很难确定这些途径是否会改变相同突变的表型结果。与存活的Brtl /-和野生型(WT)幼鼠相比，在致死Brtl /-小鼠的皮肤细胞中，与凋亡和蛋白酶体相关的galentin-7增加，而参与细胞-基质相互作用的maspin减少。然而，相对于WT和存活的突变小鼠，致死幼鼠的颅骨中maspin和蛋白酶体的水平与在皮肤中发现的水平相反【J Proteomics. 2012;75(15):4717-4733】。在致死小鼠的颅骨成骨细胞中，ER应激相关蛋白生长停滞和DNA损伤诱导基因153/Chop的表达和蛋白水平增加再次表明难以管理ER应激和阻碍凋亡【Proteomics. 2007;7(11):1877-1891】。即使将重点放在骨研究上，整个骨骼中骨类型的差异也要求验证作为轴向骨的替代骨的颅骨。

ER应激可能通过破坏细胞骨架组织来潜在地影响细胞的存活(图1B)。细胞骨架是由3组主要蛋白质(中间丝、微管和肌动蛋白丝)组成的动态网络，通过在外加细胞外作用力下调节细胞形状和力学来维持细胞完整性。在致死性Brtl /-小鼠中发现了细胞骨架成分表达的变化。波形蛋/ Vimentin白作为中间丝在细胞完整性中具有关键作用，在致死小鼠的骨和皮肤细胞中减少【J Proteomics. 2012;75(15):4717-4733】。微管组分stathmin和肌动蛋白丝辅因子-1分别通过微管和肌动蛋白丝的解聚在细胞骨架动力学中发挥作用。在致死性Brtl /-小鼠的骨、皮肤和肺中，stathmin和cofilin-1均增加，增加了这些因素导致非活体小鼠呼吸窘迫的可能性。细胞骨架在细胞增殖和分化中也起着重要作用，可能导致骨胶原沉积减少。此外，在2对胶原突变相同但致死性II型或严重III型OI表型结果不同的患者中，在2例致死性但不严重的OI患者的成纤维细胞中证实了细胞骨架破坏，表明有必要进一步研究细胞骨架在骨水平OI表型严重程度可变性中的作用【Hum Mol Genet. 2015;24(21):6118-6133】。

ER中错误折叠的蛋白质累积会激活未折叠的蛋白质应答(UPR/ unfolded protein response)及其调节ER驻留信号成分的3种途径:肌醇需求酶1 (IRE1)、真核翻译起始因子2α激酶3 (PERK)和激活转录因子6 (ATF6)(图1B)。陈旧性星形胶质细胞特异性诱导物质(OASIS)是3′，5′-环腺苷5′-单磷酸(cAMP)应答元件结合(CREB)/激活转录因子家族的成员，与ATF6具有相似的结构【Nat Cell Biol. 2009;11(10):1205-1211】。在过量表达OASIS的成骨细胞样细胞系中发现，一旦暴露于ER应激，OASIS被裂解并易位到细胞核中【Nat Cell Biol. 2009;11(10):1205-1211】。然而，尚不清楚OASIS是否在胶原错误折叠的情况下提供了一种替代途径。在OI患者细胞中，UPR PERK和IRE1通路明显上调，作为对ER中突变型胶原错误折叠或滞留的反应。然而，如果UPR超过了其恢复错误折叠蛋白功能的能力，另一种保护机制，自噬就会被激活。自噬是一种溶酶体自消化途径，通过清除受损细胞成分来维持细胞稳态。用于检测自噬的最常见标记基因之一，微管相关蛋白1A/1B轻链3 (LC3-II)，有助于形成自溶体，并在OI患者成纤维细胞中升高，其还表达较高水平的裂解caspase 3和膜联蛋白V(凋亡标记)。化学伴侣4-******丁酸(4-PBA)应用于OI患者的成纤维细胞，可能促进胶原折叠以增加胶原分泌、增加一般蛋白分泌和自噬【Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2018;1864(5 Pt A):1642-1652】。

ER应激和UPR对OI表型严重性的影响程度仍是一个有争议的话题，值得进一步研究。在胶原结构缺陷的细胞中，轻度的UPR途径变化以及电镜图像上一定程度的ER肿胀也符合适应性反应，但不一定是骨病理学的驱动力。值得注意的是，在XIV型OI中，跨膜蛋白38B(TMEM38B)的缺失沿实验中广泛使用的诱导ER应激的相同钙转运系统触发ER应激，OI骨架表型的严重程度为轻度至中度(另见关于TMEM38B缺陷的内容)。即使在具有胶原结构缺陷的经典OI中，许多胶原突变也不会导致胶原的ER保留。需要在更表型相关的细胞、成骨细胞和骨细胞中检查突变胶原蛋白保留和/或一般蛋白分泌减少的程度。成骨细胞几乎完全可以从小鼠模型中获得；缺乏对患者成骨细胞和相关对照的详细研究。对细胞分化的影响(如ER应激引起的影响)很重要，但也可能受到细胞基质和胶原蛋白-NCP相互作用的影响，因为OI骨基质不仅含有突变胶原蛋白，还含有异常比例的NCP。仅含突变胶原的小鼠骨基质，如Brtl/Brtl或Brtl/mov小鼠，表型较温和或接近正常，支持基质组成的重要性。除了数量之外，突变基质的超矿化对OI骨的脆性至关重要，并且与ER应力没有直接关系。幸运的是，在患者骨样本中验证之前，鼠模型提供了易于接近骨的途径，以探索ER应激、一般蛋白分泌、基质组成和细胞-基质相互作用的相对贡献。

另一个显示ER应激参与机制的OI小鼠模型是在胶原α2(I)链的三螺旋结构域中具有Gly610至半胱氨酸取代的小鼠。该小鼠在杂合子中表现出轻度至中度严重OI，在纯合子中表现出围产期致死OI。由于错误折叠的前胶原在细胞内积聚，在成骨细胞中诱导了非常规UPR，真核起始因子2α (EIF2α)磷酸化增加，但UPR组分热休克蛋白家族A (Hsp70)第5成员(BiP)和拼接X-box结合蛋白1 (Xbp1)的表达无变化。成骨细胞矿化减少，成骨细胞分化标记基因表达降低【J Bone Miner Res. 2016;31(8):1608-1616】。最近，在COL1A2 G610C小鼠的成骨细胞中发现了一种可能有助于OI病理生理学的非匿名自噬途径。使用活细胞显微镜，发现ER出口位点(ERESs)的突变胶原被用于溶酶体降解的自噬蛋白标记，这是通过一种能从细胞中去除过量前胶原的微噬样机制【Proc Natl Acad Sci U S A. 2018;115(43):E10099-E10108】(图1B)。当诱导自噬时，成骨细胞实现了错误折叠的前胶原的累积的减少和胶原基质沉积的改善【J Bone Miner Res. 2016;31(8):1608-1616】。此外，这些小鼠已经在生长板的肥大软骨细胞中诱导ER应激，引起生长板异常，并因此引起生长缺陷【Biochem Biophys Res Commun. 2019;509(1):235-240】。然而，对于OI治疗，自噬的治疗性诱导并未得到给予雷帕霉素促进自噬的α2(I)G610C OI小鼠的结果的支持。在α2(I)G610C OI小鼠中，尽管雷帕霉素处理改善了小梁骨量，但骨力学性能未得到挽救，骨脆性和生长实际上恶化【J Cell Mol Med. 2019;23(3):1735-1745】。虽然雷帕霉素的这些脱靶效应代表了一个显著的局限性，但刺激自噬的不同方法在挽救OI骨表型方面可能更有效。

OI患者的一个共同特征是肌力下降；然而，尚不清楚它是否反映了肌肉病理或体力活动减少。G610C小鼠显示后肢肌肉力量与WT相当，小鼠能够完成8周的平板运动方案。这些锻炼确实改善了骨骼硬度；然而，其它生物力学性质保持不变【J Bone Miner Res. 2015;30(10):1874-1886】。在不同背景下饲养的G610C小鼠表现出骨结构和几何形状的改变，使得该模型成为探索可能改变骨表型的不同遗传因子的有用工具【J Bone Miner Res. 2010;25(2):247-261】。

Z-Fish模型

斑马鱼OI模型最近成为研究OI表型变异分子基础的另一种工具。维持成本较低、发育时间短、突变诱导容易、体型小和后代数量多等特点使斑马鱼模型可用于药物筛选研究，如果在小鼠中进行，则需要相当多的时间。然而，尽管成骨过程高度保守，斑马鱼模型中I型胶原的结构与哺乳动物不同，分别由col1a1a, col1a1b和col1a2基因编码的α1、α3和α2链组成【Sci Rep. 2016;6:21540】。

I型胶原螺旋缺陷的斑马鱼Chihuahua (Chi/ )模型携带杂合单核苷酸突变，导致I型胶原的α1(I)链出现典型的甘氨酸取代(G574D)。它强烈地再现显性OI的表型特征【Dev Biol. 2003;264(1):64-76】。与OI患者相似，Chi/ 突变体表现出生长延迟和肋骨骨折以及椎骨压缩。另外，虽然小鼠OI模型没有自发的椎骨压缩，但斑马鱼显示椎骨融合和畸形。这些椎骨异常是否具有与由于机械负荷引起的患者椎骨压缩类似的病因仍有待证明【Hum Mol Genet. 2017;26(15):2897-2911】。

低骨质量和低BFR导致Chi/ 骨骼畸形。在细胞水平上，Chi/ 鱼存在突变型胶原的细胞内滞留和ER增大。热休克蛋白47 (Hsp47)是一种胶原特异性伴侣蛋白，可结合并稳定前胶原的折叠构型，以防止解折叠或聚集，从而促进其分泌。与WT相比，全谱免疫染色显示热休克蛋白47在突变体尾鳍折叠、皮肤和腔间空间中的表达水平更高。Hsp47表达的增加可能是其促进胶原合成和分泌的努力的结果【Hum Mol Genet. 2017;26(15):2897-2911】。在骨组织水平，纳米压痕显示骨硬度和韧性降低。傅里叶变换红外光谱(FTIR)发现，Chi/ 鱼中胶原蛋白成熟度和矿物质结晶度降低，还会影响骨材料质量。最后，OI斑马鱼的骨质量反映了矿化受损，qBEI显示平均钙浓度(CaMean)增加，与OI患者相同【J Bone Miner Res. 2018;33(8):1489-1499】。I型胶原突变不同的OI斑马鱼模型显示出广泛的骨骼表型，这很可能是由于OI患者中观察到的基因型间可变性。对这些模型的研究可能有助于更好地理解OI表型变异的潜在机制【Proc Natl Acad Sci U S A. 2018;115(34):E8037-E8046】。

c-前切割位点与骨形态发生蛋白缺陷

解理位缺陷和超矿化

I型胶原是以前胶原这一促分子形式合成的，由胶原三螺旋结构域加上N-和C-前肽组成。合成后，2条前α1和1条前α2链在C-前肽处相互对齐，并开始缔合和向N-末端折叠。产生的前胶原异源三聚体被分泌到细胞周隙。为释放形成胶原原纤维所需的成熟胶原分子，N-和C-前肽各自分别被特定的金属蛋白酶、具有血小板反应蛋白基序2的崩解素和金属蛋白酶(ADAMTS-2)和骨形态发生蛋白1(BMP1)/toll样蛋白酶进行酶处理(图1A)。

首次在2名儿童中发现C-前肽加工受损，其切割位点残基中出现取代，分别为proα1(I) p.Asp1219Asn和proα2(I) p.Ala1119Thr。他们主要遗传了OI，伴有相对较轻的OI症状和DXA异常高的骨量。高骨量的特征是qBEI上的骨矿化增加，FTIR光谱上的矿物质与基质比率增加。组织形态计量学显示，由于2个proα1(I)链的裂解效率低下，proα1(I)取代儿童的骨样接缝增加、BFR升高和TbN增加。相反，在proα2(I)取代的患者中，proα1(I)链大部分被劈开，并发现较薄的骨样接缝，同时TbN升高【Hum Mutat. 2011;32(6):598-609】。随后的一项研究在更广泛的年龄范围(2.5-75岁)中对具有相似突变的患者显示了相同的发现【J Bone Miner Res. 2018;33(7):1260-1271】。这些数据支持C-前肽裂解在骨矿化中的关键且以前未被认识到的作用。目前正在小鼠模型中研究高骨量OI的机制。

患者和小鼠的BMP1缺陷

基于其诱导异位骨形成的能力，在骨提取物中首次发现了BMP1【Science. 1988;242(4885):1528-1534】(表1)。有4种BMP1样蛋白酶:由同一基因编码的BMP1及其替代剪接变体哺乳动物toll样受体(mTLD)BMP 1，以及哺乳动物toll样受体1和2(分别为mTLL-1和mTLL-2)。BMP1样蛋白酶的主要作用涉及其前胶原C蛋白酶(pCP)活性，其负责从I型、II型和III型前胶原切割C-末端前肽【Science. 1996;271(5247):360-362】。其他功能包括加工富含亮氨酸的小蛋白聚糖(核心蛋白聚糖、双蛋白聚糖和骨甘氨酸);激活赖氨酰氧化酶，一种对胶原分子交联很重要的酶【J Biol Chem. 2001;276(25):22537-22543】;骨矿化所需的牙本质基质蛋白1 (DMP1)的加工【J Biol Chem. 2004;279(2):980-986】;以及骨重塑的主要信号分子之一TGFβ1的激活【J Cell Biol. 2006;175(1):111-120】。

纯合子Bmp1 小鼠在胚胎发育期间由于腹侧体壁闭合失败而死亡，而纯合子Tll1小鼠的胚胎致死性是由心血管缺陷引起的【Development. 1996;122(11):3587-3595；Development. 1999;126(12):2631-2642】。通过诱导出生后切除这两种基因以产生存活的双纯合子小鼠，已经产生Bmp1和Tll1 (BTKO)的条件性敲除。BTKO小鼠的骨折和脆性增加，皮质和骨小梁BV/TV减少，骨样接缝增加。骨高度重塑，与成骨细胞和破骨细胞数量增加一致。骨细胞成熟减少，硬化素减少，细胞形态异常。Bmp1-或Bmp1/Tll1 胚胎具有“倒刺状”胶原原纤维，在原纤维表面具有倒刺状(barbed-wire)突起，表明掺入了pC-胶原【Hum Mol Genet. 2014;23(12):3085-3101】。

BMP1纯合子或复合杂合子突变儿童的表型从轻度到重度不等。在大多数情况下，I型前胶原C-前肽加工受损会导致高骨量OI和胶原纤维组织异常【Hum Mutat. 2012;33(2):343-350；Am J Med Genet A. 2014;164A(5):1143-1150；Am J Med Genet A. 2016;170(12):3150-3156】(图1B)。本文中的高骨量是指骨密度测定研究的结果，与正常人群相比Z评分高达 3，并且通过骨矿物质密度分布(BMDD)分析显示骨基质矿化高，而不是在其他高骨量情况下发现的BV/TV升高。高骨量患者服用BPs可能会增加骨硬度和脆性。

由于BMP1新的杂合错义和移码突变导致的常染色体隐性OI成年患者身材矮小，骨折频繁，长骨近端短小缩短。在患者成纤维细胞中，对胶原纤维形成很重要的前胶原和前胶原蛋白的加工存在缺陷。免疫荧光染色显示体外胶原组装受损。电镜下见真皮ECM原纤维不规则，纤维内间隙充满无定形沉积物【J Bone Miner Res. 2015;30(8):1445-1456】。

骨形态发生蛋白信号调节因子的缺陷

骨形态发生蛋白(BMP)/TGFβ信号通路不同于BMP前胶原加工功能，也可能是OI综合征的促发因素。FAM46A是核苷酸转移酶折叠蛋白超家族的成员，其功能在很大程度上是未知的【Nucleic Acids Res. 2009;37(22):7701-7714】。在爪蟾发育过程中，Fam46a与SMAD家族成员1/SMAD家族成员4发生物理相互作用，是诱导BMP-靶基因转录的阳性调节剂【Development. 2018;145(20)】(图2,表1)。FAM46A在鼠胎骨骼和人成骨细胞中强烈表达，表明在骨发育中可能起作用【Mamm Genome. 2016;27(3-4):111-121；J Med Genet. 2018;55(4):278-284】。FAM46A变体以前与常染色体隐性视网膜色素变性有关【Ann Hum Genet. 2008;72(Pt 1):26-34】。另外，在最初被认为具有Stüve-Wiedemann综合征的儿童中检测到的FAM46A中的纯合突变已被报道，引起在出生后1年诊断出的严重形式的常染色体隐性OI，具有先天性下肢弓形、骨折、牙齿异常和蓝色巩膜【J Med Genet. 2018;55(4):278-284】。进一步确认这些突变为OI致病突变有待成纤维细胞生化研究和骨组织分析。N-乙基-N-亚硝脲(ENU)-诱导的FAM46A隐性缺陷小鼠模型具有升高的血清碱性磷酸酶、小尺寸和易碎的骨，小梁体积和皮质厚度减少【Mamm Genome. 2016;27(3-4):111-121】。

图2 成骨不全症中Wnt和Bmp信号通路被破坏

(左)BMP配体与BMPRI和BMP ri受体结合，诱导SMAD 1/5/8磷酸化。末端核苷酸转移酶5A(fama46a)与磷酸化的SMAD 1/5/8结合，保护其免受泛素化。SMAD 1/5/8、FAM46A和SMAD4共同形成一个复合物，该复合物可易位至细胞核，并在那里诱导BMP靶基因的转录。

(右)Wnt信号传导通过WNT1配体与Frizzled受体和LRP5/6共受体结合而激活，通过抑制由阿信病、大肠腺瘤性息肉病(APC)和糖原合成激酶3 (GSK3)组成的降解复合体来稳定β-catenin水平。随后，β-catenin迁移至细胞核，在细胞核中激活Wnt靶基因的转录。最近提出的for OI致病基因是一种ER伴侣，可促进LRP5/6共受体的成熟和转运。

C-前肽的缺陷

I型前胶原的C-前肽对于链识别和关联至关重要。尽管该区域的突变未整合到ECM中，但它们会导致OI，且表型严重程度从轻度到致死。已有过早终止密码子(PTCs)和氨基酸取代的报告。C-前肽缺陷引起的OI严重程度受PTC部位的影响。当PTC导致无义介导的信使RNA衰变(NMD)时，突变proα1(I)-胶原链的产生减少，OI结局较轻；NMD的缺乏导致突变链掺入前胶原，这影响前胶原的折叠和过修饰，导致严重的或致死的OI表型【Ann Hum Genet. 2008;72(Pt 1):26-34】。

现在，来自人前胶原III异源三聚体(CPIII)的C-前肽三聚体的晶体结构为预测OI严重程度提供了更可靠的工具。C-前肽呈花状，由一个柄、一个基部和3个板状组成。导致轻度至中度OI表型的C-前肽突变通常涉及不参与链间相互作用的区域中的表面定位残基，这使得它们不太可能干扰折叠或三聚。具有更严重和致死性结果的突变位于C末端附近，在板状和碱基之间的界面处。该区域的突变涉及链内二硫键结合、链间相互作用或疏水核的稳定。C-前肽的结构模型可见于之前的研究【Hum Mutat. 2014;35(11):1330-1341；Nat Struct Mol Biol. 2012;19(10):1031-1036；Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2019;1865(9):2210-2223】。链内二硫键对胶原组装的初始阶段很重要。影响二硫键的突变延迟了突变链的链缔合和分泌【J Med Genet. 2001;38(7):443-449】。新证据表明，蛋白停滞网络直接与错误折叠的突变C-pro结构域结合，决定前胶原的分泌与保留。保留的突变体靶向ER相关的降解【J Biol Chem. 2020;295(29):9959-9973】。

具有C-前肽结构缺陷的患者成纤维细胞表现出升高的BiP(一种ER伴侣蛋白)水平，这可能是对ER中保留突变前胶原和ER应激的反应【J Biol Chem. 1993;268(24):18226-18233】。已通过共免疫沉淀显示BiP可直接结合OI成纤维细胞中的异常前胶原，但在对照细胞中不结合【J Biol Chemi. 1995;270(15):8642-8649】。破坏三聚体组装的C-前肽突变通过蛋白酶体er相关降解途径诱导前胶原链降解【J Biol Chem. 1999;274(39):27392-27398】。然而，尚不清楚ER应激在C-前肽突变引起的OI中的重要性。最近的发现表明，OI患者的C-前肽缺陷导致前胶原在ER腔中的定位错误，而不是在ER膜的正常位置，这可能会限制链暴露于参与翻译后修饰的酶。此外，前肽的切割在细胞周隙和体外均受损，表明突变间接干扰了切割位点的3D结构【Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2019;1865(9):2210-2223】。

Aga2小鼠是一种ENU诱导的小鼠模型，会影响I型胶原的C-前肽区。诱导的突变是Col1a1内含子50内新的T-A置换，产生新的外显子39剪接受体位点，最终导致移码，预测终止密码子超出内源性终止密码子。小鼠表现出严重至致死表型，骨折增加，骨量减少。细胞内错误折叠胶原的累积通过上调BiP、Hsp47、生长停滞和DNA损伤诱导基因Gadd153/Chop以及激活caspase-3和-12和成骨细胞凋亡诱导ER应激【PLoS Genet. 2008;4(2):e7】。Aga2围产期致死小鼠由于胶原减少和ECM完整性丧失而出现心脏和肺缺陷。在III型和IV型小儿OI患者队列中验证了这些结果【Hum Mol Genet. 2012;21(16):3535-3545】(另请参阅关于OI治疗方法的内容)。

第V和VI类OI

V型OI患者和小鼠

V型 OI由干扰素诱导的跨膜蛋白5 (IFITM5)的5'-UTR突变(编码骨限制性干扰素诱导的跨膜蛋白样蛋白/BRIL)的复发性常染色体显性突变引起【Am J Hum Genet. 2012;91(2):349-357；Am J Hum Genet. 2012;91(2):343-348】(图3,表1)。BRIL定位于成骨细胞质膜，但在成纤维细胞中表达程度较低。IFITM5 c.-14C>T突变产生了一个新的起始密码子，导致BRIL细胞质N-末端增加了5个残基(MALEP)。BRIL MALEP突变在OI类型中是独特的，既是位于5’-UTR上的唯一致病突变，也是在正常翻译起始上游产生新的起始密码子【Am J Hum Genet. 2012;91(2):349-357】。BRIL通过半胱氨酸50和51的棕榈酰化在细胞质侧与细胞膜连接【J Bone Miner Metab. 2016;34(2):123-131】。还已知BRIL与质膜胞外面上或胞内的FKBP脯氨酰异构酶11 (FKBP11)相互作用。BRIL与FKBP11的结合会干扰分化簇9 (CD9)与分化簇81 (CD81)-FKBP11复合物的相互作用，进而调节干扰素诱导基因的表达。这些相互作用可能将免疫系统与OI型病理生理学联系起来【J Bone Miner Metab. 2011;29(3):279-290】。

图3. BRIL和PEDF的缺陷改变了骨矿化，导致OI

BRIL在细胞核中SERPINF1转录的调节以及由此产生的蛋白PEDF中具有重要作用。在正常的成骨细胞中，BRIL通过掌细胞分裂位点附着于细胞膜。在导致V OI型的突变中，5个aa残基被添加到BRIL的5’末端。这反过来又增加了SERPINF1及其蛋白PEDF的转录。在存在BRIL丝氨酸40亮氨酸(S40L)替代的情况下，手掌细胞化过程受损，BRIL被困在高尔基体中。临床上，BRIL S40L患者具有严重VI型OI(非典型VI型OI)而非V型OI的特征。PEDF结合基质中的胶原蛋白是其抗血管生成功能的关键。PEDF 组织中类骨质增加的机制未知。

Glorieux等于2000年首次在临床上将V 型OI描述为与I型胶原突变无关的显性遗传疾病【J Bone Miner Res. 2000;15(9):1650-1658】。一般为中度OI，严重程度与IV型OI相似，但身高和骨矿物质密度差异较大。首先发现了一组三联征:

(1)骨折后或手术后增生性骨痂形成史；

(2)前臂骨间膜钙化；

(3)甚至在婴儿中发育的前臂中的高密度干骺端带。

桡骨头脱位也是常见的表现。偏振光下对V型患者的骨检查显示，基本上所有患者均存在网状层叠模式。就特征性临床和影像学发现的组合而言，V型OI患者的表型存在显著的差异。约2/3的病例存在增生性骨痂或脊柱侧弯，而大多数患者存在桡骨头脱位和骨间膜骨化。患者未表现出蓝色巩膜或牙本质生成不全症【Am J Hum Genet. 2012;91(2):349-357；J Bone Miner Res. 2000;15(9):1650-1658；J Med Genet. 2013;50(1):21-24】。DNA测序前，部分V型OI患者并未被怀疑。

V型OI肥厚性愈伤组织和密集的干骺端条带，以及在蛋白N-末端延伸的突变结构，表明致病性BRIL突变导致功能增益【Am J Hum Genet. 2012;91(2):349-357；J Bone Miner Res. 2014;29(9):2004-2016】(图3)。拉长的BRIL蛋白在细胞中是稳定的，但不显示拓扑结构、棕榈酰化或膜定位的变化，所有这些都提供了V型OI突变是功能增益的额外证据【J Bone Miner Res. 2014;29(9):2004-2016】。来自体外培养的患者骨样品的成骨细胞显示成骨细胞成熟标记物如骨桥蛋白/ osteopontin (分泌的磷酸蛋白1)、碱性磷酸酶(ALPL)和整合素结合涎蛋白(IBSP/ integrin-binding sialoprotein)的转录物水平增加，提示分化中期的改变【J Clin Endocrinol Metab. 2015;100(2):E325-E332】。这些数据与活性增生性骨痂形成期间患者血清碱性磷酸酶水平升高的情况一致【J Bone Miner Res. 2000;15(9):1650-1658】,且在一些患者中骨痂缓慢变化【J Bone Miner Res. 2013;28(7):1523-1530】。

V型OI患者的骨组织在qBEI上高度矿化，类似于经典的胶原基OI【J Bone Miner Res. 2017;32(9):1884-1892】。与基于胶原的OI一样，V型OI骨中小梁骨量(BV/TV)减少，而通常在基于胶原的OI中升高的BFR在V型OI的髂嵴活检中降低【J Bone Miner Res. 2000;15(9):1650-1658】。V型OI骨的骨细胞数量和大小也有明显的增加【J Bone Miner Res. 2017;32(9):1884-1892】。这些数据提出了一个悖论，即V型OI小梁骨的预期低BV与增生性骨痂和骨间膜钙化的旺盛骨外骨形成之间存在矛盾。由于旺盛的骨化活动涉及骨的外表面，因此推测其代表了仅使用骨外结构作为指导的调节异常的骨膜增殖【J Med Genet. 2013;50(1):21-24】。或者，BRIL突变可能会损害重塑期间有序板层骨的形成，因为在正常骨骼发育期间骨膜骨附着处可见与V型旺盛骨相同的结构【J Bone Miner Res. 2017;32(9):1884-1892】。对患者成骨细胞和小鼠模型的进一步研究可能阐明骨和骨外位点BRIL MALEP突变的机制。

IFITM5敲除(KO)小鼠未表现出骨骼发育不良。然而，通过聚集的规则间隔短回文重复序列(CRISPR)引入相应BRIL突变的小鼠是胚胎致死的。这些幼仔表现出骨骼畸形，包括波浪状肋骨（wavy ribs）、弯曲长骨和过度矿化的颅骨【Bone. 2018;107:131-142】。另外，它们的长骨中充满了肥大的软骨细胞。

VI型和非典型VI型 OI患者及小鼠模型

VI型 OI是一种严重的隐性骨发育不良，由Serpin家族F1成员(SERPINF1)突变引起。SERPINF1编码色素上皮衍生因子(PEDF)，一种50kd的分泌性糖蛋白，已知它是一种有效的抗血管生成因子(表1)。在VI 型OI中，致病突变通常为突变，导致缺乏该型独有的血清PEDF。已知PEDF与I型胶原结合，有趣的是，PEDF上对胶原结合至关重要的突变残基会消除其抗血管生成作用【J Biol Chem. 2011;286(30):26364-26374】(图3)。在培养的成骨细胞中，PEDF的加入以剂量依赖性方式降低了硬化素(SOST)的表达，这有助于PEDF的成骨效应，并抑制了骨组织中骨细胞相关基因的表达，包括SOST、基质细胞外磷糖蛋白(MEPE)和DMP1【J Bone Miner Metab. 2019;37(5):773-779】。此外，PEDF在脂肪细胞中高度表达，其在脂肪形成中的作用是抑制性的；相反，PEDF表达在脂肪形成期间降低(。PEDF KO小鼠的全身肥胖症增加50%。PEDF与脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)结合，抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)，并因此抑制血小板糖蛋白4 (CD36)(其本身为脂肪酸转运蛋白。总体而言，PEDF增加了成骨作用并抑制了脂肪生成，始终支持间充质干细胞分化为成骨细胞而非脂肪细胞【Faseb J. 2013;27(11):4384-4394；Int J Mol Sci. 2018;19(12)】。

VI型OI最早于2002年发现，其隐性遗传为类似III型OI的严重骨发育不良。与III型OI不同，VI型患者通常在出生时未被识别，但在1岁后出现频繁骨折【J Bone Miner Res. 2002;17(1):30-38】。VI型OI的其他独特临床标识符包括儿童期碱性磷酸酶持续升高和无血清PEDF。VI 型OI的骨组织也很独特；偏振光下增加的未矿化骨样和鱼鳞片层的组合对于最初的临床描绘是关键的【J Bone Miner Res. 2002;17(1):30-38】。

SERPINF1−/−小鼠模型的特征是BV/TV降低和骨样升高，如临床VI型OI中所发现的。在体外，钙化结节中的矿物质沉积增加，矿物质与基质的比率升高【J Bone Miner Res. 2013;28(7):1531-1536】。涉及该小鼠的治疗研究得出了相互矛盾的结果。通过辅助依赖型腺病毒载体注射将PEDF传递至2个月大的SERPINF1−/−小鼠的尾静脉并未改善骨表型【Mol Genet Metab. 2016;117(3):378-382】。相比之下，向19天和6个月大的SERPINF1小鼠腹腔注射含PEDF的微球据报告可改善骨量和力学【Faseb J. 2016;30(8):2837-2848】。不同的结果可能反映了不同的PEDF分娩方式或地点、PEDF的局部与肝脏生成量，或治疗小鼠的年龄。将需要进一步研究替代疗法，以验证最佳治疗方案。

IFITM5/BRIL S40L (c.119 C>T)是一种特殊突变，发生于引起V型OI的基因中，但导致类似于VI型OI的OI发现模式(图3,表1)。具有这种突变的指数患者的骨发育不良甚至比典型的VI型OI更严重，儿童期血清碱性磷酸酶升高，在骨骼成熟时恢复正常，并且当在偏振光下观察骨时，鱼鳞片状图案的外观类似于鱼鳞，而不是平行线的正常外观【J Bone Miner Res. 2014;29(6):1402-1411】。血清PEDF正常，但培养的成纤维细胞和成骨细胞几乎无PEDF分泌。该患者以及报告有相同突变的另外8名独立患者【J Bone Miner Res. 2014;29(6):1402-1411；Am J Med Genet A. 2014;164A(5):1136-1142；J Bone Miner Res. 2014;29(6):1387-1391；J Obstet Gynaecol. 2017;37(6):809-810；Osteoporos Int. 2017;28(10):2985-2995；Genet Med. 2018;20(11):1430-1437；Ann Hum Genet. 2018;82(6):477-481；Am J Med Genet A. 2019;179(1):65-70】，没有V型OI的独特临床和影像学表现。非典型VI型OI的S40L取代和V型OI的MALEP插入都是杂合的，支持从头突变的显性遗传。S40L BRIL突变发生在S50和S51的棕榈酰化位点附近【J Bone Miner Metab. 2016;34(2):123-131】(图3)。在小鼠中，相应的突变发生在S42，并且用亮氨酸取代导致在S52和S53 BRIL的差的棕榈酰化及其在高尔基体中的截留【J Bone Miner Res. 2014;29(9):2004-2016】。V型OI和BRIL S40L型患者成骨细胞的体外分化显示了这些突变之间的相互关系:具有MALEP突变的细胞在培养中增加了矿化，并且增加了SERPINF1表达和PEDF分泌，而具有S40L的成骨细胞在培养中减少了矿化，并且减少了SERPINF1表达和PEDF分泌。有趣的是，这两种突变都导致成骨细胞分化过程中胶原蛋白表达减少【J Clin Endocrinol Metab. 2015;100(2):E325-E332；J Bone Miner Res. 2014;29(6):1402-1411】。

最近生成了一个带有Ifitm5S42L突变的非典型VI型OI小鼠模型。这是一种显性突变，与患者一样，小鼠表现出突变剂量效应。与它们的WT同窝鼠相比，杂合小鼠具有骨折和降低的DXA，并且纯合小鼠显示更严重的表型【Calcif Tissue Int. 2019:104:P321】。

IFITM5 S40L替代产生的BRIL和PEDF之间隐含联系的机制尚不清楚。BRIL和PEDF不直接相互作用，也没有与胶原加工、合成、折叠或交联直接相关的功能，但两者以互补的方式影响成骨细胞的矿化和分化。

XIV型OI—TMEM38B缺陷

独特OI形式的钙流量缺陷

钙信号对身体很重要；钙从肌浆网(SR)和ER中的释放对于不同的细胞作用【Biochim Biophys Acta. 2009;1793(6):933-940】。该过程涉及2个关键活动:钙释放，其产生离子穿过SR/ER的反向运动以稳定腔侧负电位的运输；以及钙从细胞内储存通过钙释放通道移动到质膜【Mol Cell Biochem. 1983;55(1):65-82；Acta Physiol Scand. 1996;156(3):387-396】(图4)。Ca2 作为第二信使与许多蛋白质相互作用，其中包括I型胶原。Ca2 在胶原代谢中作用既是直接的，因为Ca2 与前胶原C-前肽结合并稳定前胶原三聚和折叠所必需的二硫键和链间氢键【Nat Struct Mol Biol. 2012;19(10):1031-1036】，也是间接的，因为Ca2 是参与前胶原翻译后修饰的多种酶的关键辅因子。

图4. OASIS、RIP和TRIC-B在骨形成中的作用

ER是细胞内Ca2 的主要储存场所。I型胶原在此间隔内合成，Ca 2是参与胶原折叠和修饰的许多酶的辅因子。在接受细胞外刺激时，ER管腔通过IP3R向细胞质释放Ca 2。TRIC-B通过介导K 通量间接参与Ca 2进入和从ER释放的动力学；这通过ER膜维持电中性。当TRIC-B缺陷时，钙通量的改变会干扰多个Ca 2结合伴侣(如BiP)和修饰酶(如LH1)，从而干扰胶原蛋白的合成和分泌。细胞应激后，ER膜中的调节蛋白(如OASIS)从ER转运至高尔基膜进行RIP。在高尔基体中的跨膜蛋白酶S1P和S2P连续切割后，OASIS释放的N-末端部分可以转位到细胞核中，并激活一组基质相关基因的转录，包括I型胶原α/α21链。

Yazawa等报道了2种三聚细胞内阳离子(TRIC)通道的发现，这些通道在细胞膜上差异表达，并与ryanodine受体/肌醇1，4，5-三磷酸(RyR/IP3)同步发挥反离子通道的作用–介导Ca 2释放【Nature. 2007;448(7149):78-82】(表1)。ER膜富含TRIC通道【Biophys J. 2008;95(8):3706-3714】。TRIC-A由TMEM38A编码，在包括心肌在内的肌肉细胞的SR中表达，与ryanodine受体介导的Ca2 释放协同作用。由TMEM38B编码的TRIC-B在ER中普遍表达，并与肌醇1，4，5-三磷酸受体(IP3R)同步运作 (图4)。TRIC-A和TRIC-B在包括心脏在内的许多组织中共同表达，并且在一些功能中可能重叠，使得难以分别区分每个通道的作用。在骨中，TRIC-B是关键角色，其作用是与IP3R通道介导的er Ca2 释放相协调，调节K 跨膜通量以维持穿过ER膜的电中性【Biophys J. 2008;95(8):3706-3714；Nature. 2007;448(7149):78-82；Development. 2009;136(14):2355-2361；Circ Res. 2014;114(4):706-716；Pflugers Arch. 2013;465(8):1135-1148】。

患者和小鼠

XIV型OI是一种常染色体隐性形式的OI，由TMEM38B的突变引起(表1)。在以色列和沙特阿拉伯的患OI的Bedouin家庭中首次同时报告了TMEM38B的原始突变【J Med Genet. 2012;49(10):630-635；Hum Mutat. 2013;34(4):582-586】。随后在阿尔巴尼亚、巴基斯坦、中国、埃及、西班牙和土耳其报告了TRIC-B中具有不同隐性缺陷的病例【Osteoporos Int. 2017;28(10):2985-2995；Gene. 2014;545(2):290-292；J Clin Endocrinol Metab. 2017;102(6):2019-2028；J Hum Genet. 2016;61(6):539-545；Mol Genet Genomic Med. 2017;5(1):28-39】。尽管这些突变均为突变，但XIV型OI患者的表型变异程度惊人，从无症状个体跨越到重度OI。此外，患者表现出各种临床特征的组合，例如髋内翻、骨折和弓形长骨【J Clin Endocrinol Metab. 2017;102(6):2019-2028】。一般而言，大多数XIV型OI患者表现出中等OI严重程度(在IV型OI范围内)，包括骨质疏松、四肢弯曲、缝间骨/ wormian bones和骨脆性增加【Hum Mutat. 2013;34(4):582-586】。首次报告贝都因始祖突变患者骨折的发病年龄从产前至6岁【J Med Genet. 2012;49(10):630-635】。与其他OI显性和隐性类型不同，XIV OI类型的BV/TV降低与高骨转换无关，而是与低骨吸收和成骨细胞数量减少至正常有关【J Clin Endocrinol Metab. 2017;102(6):2019-2028】。在几乎所有OI类型中，它们也缺乏qBEI上发现的骨过度矿化。

缺乏TRIC-B的成纤维细胞和成骨细胞表现出受损的ER钙内流动力学。由于Ca 2是参与前胶原组装、折叠和修饰的多种酶的关键辅因子，这导致胶原合成的整体失调。在XIV 型OI成骨细胞和成纤维细胞中，I型胶原的翻译后修饰发生了独特的改变，这与经典II型、III型和IV型中发现的胶原螺旋过度修饰以及VII型、VIII型和IX OI中的前胶原脯氨酰3-羟基化隐性缺陷相反。在XIV 型OI中，由于LH1功能障碍，胶原螺旋赖氨酰羟基化减少，但尝试通过增加PLOD1转录和增加LH1蛋白水平进行补偿(图4)。由于赖氨酰羟化酶2 (LH2)水平升高，患者前胶原的端肽赖氨酸羟基化中度增加，但PLOD2转录物和FKBP脯氨酰异构酶65蛋白减少。尽管在患者细胞中发现蛋白质二硫键异构酶(PDI)蛋白的水平增加，但由于前胶原的组装被延迟，对三聚体前胶原的组装至关重要的PDI的二硫键催化作用也可能受损。亲环素B蛋白(CyPB)是ER中前胶原脯氨酸3-羟基化复合物的一种成分，也与BiP和PDI结合，在TMEM38B 细胞中减少，导致胶原α1(I)P986 3-羟基化适度减少至3-羟基化缺陷载体中观察到的水平(图4)。CyPB也是LH1的主要胶原顺反异构酶和肽基脯氨酰异构酶(PPlase)，但TMEM38B 细胞中的胶原没有延迟折叠。所产生的错误折叠的前胶原的显著部分在TRIC-B 细胞中被细胞内降解，导致细胞胶原分泌减少【Plos Genet. 2016;12(7):e1006156】。

trec-b敲除小鼠出生后不久因呼吸衰竭死亡【Nature. 2007;448(7149):78-82；Development. 2009;136(14):2355-2361】。IP3R介导的肺泡上皮细胞中ER的钙释放受损导致这些小鼠的细胞内储存超负荷【Development. 2009;136(14):2355-2361】。Tric双敲除(Tric-a/Tric-b)小鼠因心肌细胞畸形和细胞内钙管理受损而出现心功能不全；这些小鼠是胚胎致死性的【Nature. 2007;448(7149):78-82】。Tric-a敲除小鼠模型对于发现Tric-b通道能够作为单价阳离子通道向SR递送K 离子以响应钙释放急性期正电荷丢失的现象至关重要【Pflugers Arch. 2013;465(8):1135-1148】。TRIC-B对于成骨细胞在骨中沉积足够量的胶原蛋白的能力是至关重要的。Tric-b敲除小鼠由于沉积在ECM中的胶原不足(继发于成骨细胞中胶原从ER向高尔基体转运的抑制)而表现出骨矿化受损和骨化受损【Sci Signal. 2016;9(428):ra49】。在患者中，前胶原的细胞内滞留和降解类似地导致成纤维细胞和成骨细胞的胶原分泌显著减少【Plos Genet. 2016;12(7):e1006156】。

Wnt家族成员1缺陷-XV型OI

Wnt/β-catenin信号通路是骨发育的主要调节通路之一。人和小鼠研究表明，Wnt核心受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5 (LRP5)功能的丧失或增加分别诱导了低或高骨量表型，强调了Wnt在骨形成中的作用【Cell. 2001;107(4):513-523；N Engl J Med. 2002;346(20):1513-1521；Mol Cell Biol. 2005;25(12):4946-4955；J Cell Biol. 2002;157(2):303-314；J Bone Miner Res. 2003;18(6):960-974】(表1)。Wnt/β-catenin途径通过Wnt配体与frizzled (Fz)/LRP5或低密度脂蛋白受体相关蛋白6 (LRP6)结合而被激活，这可通过抑制β-catenin被由axin、大肠腺瘤性息肉病(APC/ adenomatous polyposis coli)和糖原合成激酶3 (GSK3/ glycogen synthase kinase 3)组成的降解复合体磷酸化来增强β-catenin的稳定性。β-catenin随后在细胞核中积聚，在细胞核中与T细胞因子/淋巴增强子结合因子(TCF/LEF)相互作用并诱导靶基因表达【Annu Rev Cell Dev Biol. 2004;20:781-810】(图2)。

在人类中，Wnt家族成员1 (WNT1)突变可导致常染色体显性或隐性XV型OI。WNT1纯合子突变可导致隐性OI，表现为身材矮小、多处椎体压缩性骨折、脊柱后侧凸和严重长骨骨折，表型严重程度从中度到进行性变形【J Med Genet. 2013;50(5):345-348；Am J Hum Genet. 2013;92(4):565-574；Am J Hum Genet. 2013;92(4):590-597；N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816；Eur J Med Genet. 2015;58(1):21-27；Pediatr Res. 2017;82(5):753-758；J Biomed Sci. 2019;26(1):31；Bone. 2018;114:144-149；BMC Med Genet. 2018;19(1):117；J Hum Genet. 2019;64(4):291-296；Am J Med Genet A. 2019;179(6):908-914】。另外，WNT1的杂合突变主要导致遗传性早发性骨质疏松症【Am J Hum Genet. 2013;92(4):565-574；N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816；J Bone Miner Res. 2016;31(9):1734-1742；Am J Med Genet A. 2018;176(11):2419-2424】。隐性XV型OI患者的巩膜色调为白色至蓝灰色至蓝色。未报告牙本质形成不全。还发现了OI不典型的两个特征，即患者骨BMDD正常，骨组织学显示骨转换低。在任一遗传模式中，突变的Wnt1蛋白激活Wnt/β-catenin途径的能力降低，提示其在调节成骨细胞功能和骨稳态中的作用【Am J Med Genet A. 2018;176(11):2419-2424；Am J Hum Genet. 2013;92(4):565-574；N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816】(图2)。使用晶体结构模型，推断WNT1中的隐性p.Gly177Cys和显性p.Arg235Trp取代分别使对结合LRP5/6或Fz受体重要的Wnt1片段未折叠【Am J Hum Genet. 2013;92(4):565-574】。

在鼠Wnt1模型中，由于中脑和小脑发育的中断而出现出生后早期致死【Cell. 1990;62(6):1073-1085】。在患者中，Wnt1突变对骨骼的影响更为一致，但新出现的信息表明，在XV型患者中也存在显著的神经系统成分。约半数WNT1相关OI患者有神经或脑异常，包括脑室扩张伴脑萎缩改变、小脑发育不全伴中脑短或I型Chiari畸形，约40%有严重智力残疾或发育迟缓【Am J Med Genet A. 2019;179(6):908-914.】。一个显著的特征是在一些患者中观察到的小脑发育不全的不对称性，这在小脑发育不全的遗传类型中是一个罕见的特征，并且提高了产前出血的可能性【J Med Genet. 2016;53(6):427-430】。此外，所有发育迟缓或神经功能缺损患者均表现为双侧上睑下垂，这一独特发现可能有助于WNT1-OI的诊断【Am J Med Genet A. 2019;179(6):908-914.】。由于一些有中枢神经系统发现的病例的父母为近亲或受影响的兄弟姐妹无神经系统缺陷，因此无法确定其神经系统发现是Wnt1突变所致，但受影响的儿童神经系统异常的高百分比使突变因果关系成为可能【J Med Genet. 2016;53(6):427-430；J Med Genet. 2013;50(7):491-492；Am J Hum Genet. 2013;92(4):590-597；N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816；BMC Med Genet. 2018;19(1):117；J Hum Genet. 2019;64(4):291-296；Am J Med Genet A. 2019;179(6):908-914】。

对Wnt1途径突变机制的进一步了解来自 Swaying小鼠(Wnt1sw/sw)，其在Wnt1中与患者报告的相同位点携带自发单核苷酸缺失，导致移码和提前终止。Wnt1sw/sw小鼠出生后存活；它们具有生长缺陷、自发性骨折和由成骨细胞活性降低导致骨基质中胶原含量降低而引起的骨质减少。它们的股骨较弱，在较低的极限载荷下会断裂，但其脆性小于WT，这与经典形式和大多数隐性形式的OI的结果相反。通过Raman光谱评估，Wnt1sw/sw 股骨具有减少的胶原矿化，这对于OI也是不典型的【Hum Mol Genet. 2014;23(15):4035-4042】。Wnt1 和Wnt1sw/sw 小鼠均出现小脑缺陷；对骨脆性的主要影响也可能有助于骨骼表型【Cell. 1991;67(5):969-976】。

Wnt1的表达可追溯到骨中的骨细胞群以及小鼠的脑和股骨【N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816】。具有细胞特异性缺陷的小鼠模型支持骨细胞作为WNT1的来源，表明它们在骨形成调节中的作用是通过哺乳动物雷帕霉素复合物1 (mTORC1)信号通路介导的【J Clin Invest. 2017;127(7):2678-2688.】。来自间充质前体细胞的Wnt1信号显示以近皮质线方式作用并诱导成骨细胞分化和骨形成，同时减少骨吸收【J Bone Miner Res. 2019;34(6):1129-1142】。

最近，MESD(一种编码Wnt受体LRP5和LRP6的内质网伴侣蛋白的基因)中的突变被提出可引起隐性OI【Am J Hum Genet. 2019;105(4):836-843】(图2,表1)，尽管还需要进一步的数据来了解这些缺陷是否可以用OI或LRP5/6更好地分类。五例在低密度脂蛋白受体相关蛋白伴侣MESD (MESD)最后一个外显子中因截短或移码突变而纯合子的独立个体患有进行性变形性骨骼发育不良，伴有复发性骨折。两例患者在婴儿期死于呼吸功能不全。最年轻的患者出现蓝色巩膜。老年患者患有少牙症，这一特征可能使这些患者出现LRP6功能丧失突变。3例患者出现智力障碍。由于患者的MESD突变位于蛋白中伴侣结构域的下游和ER保留结构域的上游，研究者推测它们可能是变形的。最近的另一篇论文报道了引起死产的MESD外显子2和外显子3的复合杂合移码突变【J Bone Miner Res. Published online February 2021. doi:10.1002/jbmr.4277】。三例死胎表现为多处子宫内骨折和严重骨骼畸形。组织学分析显示未偶联的骨重塑。新生骨可见骨细胞增大，小管增厚，基质矿化不规则。BMDD分析显示，新形成骨的矿化不均匀且受损。更严重的表型可能与位于外显子2的MESD伴侣结构域丢失有关，导致蛋白质功能完全丧失，并暗示MESD在早期骨骼发育中的作用。

小鼠中MESD基因的缺失引起胚胎致死性【Development. 1994;120(5):1335-1346】并抑制LRP5和LRP6的转运【Cell. 2003;112(3):355-367】。在患者成纤维细胞以及用MESD构建体转染的细胞中，突变体MESD具有伴侣和运输LRP5的能力，但未保留在ER中。BP给药对这些患者无效，可能与骨转换状态低有关。然而，增强Wnt信号传导的试剂如抗硬化蛋白抗体可能具有潜在的治疗功效【Am J Hum Genet. 2019;105(4):836-843】。

XVI和XVIII 型OI-骨RIP缺陷

OASIS缺陷患者和小鼠

Oasis(老年星形胶质细胞特异性诱导物质/ old astrocyte specifically induced-substance)是一种跨膜碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子，属于CREB/ATF家族，最早通过在长期培养的小鼠星形胶质细胞中的差异表达鉴定【Brain Res Mol Brain Res. 1999;69(1):93-103】(表1)。当星形胶质细胞暴露于ER应激源如thapsigargin（毒胡萝卜素）或tunicamycin（衣霉素）时，OASIS被转运至高尔基膜并被受调控的膜内蛋白水解(RIP)系统裂解，释放N-末端细胞质结构域，然后转运至细胞核中诱导靶基因转录【Biochem Biophys Res Commun. 2002;293(1):470-477；Nat Cell Biol. 2005;7(2):186-194；J Neurochem. 2006;96(4):1090-1100】(图4)。OASIS−/−小鼠的产生揭示了该蛋白对于骨形成的重要性【Nat Cell Biol. 2009;11(10):1205-1211】。OASIS−/−小鼠有骨质疏松症，骨小梁厚度(TbTh)降低是其BV/TV降低的基础。他们易发生自发性骨折，并表现出生长迟缓。骨组织(而非皮肤)的I型胶原含量降低，矿物质密度降低。这种基质不足是基于OASIS与Col1a1启动子中的UPR元件样序列直接结合，增加胶原蛋白转录。Oasis还促进骨钙素等骨基质蛋白的分泌。OASIS缺失的成骨细胞ER增大，procol(I)α1和骨钙素积聚明显。当OASIS在成骨细胞样MC3T3-E1中过表达时，细胞暴露于ER应激导致OASIS裂解并易位至细胞核中，表明OASIS被成骨细胞中的ER应激激活。骨形成调节剂骨形态发生蛋白2 (BMP2)刺激相同细胞，诱导轻度/生理性ER应激，OASIS加工通过RIP进行。这开启一个可检测的概念，即BMP调节骨形成可能涉及ER应激的诱导和OASIS的激活【Nat Cell Biol. 2009;11(10):1205-1211】。此外，成骨细胞特异性过表达OASIS挽救了骨量减少、I型胶原表达减少以及ER扩大。尽管OASIS/小鼠的生长迟缓并未通过OASIS的过表达得到挽救，但通过生长激素治疗得到了改善，这意味着OASIS/小鼠可能具有受损的生长激素/胰岛素样生长因子1轴【Bone. 2011;48(3):514-523】。

迄今为止，仅在5个OI家族或个体中报告了CREB3L1/OASIS缺陷。一个土耳其家庭有两名受严重影响的儿童，在子宫内出现肋骨骨折、长骨和弓形肢体，这些儿童在整个cAMP应答元件结合蛋白3-样1 (CREB3L1)基因缺失时是纯合子。第一个孩子存活9个月，无免疫缺陷体征，死于心功能不全；兄弟姐妹在子宫内被终止。未检测到细胞内或分泌的I型胶原的定量或结构缺陷【Orphanet J Rare Dis. 2013;8:154】。其次，在一个黎巴嫩家系中，单个残基密码子的框内缺失(p.Lys312del)导致杂合子中出现轻度的蓝色巩膜表型和数处儿童期骨折，而3名纯合子婴儿出现重度致死表型，伴有明显的近端短小、肋骨骨折和薄颅骨。突变体OASIS无法与COL1A1启动子中的UPR元件样序列结合。此外，OASIS对参与胶原蛋白转运的外壳蛋白复合物II(COPII)组分Sec24同源物D的表达也很重要【Genet Med. 2018;20(4):411-419】。OASIS对细胞胶原分泌机制的这种影响也在来自具有纯合子错义突变的终止土耳其胎儿病例的细胞中观察到，与Sec23同源物A和Sec24同源物D的转录减少有关【Hum Mol Genet. 2019;28(11):1801-1809】。第四，一例11岁的索马里男孩患有重度OI，伴有蓝色巩膜、牙齿发育不全、重度长骨骨折和腰椎DXA Z评分= -6.1。他是OASIS PTC的纯合子。在骨组织中观察到I型胶原转录物显著减少，但在皮肤中未观察到，与Oasis-/-小鼠中的发现类似【Bone. 2018;114:268-277.】。最近，在一个印度尼西亚家系中报告第一例OASIS缺陷成人。它们具有长骨和脊柱的进行性变形OI，但没有与纯合缺失相关的蓝色巩膜或牙本质形成不全，这预计会在p.Pro458产生移码。没有细胞来确定所得OASIS转录物的稳定性【Mol Genet Genomic Med. 2019;7(8):e823】。

位点2蛋白酶缺陷(XVIII 型OI)或位点1蛋白酶缺陷患者

RIP信号是细胞信号转导中一个进化上重要的过程，这一机制在细菌和人类中都是保守的。与生长、分化和ER应激反应过程有关，但最著名的是其在胆固醇代谢中的作用【Cell. 2000;100(4):391-398；Essays Biochem. 2002;38:155-168】。除OASIS/CREB3L1外，其他底物如ATF 6(UPR途径的主要传感器之一)【Mol Cell. 2000;6(6):1355-1364】和调节胆固醇代谢的甾醇调节元件结合蛋白(SREBP)【Cell. 1994;77(1):53-62】，由2类RIP处理，这是一个2阶段的切割反应，由位点-1和位点-2蛋白酶(分别为S1P和S2P)依次完成。S1P是一种丝氨酸蛋白酶，具有单个跨膜螺旋和位于管腔内的催化三联体(天冬氨酸、组氨酸、丝氨酸)活性位点。S2P具有多个膜结构域并且是高度疏水的金属蛋白酶，其包含对其功能重要的HEXXH锌结合基序【Essays Biochem. 2002;38:155-168】(表1)。为了响应未折叠蛋白在ER中的保留，OASIS和其他底物从ER膜转运到高尔基膜，在那里它们依次被S1P和S2P裂解。然后其N-末端片段转移到细胞核并调节胶原和基质成分的产生【Nat Cell Biol. 2005;7(2):186-194；J Neurochem. 2006;96(4):1090-1100】。

XVIII 型OI也是第一个X连锁型。在来自泰国和德国的2个独立家系中报告了中度严重的X连锁隐性OI，这是由编码S2P的MBTPS2基因的错义突变引起的【Nat Commun. 2016;7:11920】。产生的取代位于或靠近对S2P金属离子配位至关重要的S2P NPDG基序。这些患者身材矮小、产前和产后长骨和肋骨骨折、弓状畸形、桶状胸和椎体压缩。另外，S2P其他地方的取代与胆固醇相关的皮肤病、鱼鳞病、肥胖症和畏光 (IFAP)；BRESEK/BRESHECK综合征；和毛囊角化病(KFSD)等有关【Am J Hum Genet. 2009;84(4):459-467；Am J Med Genet A. 2012;158A(1):97-102；Hum Mutat. 2010;31(10):1125-1133】。OI患者不具有这些症状；相反，IFAP患者没有骨骼发育不良。受影响的OI成纤维细胞和成骨细胞显示RIP底物(OASIS、ATF6和SREBP)裂解受损(但并非完全缺失)。对1例受影响的OI患者骨组织胶原的质谱分析显示，羟基化赖氨酸(K87)的水平低于正常水平的一半，这对胶原交联很重要。这一胶原蛋白发现与2例受影响儿童的尿赖氨酰吡啶啉与羟基赖氨酰吡啶啉比值升高一致。这些数据提供了RIP参与骨稳态调节的证据【Nat Commun. 2016;7:11920】。

另外，唯一与编码S1P的MBTPS1基因隐性突变相关的患者没有OI，但该儿童确实具有骨骼发育不良的特征。患者出现生长迟缓、脊柱后侧凸和面部畸形特征，以及血溶酶体酶升高。患者诱导的多能干细胞畸胎瘤中的软骨细胞显示溶酶体增加和ER增大。S1P还通过蛋白水解激活cAMP应答元件结合蛋白3-样2转录因子(BBF2H7)，该因子调节编码形成大胶原分泌囊泡的蛋白(如Tango1)的基因的表达。BBF2H7切割受损可能是患者细胞中胶原积聚和凋亡增加的原因。患者还表现出尿N-端肽水平升高，提示血清溶酶体酶水平升高导致的ECM降解可能有助于骨骼表型【JCI Insight. 2018;3(14):e121596.】。

S1P缺陷小鼠

在报告化合物S1P突变患者之前，已产生软骨特异性S1P敲除小鼠(S1Pcko)。S1Pcko小鼠出现严重软骨发育不良，并在出生后不久死亡，可能是由于其小胸腔引起的呼吸窘迫所致。骨组织学显示缺乏软骨内骨化。S1Pcko骨切片显示软骨细胞中胶原纤维异常沉积和II型胶原选择性截留。S1Pcko胫骨电镜检查发现ER增大，提示S1P对软骨细胞诱导ER应激具有重要作用，是软骨合成所必需的，并通过调节软骨内骨形成在骨发育中发挥重要作用【J Cell Biol. 2007;179(4):687-700】。当osterix启动子Cre驱动缺失切除S1P时，突变小鼠存活并发展为骨软骨营养不良和可变脊柱侧凸。他们的骨骼严重骨质减少，矿物质密度、矿物质附着和BFRs等降低。S1P通过调节间充质祖细胞池和成骨细胞分化直接调节骨骼发育【Biol Open. 2018;7(2):bio032094】。

最近提出的OI候选基因

最近在3例摩洛哥病例中发现CCDC134纯合子功能丧失突变是严重隐性骨脆性综合征的病因【J Bone Miner Res. 2020;35(8):1470-1480】(表1)。CCDC134编码一种分泌蛋白，负责抑制细胞外信号调节激酶(ERK)或促分裂原活化蛋白激酶8 (JNK)的促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)磷酸化【Cell Mol Life Sci. 2008;65(2):338-349】。患者身材矮小，多处骨折，长骨弓形，假关节，巩膜色调从白色到灰色不等，无牙本质形成不全。组织形态计量学显示Tb BV/TV降低，但皮质增加，MAR和BFR正常，这是OI的一种不常见模式。在患者成纤维细胞和成骨细胞中发现Erk1/2磷酸化增加、COL1A1和OPN表达减少以及I型胶原减少，这是体外矿化减少的基础。鼠数据支持CCDC134在胚胎发育期间的作用，可能作为细胞因子【Int J Mol Med. 2018;41(1):381-390】。KO小鼠具有胚胎致死性，且比WT同窝仔鼠小。这些报告表明CCDC134通过MAPK/ERK信号通路在骨形成中起作用，激活ERK1/2磷酸化并减少成骨细胞分化，如神经纤维瘤病1【J Bone Miner Res. 2015;30(1):55-63】和经典的“滴蜡状（dripping candle wax）”的melorheostosis/ 蜡泪样骨病【Nat Commun. 2018;9(1):1-12】。对患者骨组织的进一步研究将揭示是否应将含螺旋结构域的蛋白134 (CCDC134)缺陷与这些疾病而非隐性OI归为一类。

最新发现的与OI相关的基因是KDEL ER蛋白保留受体2 (KDELR2)【Am J Hum Genet. 2020;107(5):989-999.】(表1,图1)。考虑到进行性变形OI的诊断，6例从儿童期开始的多发性骨折、长骨弯曲、胸部畸形和身材矮小的病例中报告双等位基因KDELR2变体。

KDELR2编码KDEL ER蛋白滞留受体2，KDEL受体家族的一员，定位于ER、高尔基复合体和中间ER-高尔基室【FEBS Lett. 2009;583(23):3863-3871】。KDELRs的一个功能是通过KDEL受体对c-末端KDEL基序(Lys-Asp-Glu-Leu)的pH依赖性识别，促进ER常驻蛋白从高尔基体的酸性环境中恢复回中性pH ER【Science. 2019;363(6431):1103-1107】。在含有KDEL基序的蛋白质中，有ER常驻伴侣蛋白BiP【J Biol Chem. 2019;294(6):2098-2108】。

I型前胶原在患者成纤维细胞的培养基和细胞中减少，含有KDEL基序的FKPB65和HSP47的细胞内水平也减少【Am J Hum Genet. 2020;107(5):989-999.】。此外，胶原纤维较薄且折叠不完全，使用电子显微镜观察发现与单体和多聚胶原分子结合的HSP47增加。这些导致反向转运缺陷的KDELR2缺陷是隐性OI的一个新的推定原因，因为已知HSP47与胶原功能和调节之间存在关系，并且在KDELR2患者中已证实存在胶原缺陷【Am J Hum Genet. 2020;107(5):989-999】。

OI骨的材质特性和矿化

OI骨的脆性增加是由于骨材料性质的异常以及低骨量【Calcif Tissue Int. 2008;82(4):263-270】。引起OI的显性和隐性突变都会在多种维度上影响骨组织。最显著的变化涉及赋予骨强度的交联和决定其脆性的矿化【Bone. 2010;46(3):820-826；Bone. 2015;73:233-241】。

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S4；表1)。

图S4: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。

I型胶原与III型和V型胶原一起组织成异型原纤维，是骨基质的主要有机成分。NCPs和蛋白聚糖在特定结合位点与胶原蛋白相互作用【J Biol Chem. 2008;283(30):21187-21197】。OI骨胶原含量降低与I型OI和OI II、III和IV型在组织形态计量学上的薄皮质和较低小梁BV/TV有关，前者由胶原定量缺陷(I型胶原一级结构或翻译后修饰无异常)引起，后者由胶原α链一级结构和胶原三螺旋翻译后修饰缺陷引起【J Bone Miner Res. 2008;23(12):1983-1994】。两种类型的胶原缺陷都与成骨细胞和破骨细胞增加有关，支持高转换骨代谢。提出的机制是，由于机械阻力受损，骨基质中发生的微损伤增加可能是重塑增加的原因。这也表明OI患者中的重塑是无效的，因为它并未改善骨质量，但沉积新的基质，该基质仍与被移除的旧基质一样受损【Bone. 2000;26(6):581-589】。两组的MAR也降低，而非矿化滞后时间滞后，表明成骨细胞基质产量降低，但矿化过程正常【J Bone Miner Res. 2008;23(12):1983-1994】。

在小鼠模型的股骨中进行力学测试时，OI骨(I-IV、VI、VII、VIII、IX、XIII型)通常比正常骨硬度低、屈度点更低(a lower yield point/骨无法恢复其预弯曲构型时的变形)、在更低的极限载荷下发生骨折且更脆(屈服后位移减少)【Bone. 1996;19(6):575-579；PLoS Genet. 2014;10(6):e1004465；J Bone Miner Res. 2013;28(7):1531-1536】。很难将这些全骨强度缺陷与特定的分子缺陷联系起来。骨微裂纹增加和胶原交联模式改变等复杂因素对骨强度有不利影响。胶原单体之间的交联由赖氨酰氧化酶和赖氨酰羟化酶形成。作为生物标记物测量的三价胶原交联由胶原再吸收产生【Methods. 2008;45(1):65-74】。在oim/oim小鼠中，酶促胶原交联的减少和非酶促胶原交联的30%的增加(也称为晚期糖基化终产物)会降低骨韧性，导致对微裂纹扩散的最小抵抗【J Bone Miner Res. 2014;29(6):1392-1401】。

骨组织的过度矿化是几乎所有OI类型的主要统一特征。这是OI骨脆性的主要组织特性，OI骨脆性是指其在弯曲或位移超过屈服点时（the yield point）容易因折断而断裂。这一OI骨超矿化，最早是由Boyde等在1999年发现的，由于DXA骨密度几乎总是在OI中下降而令人吃惊【Calcif Tissue Int. 1999;64(3):185-190】。这种明显的悖论的根源在于成像技术；DXA是一种2D成像模式，其依赖于患者骨与phantom/投影的比较，并且依赖于矿物质的量和组织，而BMDD可以使用qBEI在骨切片上直接测定。BMDD允许直接测定不同参数，如从BMDD曲线下的积分面积获得的平均钙浓度(CaMean)；峰值钙含量(CaPeak)，是最常测量的钙浓度；钙含量分布宽度(CaWidth)，反映矿化密度的变化；骨的高度矿化面积(CaHigh)，以高于第95百分位的矿化骨面积百分比测量；和具有低量的矿化骨的骨面积(CaLow)，其被测量为低于第5百分位数的矿化骨面积的百分比【Bone. 2008;42(3):456-466】。I型胶原发生定性或半定量突变的患者在BMDD时骨的平均和峰值钙含量出现类似增加【Calcif Tissue Int. 2008;82(4):263-270】。同样，矿物颗粒宽度采用组合式小角度X射线散射(SAXS)和广角X射线衍射(WAXD)测定，前者提供骨中矿物晶体取向和形状的数据，后者表征羟基食欲晶体的结构参数【Methods Enzymol. 2013;532:391-413】，具有胶原结构缺陷或单倍缺陷的骨中正常宽度晶体的堆积密度相当增加。OI类型之间矿化量和组织的这种相似性是违反直觉的，因为它与OI表型的严重程度或前胶原结构变化都不相关。已经提出胶原本身以外的因素是OI骨过度矿化的原因【J Clin Invest. 1996;97(2):396-402；Bone. 2014;60:122-128】，并且该建议得到了在胶原结构中没有原发性缺陷的隐性形式的骨超矿化的发生的支持【J Clin Endocrinol Metab. 2016;101(9):3516-3525；Bone. 2010;46(3):820-826；Bone. 2015;73:233-241】。另外，前胶原C-前肽的加工也会影响骨矿化。前胶原C-蛋白酶切割位点的突变导致OI，严重程度一致为中度。BMDD上的骨过度矿化进一步移至胶原基OI曲线的右侧，钙水平高于任何其他形式的OI【Hum Mutat. 2011;32(6):598-609】。组织形态计量学显示，骨质增生时小梁体积和皮质厚度增加【J Bone Miner Res. 2018;33(7):1260-1271】，以及正常到升高的L1-L2 DXA值。相应地，BMP1 C-蛋白酶中的隐性突变与切割位点中的显性突变具有相似的结果，并导致XIII型OI，BMDD上的骨质增生和过度矿化与大多数情况下的切割位点缺陷相似【Calcif Tissue Int. 2013;93(6):565-570】。

骨过度矿化在VII和VIII 型OI中也很明显，其前胶原脯氨酰3-羟基化复合物的成分存在隐性缺陷。这些患者的胶原一级结构正常，α1(I)Pro986 3-羟基化缺失/减少。它们还具有胶原螺旋赖氨酸的完全过修饰【N Engl J Med. 2006;355(26):2757-2764；N Engl J Med. 2010;362(6):521-528；PLoS Genet. 2014;10(1):e1004121】。VII型患者和Crtap/-小鼠均出现骨矿化过度，高矿化骨面积显著增加【Bone. 2010;46(3):820-826；N Engl J Med. 2006;355(26):2757-2764】。在P3H1隐性缺陷引起的VIII型OI患者中，复合体的酶组分、平均矿化度和峰值矿化度与VII型无法区分，但皮质骨和松质骨中的CaLow面积量增加，同时伴有类骨质斑片状增加【J Clin Endocrinol Metab. 2016;101(9):3516-3525】。

V型和VI型OI患者具有正常的胶原一级结构和翻译后修饰，但具有OI过度矿化的特征。由跨膜蛋白BRIL的功能增益突变引起的V 型OI皮质骨和松质骨材料均过度矿化。此外，与年龄匹配的对照组相比，V型OI骨中骨细胞腔隙大小和密度增加【J Bone Miner Res. 2017;32(9):1884-1892】。在VI型OI骨中，Fratzl-Zelman等报告超出胶原基OI骨中发现的过度矿化区域，其与异常低矿化区域共存，并且矿物颗粒大小小于胶原基OI骨【Bone. 2015;73:233-241.】。另外，类型V和VI OI各有其他矿化异常。V型OI的特征是前臂骨间膜主动矿化，干骺端带致密，而VI型OI骨的矿物滞后时间延长，骨样接缝较宽【Bone Miner Res. 2000;15(9):1650-1658；J Bone Miner Res. 2002;17(1):30-38】。

对于RIP受损的OI类型，骨过度矿化问题仍未解决。在报告MBTPS2 错义突变(XVIII 型OI)的首批患者中，骨组织无法用于BMDD【Nat Commun. 2016;7:11920】。据报告，一例因CREB3L1中的过早终止密码子导致的隐性OASIS缺乏症患儿通过BMDD增加了矿化；然而，该儿童从3个月大开始就接受BP治疗，因此不可能从11岁时获得的活检中得出明确的结论【Bone. 2018;114:268-277.】。

分别由TMEM38B和WNT1突变引起的XIV和XV型OI是OI骨过度矿化这一一般规律的例外。XIV和XV型OI患者骨的BMDD正常【Bone. 2014;67:63-70；J Clin Endocrinol Metab. 2017;102(6):2019-2028】。体外培养自Tric-b敲除小鼠的成骨细胞沉积较少的矿物质和胶原【Sci Signal. 2016;9(428):ra49】。患有WNT1缺陷的XV型患者的骨显示出低转换，与大多数OI类型中发现的高转换相反【Bone Miner Res. 2016;31(9):1734-1742】。稳定表达WNTC218G和WNTS295,*突变的MC3T3细胞在培养物中沉积的矿物质较少【N Engl J Med. 2013;368(19):1809-1816】。通过Raman光谱分析， Swaying小鼠模型(Wnt1sw/sw)表现出与较低骨矿物质和胶原含量相关的骨强度降低【Hum Mol Genet. 2014;23(15):4035-4042】。

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S1)，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S5)，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S5: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。

OI的治疗方法

非药物

OI类型之间和之内的OI临床范围广泛，因此无法对临床管理采用一刀切的策略。尽管如此，对于出现骨脆性、肌无力、OI次要特征及生活质量(QOL)问题等症状的患者，由于其共同特征，需要采用一般方法进行治疗。多学科团队是整合这些问题的最佳途径（BOX 2）。

BOX2: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

身体康复和治疗是OI治疗从诊断到成人期的主要内容【Arch Phys Med Rehabil. 2004;85(5):772-778.】。骨折后的走动或上肢功能恢复等急性问题应尽快处理。然而，自我诊治功能和QOL需要持续的定期干预，以保持关节活动范围，并使用流动辅助设备和最佳移动设备。各种OI类型的物理治疗的一个特别重点是肌无力【J Pediatr Orthop. 2014;34(1):118-122】。对各个肌群力量的定期仔细评估以及针对性的居家和专业物理治疗对于获得和维持独立生活至关重要。身体康复也是药物治疗的有用辅助手段。患有不同类型OI的个体可安全参与的活动范围，最好通过咨询具有OI患者治疗经验的物理治疗师来确定。

OI的矫形治疗包括下肢和上肢，以及脊柱手术。对于有步行潜力的患者，当儿童准备步行时，应进行矫正手术，然后进行物理治疗。这通常涉及长骨的切割或断裂，以允许髓内杆的重新对准和插入，从而提供稳定性和一些强度。虽然根据长骨畸形的程度可能需要进行开放性截骨术，但涉及Fassier-Duval延长棒的经皮手术现已成为下肢和上肢的首选方法【Curr Opin Pediatr. 2008;20(1):52-57；J Pediatr Orthop. 2018;38(6):331-336】。与直棒相比，延长棒允许手术之间的间隔更长，但棒迁移的并发症发生率相当。棒直径的选择应能为特定骨提供足够的支撑，但不应代表可铰入髓腔的最大直径，因为这将导致因负重导致的骨干萎缩。应避免术后长时间制动。如果可能的话，对于比I型OI更严重的情况，应避免使用板和螺钉。经验表明，接骨板和非接骨板连接处的骨折风险较高，且接骨板部分不会填充螺钉周围或残留螺钉孔，导致无功能性骨材料看起来像瑞士奶酪（Swiss-cheese）。OI的脊柱侧凸对外部支撑(如Milwaukee支撑)无反应，应在达到60度弯曲前进行手术。采用Harrington棒置入的脊柱融合术可提供稳定性，但不能完全矫正弯曲。较新的方法利用具有生物力学优势的椎弓根螺钉固定系统，但长期有效性尚不清楚【J Spinal Disord Tech. 2014;27(3):174-180；J Child Orthop. 2019;13(1):22-32】。随着OI人群年龄的增长，骨关节炎是一个新出现的问题。采用基于计算机辅助设计的定制植入物的髋关节和膝关节成形术在这一人群中最成功【J Bone Joint Surg Am. 1993;75(4):572-580】。

OI的次要特征因OI类型而异。

牙本质生成不全症(DI)在OI家系中很常见。牙本质形成不全可表现为牙本质层的半透明灰色或有碎裂倾向的黄棕色牙齿。牙齿表现【Eur J Med Genet. 2019;62(12):103606】在儿童期比恒牙时更严重；因此，早期注意牙齿并咨询OI经验丰富的专业人士在防止蛀牙和提供适当的修复方面有价值。

肺部并发症是OI发病和死亡的主要原因【J Bone Miner Res. 2016;31(12):2159-2166】。超过60度的脊柱侧凸会导致OI患者出现肺缺陷，并与阻塞性肺疾病的发生有关【Spine (Phila Pa 1976). 1999;24(16):1673-1678】。此外，越来越明显的是，OI肺部疾病有一种内在成分，可能基于肺实质中I型胶原的存在。在一项纵向自然史研究中，III型和IV型OI儿童在整个儿童期的肺功能均下降，即使在无脊柱侧凸的组中也是如此，而在同时患有脊柱侧凸的组中，下降率更高【Hum Mol Genet. 2012;21(16):3535-3545】。在带有胶原缺损的Aga2小鼠和CRTAP KO小鼠中也报告了肺实质缺损，表明这可能也是隐性OI的一个问题【PLoS One. 2010;5(5):e10560.；Hum Mol Genet. 2012;21(16):3535-3545】。

最常报告的心脏缺损为主动脉根部扩张和左侧瓣膜反流；主动脉夹层发生很少见【Am Heart J.2011;161(3):523-529】。患者应从儿童期开始定期进行超声心动图检查，以尽早发现这些特征。

同样，听力损失是OI的一个相对常见的次要特征，在生命的第二至第四个十年间有功能表现【Eur J Pediatr. 2000;159(7):515-519；J Laryngol Otol. 2018;132(8):703-710】。然而，约5%的患者在儿童期发生听力损失，需要助听器甚至耳蜗植入，定期听力学应在学年期间开始【Genet Res Int. 2011;2011:983942】。

颅底异常(包括扁平颅底/ platybasia、颅底陷入症/ basilar invagination /BI或颅底凹陷/ basilar impression)可导致严重后果，应在儿童期开始监测【Neurology. 1993;43(12):2603-2608；Child’s Nerv Syst. 2008;24(10):1169-1172】。身高Z评分< 3的患者可能特别危险。BP治疗不能预防BI的发生【J Neurosurg Pediatr. 2015;15(3):313-320】。

患有OI的个人的QOL是一个越来越受关注的主题。身体功能减退和环境障碍会阻碍独立性和生活满意度。患有OI的年轻人越来越多地利用大学教育、独立生活和职业机会。药理学治疗对OI QOL的影响尚不清楚。

药物方法

BPs如阿仑膦酸钠、帕米膦酸钠(最常见)和唑来膦酸被广泛用于治疗伴有胶原缺陷和一些隐性形式的OI【Nat Rev Dis Primers. 2017;3(1):1-19；JBMR Plus. 2019;3(5):e10118】。这些抗再吸收药物通过破骨细胞抑制骨吸收；它们直接沉积在骨表面上，在那里它们被破骨细胞的内吞诱导细胞凋亡。虽然突变型胶原仍会沉积在骨基质中，但抑制骨吸收会导致骨量整体增加。相反，长期治疗可能会改变骨的材料特性，可能会导致细胞动力性骨，增加微裂纹扩展至骨折的可能性。

关于长期使用BP的影响，一直存在分歧，主要集中在益处与不利影响、给药和治疗持续时间方面。大多数接受BP治疗的OI患儿在第一年出现了约1.5 SD的面骨密度Z评分升高和椎体压缩缓解【J Bone Miner Res. 2005;20(6):977-986；Lancet. 2013;382(9902):1424-1432】。此外，骨微体系结构也得到了改善。然而，关于骨折复位的对照试验尚不明确。两份Cochran报告和一项单独的荟萃分析【Cochrane Database Syst Rev. 2014;7;CD005088；Cochrane Database Syst Rev. 2016;10(10):CD005088；J Bone Miner Res. 2015;30(5):929-933】不支持骨折发生率的统计学改善。尽管这些分析受到BP治疗支持者的质疑，但对小儿OI骨折的影响并不像最初希望的那样稳健。Cochran报告分析也不支持改善接受治疗患者的疼痛或活动状态。BP治疗的另一个预期结果是，缓解椎体压缩将减少OI的脊柱侧凸，进而限制因胸部畸形导致的严重继发性肺缺陷。不幸的是，仔细分析显示，使用BP治疗后，脊柱侧凸的发生率和程度未发生变化，尽管在进行性变形OI中可能出现适度的曲线发育延迟【Bone. 2016;86:53-57】。关于BP治疗/未治疗骨连接处骨折的轶事报道是建议治疗儿童直至骨骺闭合的基础【Bone. 2007;40(4):821-827】;在接受较低累积剂量BP的儿童中未观察到类似的骨折。

骨形成而非抗再吸收药物在不增加脆性的情况下改善OI骨脆性方面有一定前景。针对硬化素(Wnt通路中骨形成的负性调节因子)的抗体已被批准用于治疗绝经后骨质疏松症。这些抗体已在各种OI小鼠模型【J Bone Miner Res. 2013;28(1):73-80；Osteoporos Int. 2014;25(8):2097-2107；J Bone Miner Res. 2014;29(10):2297-2306；】并显示出改善的骨硬度和强度。骨脆性未进一步受损，拉曼光谱表明，在治疗期间，新形成的骨中升高的骨矿化可能得到改善。另一种抗体疗法抗TGFβ抗体改善了Crtap−/− 小鼠的骨小梁和皮质骨量和强度以及肺超微结构【Nat Med. 2014;20(6):670-675】。该抗体的安全性试验正在OI脆性骨联合体中进行。两种抗体疗法的作用都相对较短，骨增益需要小剂量的BP来巩固治疗后的增益【Bone. 2016;93:79-85；Bone. 2017;101:96-103.】。

基因和细胞治疗

胶原结构缺陷引起的OI最有希望的未来治疗前景是模拟自然界中减轻突变的两种机制——即沉默突变等位基因和细胞镶嵌。已在体外研究了各种基因沉默技术(核酶、小干扰RNA和短发夹RNA)，以复制I型OI中突变等位基因沉默的情况【Adv Regen Biol. 2015;2(1):27964】。这种方法会导致更轻形式的OI，而不是治愈疾病。尽管这些方法可导致试管中几乎完全沉默，但细胞中的沉默通常是不完全的，且效果的持续时间有限。

细胞移植模拟了OI儿童镶嵌性父母（mosaic parents of OI children）的情况，他们有2个细胞群体(突变和非突变)，很少在孩子出生前引起临床注意。这种方法的挑战是将细胞摄取到骨中。在使用干细胞的小鼠模型中的研究报告了改善的骨力学，但细胞摄取少于几个百分点【Blood. 2008;111(3):1717-1725；Blood. 2009;114(2):459-468】。最近通过局部移植已经获得了更高水平的细胞移植，并且用绿色荧光蛋白(GFP)标记的细胞已经被再次移植到第二受体，支持了它们的存活力【Stem Cells. 2020;38(4):530-541】。目前正在欧洲进行的一项临床试验是在胎儿出生后的第一个月或子宫内移植胎儿间充质干细胞。