石骨症发病机制及相关基因研究进展

田园 季卫锋 朱周玮 沈景

石骨症(Osteopetrosis，OP)别名泛发性脆性骨质硬化症、硬化性骨增生性骨病、大理石骨病、粉笔样骨等，是一种病因不明、由于破骨细胞异常分化导致其数量不足和/或功能缺陷，出现以骨质吸收障碍为主要病变的具有遗传倾向的代谢性骨病。本文主要从石骨症的发病机制及相关基因展开论述。

1 病因与发病机制

石骨症最早是由德国放射学家Albers Schonberg在1904年首次报道，故命名为“Albers Schonberg病”。1926年，因其骨骼硬化似石被命名为“石骨症”。石骨症临床较为罕见，据流行病学调查，此病在北美发病率仅1/(5×105)，在我国尚缺乏准确的发病率数据[1-2]。

该病病因不明，可能与遗传相关，目前研究认为石骨症主要与破骨细胞分化异常有关。生理情况下，骨主要通过成骨细胞的骨形成与破骨细胞的骨吸收之间的动态平衡来维持正常的骨密度，即骨稳态。病理情况下，当破骨细胞分化异常，导致其数量减少和/或功能障碍，以致骨吸收减弱，两种细胞失衡，即骨稳态破坏，随之骨密度增加，表现为骨质硬化，即石骨症。

石骨症的发病机制可从生物化学层面及基因层面来认识。

1.1 生物化学层面

在生物化学层面，石骨症是因H+浓度不足(缺乏碳酸酐酶Ⅱ或质子ATP酶)或溶酶体酶缺乏，骨质中的有机质与无机质无法降解或降解不足，骨吸收障碍所致。

骨由有机质和无机质共同构成。生理情况下，破骨细胞执行骨吸收功能需要以下两个条件：1)酸性内环境，即内环境中保证足够浓度的H+，以溶解骨中碱性磷酸钙等无机质；2)溶酶体酶，如组织蛋白酶K(Cathepsin K)、基质金属蛋白酶9(Matrix Metalloproteinase 9，MMP9)等，以降解骨内胶原纤维束和粘多糖蛋白等有机质。

对于酸性内环境，H+浓度受以下两个因素的调节：1)碳酸酐酶Ⅱ(Carbonic Anhydrase Ⅱ，CA Ⅱ)：生理情况下，体内的CO2需在碳酸酐酶Ⅱ的催化下才能与H2O充分结合形成H2CO3，随之解离出可溶解骨无机质的H+。2)质子ATP酶：质子ATP酶存在于破骨细胞囊泡中，该酶可在氯离子通道蛋白7(Chloride Channel 7，CLCN 7)协助下，利用ATP水解产生的能量泵送H+，H+与Cl-共同进入破骨细胞囊泡中，随之囊泡释放H+溶解骨中无机质。此外，质子ATP酶亦可通过招募类似于分泌溶酶体的小GTP酶来调节囊泡的膜运输，参与H+的分泌。病理情况下，若机体缺乏CA Ⅱ或质子ATP酶，将导致H+浓度下调，酸性内环境不能维持，导致破骨细胞骨吸收障碍[3-6]。

1.2 基因分子层面

研究表明约有11种基因与石骨症相关，不同类型石骨症突变基因不同。临床上石骨症常见的突变基因是TCIRG1基因、SNX10基因与CLCN7基因。

1)TCIRG1基因：临床研究发现近50%石骨症患者TCIRG1基因突变。TCIRG1基因位于11q 13.2，此基因主要转录翻译质子ATP酶的a3亚基。a3亚基是质子ATP酶发挥生理作用的结构基础。正如生物化学层面所述，质子ATP酶可利用水解ATP产生的能量向分泌性溶酶体中转运H+，随之该溶酶体转运至破骨细胞表面，与细胞膜融合，形成皱褶后分泌H+，使皱褶和骨组织间液体酸化，以促进骨组织吸收。TCIRG1基因突变后，a3亚基蛋白合成障碍，质子ATP酶丧失转运H+的功能，内环境酸化障碍，骨质吸收受阻[7]。

2)SNX10基因与CLCN7基因：SNX10基因与CLCN7基因也是相对常见的突变基因。SNX10基因中的PX结构域与磷酸肌醇结合后，可将蛋白质锚定至内体(内体，即膜包裹的囊泡结构)膜上，通过蛋白质-膜蛋白质复合物及蛋白质-膜脂质中介进行囊泡内H+的转运[8]。CLCN7基因位于16p13.3，编码氯离子通道蛋白7，其主要功能是将破骨细胞中的Cl-转运至细胞囊泡，并与H+共同形成溶骨所需的酸性内环境[9]。因此，若SNX10基因与CLCN7基因突变均通过影响内环境酸化导致溶骨障碍。

值得注意的是，CLCN7与TCIRG1基因突变可导致两种不同类型的石骨症，即恶性常染色体隐性遗传石骨症(Autosomal Recessive Osteosalacia，ARO)与常染色体显性遗传石骨症(Autosomal Dominant Osteolithiasis，ADO)，两者预后不同。研究发现，通过扩大氯离子通道蛋白7基因突变谱分析突变位点与临床表型间的相关性发现，氯离子通道蛋白7基因的杂合突变，可从无临床症状至骨髓造血功能衰竭，甚至危及生命，杂合突变形式越复杂，氯离子通道功能越受限，以致表型变异，预后不同[10]。此有待进一步研究。

2 临床表现与分型

石骨症根据不同的分型依据有以下几种不同的临床分型。

1)根据遗传方式分：(1)常染色体隐性遗传石骨症(Autosomal Recessive Osteosalacia，ARO)；(2)常染色体显性遗传石骨症(Autosomal Dominant Osteolithiasis，ADO)；(3)X染色体连锁遗传石骨症(X-Linked Hereditary Osteosclerosis XLO)。

2)根据临床表现及预后分：(1)恶性石骨症；(2)中间性石骨症；(3)良性石骨症。

3)根据发病早晚、进展快慢和硬化程度：(1)恶性常染色体隐性遗传石骨症；(2)中间型常染色体隐性遗传石骨症；(3)常染色体显性遗传石骨症。

目前更为合理的分型方式是由国际骨骼协会所提出的分型方式(具体参见表1)：1)恶性常染色体隐性遗传石骨症，包括经典型常染色体隐性遗传石骨症、神经性常染色体隐性遗传石骨症和伴肾小管酸中毒常染色体隐性遗传石骨症；2)X染色体连锁遗传石骨症；3)中间型常染色体隐性遗传石骨症；4)常染色体显性遗传石骨症，包括Ⅰ～Ⅲ型[11-13]。

表1 石骨症国际骨骼协会分型与各型特点

3 基于发病机制与相关基因的诊断与治疗

3.1 基因测序

当石骨症临床诊断明确后，可行基因分子诊断，以明确其分型，以决定治疗策略。目前，国际推荐的基因检测步骤：1)检测TCIRG1和SNX10基因；2)若未发现该两种基因突变，检测CLCN7基因；3)若伴神经性改变，行OSTM1基因检测；4)若以上基因均未发现突变，再行其他基因检测[7]。当然，也可通过全外显子测序一次性筛查已知石骨症的致病突变基因[14]。

3.2 针对病因、发病机制的治疗

石骨症目前病因不明，故无针对病因治疗的有效手段。

据其发病机制，可采用造血干细胞移植(Hematopoietic Stem Cell Transplantation，HSCT)治疗石骨症。石骨症主要是由于破骨细胞数目减少或功能缺陷所致。破骨细胞来源于造血干细胞。基于以上认识，可采用造血干细胞移植增加破骨细胞分化，增加骨吸收来治疗石骨症。研究表明，造血干细胞移植是目前石骨症唯一有效的治疗方法。

但并非所有类型石骨症均可通过造血干细胞移植治疗获得满意疗效。造血干细胞移植治疗经典型常染色体隐性遗传石骨症，往往能取得良好的疗效；对伴肾小管酸中毒常染色体隐性遗传石骨症，造血干细胞移植可能改善石骨症症状，但对已发生肾实质性损害是无法逆转的，因此，必要时需肾脏支持治疗；对中间型常染色体隐性遗传石骨症，造血干细胞移植疗效欠佳；对神经性常染色体隐性遗传石骨症则基本无效。

造血干细胞移植疗效受主要组织相容性复合物是否相合、年龄以及基因突变类型的影响。

造血干细胞移植疗效受主要组织相容性复合物(Major Histocompatibility Complexes，MHC)是否相合的影响。据供受体间的关系分自体、同基因、异基因造血干细胞移植三种类型；据供受体间人类白细胞抗原(Human Leucocyte Antigen，HLA)配型分HLA相合同胞、HLA相合非亲缘、亲缘HLA不全相合/半相合移植三种类型。不同移植方式成功率不同。Orchard等[15]报道了193例接受造血干细胞移植治疗的常染色体隐性遗传石骨症患者，其中接受HLA相配移植的5 a和10 a生存率均达62%，其他移植方式仅为42%和39%。

年龄也是影响造血干细胞移植疗效的重要因素。年龄越大，骨骼异常及继发实质性神经、肾脏损伤，移植效果越差。因此，对治疗时机的选择，推荐尽早移植。有研究表明在发病半年甚至3个月内行造血干细胞移植治疗可获得更好的预后。当然，造血干细胞移植也有其并发症，如感染、排异反应及高钙血症等[16]。

基因突变类型也影响造血干细胞移植疗效。对TCIRG1、SNX10、RANK、NEMO及不伴神经病变的氯离子通道蛋白7及碳酸酐酶Ⅱ基因突变所致常染色体隐性遗传石骨症建议造血干细胞移植；对于伴肾小管酸中毒、神经性常染色体隐性遗传石骨症不推荐造血干细胞移植；OSTM1及RANKL基因突变目前造血干细胞移植治疗多无效[17]。

对存在移植禁忌的患者，可采用大剂量骨化三醇和γ-干扰素减缓疾病的进展，但临床效果还存在争议。Alam Imranul等[18]研究表明，对于骨化三醇，任何剂量均不能改善表型，高剂量骨化三醇则甚至可进一步增加骨量。

3.3 针对突变基因的治疗

目前基因疗法尚未应用于临床，但近年来有通过动物实验针对突变基因对石骨症进行基因治疗。约50%患者TCIRG1基因发生突变。Ilana Moscatelli等[19]实验研究表明，可通过携带TCIRG1基因的慢病毒载体对恶性常染色体隐性遗传石骨症小鼠的CD34 +细胞转导，在体外恢复破骨细胞的功能。约70%常染色体显性遗传石骨症Ⅱ型是CLCN7基因突变所致。Maurizi Antonio等[20]通过特异的siRNA治疗CLCN7基因突变的常染色体显性遗传石骨症Ⅱ型小鼠，发现小鼠骨吸收增加，骨小梁减少，佐证破骨细胞功能的恢复。