石骨癥發(fā)病機制及相關(guān)基因研究進展

田園 季衛(wèi)鋒 朱周瑋 沈景

石骨癥(Osteopetrosis，OP)別名泛發(fā)性脆性骨質(zhì)硬化癥、硬化性骨增生性骨病、大理石骨病、粉筆樣骨等，是一種病因不明、由于破骨細胞異常分化導致其數(shù)量不足和/或功能缺陷，出現(xiàn)以骨質(zhì)吸收障礙為主要病變的具有遺傳傾向的代謝性骨病。本文主要從石骨癥的發(fā)病機制及相關(guān)基因展開論述。

1 病因與發(fā)病機制

石骨癥最早是由德國放射學家Albers Schonberg在1904年首次報道，故命名為“Albers Schonberg病”。1926年，因其骨骼硬化似石被命名為“石骨癥”。石骨癥臨床較為罕見，據(jù)流行病學調(diào)查，此病在北美發(fā)病率僅1/(5×105)，在我國尚缺乏準確的發(fā)病率數(shù)據(jù)[1-2]。

該病病因不明，可能與遺傳相關(guān)，目前研究認為石骨癥主要與破骨細胞分化異常有關(guān)。生理情況下，骨主要通過成骨細胞的骨形成與破骨細胞的骨吸收之間的動態(tài)平衡來維持正常的骨密度，即骨穩(wěn)態(tài)。病理情況下，當破骨細胞分化異常，導致其數(shù)量減少和/或功能障礙，以致骨吸收減弱，兩種細胞失衡，即骨穩(wěn)態(tài)破壞，隨之骨密度增加，表現(xiàn)為骨質(zhì)硬化，即石骨癥。

石骨癥的發(fā)病機制可從生物化學層面及基因?qū)用鎭碚J識。

1.1 生物化學層面

在生物化學層面，石骨癥是因H+濃度不足(缺乏碳酸酐酶Ⅱ或質(zhì)子ATP酶)或溶酶體酶缺乏，骨質(zhì)中的有機質(zhì)與無機質(zhì)無法降解或降解不足，骨吸收障礙所致。

骨由有機質(zhì)和無機質(zhì)共同構(gòu)成。生理情況下，破骨細胞執(zhí)行骨吸收功能需要以下兩個條件：1)酸性內(nèi)環(huán)境，即內(nèi)環(huán)境中保證足夠濃度的H+，以溶解骨中堿性磷酸鈣等無機質(zhì)；2)溶酶體酶，如組織蛋白酶K(Cathepsin K)、基質(zhì)金屬蛋白酶9(Matrix Metalloproteinase 9，MMP9)等，以降解骨內(nèi)膠原纖維束和粘多糖蛋白等有機質(zhì)。

對于酸性內(nèi)環(huán)境，H+濃度受以下兩個因素的調(diào)節(jié)：1)碳酸酐酶Ⅱ(Carbonic Anhydrase Ⅱ，CA Ⅱ)：生理情況下，體內(nèi)的CO2需在碳酸酐酶Ⅱ的催化下才能與H2O充分結(jié)合形成H2CO3，隨之解離出可溶解骨無機質(zhì)的H+。2)質(zhì)子ATP酶：質(zhì)子ATP酶存在于破骨細胞囊泡中，該酶可在氯離子通道蛋白7(Chloride Channel 7，CLCN 7)協(xié)助下，利用ATP水解產(chǎn)生的能量泵送H+，H+與Cl-共同進入破骨細胞囊泡中，隨之囊泡釋放H+溶解骨中無機質(zhì)。此外，質(zhì)子ATP酶亦可通過招募類似于分泌溶酶體的小GTP酶來調(diào)節(jié)囊泡的膜運輸，參與H+的分泌。病理情況下，若機體缺乏CA Ⅱ或質(zhì)子ATP酶，將導致H+濃度下調(diào)，酸性內(nèi)環(huán)境不能維持，導致破骨細胞骨吸收障礙[3-6]。

1.2 基因分子層面

研究表明約有11種基因與石骨癥相關(guān)，不同類型石骨癥突變基因不同。臨床上石骨癥常見的突變基因是TCIRG1基因、SNX10基因與CLCN7基因。

1)TCIRG1基因：臨床研究發(fā)現(xiàn)近50%石骨癥患者TCIRG1基因突變。TCIRG1基因位于11q 13.2，此基因主要轉(zhuǎn)錄翻譯質(zhì)子ATP酶的a3亞基。a3亞基是質(zhì)子ATP酶發(fā)揮生理作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。正如生物化學層面所述，質(zhì)子ATP酶可利用水解ATP產(chǎn)生的能量向分泌性溶酶體中轉(zhuǎn)運H+，隨之該溶酶體轉(zhuǎn)運至破骨細胞表面，與細胞膜融合，形成皺褶后分泌H+，使皺褶和骨組織間液體酸化，以促進骨組織吸收。TCIRG1基因突變后，a3亞基蛋白合成障礙，質(zhì)子ATP酶喪失轉(zhuǎn)運H+的功能，內(nèi)環(huán)境酸化障礙，骨質(zhì)吸收受阻[7]。

2)SNX10基因與CLCN7基因：SNX10基因與CLCN7基因也是相對常見的突變基因。SNX10基因中的PX結(jié)構(gòu)域與磷酸肌醇結(jié)合后，可將蛋白質(zhì)錨定至內(nèi)體(內(nèi)體，即膜包裹的囊泡結(jié)構(gòu))膜上，通過蛋白質(zhì)-膜蛋白質(zhì)復合物及蛋白質(zhì)-膜脂質(zhì)中介進行囊泡內(nèi)H+的轉(zhuǎn)運[8]。CLCN7基因位于16p13.3，編碼氯離子通道蛋白7，其主要功能是將破骨細胞中的Cl-轉(zhuǎn)運至細胞囊泡，并與H+共同形成溶骨所需的酸性內(nèi)環(huán)境[9]。因此，若SNX10基因與CLCN7基因突變均通過影響內(nèi)環(huán)境酸化導致溶骨障礙。

值得注意的是，CLCN7與TCIRG1基因突變可導致兩種不同類型的石骨癥，即惡性常染色體隱性遺傳石骨癥(Autosomal Recessive Osteosalacia，ARO)與常染色體顯性遺傳石骨癥(Autosomal Dominant Osteolithiasis，ADO)，兩者預后不同。研究發(fā)現(xiàn)，通過擴大氯離子通道蛋白7基因突變譜分析突變位點與臨床表型間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，氯離子通道蛋白7基因的雜合突變，可從無臨床癥狀至骨髓造血功能衰竭，甚至危及生命，雜合突變形式越復雜，氯離子通道功能越受限，以致表型變異，預后不同[10]。此有待進一步研究。

2 臨床表現(xiàn)與分型

石骨癥根據(jù)不同的分型依據(jù)有以下幾種不同的臨床分型。

1)根據(jù)遺傳方式分：(1)常染色體隱性遺傳石骨癥(Autosomal Recessive Osteosalacia，ARO)；(2)常染色體顯性遺傳石骨癥(Autosomal Dominant Osteolithiasis，ADO)；(3)X染色體連鎖遺傳石骨癥(X-Linked Hereditary Osteosclerosis XLO)。

2)根據(jù)臨床表現(xiàn)及預后分：(1)惡性石骨癥；(2)中間性石骨癥；(3)良性石骨癥。

3)根據(jù)發(fā)病早晚、進展快慢和硬化程度：(1)惡性常染色體隱性遺傳石骨癥；(2)中間型常染色體隱性遺傳石骨癥；(3)常染色體顯性遺傳石骨癥。

目前更為合理的分型方式是由國際骨骼協(xié)會所提出的分型方式(具體參見表1)：1)惡性常染色體隱性遺傳石骨癥，包括經(jīng)典型常染色體隱性遺傳石骨癥、神經(jīng)性常染色體隱性遺傳石骨癥和伴腎小管酸中毒常染色體隱性遺傳石骨癥；2)X染色體連鎖遺傳石骨癥；3)中間型常染色體隱性遺傳石骨癥；4)常染色體顯性遺傳石骨癥，包括Ⅰ～Ⅲ型[11-13]。

表1 石骨癥國際骨骼協(xié)會分型與各型特點

3 基于發(fā)病機制與相關(guān)基因的診斷與治療

3.1 基因測序

當石骨癥臨床診斷明確后，可行基因分子診斷，以明確其分型，以決定治療策略。目前，國際推薦的基因檢測步驟：1)檢測TCIRG1和SNX10基因；2)若未發(fā)現(xiàn)該兩種基因突變，檢測CLCN7基因；3)若伴神經(jīng)性改變，行OSTM1基因檢測；4)若以上基因均未發(fā)現(xiàn)突變，再行其他基因檢測[7]。當然，也可通過全外顯子測序一次性篩查已知石骨癥的致病突變基因[14]。

3.2 針對病因、發(fā)病機制的治療

石骨癥目前病因不明，故無針對病因治療的有效手段。

據(jù)其發(fā)病機制，可采用造血干細胞移植(Hematopoietic Stem Cell Transplantation，HSCT)治療石骨癥。石骨癥主要是由于破骨細胞數(shù)目減少或功能缺陷所致。破骨細胞來源于造血干細胞?；谝陨险J識，可采用造血干細胞移植增加破骨細胞分化，增加骨吸收來治療石骨癥。研究表明，造血干細胞移植是目前石骨癥唯一有效的治療方法。

但并非所有類型石骨癥均可通過造血干細胞移植治療獲得滿意療效。造血干細胞移植治療經(jīng)典型常染色體隱性遺傳石骨癥，往往能取得良好的療效；對伴腎小管酸中毒常染色體隱性遺傳石骨癥，造血干細胞移植可能改善石骨癥癥狀，但對已發(fā)生腎實質(zhì)性損害是無法逆轉(zhuǎn)的，因此，必要時需腎臟支持治療；對中間型常染色體隱性遺傳石骨癥，造血干細胞移植療效欠佳；對神經(jīng)性常染色體隱性遺傳石骨癥則基本無效。

造血干細胞移植療效受主要組織相容性復合物是否相合、年齡以及基因突變類型的影響。

造血干細胞移植療效受主要組織相容性復合物(Major Histocompatibility Complexes，MHC)是否相合的影響。據(jù)供受體間的關(guān)系分自體、同基因、異基因造血干細胞移植三種類型；據(jù)供受體間人類白細胞抗原(Human Leucocyte Antigen，HLA)配型分HLA相合同胞、HLA相合非親緣、親緣HLA不全相合/半相合移植三種類型。不同移植方式成功率不同。Orchard等[15]報道了193例接受造血干細胞移植治療的常染色體隱性遺傳石骨癥患者，其中接受HLA相配移植的5 a和10 a生存率均達62%，其他移植方式僅為42%和39%。

年齡也是影響造血干細胞移植療效的重要因素。年齡越大，骨骼異常及繼發(fā)實質(zhì)性神經(jīng)、腎臟損傷，移植效果越差。因此，對治療時機的選擇，推薦盡早移植。有研究表明在發(fā)病半年甚至3個月內(nèi)行造血干細胞移植治療可獲得更好的預后。當然，造血干細胞移植也有其并發(fā)癥，如感染、排異反應及高鈣血癥等[16]。

基因突變類型也影響造血干細胞移植療效。對TCIRG1、SNX10、RANK、NEMO及不伴神經(jīng)病變的氯離子通道蛋白7及碳酸酐酶Ⅱ基因突變所致常染色體隱性遺傳石骨癥建議造血干細胞移植；對于伴腎小管酸中毒、神經(jīng)性常染色體隱性遺傳石骨癥不推薦造血干細胞移植；OSTM1及RANKL基因突變目前造血干細胞移植治療多無效[17]。

對存在移植禁忌的患者，可采用大劑量骨化三醇和γ-干擾素減緩疾病的進展，但臨床效果還存在爭議。Alam Imranul等[18]研究表明，對于骨化三醇，任何劑量均不能改善表型，高劑量骨化三醇則甚至可進一步增加骨量。

3.3 針對突變基因的治療

目前基因療法尚未應用于臨床，但近年來有通過動物實驗針對突變基因?qū)κ前Y進行基因治療。約50%患者TCIRG1基因發(fā)生突變。Ilana Moscatelli等[19]實驗研究表明，可通過攜帶TCIRG1基因的慢病毒載體對惡性常染色體隱性遺傳石骨癥小鼠的CD34 +細胞轉(zhuǎn)導，在體外恢復破骨細胞的功能。約70%常染色體顯性遺傳石骨癥Ⅱ型是CLCN7基因突變所致。Maurizi Antonio等[20]通過特異的siRNA治療CLCN7基因突變的常染色體顯性遺傳石骨癥Ⅱ型小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠骨吸收增加，骨小梁減少，佐證破骨細胞功能的恢復。