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    2.5億年前,恐龍肱骨頭缺血性壞死!

     陳獻韜聊骨壞死 2021-12-31
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    骨壞死與許多疾病有關,比如常提到的創傷、糖皮質激素、鐮狀細胞病、酒精中毒、減壓病(或沉箱病)和戈謝病等等......

    要說激素、喝酒,很多人都信(酒友除外),提起減壓病(或沉箱病)會讓很多人犯嘀咕:全世界有多少潛水員?潛水員中又有多大的比例會壞死呢?

    久居中原,咱不清楚這個病在沿海地區到底能有多猛;實話實說,筆者上一次游泳扎猛子還是在小學五年級村里的池塘里。

    話說回來,減壓病導致的骨壞死可不是從人類開始,而是從2.5億年前的海洋生物開始的,目前已知最早的是前腿(肱骨頭)骨壞死的證據。

    沒錯,是2.5億年,如果想一探究竟,就往下巴拉巴拉手指頭。

    2.5億年前的中國,八面臨海


    關于減壓病

    資料顯示,美國有900多萬休閑潛水者,這個數字一直在不斷上升。由于人口的增加,與潛水相關的壓力障礙發病率相應增加。

    根據潛水員警報網(Divers Alert Networ,DAN),美國每年發生1000多起與潛水有關的傷害,但只有不到1%的潛水員罹患減壓病(DCS)。氣壓傷是最常見的潛水相關損傷,中耳氣壓傷是最常見的潛水相關疾病,肺氣壓傷是潛水員死亡的第二大原因(僅次于溺水),股骨頭壞死則是潛水員骨科方面的相關疾病。


    減壓障礙是環境壓力變化導致的任何不利病理變化,壓力變化的速度或持續時間超過了身體安全適應的能力。包括減壓病(decompression sickness,DCS)、氮麻醉、高壓神經綜合征(HPNS)、氣壓傷和動脈氣體栓塞(AGE)。

    減壓病中,由于在壓力下吸收的氮或氦過飽和,在組織中形成氣泡。關節痛(“彎曲”)與氣體,尤其是結締組織有關。嚴重的減壓病是微氣泡進入血管系統引起的。大量的氣泡被困在肺里會引起急性呼吸系統綜合癥,被稱為“窒息”。如果微氣泡進入全身動脈,可能打開血腦屏障,影響大腦和脊髓功能。
    雖然壓力失調最常見的原因是潛水,但暴露于任何具有極端壓力變化的環境后,都可能發生壓力失調損傷,比如高空、機艙減壓、爆炸或爆炸、外層空間、沉箱和隧道鉆孔作業。

    https://www.ncbi.nlm./books/NBK537266/#article-20783.s3

    減壓綜合征發生在人類和其他脊椎動物中,在進行深度、長時間或密切重復的水下潛水后,隨后進行不適當的分階段減壓或深度快速變化導致體內壓力劇烈變化所致(Pauley, 1965; Andersen, 1966; Strauss, 1970; Kooyman et al., 1973; Strauss and Samp-son, 1986)。

    由于環境壓力升高(10m處為1個大氣壓;20m處為2個大氣壓,等等),血液和組織中的氮氣過飽和會導致減壓后形成氮氣氣泡(Feldman et al., 1981; Michel et al., 1982; Ratchliffe, 1985; Resnick and Niwayama, 1988; Strauss and Sampson, 1986)。通常,這種阻塞是體內氮或氦氣泡栓子形成的結果,盡管導致組織灌注減少的血液濃縮和紅細胞凝集也可能是重要的致病因素(Strauss,1970)。

    一名業余潛水員的腦氣體栓塞

    (Journal of the Royal College of Physicians of London,1993)

    犬減壓病脊髓病變(潛水5小時后白質靜脈出血)

    (Journal of the Royal College of Physicians of London,1993)
    如果兩次潛水之間的間隔僅限于 2-4 分鐘,則減壓綜合癥發生在持續2分鐘的重復(例如,40-50 次) 潛水深度超過30米的人類中。如果個人潛水間隔為 10 分鐘,則不會發生這種情況(Pauley,1965;Andersen,1966;Strauss,1970;Kooyman,1973)。


    美國水下科學院 (AAUS) 報告,全美近 10 年共 1,019,159 次科學潛水,發生 33 例減壓病 (DCI),發生率為 0.324/10,000,遠低于休閑、教學/指導、商業和/或軍事潛水DCI的 0.9-35.3/10,000發病率 。

    上圖見DAN網站發布的《2019年度潛水報告》P43,在本號主頁回復“潛水“,可獲取113頁的原文


    海洋生物減壓病

    《脊椎動物古生物學》關于Bruce教授對20家博物館共1055余具化石標本的研究成果:部骨壞死距今已有2.5億年的歷史,主要出現在中生代潛水海洋爬行動物中,這些動物中有16%的肱骨頭出現缺血性骨壞死,特征是減壓引起的缺血性壞死。

    提供標本的博物館有:



    AMNH,美國自然歷史博物館,紐約;

    CM,卡內基自然歷史博物館,賓夕法尼亞州匹茲堡;

    CMC,辛辛那提博物館中心,俄亥俄州辛辛那提;

    FMNH,菲爾德自然歷史博物館,伊利諾伊州芝加哥;

    FHSM, 海斯堡州立大學斯滕伯格博物館,堪薩斯州海斯堡; 

    BMNH,英國倫敦自然歷史博物館;

    LACM,洛杉磯縣自然歷史博物館,加利福尼亞州洛杉磯;

    UCMP,加州大學古生物學博物館,加州伯克利;

    NMC,加拿大國家博物館,加拿大安大略省渥太華;

    NMNH,國家自然歷史博物館(史密森尼),華盛頓特區;

    OCM,俄克拉荷馬自然歷史博物館,俄克拉荷馬州諾曼市;

    PIMUZ,蘇黎世大學古生物學研究所和博物館,瑞士蘇黎世;

    ROM,皇家安大略博物館,加拿大多倫多;

    RTM, 德魯姆赫勒皇家泰瑞爾博物館,加拿大亞伯達省;

    SDSM,南達科他州礦業學院,南達科他州拉皮德城;

    TM,泰特地質博物館,懷俄明州卡斯珀;

    TTU,德克薩斯理工大學博物館,德克薩斯州拉伯克;

    KU,堪薩斯大學自然歷史博物館,堪薩斯州勞倫斯;

    UW,懷俄明大學地質博物館,懷俄明州拉勒米;

    YPM,耶魯大學皮博迪自然歷史博物館,康涅狄格州。

    對576 根肱骨和 479 根股骨的宏觀檢查顯示,分別有32 根肱骨和 10 根股骨存在關節面下沉(圖 1),肱骨(5.6%)的患病率明顯高于股骨(2.1%)。這些病變很容易與骨軟骨病區分開來,后者是邊界清晰的局灶性關節面缺損,邊緣不明顯(Resnick and Niwayama,1988;Rothschild and Martin,1993)。


    黑龍T3935肱骨缺血性壞死(A),在近端關節面觀察到塌陷區域(箭頭)。彈力索龍FMNH P12752缺血性壞死(B),近端關節面缺損(箭頭)。如人類所見,不規則、不清晰的殘余缺損基底是典型的缺血性壞死。
    某些已滅絕的海洋脊椎動物假定潛水習性已通過特定的古病理學識別,確認為缺血性壞死(Rothschild and Martin, 1987, 1993; Moltani et al., 1999)。白堊紀摩沙龍(爬行動物綱、鱗亞綱、摩沙蜥亞綱)發生缺血性壞死證明了它們易患沉箱病或減壓綜合征(Rothschild and Martin,1987)。關于史前行為的這一“窗口”意味著深部或重復的潛水習性,或是莫薩龍的潛水深度快速變化,也許第三紀和白堊紀的海龜有同樣的病理學(羅斯柴爾德,1987,1991)。目前尚不清楚對缺血性壞死的易感性是否擴展到其他爬行動物化石(Rothschild,1990)。

    特定類型的椎骨和股骨、肱骨的近端關節下部分特別容易壞死(Rothschild and Martin, 1987; Resnick et al., 1981)。由此產生的機械完整性喪失使得前肢中的壞死骨容易受到正常壓縮應力(例如游泳期間劇烈或長時間肌 肉活動產生的應力)的影響,這些應力分別位于肩關節和髖關節的關節盂和髖臼(Resnick and Niwayama, 1988; Resnick et al., 1981; Rothschild and Martin, 1987, 1993)。受損的骨骼部分塌陷,產生可見的下沉區。

    蛇頸龍是已滅絕的海洋掠食性爬行動物,生活于三疊紀到白堊紀。它們是蜥翅目動物,特征是具有兩對指骨過長的肢體,表明近軸水下推進,并有或多或少拉長的頸部和短而堅硬的胸部(Storrs,1993)。蛇頸龍的椎骨具有豐富的血液供應,一根血管的閉塞不會影響骨骼營養。因此,椎骨不是蛇頸龍類缺血性壞死的易患部位。但與滄龍、海龜有肱骨和股骨的壞死易感性。前足頭部下沉表明蛇頸龍出現缺血性壞死,因此也表明減壓綜合征。

    蛇頸龍化石

    滄龍海龜的調查也揭示了類似的肱骨和股骨近端損傷。由于近軸運動產生壓縮力的傳遞,這個機械受損的區域在幸存的軟骨下骨骨折后坍塌,出現部分關節面塌陷(下沉)。



    滄龍化石

    海龜早在兩億多年前就出現在地球上了,是有名的“活化石”,他們會潛到合適深度,可以完全忍受缺氧,甚至可以通過血管分流,使血液從肺部重新分配。它們的脊椎結構對單一血管的營養依賴最小,在海龜中不存在椎骨缺血性壞死。


    在現存的椎骨生物中,減壓綜合征已被記錄在某些海龜、蛇、鳥類和鰭足類動物身上(Berkson, 1967; Kooyman et al., 1973; Seymour, 1982),也有人注意到保護機制<包括行為、形態和/或生理的適應性變化>可以防止壓縮氮進入它們的體循環(Berkson, 1967; Kooyman and Sinnett, 1982; Seymour, 1982; Leith, 1989)。

    大多數脊椎動物群體由于潛水時間短而避免了減壓綜合征 (Kooyman 等,1973),現代鯨類是最明顯的例外。深潛鯨魚可能通過廣泛的血管網絡儲存額外的氧氣(Young, 1981),并將含氮氣體壓縮到肺的非交換區域 (Seymour, 1982) 來避免減壓綜合征。

    座頭鯨媽媽支撐著小鯨魚浮出水面

    Vanessa Mignon攝)

    小  結 



    1. 從古至今,血供分布及其變化是骨壞死發生的先天因素;

    2. 無論是海洋動物還是人類,體內壓力的急劇變化均可導致減壓病、骨壞死;

    3. 生物力學的變化是造成壞死部位塌陷的直接因素;

    4. 從海洋動物到陸上人類,前腿(肩部)與后腿(髖部)解剖相似,受力大的部位更容易壞死;

    5. 大自然神奇地賦予了各種生物獨特的解剖結構和生存本領,人類作為其中一員,只是在逐漸認識世界;

    6. 近期,我們將推出“從恐龍到人類”之肩關節壞死的來龍去脈,敬請期待。



    【參考文獻】
    [1] Solomon S E ,  Purton M . The respiratory epithelium of the lung in the green turtle (Chelonia mydas L.)[J]. Journal of Anatomy, 1984, 139 ( Pt 2)(2):353-370.
    [2] Rothschild B M ,  Storrs G W . Decompression syndrome in plesiosaurs (Sauropterygia: Reptilia)[J]. Journal of Vertebrate Paleontology, 2003, 23(2):324-328.
    [3] James P B . Dysbarism: the medical problems from high and low atmospheric pressure.[J]. Journal of the Royal College of Physicians of London, 1993, 27(4):367.
    [4] 美國年度潛水報告(2019),百度網盤下載地址:https://pan.baidu.com/s/1DOFhcGfOh5tWjUEWjOgWdg?pwd=46bd 提取碼: 46bd




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