椎間盤的「呼吸」

椎間盤的「呼吸」

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前言：約定俗成的慣性思維，椎間盤突出=腰痛？

對於康復科來說，頸肩腰腿痛是常見病之一，我們的門診有相當一部分是因為各種脊柱疼痛或者關節疼痛來就診的患者。相比之下，頸肩不適和腰部疼痛的患者會相當多，前置的影像學檢查一定不會少。而在不知從何時開始的不明所以的約定俗成或者所謂的診療常規影響下，椎間盤突出幾乎是診斷腰痛的金標準。

雖說診療常規有其存在的必要性，可以減少診療失誤的幾率，但是同樣也會形成某種程度上的一刀切。最後的結果就是醫生們一看到椎間盤有突出就直接下診斷，然後就是一套常規藥物或者治療。長此以往，患者的就診體驗會非常差，甚至會產生醫生很無能的感覺。因為只要腰一痛，十有八九就是椎間盤來背鍋，都不用醫生診斷了。那是不是沒學過醫的患者也可以來做醫生了呢？那醫生的存在還有必要嗎？現在的情況是有非常多的醫生都是秉持著這樣的診療常規，骨科醫生們尤甚。

我們業內對骨科醫生們也有個戲稱，Association of Osteology = AO = Always Operation，永遠都要做手術的科室。我並不否認骨科內固定技術在整個人類歷史上的貢獻，技術本身是沒錯的。只是在於使用它的人，的觀念，是否達到了可以科學地使用內固定技術的認知程度，也就是我們經常提到的醫學必要性Medical Necessary。

我個人跟一些骨科醫生曾經也有過相關的討論，下背痛Low Back Pain到底是不是椎間盤突出引起的？我得到的回答是，椎間盤突出會引發炎症反應，所以會導致疼痛，所以疼痛是由椎間盤導致的。乍一看這個解釋簡直天衣無縫，我也被說懵了。但是從邏輯上來說，這是個典型的用結論來證明結論。在此邏輯的引導下，我們應該把腰痛換一個稱呼，叫椎間盤痛比較合適。

單純的線形思維帶來的是簡單而無腦的邏輯關係，但是事實是腰痛的原因是非常複雜而模糊的，甚至椎間盤退變的原因也一樣複雜而模糊，國際上的廣泛認知是multi-factorial 多因素。捫心自問，我們對椎間盤的退化有多少了解？我們能想出來的也許是年齡？衰老？姿勢？那這些因素又是如何引起椎間盤退化的呢？機制是什麼？所以，現實情況是更多的我們只是看到了退化（突出），對其起因和源頭並沒有太多的精確認識，那對於之後的整個治療方案，我們如何能堅定地相信其醫學必要性或者有效性呢？都選C嗎？

這個疑惑一直在我心頭縈繞，雖然在我的從業生涯中也的確是治好了不少疼痛患者，但是我始終對治療方案和結果無法產生太多的自信，天曉得是我的治療的哪個環節碰巧治好了疼痛。直到我看了一些文獻之後才有了一絲明悟，在這裡與大家分享。

正文

非專業人士可以跳過這部分，文末會有詳細的總結和一些解決方案，但是我個人依然建議繼續閱讀。

不可否認，椎間盤（下文簡稱IVD：intervertebral disc）的退變是造成下背痛的主要原因之一。雖然這類疾病非常古老，也對當今社會有相當巨大的影響，但是我們對於IVD退變的原因和發病進程機制卻知之甚少。

當然，對這方面的研究一直沒有停止，目前細胞層面的因素和力學層面的因素是大家比較公認的造成IVD退化的重要原因。但是問題在於先有雞還是先有蛋，到底哪個因素才是根源，從而引發其他的一系列變化？這個問題始終沒有人能給出答案。有一些學者認為IVD的退變是由生物力學引發的磨損引起的；也有人認為結構本身的問題引發了退變，營養流失是主要原因。其實這兩種觀念並不是完全互相排斥的，因為兩者之間都有內在的關聯性。就像1型糖尿病和2型糖尿病一樣，源頭不同，但是結果卻是相同的。於是有學者猜想其中機制可能是一個反應迴路，就像剪刀石頭布一樣，互相影響，但是誰也不服誰。那我們就來看看這個反應迴路是如何建立的。

一、不可控的基因

我們都知道IVD退化在某種程度上來說是人體自然衰老的表現之一，就跟皮膚會有皺紋是一樣的。我們可以把IVD的退行性變化看作是衰老的加速。人體正常衰老和加速退化都會出現IVD退變現象，但是現階段的技術手段很難明確區分兩者。

有人可能要說了，如果一個年輕人拍了個MRI都查出了IVD突出，那是不是可以肯定這就是加速退化的表現了呢？答案是，還真不一定。因為中醫上有個說法叫先天不足，也的確是有人先天腎虛的。這能算是加速衰老嗎？不能算。人家本來就不好，我們不能歧視人家。

從西醫的角度來看，我們就要說到基因對人體的影響了。有研究表明，IVD退變有很強的遺傳基礎，因為遺傳信息直接決定了細胞的行為和細胞的部分結構完整性（是不是容易被破壞）。例如在基因多樣性中有COLIA1或ADAMTS5這樣的編碼片段的話，那麼在較年輕的時候就發生IVD退化的幾率是比較高的。這麼看來，「先天」和「基因」的確是可以為我們的疼痛來背個鍋的，因為我們無法改變自己的基因序列，這是爹媽給的。

另一方面，衰老本身也是不可逆的。如此一來，是不是我們面對先天的不足就束手無策了呢？有句話說得好，先天不夠，後天來湊。任何的遺傳疾病發病也只是一個比例數據，就算有80%的幾率會出現某種疾病，那不也還有20%的幾率可以避免嗎？我們依然需要繼續深入挖掘IVD退化的潛在機制，看看有什麼辦法可以控制住它。

二、IVD解剖快讀

相信大家對椎間盤都不陌生，我們來簡單回顧一下IVD的解剖。

IVD位於上下椎體之間，為整個脊柱提供靈活性。它由三個部分組成：髓核、纖維環、終板。髓核是IVD的核心，被纖維環包圍。終板則是限制住整個IVD，形成一個錨定進入椎體。

1、髓核 nucleus pulposus ：

健康的髓核是一種高含水量的凝膠狀組織，並富含蛋白多糖。它可以產生IVD的內壓力，將上下椎體分離，繃緊纖維環，並且在上下終板上均勻地分布壓力。而一個退化的髓核則是一種內在無序的纖維組織，它在很大程度下喪失了把水束縛住的能力。所以，髓核的內壓越小，IVD的高度就越低。在IVD的整個退化過程中，髓核的變化是最大的。

2、纖維環 annulus fibrosus ：

健康的纖維環是相對緻密的組織，它由大約20個纖維環片組成，裡面交織著斜膠原纖維和蛋白多糖。這些膠原纖維通過兩種力學機制被拉緊：一個是從髓核由內向外的徑向壓力，一個是終板拉緊纖維環所產生的拉力。由於IVD退變後髓核內壓逐漸喪失，周圍的纖維環在被壓縮和拉伸的過程中發生更多的變形，並逐步出現結構破壞和損失，比如：纖維環邊緣的硬化、層疊的消失、發散的裂痕等。但是雖然纖維環的結構出現了變化，但是它本身被拉伸的強度和能力並不會減弱。而產生影響的是隨著纖維環結構被破壞，其彈性和主動向內的收束力的減弱，這會造成IVD內壓下降。

3、終板 endplates ：

健康的終板是厚度均勻的玻璃樣軟骨。IVD退化過程中也常常可以觀察到終板的損傷，無論是宏觀還是微觀，軟骨下骨會出現明顯的硬化。椎體周圍營養不良或髓核內壓下降導致的IVD退化會引起終板硬化或骨折。終板在IVD的營養交換和血液供應上扮演了重要角色。

所以我們是否可以這麼認為，髓核就是一團凝膠狀的組織，它本身並沒有類似外細胞膜的結構。而從整個IVD結構上看來，外周的20圈纖維環和上下的終板就是髓核的外細胞膜了。

三、對IVD的各方向研究結果

就影像學上來看，髓核的改變在IVD退化過程中是相對比較明顯的，所以針對髓核的研究也最多、最徹底。纖維環和終板的改變這部分也有研究，但是這些變化跟IVD退化本身有多少聯繫，並沒有太多描述。所以以下文獻結論更多的是關於髓核（細胞）、纖維環和終板（胞外基質）、生物力學的互相影響。閱讀下文時，看到細胞請自動理解為髓核，看到胞外基質自動理解為纖維環和終板。

1、脊索細胞：

在人的髓核中，從IVD早期胚胎形成時開始出現的脊索細胞，在十年之間會逐漸向軟骨細胞過渡。最近的小鼠細胞遷移觀察研究表明，髓核中成熟的軟骨細胞來源於胚胎脊索。脊索細胞中含有較多的蛋白多糖，能產生II型膠原，其水合能力較強。而成熟的軟骨細胞產生I型膠原，所以由脊索細胞往軟骨細胞轉化的結果是蛋白多糖的合成減少、水合能力的下降，從而影響了髓核維持其凝膠狀組織的潛力。

也就是說，十歲之前就算IVD因為各種原因有被消耗的趨勢，IVD本身的再水合恢復能力都很強，所以不怕消耗。至於十歲之後么，應了很多醫生的那句話，退行是不可逆轉的。因為IVD本身的自愈能力下降了。

2、髓核-胞外基質：從合成代謝到分解代謝

IVD退化的過程表現為炎症因子il-1和TNFα逐步增加的過程，這些因子加速了IVD退變中細胞基質的結構變化。髓核對胞外基質的重構主要由兩類酶來介導：基質金屬蛋白酶（Matrix Metallo Proteinases，MMP）和含I型血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAM-TS）。糖基化也會造成一部分非蛋白質的降解。在IVD退變的後期，炎症細胞因子也會增強神經和血管的生長及加劇疼痛反饋。總而言之，隨著基質變性的增加，蛋白多糖和膠原型基因的表達會逐漸減少，同時，I型膠原的表達增加，這表示胞外基質的壓力發生了變化。

3、胞外基質：蛋白多糖-I型膠原

髓核的胞外基質由蛋白多糖和膠原組成，而聚蛋白多糖中的蛋白多糖數量最為豐富。聚蛋白多糖本身有一個負電荷，這導致了420-450摩爾的滲透壓。這種滲透壓能吸引水，並將水和胞外基質結合。但是在IVD退變過程中，蛋白多糖被從透明質酸中剝離出來。這些被剝離的蛋白多糖並不進行聚合，所以其水合能力大幅下降。此外，髓核中的II型膠原也逐漸轉化成了I型膠原。所以總的來說，胞外基質的生化成分從以蛋白多糖和II型膠原為主轉變成主要由I型膠原組成的纖維組織，從而導致了水合能力的喪失。

4、胞外基質-生物力學：IVD內壓降低

在健康的IVD中，聚蛋白多糖的負電荷產生了滲透電位，通過吸引水以及水合能力形成核內的生物力學靜水壓力。這個內壓在仰卧時大約為0.1-0.24MPa，隨著IVD力學負荷的線形增加，可以達到2.0MPa以上。但是靜水壓力的分布並不是永久不變的，一旦IVD內局部水合數量有所變化，那麼就會改變固有的壓力分布。在健康的IVD中，水合數量的減少或者增加，是基於多孔經流體流動的載入或卸載。也就是說，椎體的活動會直接造成IVD內部的水合程度和壓力分布。在退化的IVD中，聚蛋白多糖的骨化會降低其有效負電荷，從而降低IVD內壓和在壓縮力之下保持水合的能力，具體反應在IVD厚度的降低上。雖然目前II型膠原減少和I型膠原增加對胞外基質的生物力學功能影響尚不清楚，但是從原理上判斷，結構脆性的增加會使得壓力分布不均，導致剪切力的出現。

5、生物力學：從靜水壓力到剪切應力

IVD內壓是維持IVD生物力學行為的必要因素。IVD內壓可以繃緊纖維環，並支撐終板，這是IVD厚度和軸向受壓強度的主要決定因素。退化的IVD中，厚度和軸向承重力下降，這會造成徑向的隆起增加、剪切應力的出現和上升。由於纖維環失去張力，會導致相鄰椎體的彎曲、扭轉等動作中出現一部分不可控區域，而這種不可控區域的變化可能會進一步增加髓核內的剪切應力及胞外基質的結構重塑remodelling。

IVD內壓降低的另一個影響是在退化過程中出現的壓力分布紊亂。壓力分布的無序化會形成局部壓力集中，增加終板骨折和出現施莫爾結節的風險，類似情況在IVD退變中越發常見。

6、生物力學-髓核：mechanobiology

細胞的機械環境對細胞功能很重要，這樣的觀點並不新鮮。早在1862年，Hueter和Volkmann就獨立假設局部張力和拉力變化的機械刺激直接影響著骨和關節的細胞功能和基質合成。今天，生物力學對細胞功能的影響被稱為力學生物學mechanobiology。一些研究已經表明脊柱運動節段的一個明顯的壓縮力可以引起IVD的分解代謝、合成代謝、炎症細胞反應。此外，載荷的時間特性也非常重要，循環載荷被證明是有益的，而不是靜態載荷。因此，在IVD的功能和功能障礙上，力學行為與髓核功能的關係是非常重要的一部分。

整個IVD的細胞都會對靜壓的變化做出相應的反應。在髓核中，0.3Mpa的蛋白多糖產量大約比0.1MPa高20%。另外，MMP-3的產量也會減少，金屬蛋白酶TIMP的組織抑製劑增加，減少了胞外基質的重塑。髓核細胞的這種壓力感知機制在退化的IVD髓核中似乎受到了損害，因為它們對IVD的物理內壓反應降低了。

髓核也會對胞外基質的滲透壓變化做出反饋，在400-500mOsm的壓力下產生最多的蛋白多糖，並隨著滲透壓的降低或增加而減少聚蛋白多糖的合成。同時，滲透壓的降低增加了MMP-3的產生。因此，在退化的IVD中內壓下降和滲透壓下降會減少軟骨細胞的合成代謝，增加分解代謝。

IVD的靜水壓力向剪切應力的轉換對軟骨細胞有明顯的力學生物學效應。與軟骨和骨骼等其他負重組織類似，剪切應力的增加會引發纖維組織的形成。另外，剪切應力的增加會促進軟骨細胞產生更多的一氧化氮。一氧化氮是一種活性氧代謝物，會減少蛋白多糖的產生，加速軟骨和IVD的退化和凋亡。

7、髓核的穩態取決於終板和纖維環的完整性

雖然以上我們討論了髓核，但是髓核的穩態取決於纖維環和終板的完整度。如果這兩個結構中任何一個出現了損傷，髓核的內壓就會下降，並暴露在IVD外的炎性細胞中，最終加速退化反應。然而，髓核本身的退化也會影響到纖維環和終板。

IVD內壓的下降會降低纖維環中纖維的張力，增加徑向變形。這種變形會增加纖維環層間的剪切力，導致其中織層的分離並導致連續的撕裂風險。

纖維環張力的喪失和髓核對終板的應力分布無序化可能造成終板硬化、骨折或者施莫爾結節。

觀點總結

綜上所述，髓核、核外基質、生物力學的互相作用對整個IVD的穩態起著重要作用。這種平衡被打破，則會引起或加速IVD退化。如果細胞沒能得到適當的機械和化學信號，它們就會停止生產蛋白多糖，甚至開始講解蛋白多糖。而蛋白多糖的減少會降低IVD的內壓，從而改變細胞的生物力學環境。由此，我們可以推斷出，整個IVD退化的過程是一個典型的惡性循環過程，如果我們無法有效控制這個循環中的三個關鍵點，那麼其退化速度會越來越快。

四、退化循環圈：

生物力學誘發：

在很多文獻中，「磨損」機制一直被認為是IVD退化的主要原因，這在負重勞動力者、司機、士兵、運動員中比較常見。但是有趣的是，宇航員也會碰到類似的狀況，在剛進入太空無重力狀態是會感受到腰痛，在回到大氣層時也會感到腰痛，這兩種疼痛被認為是IVD壓力的突然間變化過大導致的。

我們之前提到關於壓力卸載載入對IVD的影響，循環載荷被認為是有益的，但是其前提是IVD整個內環境有耐受能力的前提下。如果IVD本身已經進入退化過程，並且其本身已經有部分結構改變和重塑，那麼其耐受能力是下降的，也就是說它容受機械壓力改變的能力是不充裕的。在這樣的情況下如果壓力環境有大的變化，那麼IVD的反饋會非常明顯。

關於「耐受」、「可控範圍」等對IVD的影響將在我下一篇文章「鐘擺猜想」中給大家具體分析。

髓核細胞誘發：

IVD退化最具影響力的研究是關於IVD本身的營養供給的，營養供給的減少導致了代謝的變化。終板硬化限制了終板上空隙大小以及通過其中的血管的血流量，並隨著IVD的退化，其彌散進入髓核及纖維環的營養和物質也相應減少了。但是終板硬化的原因尚不明確，這部分需要更多的研究進一步闡釋，終板上生物力學的變化所帶來的轉變是一個猜想的方向。而纖維環的裂痕和破損也會導致通過纖維環的血管流量無法順利為纖維環本身及髓核提供原本的血供需求。所以終板的變化和纖維環的變化都會加速IVD的退化進程。

我們再進一步推測，吸煙、糖尿病等因素是否會影響IVD呢？有不少研究在這些方面做出了探索。這些因素的確會影響到IVD的生理環境，因為它們對微循環是不利的，但是研究結果卻與原本的猜測有些不同。在鼠類暴露於煙草煙霧的研究發現，其IVD退變不是由基因毒性DNA引起的，而是由細胞生理的改變引起的：血液中的一氧化氮濃度上升，降低了蛋白多糖的合成。在糖尿病模型中，高糖血症會影響髓核、與聚蛋白多糖發生糖基化反應、增加血液的滲透壓。然而以上兩種研究都無法完全排除生物力學的影響。

胞外基質誘發：

髓核突出、纖維環破裂、終板骨折與IVD的長期風險有關。這類損傷可以通過單一的創傷性超載來實現，它可以從宏觀上或微觀上破外胞外基質，也直接導致了IVD內壓的下降。纖維環或終板被創傷之後的碎片也會暴露在髓核內，結合內壓下降、對神經營養因子和血管營養因子的反應等，就可以觸發退變。

在動物實驗中，損傷纖維環和終板是誘導IVD退化的最常用的方法。

綜上所述，在人類的疾病研究中和動物實驗中都有證據表明許多途徑都可以導致進行性IVD退變。這也證明了為什麼說IVD退化的原因被稱為「多因素」。

解決方案：退化循環的控制

這部分請非專業人士仔細閱讀。

上文中我們提到椎間盤退化是三種因素互相進行性累加的過程，也就是退化循環，而且椎間盤本身的退化也是不可逆的。但是既然有退化循環，同樣的，把這個環轉一個箭頭方向就能形成維持循環。也就是說退化和衰老是可控的。

在這個循環里髓核層面和纖維環、終板層面的內容是常規無法介入的，但是生物力學卻是我們每個人都可以通過一定訓練和鞏固後來強化維持循環的。

回顧上文提到的關於生物力學的觀點，我們總結如下：

1、椎間盤局部張力和壓力變化會直接驅動其內在的生理化學反應，循環載荷被認為是有益的。

2、IVD內壓相對較高的話，可以產生較多的蛋白多糖，對IVD有益。

結合以上兩點，用通俗的話來說，就是運動是有益的。所有的運動形式都在不停地轉換IVD內壓的載入和卸載，並且相對處於一個較高的平均值。

而靜態載荷，也就是長時間不運動（不變換姿勢），內壓平均值較小，且如果不是處於中立位的話，會形成長時間的壓力分布不均。受壓一側剪切應力極高，被拉張一側內壓應力高、靜水壓應力高，長時間保持一個姿勢的話，會造成受壓側纖維環退化加速，進而引發髓核退化和椎間盤整體退化。

所以，科學地來說，可怕的不僅僅是葛優癱，而是無論站立位、行走位、還是坐位、躺位下都無法改變的骨盆前傾，或者說骨盆前傾趨勢。椎間盤突出也不是我們想像中的是被髓核頂出來的，恰恰相反，是纖維環本身的退化、發生徑向隆突、硬化、破裂和破損，表現為椎間盤突出。而髓核是被動的被暴露在了椎間盤範圍之外，大家想像一下，我們打噴嚏、咳嗽的時候是不是腹壓會有突然的上升？如果這個時候一側纖維環是有破裂和破口的話，髓核是不是會因為內壓的擠壓而被擠出纖維環？

具體方案：

1、保持正常的完整的關節活動度及可及性。

特別指出，我個人非常否認做任何動作都要收緊腰部，因為收緊腰部只會讓骨盆加劇前傾，減少了整個骨盆和腰椎的活動度。保證活動度的可及才能保證我們在需要活動的過程中不會受限。

TIPS：瑜伽里的貓牛式、拜日式、物理治療的骨盆前後傾訓練等。

2、儘可能地維持任何關節的中立位，承重關節尤甚。

只有在中立位下，我們才能保證椎間盤的受壓分布是相對平均的，退化也是相對平均的，不會出現某一些部分退化特別迅速和嚴重。（難倒其他關節就不是這樣了嗎？）

TIPS：中立位是物理治療的專屬，骨盆中立位維持、核心激活、腹內壓維持。

3、每天保證一定量的彈跳類運動，每周保持一定量的總運動量。

彈跳可以變換總壓的載入和卸載。運動則可以保證關節活動和壓力分布的變化。每天保持15-20分鐘的運動量就夠了。那種一周跑步四五天，每次跑10公里的就算了，沒事糟踐自己的身體，自作孽不可活（分解代謝遠大於合成代謝）。

做到以上三點，那基本可以保證椎間盤和關節的退化速度是自然衰老的速度，如果還是退化得很快，那隻能去查查內科或者基因了，生物力學方面依然望塵莫及。

預告一下，本來下一篇文想寫西方物理治療眼中的中國傳統康復，但其實本文還有很多關於生物力學的細節都沒寫，所以想把它寫掉。SO，下一篇的內容是關於我的一個猜想，叫「鐘擺猜想」，敬請期待。

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