说说我们的“贱”骨头——骨密度和骨强度 孙悦礼，骨科医师／生物工程／纽约州立大学石溪分校（Stony Brook University, SUNY） 一碗冒着热腾腾香喷喷的骨头汤大概是最早让我对骨头有了“亲眼目睹”的认识了，香浓的汤、表面的“脆骨”嚼在嘴里的喀吱喀吱声、骨头中间“空管子”里吸出来又香又嫩的骨髓、还有骨头切面上像马蜂窝一样纹路， 这些都是学医前骨骼留在我大脑最深处的记忆碎片。 如今，电视上充斥着的骨质疏松的介绍、补钙药物更是占领了保健品市场的大半个货架， 对于骨质疏松我们被灌输了太多科普知识，于是我们都知道只要晒太阳和吃钙片，骨质疏松就会治好了。那些年，卖钙片的卖骨密度测量仪的，一下子都发了。还记得《当幸福来敲门》里爸爸一直提着的那台“time machine”吗？那不就是台骨密度测试仪嘛，要知道电影上线的 2000 年初，可是钙片治疗的黄金时期啊。 然而，学了医之后再回过头来看当时的那些科普论调，才发现那些惯用逻辑背后的悖论。在骨密度检查方法诞生之前，骨质疏松是用骨折风险来定义的。而骨密度检查作为一个预测指标，可以让人们在骨折前发现自己的骨质是否可能“疏松”。于是诊断标准慢慢转变成了骨密度的数值。而补钙因为与骨密度上升存在线性关系，所以自然而然上位成了治疗骨质疏松的主力药物。 然而真的是这样吗？ 自补钙盛行的那些年之后骨质疏松的发病率、患病率仍然逐年增长，而且骨折发生率仍然保持在同样的水平，同时钙片的潜在副作用，也渐渐被拽入视线。 那问题来了，偷工减料的“豆腐渣”工程是不是单靠增加足够的水泥等材料供给就能保证建筑的牢固呢？ 其实未必。 那骨质疏松的“豆腐渣”工程是怎么回事呢？ 骨骼其实是一个完整的“建筑工地”。 我们日常的生活习惯，运动锻炼频度强度、营养摄入、内分泌平衡，这些都可以影响工地盖房子的建筑目标，影响整个“骨骼大厦”的外观和强度。 其中，力学刺激是影响骨骼形态的最重要的因素。 举一些生活中的建筑案例： 1. 常用右手运动的运动员（Roger Ferderer），除了右手臂比左手臂更粗更强壮，X 线下的骨骼也是如此。 如果说“左手骨骼施工队”对于“尺桡骨”的承重要求是二级的话，那“右手骨骼施工队”得到的指令就是承重一级，以防范日常生活中更频繁的运动受伤风险。 2. 上周参与一年空间任务的宇航员 Scout Kelly 终于回到地球后，尽管做了很多有侧重的锻炼，但他的骨量流失仍然存在。而常常骑公路车锻炼的我，下肢运动的股骨强度却比正常人更大一些。（注 1：宇航员 6 个月的失重环境生活会让他们的肌肉和骨骼强度损失很多[1]，其中的近端股骨丢失 15% 左右的骨量[1]） 一项研究让宇航员在空间站不做任何锻炼，观察他们的肌肉和骨骼，结果发现除了手臂肌肉强度增大以外，其他部分均发生了非常大的流失。骨盆的骨骼（-1.26% / 月）及腿部的肌肉（-3.03% / 月）分别排名第一。为什么呢？我们一起来看看宇航员在空间站中的移动方式。 图片来自于《火星救援》，在失重环境中，新的行动方式让宇航员的身体“进化”出了更优化的结构，让他们能更适应当下的环境。 而自行车运动员，除了需要一颗强壮的心脏来保持长期高速踏频以外，他们腿部肌肉和骨骼同样惊人，不是无氧举重运动员的那种厚实粗壮，而是橡皮筋的那种强韧，因为长期获得肌肉泵来的营养，下肢的骨骼也变得异常强韧。 以上两个例子都说明“用进废退”这个原则同样适用于骨骼的强度理论，也就是有名的沃尔夫定律（Wolff's Law）：健康的人或动物的骨骼会适应所在部位所需承受的负载。若特定骨骼的负载增加了，骨骼会慢慢变得强壮，来承受负载；反之亦然，若骨骼负载减少，骨骼也会变细，因为该骨骼的新陈代谢不需要那么大的体积和材料。（Walff's Law 重要的文献来源[3]，"The law of adaptative bone remodeling: a case for crying newton?"，这大概也是“牛顿哭晕在厕所”的出处吧？LOL） 此外，我们任何部位的骨骼和肌肉都在灵活性和稳定性之间做着权衡。 就以脊柱为例，一节节的脊柱依靠肌肉、椎间盘和韧带组合在了一起，一同给我们躯体带来稳定的同时也不失灵活。这样的协同配合就好像一艘帆船一样，缆绳和桅杆，只有两者都完全发挥各自的职责，帆才会鼓起来，才能“一帆风顺”。 但是， 这样的机理有事也会“好心办坏事”。 家里的老人随着年龄增长，肌肉渐渐的萎缩，运动量下降使肌肉力量不断减弱，加之卧床休息时间增多，使得“缆绳”（腰背部肌肉）越来越难以维持“桅杆”（脊柱）在活动中的平衡，为了保证正常的生活和行动，“桅杆”（脊柱）就不得不不断的改变形态，来加固肌肉无法承受的躯体重量，长出的骨赘（“骨刺”）也是为了给“桅杆”带来强化加固。 反之，坚持做攀岩和游泳等针对腰背肌运动的人，他们的“缆绳”弹性非常好，除了背部线条非常好之外，“桅杆”的形态均保持得很完美。 以上这些例子都说明骨骼的“建筑工地”非常“聪明”，建筑队可以根据承受外力的情况来加固“建筑强度”，也可以根据能耗来“节能减排” 那骨骼的结构是怎样的呢？ 啃过骨头的都知道，骨头外部是一层致密光滑的结构；而切开后的骨头可以看到切面呈蜂窝状的结构，这就是骨骼最主要的两部分： 骨皮质（密质骨）、骨松质（骨小梁）。 骨骼内部的骨松质就像海绵一样，由柱状或盘状结构的“骨小梁”支撑着这一结构。“骨小梁”，顾名思义就是起承重作用的“房梁”，骨松质的网络结构可以把骨骼表面的力平均分散在骨小梁中，不断传递不断缓冲。所以骨小梁的数量、粗细、连接度、方向都是评价骨骼“质量”的重要指标。 皮质骨与松质骨，microCT 的三维重建，可以让我们更好的评价骨骼的力学属性，但是由于设备限制以及分辨率要求较高，目前多用于实验研究（图片来源[4]）。 在可以看到骨骼内部微结构的 CT 影像中，我们可以看到骨质疏松病人与正常人相比，他们的骨小梁更细、互相连接都不好、断裂骨小梁非常多。通俗讲，就像碎饼干屑和排列整齐的饼干的差别，如下图。 左图为正常的骨小梁，右图为骨质疏松的骨小梁。两者骨密度可能差不多，但力学属性相差很大。 对骨质疏松进行评价，如果只关注骨密度和骨矿物质含量（材料属性）这些指标，“缺什么补什么”的线性思维会让补钙变得理所当然。而事实上盖的房子不牢固除了“豆腐渣”工程的偷工减料，还要考虑一下房屋的土木结构在承重上是否合理。 骨小梁的应力分布（颜色越深，受力越大） 所以评价骨骼的“质量”（力学属性）对于骨质疏松的诊断同样重要。 那么微观结构是如何反映出骨骼的质量呢？ 我们下一节接着说。 参考文献： 1.A. LeBlanc, V. Schneider, L. Shackelford, S. West, etc. "Bone mineral and lean tissue loss after long duration space flight" J Musculoskelet Neuronal interact 1(2), 157-160 (2000). 2.T.F. Lang, "What do we know about fracture risk in long-duration spaceflight?", J Musculoskelet Neuronal interact 6(4), 319-321 (2006). 3.R. Huiskes, "The law of adaptative bone remodeling: a case for crying newton?" in Recent advances in human biology-Bone structure and remodeling, A. Odgaard and H. Weinans, eds. (World Scienctific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong 1995),pp. 137-145 4.Andrew J. Burghardt BS. High-resolution Computed Tomography for Clinical Imaging of Bone Microarchitecture. Clin Orthop Relat Res (2011) 469:2179–2193 5.P. Augat and S. Schorlemmer, "The role of cortical bone and its microstructure in bone strength," Age Aging 35， ii27-ii31 (2006). 发自知乎专栏「桑尼博士骨骼科普手记」
