【综述】软骨发育不全：发生、发病机理与治疗

Dev Dyn. 2017 Apr;246(4):291-309.

软骨发育不全：发生、发病机制与治疗

Achondroplasia: Development, Pathogenesis, and Therapy

Ornitz DM

美国华盛顿大学医学院

1. 引言

软骨发育不全（Achondroplasia，Ach）是人类矮小症最常见的形式，发病率为 1/15000-25000，散发病例占 80%。Ach 是一种常染色体显性遗传病，外显率 100%。Ach 身材矮小主要表现为四肢近端肢体不成比例短小，这是一种被称为 rhizomelia 的表现型。头大伴额部隆起，面中部因颅底软骨生长缺陷而发育不全。枕骨大孔变窄和椎管狭窄较常见，常需要神经外科矫正。躯干大小相对正常，但常因过度腰椎前凸而变形。

4 号染色体的短臂上 Ach 基因遗传连锁研究和突变分析结果显示，几乎所有白种人、非洲人和亚洲人 Ach 患者的成纤维细胞生长因子受体3（Fibroblast Growth Factor Receptor 3，FGFR3）中的第380 位氨基酸（p.Gly380Arg）的精氨酸被甘氨酸所替代。生长板软骨细胞中FGFR3 的表达提示 FGFR3 突变与生长板功能之间有直接因果关系。野生型和突变型FGFR3 的比较结果表明，突变基因受体信号增加，并在成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）配体存在的情况下获得进一步增强。这种增加的信号可能部分由于突变受体的溶酶体降解下降导致蛋白质稳定性增加。

FGFs 是在胚胎和出生后发育期间发挥作用的信号分子。成人期 FGFs 对于体内平衡和组织修复具有一定的作用。18 个 FGF 配体可激活4 个 FGFR 酪氨酸激酶分子。FGFRs 1-3 的免疫球蛋白样结构域III 的选择性 mRNA 剪接体有两种异构体：b 和 c。在很多组织中，b 剪接体在上皮细胞中表达，c 剪接体在间充质干细胞中表达。这些FGFR 剪接变异体以及硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（heparan sulfate proteoglycans，HSPG）、Klotho 蛋白等辅因子分子，还决定着配体结合和受体激活的强度和特异性。与硫酸乙酰肝素结合也可以限制FGF 通过组织扩散。

2. 生长板的结构与功能

长骨生长是由生长板中软骨细胞的增殖和分化所驱动的，生长板位于长骨骨骺与干骺端之间。发育完全的生长板包含三个主要细胞层，它们在时间和空间上都遵循一个高度调控的发育流程（图1）。

图1 出生后生⻓板的组织结构

A．小鼠胫骨近端的组织部分表明生长板软骨细胞在分化的不同阶段（休眠、增殖、肥大前期和肥大期），软骨膜、骨小梁和皮质骨。B. 出生后生长板的图示表明，软骨细胞的发育进程和临近的骨小梁、皮质骨、Ranvier 区、LaCroix 软骨膜环和次级骨化中心。C.21 天大的小鼠胫骨中，在软骨细胞增殖、肥大前期和骨小梁成骨细胞中的Fgfr3 的表达（原位杂交）。SOC，次级骨化中心；RC，软骨细胞储备区；PC，软骨细胞增殖区；PHC，前肥大软骨细胞区；HC，肥大性软骨细胞区，TB，骨小梁。

储备（或静止）区软骨细胞发挥着更新祖细胞群的作用，增加软骨细胞的增殖。增殖的软骨细胞形成细胞克隆柱，分化为肥大前软骨细胞，再分化为肥大软骨细胞。在生长板远端，由肥大软骨细胞产生的细胞外基质开始矿化，肥大软骨细胞死亡或进一步分化成成骨细胞，形成初级骨松质。在这种方式下，生长板对于骨小梁（初级松质骨或松质骨）发挥着模板作用。

生长板被软骨膜包围，一种与骨膜相连的结构。软骨膜内层被 Ranvier 区内高密度细胞填充，外周为 LaCroix 软骨膜环。这种结构对于调节纵向骨生长非常重要，是祖细胞的来源，形成骨膜和皮质骨。因此，软骨膜是皮质骨形成的模板。

肥大软骨细胞约占纵向骨生长的60%。纵向骨生长的速度是由软骨细胞增殖、肥大性分化速度、肥大软骨细胞的高度变化以及由肥大软骨细胞产生的细胞外基质的数量决定的。虽然骨增长需要软骨细胞的增殖和肥大，但纵向骨生长还需要软骨膜/骨膜的伸长，且必须与生长板软骨形成同时发生。

3. 调节生长板信号通路概述

生长板中软骨细胞的增殖和分化是由局部分泌发挥作用的生长因子、内分泌因素和机械力调控。局部发挥作用的信号包括甲状旁腺激素样肽（Parathyroid hormone-like peptide， PTHLH 或PTHRP），印度刺猬蛋白（Indian hedgehog，IHH），骨形态发生蛋白（Bone morphogenetic proteins，BMPs），转化生长因子β （Transforming growth factor β，TGFβ），无翅型MMTV 整合位点家族成员（WNTs），Notch，C -利钠肽（Nccp 编码的CNP），胰岛素样生长因子1（Insulin-like growth factor 1，IGF-1），表皮生长因子（Epidermal growth factor，EGF），转化生长因子a（Transforming growth factor α，TGFα），血管内皮生长因子A（Vascular endothelial growth factor A，VEGFA）和FGFs。这些通路在骨骼生长和发育中的功能已有多篇综述阐述。内分泌因素包括生长激素（growth hormone，GH），甲状腺激素（T3），甲状旁腺素（Parathyroid hormone，PTH），FGF23 和性激素。机械力包括静水压、肌肉收缩以及重力产生的力。生长板软骨细胞静水压直接增加 IHH 信号和软骨细胞增殖。软骨细胞增殖和肥大此外还受静态和动态负荷调节。如在缺少肌力的情况下，鸡胚胎生长板增殖减少；在缺少骨骼肌的小鼠中，初级骨化中心形成延迟。

局部信号中IHH、PTHLH、BMP2、Wnt、CNP 和 FGFR3 是生长板调节的中心因素（图2）。

图2 出生后生⻓板中的信号通路

A．在软骨内骨发育期间，来自软骨膜及其周围组织FGF9 和FGF18 传递到软骨细胞的FGFR3。几种信号通路的相互作用控制着软骨细胞的增殖、分化平衡。甲状腺激素（T3）可增强FGFR3 的表达，而PTHLH 抑制其表达。FGFR3 信号引起Snail 1 表达增加，后者可激STAT1 及MAPK 信号。PTHLH、IHH 和BMPs 的信号抑制FGFR3 介导的软骨细胞增殖。FGFR3 和PTHLH 的作用是抑制软骨细胞的分化，与促进分化的Wnt 信号的作用相反。FGFR3 负调节自噬蛋白、ATG5。B. 激活下游信号PP2a 和STAT1，分别调节p107, p21Waf1/Cip1 的激活。激活MAPKs、ERK1 和ERK2 调节Sox9 基因表达，其作用为抑制软骨细胞终末分化和软骨内骨化。

IHH 和 PTHLH 形成了一个负反馈回路，控制软骨细胞的增殖和分化。IHH 由肥大前和早期肥大软骨细胞生成。在出生后骨生长过程中，次级骨化中心形成后，IHH 向储备区软骨细胞内的受体、PTCH1 传递信号以调控 PTHLH 的表达。而 PTHLH 则向肥大前软骨细胞内其受体PTH1R（PTH 型1 受体）传递信号，抑制IHH 表达和软骨细胞肥大。BMP2 和BMP4 表达于肥大前和肥大软骨细胞中，并向近端增殖的软骨细胞和肥大前软骨细胞中骨形态生成蛋白受体1A（BMPR1a）传递信号，以调节软骨细胞的增殖。通过便软骨细胞或成骨细胞中的Wintless (Wls) 基因失活可抑制Wnt 信号，从而减少软骨细胞肥大和骨骼增长。CNP 在增殖和肥大前软骨细胞中表达，并向增殖和肥大前软骨细胞中的利钠肽受体2（NPR2 或 NPR-B）传递信号。与BMP、IHH、PTHLH 和 CNP 促进软骨细胞增殖类似。

在胚胎和出生后发育过程中，Fgfr3 在增殖和肥大前软骨细胞中表达（图1C）。在次级骨化中心形成前生长板的建立过程中，FGFR3 信号促进软骨细胞增殖。但在出生后骨骼生长期间，FGFR3 信号抑制软骨细胞增殖和分化。在青春期前骨骼生长的过程中，FGFR3 激活突变导致 FGFR3 对软骨形成的抑制作用是 Ach 及其相关疾病的病因基础。

4. 生长板中的FGFR3 信号

小鼠中的 FGFR3（p.Gly374Arg）激活突变类似于人类 FGFR3（p.Gly380Arg）突变，可发展为一种 Ach 样表型，软骨细胞增殖减少、肥大分化减少以及基质生成减少。介导这些表型的细胞内信号机制揭示了一个复杂的信号网络，整合了 FGFR3 信号与其它几个信号通路。

FGFR 信号激活至少四个下游的细胞内信号通路，包括MAPK、PI3K/AKT、PLCγ 和STATs。在生长板中，FGFR3 激活了MAPK 通路的STAT1、ERK1/2 以及 p38 分支（图2）。STAT1 的激活和过度表达是调节（抑制）FGFR3 的下游软骨细胞增殖作用的强力候选因素，如同Statl 基因的失活挽救了FGFR3（p.Gly374Arg）小鼠中软骨细胞的增殖缺陷。但这些小鼠仍发展为一种Ach 样表型，这表明STAT1 不足以介导已激活的FGFR3 的整体生长抑制作用。相反，在缺乏功能性Stat1 基因的小鼠软骨细胞中，活化的MEK1 等位基因表达导致Ach 样表型，肥大性软骨细胞区明显减少，但软骨细胞增殖未减少。这与软骨细胞肥大促进骨延长的程度大于软骨细胞增殖的程度相一致。CNP 信号通过抑制MAPK 信号，以增加肥大分化和基质产生的方式来增强骨生长，这一观察进一步证实了增殖和分化之间的分离调节。

SNAIL1 是一种转录因子，已证明其通过抑制胶原蛋白II 和聚集蛋白聚糖的转录来调节软骨细胞的分化。一些研究表明，Snail1 在FGFR3 的下游发挥作用，这对于FGFR3 调节软骨细胞的增殖和分化至关重要。小鼠SNAIL1 的强制激活抑制了胚胎晚期的软骨细胞增殖和肥大，这种表型类似于 Ach。进一步分析发现软骨细胞的增殖显著降低，且 Snail1 的表达与 STATl  的核定位有关。除了调节 STAT1 之外，SNAIL1 的激活也会增加 Erk1/2 的磷酸化，并有可能加强其核定位。SNAIL1 的这一功能可以通过一个前馈机制得到加强，即激活ERK2 磷酸化，稳定SNAIL1 并加强其核定位。在SNAIL1 的下游，STAT1 和 ERK1/2 的激活分别导致软骨细胞的增殖和分化受到抑制。通过激活p107（和p130）以及细胞周期抑制物p21Waf1/Cip1 的表达可介导增殖抑制（图2B）。软骨细胞分化部分受Sox9 的ERK1/2（MAPK）的调节，必须抑制以允许终末肥大分化和软骨内成骨。

FGFR3 信号也直接或通过调节软骨细胞中的其他生长因子信号通路间接影响周围的骨骼。例如，软骨细胞中FGFR3 的失活可导致Ihh、Bmps2、4、7、Tgfβ1 和Wnt4 的表达增加，Noggin 的表达减少，骨量增加，而FGFR3 在软骨细胞中的激活导致Ihh、BMP4 和Pthlh 的降低，并导致骨量的减少（图2A）。成骨细胞中Fgfr3 的条件性敲除（OC-Cre）可导致骨形成和重塑受损，证实了FGFR3 对成骨细胞的直接作用。骨形成和再吸收过程中成骨细胞作用是与破骨细胞成双成对出现的，最近发现破骨细胞（LysMCre）中 Fgfr3 失活破坏了骨吸收。

5. Fgfr3 表达的调控

调节 Fgfr3 mRNA 和蛋白的表达水平可部分控制 FGFR3 的信号转导。FGFR3 的激活突变可增加 FGFR3 蛋白的表达，可能是通过减少受体的内吞和降解来实现的。旁分泌和内分泌信号也可调节生长板软骨细胞中 Fgfr3 的表达。这些信号包括 FGF、甲状腺激素（T3）和PTHLH。FGF9 在软骨膜/骨膜中的过度表达激活一个前馈通路，增加 Fgfr3 表达并抑制软骨细胞增殖。

缺乏表达于骨骼组织中的甲状腺受体α（TRαo/o）的小鼠可有骨骼性甲状腺功能减退症表现，如软骨细胞肥大且分化减少、骨化延迟、生长板结构排列紊乱等。小鼠表达于垂体中的甲状腺激素受体β（TRβpv/pv）突变会增加TSH 并导致甲状腺毒症（T3 和 T4 水平升高）。这些小鼠还会出现线性生长减少，软骨骨化提前和颅缝早闭。软骨细胞中 Fgfr3 的调控结果可部分解释这些表型。TRαo/o 小鼠生长板软骨细胞中 Fgfr3 的表达降低，而甲亢 TRβpv/pv 小鼠生长板软骨细胞中 Fgfr3 的表达增高。Fgfr3 启动子的分析证实存在甲状腺激素反应元件，提示以上信号用可能是直接的（图2）。用T3 培养软骨细胞可诱导 Fgfr3 的表达。

PTHLH 信号通过调控转录调控元件直接调控 Fgfr3，而PTH 可通过与 Fgfr3 启动子中的cAMP 反应元件结合抑制 PTHLH 信号。用PTH（1-34）处理原代软骨细胞可抑制 Fgfr3 表达，与PTH（1-34）体内研究结果相一致。虽然在软骨细胞中没有观察到 Fgfr3 的表达，但膀胱癌细胞转录过程及HIFl-α 依赖性缺氧可诱导Fgfr3 表达。类似的调节可能发生在相对缺氧的生长板上。此外，BMP2 可通过染色质重塑和Fgfr3 启动子中 SP1 位点的方式诱导 Fgfr3 表达。

6. 调节软骨内骨生长的 FGF 配体

生长板、软骨膜及骨膜中均有 FGFs 表达。在发育过程中，Fgf2、Fgf9 和 Fgf18 在软骨膜/骨膜和假定的关节间隙中表达，并已被证明在体内调控骨生长。Fgf1、Fgf2、Fgf17 和Fgf19 存在于生长板软骨细胞中。以上基因中只有 Fgf2 可以调控体内的骨骼生长。先天性 Fgf2 缺乏（Fgf2−/−）小鼠的生长板形态和功能正常，但骨量减少，主要见于松质骨。

先天性 Fgf9 缺乏（Fgf9−/−）小鼠的长骨生长减慢，近端减慢程度远大于远端（rhizomelia）。缺乏 Fgf18（Fgf18−/−）的小鼠骨骼生长减慢更为均匀。对于这两种配体，软骨细胞的增殖均减少，这与 Fgfr3−/− 小鼠在骨生长的胚胎阶段所观察到的表型一致，其中FGFR3 信号传导可促进软骨细胞增殖。同时缺乏 Fgf9 和 Fgf18 的小鼠有严重的骨骼生长缺陷，影响所有的骨骼元素。在发育后期，Fgf9−/− 和 Fgf18−/−小鼠表现为肥大软骨细胞区体积增大。这种表型与 Fgfr3−/− 小鼠非常吻合，这与 FGFR3 在发育的晚期和出生后的生长板中抑制软骨细胞的增殖和分化是一致的。

7. 生长板中的自噬

巨噬是一种溶酶体依赖的降解过程，在细胞应激反应中维持细胞内稳态。自噬体最初的形成需要至少 18 个自噬相关基因（Atg）的子集相互作用。在生长板的发育过程中，自噬调节软骨细胞的成熟和肥大。自噬在关节软骨中起到保护作用，而在软骨细胞中缺乏 Atg5 的小鼠则会发生年龄相关性骨关节炎。

全基因组关联研究已经证实了自噬与人类身高之间的潜在联系。软骨细胞中的自噬相关基因Atg5 或 Atg7 的靶向性基因消融，将导致轻度生长迟缓，软骨细胞增殖减慢，以及软骨细胞外基质的主要成分2 型胶原的分泌受损。

最近几个小组的研究发现了自噬在软骨形成的 FGF 调节中的作用。在软骨细胞中，FGF18 的单核苷酸或零基因的存在，导致生长板中Col2 的水平降低。有趣的是，这一表型是由于信号通过 FGFR4 而不是 FGFR3 传递。相反，Wang 等人的研究显示生长板软骨细胞缺乏Fgfr3 的小鼠自噬增加，而表达活性FGFR3 的小鼠自噬减少。

8. FGFR3 基因突变引起的疾病

软骨发育不全（Ach）

Ach 的诊断通常是在出生时作出的，80% 的 Ach 病例为 FGFR3 散发突变，是最常见的侏儒症，其特征为骨骼缩短且近端不成比例缩短、肘关节伸展受限、胫骨弯曲、严重腰椎前凸、椎弓根缩短和椎间隙缩小、股骨头缩短、巨头畸形、面中部发育不良、前额凸出、听力下降和枕骨大孔缩小（图3）。

图3 FGFR3 激活突变所致骨骼疾病的临床表现

A．软骨发育不全患者头部的特点有巨头，额头隆起和脸中部发育不全。B. 核磁共振图像（magnetic resonance imaging，MRI）显示枕骨大孔延髓压迫（箭头）。C. Ach 患者的肢体短小症（箭头）（G. Finidori 博士的图片）D. 24 周正常胎儿（对照）和患有TDI（P.Arg248Cyst）和TDI（I p.Lys650Glu）FGFR3突变胎儿的X光片（股骨和胫骨）。注意与年龄匹配的对照相比，短而弯的股骨。

Ach 的冠状缝和矢状缝的部分过早融合，提示 FGFR3 在膜内化骨中的作用。Ach 是一种进行性疾病，其表型的严重程度与年龄相关。如随着年龄的增长，骨骼生长板会逐渐被破坏。新生儿 Ach 患者的骨龄（根据腕、手和手指的 X 线片与标准 X 线片相比较来评估骨骼成熟度）存在延迟；而在青春期骨成熟加速，患者骨龄接近实足年龄。Ach 患者可有显著的进行性发展的脊柱后凸。随着年龄的增长，Ach 患者出现过度腰椎前凸。Ach 的一个主要并发症为椎管退化性改变导致的椎管狭窄，可能导致神经根受压，常常需要手术减压。

1994 年Ach 基因定位在 FGFR3。超过97% 的病例是由常染色体显性错义突变（p.Gly380Arg）引起，该突变位于 FGFR3 跨膜区（图 4）；

图4 FGFR3 突变谱

造成人类遗传性骨骼疾病的功能获得和功能缺失突变的相对位置分布于FGFR3 的整个编码区。不同类型遗传病的缩写见上图。FGF 配体用蓝色表示，硫酸乙酰肝素辅助因子用绿色表示。FGFR3 的某些突变改变了受体和不同FGF 配体的亲和力和特异性，而另一些则影响酪氨酸激酶的活性或受体的内化和降解。ECD，细胞外区；ICD，细胞内区；HS，硫酸乙酰肝素；I, II, III,免疫球蛋白样结构域；TK，酪氨酸激酶结构域；TM，跨膜结构域。

没有 p.Gly380Arg 的 Ach 患者通常具有其他不常见的 FGFR3 突变，如 p. Ser217Cys、Ser279Cys、p.Ser344Cys 和p.Gly375Cys。FGFR3 的一些较少见突变，如多一个半胱氨酸残基，很可能影响固有受体活性，这与 TDI 中的情况类似；但作用机制需要进一步探究。Ach 突变的外显率为 100%。罕见的 Ach 纯合子突变表型与 TD 类似具有致死性。

Ach 患者的突变分析结果显示几乎所有突变都发生在父源染色体上。在所有受检病例中，FGFR3 中父源 Ach 突变均与父亲年龄增大相关。FGF 受体激活突变的父方来源归因于精原干细胞随年龄的增长而出现的阳性选择和克隆扩增。引起 Ach 的突变导致了 FGFR3 及其信号通路的激活，在有 FGF 配体存在的情况下，这些信号通路可以得到进一步增强。活性增强可能是由于受体内吞和降解受损造成的。生化分析表明，在缺乏配体的情况下，Ach 突变提高了受体磷酸化的效率。通过在软骨细胞中表达突变型Fgfr3 或直接将Ach 突变导入 Fgfr3 基因，可在小鼠中模拟出 Ach 表型。

I 型与II 型致死性骨发育不全

I 型和II 型致死性骨发育不全（TDI 和TDII）是散发性的更严重的矮小症，通常会致死。TD 的特点是肢体短小（图3）、肋骨狭窄、肢体短小、大头畸形以及颞叶扩大的颅脑畸形。鉴别TDII 的放射学特征为观察到直股骨和分叶状颅。

TDI 和TDII 可归因于 FGFR3 的各种突变（图4）。最常见（75％） 的TDI 错义突变是在细胞外（p.Arg248Cys, p.Ser249Cys） 或跨膜区域的受体中（p.Tyr373Cys, p.Gly370Cys）引入半胱氨酸残基。在20% 的TDI 病例中， 观察到了引入终止密码子（p.X807Ser，X807Arg，X807Cys）的突变。TDII 是由位于受体酪氨酸激酶结构域的FGFR3 突变（p.Lys650Glu）引起的。TDI 和 TDII 突变均会影响受体的配体非依赖性固有活性；但只有 TDII 突变阻碍了 FGFR3 的完全成熟，并导致受体的过早磷酸化。下游信号分析显示，TDI 突变可强烈激活 ERK1/2 和STAT1。表达 TDI 和 TDII 突变的小鼠模型均显示出严重的矮小表型。

软骨发育不良（Hch）

Hch 是一种相对较轻的矮小症，与 Ach 具有许多相同的表型特征。大多数 Hch 病例有新的 FGFR3 基因突变， 但在某些情况下， 也可有阳性家族史。在散发的病例中，这种较轻的矮小症通常不是在出生时诊断出来的，而是在儿童时期发育曲线出现拐点时诊断出来的。Hch 是由 FGFR3 错义突变引起的。p.Asn540Lys， 位于酪氨酸激酶结构域并且是最常见的Hch 突变， 发生在 60% 的病例中（图4）。在细胞外区和 FGFR3 的酪氨酸激酶结构域II 中还发现了其他不太常见的错义突变（如p.Lys650Asn）。p.Lys650Asn 突变的体外分析显示FGFR3 激酶结构域的激活较弱。p.Asn540Lys 突变的分析显示ERK1/2 激活但STAT1 不激活。

SADDAN 综合征和圣地亚哥型致死性扁平性椎骨发育不良（PLSD-SD）

严重软骨发育不全伴发育迟缓、黑棘皮症和圣地亚哥型致死性扁平性椎骨发育不良（PLSD-SD）是一种罕见的致死性软骨发育不良，伴有棘皮病（皮肤色素沉着和增厚）和脑畸形。这些征型与经典 TDI 都是由 FGFR3 中同一种p.Lys650Met 突变起的（图 4）。p.Lys650Met 突变的分析显示 ERK1/2 激活并激活STAT1。表达 SADDAN 突变的小鼠模型显示出一种类似于 SADDAN 综合征的人类病理学的表型。

成比例矮小患者

在FGFR3 中发现一个导致成比例矮小的显性突变(p.Met528Ile)（图4）。功能研究表明，这种突变处于激活状态，类似于引起Ach 的p.Gly380Arg 突变；但决定成比例或不成比例的近端肢体型肢体缩短的机制尚不清楚。

高身材患者

罕见的致病性 FGFR3 基因突变可导致高大型身材。CATSHL （先天性指屈曲， 高身材和听力下降）综合征是由显性的FGFR3 功能缺失性突变（p.Arg621His）引起的（图4）。这些患者的特征是骨骼生长过度、感音神经性聋和小头畸形。据推测，这种突变可导致功能丧失或失活蛋白的显性表达。报告显示，在身高、小头畸形、中度听力损失和智力残疾的患者中也存在一种罕见的隐性 FGFR3 功能突变（p.Thr546Lys）。

这些表型与Fgfr3 缺乏的小鼠一致，后者显示骨骼过度生长和耳聋，以及含有FGFR3（p.Val700Glu）隐性突变的绵羊征， 其可导致羊蜘蛛腿综合征（spider lamb syndrome，SLS），其特征是四肢长、脊柱后凸畸形、肋骨和胸骨畸形、鹰钩鼻、体脂缺乏和肌肉萎缩。带有这种突变的杂合绵羊显示骨骼生长轻微活跃。

FGFR3 突变相关的颅缝早闭和听力下降

致病性显性FGFR3 突变也会导致颅缝早闭（颅缝的过早融合）。Muenke 综合征（MS）是最常见的颅缝早闭综合征。这种常染色体显性遗传疾病的特点是冠状缝过早融合、听力下降、发育迟缓和智力残疾。Muenke 综合征是由位于FGFR3 胞外区免疫球蛋白样结构域II 和III 之间的连接蛋白中的错义突变（p.Pro250Arg）（图4）。有趣的是，这种突变改变了FGFR3B 和FGFR3C 剪接体的特异性，以允许FGF10 的激活。这与引起 Apert 综合征的 FGFR2c 中相应突变的效应相似。在Muenke 综合征中也有与父亲高龄相关的父源报告。p.Pro244Arg 突变的小鼠模型也显示出颅缝早闭和听力下降。

Crouzon 综合征合并黑棘皮病（CAN）是一种少见的综合征，其特征是颅缝综合征、眼球下垂、面中部发育不良和角化过度以及皮肤色素沉着。这种综合征的患者在FGFR3 上具有一种显性错义突变（p.Ala391Glu）。这个突变位于复发软骨发育不全末梢受体跨膜结构域（p.Gly380Arg）。391 残基上谷氨酸取代丙氨酸和80 残基上精氨酸取代甘氨酸的表型差异（颅封早闭对软骨发育不全）是因为随着 391 残基上谷氨酸取代丙氨酸突变，FGFR3 二聚体的合成增加。

9. 治疗方法

1994 年，软骨发育异常研究领域取得了显著进展，发现了激活 FGFR3 基因突变是 Hch、Ach、SADDAN 和 TD 等多个与软骨发育不良相关疾病谱的病因。在过去的几〸年，已经出现了治疗这些疾病的潜在的治疗方法。有效的治疗软骨发育异常的方法必须在出生到青春期这个时间窗实施（图5A）。

图5 FGFR3 相关疾病治疗途径

A．骨骼发育过程中骨和生长板活动重要阶段的示意图。生长板和骨缝线的位置按年龄用红色标记。随着骨骼发育过程，生长板和颅缝闭合（绿色）。B.16 岁Ach 女孩接受胫骨髓内延长术治疗（D. Paley 博士的图片）。C. 目前正在评估Ach 治疗方法的示意图。1）可溶的FGFR3 结合并隔离FGF 配体，2）抗GFR3 抗体阻断配体和受体的结合和下游信号通路。3）酪氨酸激酶抑制剂阻断底物受体磷酸化4）稳定的CNP（BMN-111）通过激活NPR2（一种鸟苷酸环化酶）抑制RAF 激活。cGMP 激活CGKII 和p38 MAPK。5）美克洛嗪，一种止吐药，抑制ERK1/2 的磷酸化。6）PTH（1-34）导致软骨细胞增殖增加和Fgfr3 表达减少。7）骨生长中rhGH 的间接作用。8）他汀类药物促进FGFR3 的降解。

手术治疗

外科手术是成比例和不成比例矮小症（如 Ach、Hch）的常见治疗方法。采用 Ilizerov 方法的经典肢体延长术会将皮质长骨切除（截骨术），将外部固定器放置在断骨处的近端与远端间，维持数月以达到增长骨骼的目的。多处手术（股骨和胫骨）后，可获得平均约～20.5cm 的增长。这种手术可改善患者的功能和生活质量。但手术本身较痛苦，并有感染、肌肉挛缩、骨折风险增加等并发症。最近手术方式的改进，如使用髓内固定等可能会改善手术结局并减少风险。断骨、固定、在愈合期间维持断端间隙的肢体延长术仍然是有争议的，具有高风险性。因此，要求手术前进行术前心理评估评价，权衡并发症的高风险和矮小症的改善。将来，外科肢体延长术和药理学策略（见下文）结合可进一步改善结果。

Hch 治疗方法

Hch 患者的主要推荐治疗方法有重组人生长激素（rhGH）或外科手术（见手术治疗部分）。rhGH 可用于其他骨骼发育不全的矮小症儿童，如 Léri-Weill 软骨骨生成障碍和特发性矮小等，它们都与SHOX 基因的突变有关。临床研究表明 rhGH 可改善矮小患者的生长速度。也有很多研究结果显示 Hch 患者也可从rhGH 治疗中获益。rhGH 可有效改善 Hch 患者的生长发育，且耐受性良好，治疗时间越早效果越好。rhGH 的作用机制不是直接作用于 FGFR3 的信号通路，而是通过其促进合成代谢的特性，来促进软骨的生长（图5C-7）。还需进一步研究确认 rhGH 治疗的安全性及患者成人身高和身体比例方面的获益。

Ach 治疗方法

对 Ach 患者的疾病进展过程中并发症处理涉及症状处理、外科干预和终身随访护理。Ach 患者常见相关的健康问题有颈髓受压（可出现在出生后最初几个月，因枕骨大孔缩小所致）、复发性中耳炎（年轻患者较常见，需治疗防止传导性耳聋）、限制性呼吸功能不全（胸围小或成年时腰椎压迫）（图3）。

为治疗矮小和线性生长障碍，已有几种外科手术（上述），且非手术策略也在评估中。Ach 患者的首选治疗策略为 rhGH 治疗。目前有研究报道 rhGH 短期治疗对生长速度的改善，但长期治疗效果尚不清楚。此外，rhGH 治疗对身体比例的影响尚不清楚，目前也不是治疗Ach 的常规推荐方法。目前药物治疗策略着眼于直接阻断 FGFR3 活化，或调控软骨细胞增殖和分化的其他通路。

10. 针对 FGFR3 信号的治疗

很多旨在降低FGFR3 过度活化的非手术策略已经被建议用来刺激Ach 患者的线性骨生长。从肿瘤学领域已借鉴了许多策略，因引起FGFR3 相关骨骼疾病的基因损伤可在FGFR3 引起的癌症（如膀胱肿瘤、多发性骨髓瘤）中发现。几个研究着眼于FGFR 选择性小分子酪氨酸激酶抑制剂（TKI）直接降低FGFR3 突变导致的酪氨酸活性升高（图5C-3）。在 FGFR3 诱导的多发性骨髓瘤的异种移植小鼠模型中，TKI CHIR-258 显示出治疗效果，而在小鼠FGFR3 突变（p.Tyr367Cys）小鼠模型中，A31 促进股骨外植体生长。另外两个TKI 药物PD173074 和SU5402 也能抑制多发性骨髓瘤细胞的生长并诱导其凋亡。然而酪氨酸激酶抑制剂对 FGFR3 无选择特异性。最近，一个对FGFR 中 FGFR3 选择性更高的 TKI 药物 NVL-BGJ398 在临床前小鼠模型中用于治疗恶性横纹肌样肿瘤、肝细胞癌等 FGFR 相关肿瘤，和FGFR23 诱导的低磷酸盐血症性佝偻病、软骨发育不全等骨骼疾病。重要的是，NVP-BGJ398 在 Ach 样小鼠体内显示出减少 FGFR3（p.Tyr367Cys）激活并改善其骨骼表型。在后续的安全性和药代动力学研究中，这个化合物也许适合评价Ach 患者的临床试验。

抑制FGFR3 的另一种方法包括使用单克隆抗体靶向受体的胞外部分阻断配体结合或利用可溶性诱饵受体与FGF 配体结合和螯合，防止它们与内源受体相互作用（图5C-2）。一些研究表明FGFR3 的特异性单克隆抗体在延缓多种膀胱癌细胞株的生长上效果显著，并能够减少小鼠体内依赖FGFR3 的肿瘤的生长和FGFR3 表达的肿瘤转移。FGFR3 的特异性单克隆抗体还未在 Ach 小鼠体外模型中评估。

最近可溶性FGFR3 细胞外结构诱导受体（sFGFR3）的研究目标为结合、鳌和到可接触的FGF，与内源性FGFR3 竞争性结合到具有调节软骨形成功能的FGF 配体上（图5C-1）。皮下注射重组的可溶性FGFR3 细胞外结构诱导受体到患有Ach 的转基因小鼠上（Col2a1 启动子驱动FGFR3（p.Gly380Arg）的表达，Fgfr3Ach/+ 小鼠），结果发现能降低死亡率和促进骨骼生长。    

靶向控制软骨细胞的增殖和分化的 非FGF 信

号通路

在生长板发育和成熟阶段涉及到很多信号分子和转录因子（图2）。Ach 的软骨细胞增殖和分化之间的平衡被严重破坏。在有关键作用的因子中，调节生长板软骨细胞的增殖和分化的甲状旁腺激素/类甲状旁腺素肽（PTH/PTHrp）已得到充分研究（图5C-6）。为了纠正Ach 患者中软骨细胞增殖和分化缺陷，系统性间断的注射PTH（1-34）到Fgfr3K544E/+ 小鼠。这些临床前研究表明可以补救这些骨骼发育不全的小鼠。但临床应用PTH（1-34）治疗人类骨质疏松症的时间限制为两年。使用人源PTH（1-34）治疗Ach 将需要长期使用，因此需要新的临床试验评估其安全性和有效性。

最近出现了采用治疗非骨骼疾病药物的新治疗策略。第一个例子是氯苯甲嗪，一种非处方药，用于治疗呕吐的H1 受体抑制剂。在不同的细胞株中，氯苯甲嗪可以促进软骨细胞的增殖和分化，减弱细胞外调节ERK1/2 的磷酸化（图5C-5）。体外培养时，氯苯甲嗪增加正常胚胎的纵向生长，Fgfr3Ach/+ 胫骨移植。Fgfr3Ach/+ 小鼠口服氯苯甲嗪，骨的纵向生长增加，但枕骨大孔和腰椎管的尺寸没有增加。未来研究将要求对生长板进行组织学分析以确定生长板缺陷的补救。第二个例子是他汀类药物，一类降低胆固醇的药物（图5C-8）。在培养基中添加他汀类药物可以补救起源于Ach 患者诱导性多功能干细胞（iPS）的软骨细胞的软骨形成缺陷，并可在体外纠正 Fgfr3Ach/+ 小鼠的骨骼表型。但对于使用他汀类药物治疗软骨发育不全仍然存在争议，最近的研究表明他汀类药物治疗延缓软骨发育，并且减少了生长板软骨重要调节因子的表达。他汀类药物改善Ach 患者的骨生长的作用机制需要进一步调查。

C 型利钠肽

目前治疗Ach 最有希望的治疗方法是采用C 型利钠肽（CNP）的稳定形式——BMN-111 CNP 及其受体利钠肽受体B（Npr2，鸟苷酸环化酶B）被认为是纵向骨生长的重要调节因子。Npr2 的功能缺失突变是造成Maroteaux 型肢端肢中发育不良的原因，肢端肢中发育不良是一种人类不成比例矮小症，矮小与Npr2 杂合失活突变相关。CNP（Nppc-/-）突变小鼠也表现出肢体短小的不成比例矮小。相反，有报道称一例巨人症患者也存在NPR2 的杂合失活突变活，且患者出现了骨骼过度生长，由平衡易位导致的CNP 过度表达。在高表达脑钠素（BNP）的转基因小鼠中也报告了同样的表型。有趣的是，软骨中CNP 过表达或静脉持续输入CNP 可使Fgfr3Ach/+ 小鼠的矮小正常化，表明CNP 是治疗Ach 的一种潜在策略。

CNP 通过软骨细胞中的NPR2 传递信号，在RAF1 水平上抑制MAPK 信号通路（图5C-4）。细胞外信号调节激酶1（ERK1/MEK1）激活可导致小鼠矮小，而 ERK1/2 失活可引起老鼠长骨的过度生长，这可说明MAPK 信号通路在调节 FGFR3 活性时起的作用。一些研究试图解释在生长板中由 CNP 引起的信号级联放大。NPR2/CNP 诱导的 cGMP 激活循环GMP 依赖蛋白激酶II（cGKII，由 PRKG2 编码） 和p38 （MAPK14）。MAPK14 的功能可拮抗 MEK 激活的 RAF1，后者是调节软骨细胞肥大的重要途径。FGF 配体通过FGFR3 传递的信号可被通过NPR2 传递信号的CNP（BMN-111）拮抗，后者可减少人体软骨细胞的ERK1/2 的磷酸化，增强Ach 小鼠（Fgfr3Y367C/+）软骨细胞肥大和骨骼生长。在正常年幼食蟹猴中检测了BMN-111 的可能血流动力学效应。在BMN-111 任何剂量下，超声心动图参数均不受影响并且在治疗过程中的任何时候都没有出现低血压或窘迫的临床迹象。BMN-111（Vosoritide）治疗Ach 的2 期临床研究正在进行当中（https:///ct2/show/NCT02055157）。

11. 总结和展望

在过去的20 年间，在理解FGFR3 相关疾病中取得了巨大进展，同样在制定治疗FGFR3 相关骨生长缺陷有效治疗策略过程中也取得了巨大进展。尽管在探索治疗策略中已经有一些成就，但未来进一步改善Ach 儿童患者和成人患者的护理和治疗将会有面临明确的挑战。如本文所述，需要在未来评估一些新的治疗策略。此外，研究两种或多种FGFR3的药理抑制剂的协同作用和它的信号通路是非常重要的，这会使Ach 患者获得更有效的治疗。Ach 治疗策略探索过程中的进步归因于其他疾病的治疗，如恶性肿瘤（多重骨髓瘤、肺腺癌、膀胱、胃、直肠癌）、骨关节炎和由FGF 信号通路激活引起的衰老等。

进一步分析在生长板中FGFR3 下游信号通路和理解其在调节皮质骨、松质骨和生长板间的调控联系机制，与FGFR3 相互作用的内分泌信号的作用机制，这将有可能产生新的治疗策略。最后，研究FGFR3 在骨外组织中的作用（如心脏、内耳、肺）可以解释与FGFR3 突变相关的一些临床特点，并需在Ach 临床试验中进一步评估。