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首頁 9 脊椎側彎 9 造成脊椎側彎的原因

造成脊椎側彎的原因

有很多種不同的理論,試著解釋不明原因型脊椎側彎(idiopathic scoliosis)的成因,但其實脊椎側彎的形成牽涉到許多系統及層面的相互影響,仍無法單由一個學說或理論就能解釋不明原因型脊椎側彎的形成原因,推論脊椎側彎可能是多重因素相互影響、交互加乘所導致。

目前愈來愈多証據顯示,不明原因型脊椎側彎與基因遺傳有關,至於側彎是否表現、如何表現可能受到各種內在及外在環境因子的交互影響。

Goldberg等人提出”側彎發育不穩定(development instability for scoliosis)”的理論,他們認為不明原因型脊椎側彎並不是一個疾病或是一組疾病所導致,而是由環境壓力所造成的症狀,這種壓力足以超越基因組的內在穩定,所以側彎並無特定的病因,是由一系列壓力源誘發的結果。

簡單來說,自身的基因表現會受到環境的影響,甚至這種基因的表現會遺傳到後代,像是很多慢性疾病或癌症,這些人可能帶有這些疾病的基因,在環境的影響下,像是抽煙、喝酒、情緒、生活作習不正常、或營養不均衡等,大部份人可能會在中年過後疾病才會顯現。

而脊椎側彎的發展及表現,可能是來自於帶有側彎基因的人,透過一系列內在及外在環境的影響,造成脊椎不對稱的成長。內在環境包括了荷爾蒙(hormones)、生長因子(growth factor)、化學毒素(chemicals)及”力”,力則是來自於中樞神經系統為了對抗重力,維持直立姿勢所需的輕微肌肉收縮力量,以及脊椎的成長力、外在環境則包括了重力、營養及生活型態。
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原因一、基因

根據統計若家族中有人罹患脊椎側彎,一級親屬間的側彎罹患風險為 11%、二級親屬的風險為2.4%、三級親屬的風險降到1.4%,若是同卵雙胞(monozygotic twins)共同罹患側彎的機率高達73%,異卵(dizygotic)雙胞胎共同罹患側彎的機率為36%。 所以側彎和基因有很大的關聯性,但透過雙胞胎的研究,也發現帶有相同DNA序列的同卵雙胞胎(下圖),他們在側彎的表現上有著極大的差異,像是他們的側彎曲線方向可能完全相反、側彎曲線類型、及側彎最凸點的位置不同,或側彎的嚴重度也差異很大。

脊椎側彎原因之一:基因

同卵雙胞胎在側彎的表現上有極大的差異

這些結果也告訴我們,除了基因之外,一定還有其他的因素影響了側彎患者的外觀表現,因此有人提到脊椎側彎的表現有38%來自於基因,62%則受環境的影響,而脊椎側彎的致病原因,極有可能是基因和環境之間交互作用的結果。

⇑ 《 回本文大綱》


原因二、內在環境因子

1. 中樞神經系統

大腦內的身體基模(body schema)發育較慢

在青春期的快速發育階段,神經系統發育較慢,並未跟上脊椎的生長速度,使原本已經建立在大腦內的身體基模,無法負荷身體在直立動態的狀態下,去平衡彎曲變形的脊椎,導致側彎惡化。

附註:身體基模(body schema) 是一種非意識的過程,讓我們的大腦知道身體各部位的位置,可在不需要專注的情況下,透過大腦、及周邊系統,像是感覺及本體感覺等,平順地使用身體,並利用過去的經驗,讓身體有效率地執行動作。

因此推論中樞神經系統成熟延緩,將會使側彎惡化。而造成中樞神經內,身體基模發育延緩的原因,可能來自於大腦的感覺輸入、及運動輸出受損。唯有終止發育延緩,側彎惡化才會暫停。

腦部異常

  • 功能異常

主要針對大腦、腦幹、及小腦結構及神經功能異常去進行觀察,1980年早期Herman提出脊椎側彎可能是較高層級的大腦皮質受損,會出現腦波干擾、認知前庭整合損傷。

側彎患者的兩側大腦半球有異常活化的現象、並在執行動作時,大腦運動輔助區也明顯過度活化,而大腦的運動輔助區功能包括選擇、準備、啟動及執行自主性動作,還有姿勢的控制及感覺統合。這種毫無臨床症狀的中樞神經系統改變,像是不對稱的本體感覺、平衡及動靜態動作控制異常,可能是側彎的致病因素之一。

Chau等人發現側彎患者的體感覺誘發電位(somatosensory-evoked potential )的潛伏時間延長,而體感覺誘發電位指的是透過觸覺刺激,記錄到在腦部產生的電位活動,側彎患者當中若伴隨體感覺誘發電位異常者,58%的人會出現小腦扁桃體下疝(下圖)。經由這些研究資料推論,小腦的成長及功能的改變可能和脊椎側彎的發展有關。

附註說明:小腦扁桃體下疝是指在結構上,小腦扁桃體向下位移通過了枕骨大孔的界限,進入到椎管內,大部份屬於先天性,少部份因傷患引起。

脊椎側彎原因之一:中樞神經系統-腦部功能異常

小腦扁桃體下疝

  • 結構異常

Shi等人提出左胸彎的人,大腦胼胝體(corpus callosum)及左側內囊(internal capsule)白質有衰減(attenuation)現象,Wang等人發現側彎患者大腦皮質厚度與正常人不同,這些區域主要位在運動(motor)區及前庭(vestibular)區。Geissele等人由7位側彎患者身上發現,腦幹中的皮質脊髓徑(corticospinal tract)附近的腹側橋腦(ventral pons)或延髓(medulla)產生不對稱。

另外也有人發現,側彎患者的大腦結構尺寸異於正常人,像是側彎患者的左側視丘(thalamus)及左側中央後回(postcentral gyrus)較正常人大、右側內囊的前後枝、右側尾核、右側楔狀葉(cuneus)及左側中枕葉腦回(left middle occipital gyrus)較正常人小。

某些區域則是兩側都受到影響,像是嗅緣(perirhinal)及海馬迴(hippocampus)較正常人大,而下枕葉腦回(inferior occipital gyrus)、楔前葉(precuneus)較正常人小。位於中間部位的胼胝體(corpus callosum)及腦幹(brain stem)的體積,明顯較正常人大。

小腦的重要功能就是調整或協調肌肉的動作及姿勢,Cheng等人發現有一小部份(7.3%)的側彎患者,其小腦扁桃體的下緣會向下移位到枕骨大孔外,稱之為小腦扁桃體下疝(tonsillar ectopia),這些側彎患者也有較高的機率發展出嚴重脊椎側彎。另外一篇研究的結果也証實,48%的側彎患者,在直立姿勢下進行核磁共振(MRI),發現小腦扁桃體有下降的情形。

2. 前庭系統

人類前庭系統負責搜集姿勢的訊息,更進一步整合其他感覺訊息以維持身體平衡。Byl等人推論側彎患者的姿勢不平衡可能來自於前庭失衡,導致脊椎兩旁肌肉張力不對稱。

3. 軀體神經系統(somatic nervous system)及交感神經系統(sympathetic nervous system)的不對稱

側彎可能來自於脊椎的自主(automatic)神經、及軀體(somatic)神經系統不一致的發展,更進一步的透過荷爾蒙的強化,而誘發系統骨骼過度生長。Burwell等人提到,雙重神經-骨頭理論(double neuro-osseous theory),因為側彎患者的基因突變,會選擇性地增加下視丘(hypothalamus)對於瘦體素(leptin)的敏感性,透過兩側的交感神經系統,不對稱地傳送到正在成長的中軸骨,影響了骨頭生長,而啟動脊椎產生側彎。

所以他們推論瘦體素(leptin)在中樞神經系統的發展,扮演重要角色,瘦體素過低會啟動神經骨骼生長不一致,造成神經軸張力增加。

而神經軸受到束縛的部位,位於上頸椎、延髓、及頭頸交界,一旦脊椎變形被啟動,在其他生物力學或荷爾蒙的干擾下,會造成脊椎骨質密度減少,使側彎度數惡化。

另外在軀體神經系統方面,正常的神經、及骨頭的成熟時間(neuro-osseous timing of maturation, NOTOM),操縱著孩子內部的生長,它透過持續的感覺輸入、及運動輸出不斷同步更新,讓孩子的姿勢達到動態平衡。

當骨頭在青春期快速發育的階段,會增加骨頭的大小及質量,在神經方面則是持續不斷校正我們的身體,因應骨頭變大後,身體承受生物力學及動作的改變,當骨頭不對稱的生長及神經控制出現不一致的情形,就可能導致脊椎側彎惡化,因為神經系統無法控制快速且生長不對稱的脊椎。

4. 椎體不對稱承重及脊椎生長理論

這個理論假設,脊椎已事先存在彎曲的問題,而啟動了機械式調節,改變脊椎軟骨內的縱向生長使側彎惡化。

Dr. Stokes提出孩子進入青春期的成長階段,因為不對稱的肌肉負荷,影響了椎體生長板,使椎體形狀改變為楔形,這種不正常的力主要來自於肌肉不對稱的負載,而非身體重量的壓力,機械壓力改變了脊椎生長,使側彎惡化,如此不斷的惡性循環。

脊椎側彎原因之一:椎體不對稱承重及脊椎生長理論

誘發因子造成脊椎骨變形,形成側彎曲線,導致脊椎承重不對稱,使脊椎骨成生長不對稱,又加深脊椎產變形,如此不斷的惡性循環

根據Hueter-Volkmann效應,脊椎軟骨內的縱向成長,會受到持續且不正常的強大壓力影響,凹側的脊椎會被擠壓生長受到抑制,凸側的脊椎生長因壓力較小而加速生長,這種偏離中心的壓力造成脊椎生長方向產生改變。

5. 前側脊椎過度生長(Relative Anterior Spinal Overgrowth,RASO)

有人利用核磁共振影像,針對女性胸椎側彎患者的側面脊椎影像進行測量,發現脊椎側彎患者前後側胸椎骨頭生長速度不一致,前側胸椎椎體(vertebral body)生長較快、後側胸椎的椎根(vertebral pedicle)及椎管(vertebral canal)生長較慢,與胸椎側彎的嚴重度有明顯關聯。而造成前後側脊椎骨頭生長異常,可能來自於軟骨內-膜內骨化(endochondral-membranous bone formation)不一致所導致。

另外Roth、Porter則提出神經-骨頭生長不一致(uncouple neuro-osseous growth)的理論,脊髓的生長速度正常,而胸椎前側骨頭過度生長,使得脊髓的長度相對較短,因此會對脊髓兩端造成拉力,而啟動胸椎側彎惡化。

雖然在側彎患者身上偵測不到神經功能不足,但可能有潛在的脊髓牽扯(subclinical cord tethering)問題,只有側彎極為嚴重的人才可能出現異常的神經功能。

脊椎側彎原因之一:前側脊椎過度生長

前側胸椎骨頭過度生長、後側的脊髓神經生長正常,使胸椎過度平直或向前凹陷,對脊髓產生拉力,啟動胸椎側彎惡化

6. 椎間盤不對稱承重,使脊椎關節變形

這個理論來自於椎間盤經由一整天的變化,會持續性處於不對稱的承重-非承重狀態使關節變形。

而側彎患者的椎間盤空間呈現楔形,凸側的椎間盤較凹側椎間盤有更多的周期性擴張,結果造成鄰近尚未發育成熟的脊椎終板(end plates)、後側脊椎,包括兩側的小面關節、週期性不對稱的承重,在白天楔形的椎間盤空間會排出水份而變窄、晚上則會吸收水份而膨脹。

這種24小時週期性不對稱承重,造成終板(end plates)、椎體、椎根(vertebral pedicles)、椎弓(vertebral arches)成長不對稱,使凸側的椎根較長、小面關節較大。

7. 荷爾蒙及代謝失能

生長激素(Growth hormone)

生長激素可調節身體的成長,改變生長激素的分泌及功能會影響骨骼生長。一般側彎患者的身高比沒有側彎的人還要高,Willner等人發現側彎患者生長激素的基準荷爾蒙(basal hormone level)較高,而血液中生長激素較高且骨質密度較低,可能和生長激素接受器(growth hormone receptor)的基因序列與一般人不同有關。所以推論生長激素接受器的改變,比生長激素本身,在導致脊椎側彎上扮演著更重要的角色。

雌激素/動情素(estrogen)

在側彎患者身上可觀察到許多異常的雌激素變化,包含血液中雌激素的濃度、細胞對雌激素的反應、初經的年齡、及雌激素接受器上的基因多型性,所以雌激素可能和脊椎側彎的發生率及側彎的嚴重度有密切關連性。

有人在非洲爪蟾的囊胚中給予雌二醇( 17β estradiol, E2),脊椎側彎出現的機率較高,但Kulis等人卻在側彎女孩的血液中,發現雌激素較低。所以雌激素是透過何種機制影響脊椎側彎,目前仍不明確,但推論雌激素會和其他因子,像是褪黑素、調鈣素等交互作用,經由脊椎的生長板,調節骨頭生長,進而影響脊椎側彎。

褪黑素(melatonin)

很多動物實驗身上發現褪黑素不足,可誘導出脊椎側彎,但實際檢測脊椎側彎患者,卻未發現褪黑素不足的現象,因此有人推論干擾分泌褪黑素的生物節律(biorhythm),像是讓松果體(pineal gland)和上視交叉核(suprachiasmatic nuclei)的活動,比單純缺乏褪黑素,更容易發展脊椎側彎。

褪黑素與骨質密度有很大的關係,它對於骨頭的形成有誘導效應(osteo-inductive effect),透過調節成骨細胞(osteoblast)、和蝕骨細胞(osteoclast),刺激骨頭生長及抑制蝕骨細胞的活動,影響骨頭代謝。

而褪黑激素主要在調節蝕骨細胞上扮演重要角色,減少褪黑素將無法抑制蝕骨細胞的活性,反而增加骨頭的再吸收,因而使骨質密度減少。

脊椎側彎原因之一:褪黑素動物實驗-補充褪黑素增加骨質密度

適當的補充褪黑素可明顯增加老鼠的骨質密度,其骨小樑呈板狀,厚度較厚且相互連接 (圖B),對於老鼠的骨頭生長及防止側彎持續惡化有顯著的影響

另外側彎患者的骨質異常,可能來自於褪黑素接受器突變(melatonin receptor mutation),而側彎的發展可能與骨質密度不足有很大的關聯性。經由老鼠的動物實驗証實,缺乏褪黑素的雙足老鼠(bipedal mice)身上,會發展出脊椎側彎,但給予這些老鼠補充褪黑素,改善了骨質密度後,則終止了這些老鼠的側彎惡化。

脊椎側彎原因之一:褪黑素動物實驗-先天缺乏褪黑素

圖A.先天缺乏褪黑素的雙足老鼠 ,發展出32度脊椎側彎 圖B.給予先天缺乏褪黑素的雙足鼠補充褪黑素,並未發展出脊椎側彎

調鈣蛋白(calmodulin)

當孩子處於快速成長階段,脊椎椎體尚未發育成熟,若脊椎已出現了微小的彎度時,此時靠近椎間盤附近的生長板,會因為不對稱的壓力及變形,導致凸側脊椎產生缺損,並活化血小板,增加血小板內的調鈣蛋白(calmodulin),而血小板形狀改變會釋放生長因子,助長了原本就已受到不對稱壓力的椎體成長,這種現象很常發生在每年側彎度數惡化10度以上的人身上。

另外,研究顯示側彎患者血小板內的調鈣蛋白,會不對稱的分佈在脊椎旁的肌肉中,使脊椎兩旁的肌肉放電比例增加,尤其在急速惡化期間更為明顯,這也可能是造成側彎惡化的原因之一。

瘦體素(Leptin)

瘦體素是一種荷爾蒙調節骨頭的生成,側彎患者體內的瘦體素減少與身體質量指數(BMI)及骨質密度較低有關。有人更進一步提到,脊椎側彎的串聯概念(cascade concept),在10歲左右出現脂肪較低(low fat mass)、肌肉質量較低(low lean mass)、瘦體素(leptin)較低、脂聯素(adiponectin)高,與未來罹患側彎有很大的關聯性。

8. 內在生長板不對稱假設

正常人體的中軸及附肢骨都是成對的骨頭結構,像是脊椎骨、胸骨、頭顱、下頷骨,這些骨頭呈現鏡像對稱的結構體,但在側彎患者身上偵測到上肢、側彎最凸點兩側的肋骨、兩側髂骨及下肢長度不對稱。而側彎患者的上肢及骨盆的髂骨長度不對稱,分別與胸椎及胸腰/腰椎側彎的度數有關。

Burwell等人比較11~18歲,慣用手為右手的右胸側彎女性,她們的上肢長度不對稱較正常人明顯,但會隨著年齡增長而恢復,而上肢長度不對稱,與側彎度數及旋轉角度有明顯關聯。所以這種暫時性的左、右上肢長度差異,可能來自於脊椎的變形,或與脊椎側彎的病因有關。

造成右胸側彎的原因可能來自於兩側骨頭生長速度不一致,同時會影響軀幹及手臂的生長速度,只不過這種不對稱的脊椎生長很少會恢復,再加上姿勢、褪黑素信號、生物力學上的異常、或其他因素,都會導致側彎惡化。

9. 骨質密度較低

骨頭生長及骨頭發育異常與側彎的惡化有強烈關聯性,有人針對中國女性不明因型脊椎側彎患者進行研究,發現她們的骨質密度相對較低,研究顯示27%~38%的側彎患者有骨質密度較低的情形,尤其側彎度數較為嚴重的人,更高達47%骨質密度不足。

骨頭的吸收及骨頭的生成不平衡,使骨頭代謝受到干擾,是造成骨質密度偏低的主因,也可能是導致側彎惡化的因素之一。

⇑ 《 回本文大綱》


原因三、外在環境因子

1. 營養、飲食

Worthington及Shambaugh提出營養缺乏可能是造成側彎的原因之一,Chebna-Sokol等人也發現骨骼異常的人(包括脊椎側彎、骨折、駝背、及胸腔變形),維他命D的攝取明顯較低,而維他命D與鈣的代謝有關,他們的體內也有鈣吸收不足的問題,所以有一部份的人會有骨質疏鬆的現象。而鈣攝取不足,也會加重維他命D的不足。

身體質量指數(BMI)與初經有關,BMI指數較低,初經年齡通常較晚、發育較慢,側彎惡化的風險較高,骨質密度也比較低。(請參考”脊椎側彎該怎麼吃~改善脊椎側彎病程的飲食方式“)

2. 運動

根據統計資料顯示,有多種運動的職業運動員,罹患脊椎側彎的機率較高,像舞蹈、溜冰、體操、空手道、游泳、網球、桌球、板棍球、標槍、排球、體操、韻律體操及騎馬等。

其中一部份的運動,有著相似的特點,就是關節特別柔軟、且經常練習高重覆性且不對稱的動作,使前後脊椎不對稱的受力,尤其像芭蕾舞或體操選手,經常讓胸椎進行過度向前凹陷的動作。(請參考:什麼?!跳芭蕾會增加罹患脊椎側彎的風險?)

另外很多女性運動員,從很小的時候就開始接受運動訓練,而且為了有良好的運動表現,會控制體重而節食,大量的運動再加上營養不良,會出現月經延遲。這些因素會讓原本就有側彎傾向的人,更容易發展出脊椎側彎。

3. 居住的地理位置-緯度

居住於不同緯度的國家,會影響女性的初經年齡,根據統計發現初經年齡會隨著緯度降低而下降,在緯度25~30度左右,初經年齡最低,其後又會隨著緯度降低而提高,直到接近赤道。

脊椎側彎原因之一:外在環境因素-緯度

居住在緯度高國家,因日照不足,初經前分泌較多褪黑素,而拉長了成長期,側彎的發生率較高

脊椎側彎的發生率隨著緯度的下降而減少,而初經愈晚側彎的發生機率就愈高,這可能與接受日照的時間有關,影響了褪黑素(melatonin)的分泌,導致初經年齡差異。 居住在緯度較高的國家,因為日照不足,在初經發生前分泌較多的褪黑素,而延緩初經年齡,拉長了成長期,若此時體內已存在可能導致側彎的因素,將很容易產生脊椎側彎,所以初經前期階段,若體內有較多褪黑素極有可能是啟動側彎的原因之一。

4. 母親年齡及社經狀況

有數篇研究提到,產婦年齡較大介於30~39歲,生出側彎孩子的人數較多,母親的年齡較父親的年齡影響更大,由此可見子宮內的環境對於胎兒未來的健康及疾病發展非常重要。

5. 外來毒素

氯(chlorine)及神經毒素

研究提到嬰兒在1歲前開始使用溫水游泳池,未來罹患側彎的機率是一歲前沒有使用過溫水游泳池的人的3倍。因為泳池內有水溶性且易揮發的氯氣,像是三鹵甲烷(THMs)、及氰(cyanogens),進入尚未發育成熟的中樞神經系統中,若嬰兒對這種循環毒素較為敏感,最後延遲了身體細胞產生變化,直到青春期才發展出骨頭、軀幹的變形。

許多不同區域、不同的環境因素,都會影響1歲前的嬰兒,可能啟動了日後的脊椎側彎,以蘇格蘭為例是室內溫水游泳池的環境。不論神經毒素對於未發育完全的大腦有什麼樣的影響,青春期的快速成長,在延緩側彎患者的基因表現上扮演重要角色。

硒(selenium)

孔雀魚在硒含量較高的環境中,會發展出S型側彎,所以Yang等人推論,硒含量高的環境會誘導出神經-骨頭生長不一致的情況,脊椎骨生長較多,而牽扯了內部的脊髓,因而導致了脊椎側彎。

脊椎側彎原因之一:外在環境因素-外來毒素-硒

硒含量高會誘導出神經-骨頭生長不一致的情況,導致魚類出現脊椎側彎

6. 重力

側彎孩子在站姿下拍攝X光片,側彎度數通常較躺姿下嚴重,透過重力的影響,再加上神經-骨頭的不對稱發展等因素,使人體在直立姿勢下,加上原本身體的重量、及重力的影響,同時加諸在彎曲且旋轉的脊椎上,可產生7.5 Nm(牛頓米)的力,這種因重力所產生的力矩,可能使正在惡化的側彎持續伴隨脊椎旋轉,而加重了側彎度數。

 

結論

當孩子的脊椎出現不對稱的成長,就會形成脊椎側彎,尤其是家族中患有脊椎側彎者。目前大家對脊椎側彎的病理形成機制,都是圍繞著這個觀點來進行探討,像是荷爾蒙、重力、神經發展不對稱、直立姿勢、甚至外來毒素等,都可能會影響脊椎側彎的發展。

所以真正造成青少年不明原因型脊椎側彎(adolescent idiopathic scoliosis, AIS)的原因是非常複雜的,目前醫界仍如瞎子摸象般的提出各種不同的論點,每個論點都是加速側彎惡化、或促進側彎形成的因素,未來仍有待解開造成脊椎側彎的謎團,才能在脊椎側彎的保守療法上帶來更大的突破。

 

⇑ 《 回本文大綱》