척추사이 원반 (디스크) 이란 무엇인가?

안녕하세요. 

이번 글 부터는 척추사이 원반 (디스크) 의 구조와 기능, 이로 인해 발생될 수 있는 몸통 (목, 허리)의 문제 등에 관해 다루고자 합니다. 넓은 범위의 내용들이라서 한번에 다 소개하기는 불가능할 것 같고, 차례차례 가능한 한 쉽게 전달해보도록 하겠습니다. 

 

1. 척추사이 원반의 구조

척추사이원반은 중심의 속질핵 (nucleus pulposus) 와 이를 둘러싸고 있는 섬유륜 (annulus fibrosus) 으로 구성되어 있습니다. 속질핵은 덩어리 모양의 연한 겔 형태입니다. 젊고 건강한 사람의 경우, 이 속질핵의 70~90%는 물로 구성되어 있습니다. 물을 함유한 속질핵은 척추뼈들 사이를 가로지르는 압력 부하를 분산시킬 수 있는 충격 흡수 장치로서 기능을 수행합니다.  

 

다소 딱딱한 내용이지만, 생화학적 구조를 살펴보면 속질핵의 핵심 구성 성분은 프로테오글리칸 (proteoglycan) 입니다. 이 각각의 프로테오글리칸은 중심 단백질 (core protein)에 연결된 많은 물-글리코스아미노글리칸 (glycosaminoglycan, GAG)의 집합체입니다. 이렇게 물을 함유한 프로테오글리칸 혼합물에는 2형 아교섬유 (type 2 collagen fiber), 탄력섬유 (elastic fiber), 기타 단백질들이 분포합니다. 산재해있는 매우 작은 수의 연골세포 (chondrocyte) 와 섬유모세포 (fibroblast)가 단백질 및 프로테오글리칸의 합성과 조절을 담당합니다. 

 

프로테오글리칸 단위체를 분자식으로 간단히 나타낸 것입니다. 

 

척추사이원반의 섬유륜은 동심성 아교섬유가 층을 이루고 있는 구조로 풍부한 탄력소 (elastin) 가 분포되어 있어 탄력성이 뛰어나며, 중심에 있는 속질핵을 감싸서 물리적으로 지지합니다. 속질핵과 유사한 물질들로 구성되어 있지만, 그 비율에 있어서 조금 차이가 납니다. 또한 섬유륜의 바깥층들은 척추사이원반에서 유일하게 감각신경이 분포하는 곳이기도 합니다. 

 

허리 부분에서, 아교섬유의 층들은 수직방향에 대해 약 65도 방향을 향하고 있으며, 인접 층과는 서로 반대방향으로 교차됩니다. 아교섬유들이 전부 수직이나 수평방향으로 배열되어 있다면 척추를 변형시킬 수 있는 일부 움직임에만 저항할 수 있고 나머지 움직임에는 저항하지 못할 것입니다. 아교섬유의 층들이 수직 방향에 대해 65도 (수평면에 대해 25도) 방향을 향하기 때문에, 원반에 적용된 비틀림 힘의 약 99% (cos 25)는 섬유륜의 섬유들을 신장시킬 것입니다. 또한 섬유륜이 교대로 층을 이루고 있기 때문에, 미끄러짐(전단)이나 뒤틀림의 방향으로 배열된 아교섬유들만 팽팽해지고, 다른 방향으로 배열된 섬유들은 느슨해집니다. 반복적이고 강한 몸통의 축돌림 (몸을 비트는것)이 왜 척추에 좋지 않은지를 부분적으로 설명해주는 부분이기도 합니다. 

 

한편, 섬유륜이 속질핵을 완전히 둘러싸고 있는 것은 아닙니다. 원반의 뒤-가쪽 1/4 가량은 불완전하여 인접 층들과 융합됩니다. 또한 앞쪽 테두리는 두껍고 가쪽 테두리는 점차 가늘어집니다. 디스크 탈출증이 발생할 때 많은 경우에서 원반이 뒤-가쪽으로 탈출하는 이유를 부분적으로 설명해주는 부분입니다. 

 

정상적으로 척추사이원반에 작용하는 압박력은 물을 함유한 속질핵의 정수압을 증가시킵니다. 이로 인해 부하를 흡수하고 분배할수 있게 되는데, 탈수되고 얇아진 원반은 척추 후관절 (facet joint, apophyseal joint, zygapophyseal joint, Z joint)에 가해지는 압박력을 증가시키게 되어 여러가지 영향을 미치게 됩니다.

(이에 대해서는 다음에 다시 자세히 다루겠습니다.)

 

2. 척추 종판 (끝판, vertebral enplate)

척추 몸통의 윗면과 아래면을 덮고 있는 비교적 얇은 연골성 결합조직입니다. 아동기 동안 척추뼈의 성장판으로서의 기능을 하기도 하며, 척추사이 원반과 마주하고 있는 부분은 섬유륜 내의 아교질과 직접적으로 강력하게 연결되어 있습니다. 

 

섬유륜의 바깥쪽 주변에만 혈관들이 분포하고 있어서, 척추사이 원반은 본질적으로 영양공급 및 치유능력이 제한적입니다. 포도당이나 산소와 같은 영양물질들은 대부분 척추 종판을 가로질러 원반의 세포밖 바탕질 (extracellular matrix)을 통해 확산되어 깊은 곳에 있는 세포까지 도달합니다. 노화된 원반은 감소된 투과성 (permeability)과 증가된 척추 종판의 석회화 소견을 보이는데, 결국 산소를 비롯한 영양물질들의 확산 흐름을 감소시켜 세포의 물질대사와 핵심 구성 성분인 프로테오글리칸의 합성이 감소할 수 있습니다. 프로테오글리칸의 함량이 감소하면 물을 끌어당겨 보존시키는 속질핵의 능력이 감소하고 결국 부하를 효율적으로 흡수하고 분배하는 능력이 제한됩니다. 

 

 

A. 척추몸통에서 연골하 척추종판 (subchondral plate) 을 관통하는 모세혈관들이 뻗어나오게 됩니다. 이 모세혈관들로부터 산소와 포도당 등의 영양물질 (노란색 원으로 표시) 이 확산되어 척추사이 원반 (nucleus pulposus) 으로 공급됩니다.                                                     

B. 연골성 척추종판 (cartilaginous endplate) 의 석회화 (보라색으로 표시) 가 발생할 경우 모세 혈관들로부터 척추사이 원반으로의 영양물질의 확산을 차단하게 됩니다. (노란색 원이 적게 도달함을 확인할 수 있습니다.) 이러한 원반의 퇴행과 더불어 척추 몸통을 지나가는 혈관에 죽상경화증 (혈관 내 짙은 노란색으로 표시)이 발생할 경우 문제가 가중될 수 있습니다.  

 

3. 압박 부하를 분배하는 척추사이 원반

똑바로 서 있는 자세를 예로 들어보면, 2개의 인접한 허리뼈에 의해 지지되고 있는 부하의 약 80%는 척추뼈 몸통을 통해 전달되고, 나머지 약 20%는 척추 후관절 및 고리판 (후궁뼈, lamina)같은 뒤쪽 성분들에 의해 전달됩니다. 

 

압박부하는 척추 종판을 속질핵 쪽으로 밀게 되는데, 대부분 물로 채워져 있는 건강한 속질핵은 섬유륜에 대해 부채꼴 모양으로 바깥쪽을 향해 느리게 변형됩니다. 이러한 변형은 섬유륜의 아교질 고리 및 탄력소 내에서 발생한 장력에 의해 저항을 받게 됩니다. 따라서 전체적인 원반 내의 압력이 균일하게 상승하면서 인접 척추뼈에 전달됩니다. 이러한 힘의 전달 기전을 통해 압박력이 다양한 구조들에 의해 분배됨으로써 특정 부분에 힘이 집중되는 현상을 피할 수 있습니다.

 

참고로 척추사이 원반은 점탄성을 가지고 있기 때문에 느리거나 가벼운 압박 보다는 빠르거나 강한 압박에 좀더 저항합니다. 따라서 낮은 부하에서는 유연하고, 높은 부하에서는 비교적 단단해지는 특성을 보입니다. 

 

4. 척추사이 원반의 압력 변화 및 퇴행

아래 그림은 허리부분 (요추) 속질핵으로부터의 생체내 압력을 측정한 도표입니다. 도표에서 보듯이 척추사이 원반의 압력은 앞쪽으로 굽히는 자세를 할 때 특히 증가합니다. 파란색 점선으로 표시한 부분은 앉은 자세에서 작업을 할 때 흔히 거북목이라고 하는 앞쪽으로 기울어진 자세를 할 경우 목 뿐만 아니라 허리에도 부담이 더욱 증가하는 것을 볼 수 있습니다. (이에 대해서는 다음에 다시 자세히 다루겠습니다.)

 

도표의 왼쪽 끝 그림과 같이 누워 있는 자세의 경우 척추에 부하가 작용하지 않기 때문에 속질핵 내의 압력은 비교적 낮습니다. 속질핵의 물을 끌어당기는 친수성과 복합적으로 작용하여 결과적으로 척추사이 원반은 자고 있을 때 약간 팽창합니다. 

 

기상하여 똑바로 선 자세를 취하면, 체중에 의한 부하가 작용하기 때문에 압박을 받아 척추사이 원반의 밖으로 물을 밀어내게 됩니다. 이러한 원반의 자연스러운 팽창과 수축에 따라 사람의 키는 하루 중 약 1%의 변화를 보이게 됩니다. 아침에 측정한 키가 저녁때보다 조금 더 크다는 얘기 들어보신 분 있으시죠? 바로 여기서 기인하는 내용입니다.

 

한편, 이러한 하루 중의 변화는 나이가 들수록 변화량이 감소하는 역관계에 놓입니다. 원반의 물 보유 능력은 나이가 증가함에 따라 감소하기 때문인데, 이러한 상대적인 탈수는 나이와 관계된 원반내의 프로테오글리칸 함량의 감소와 연관이 있습니다. 

 

퇴행되어 비교적 탈수된 속질핵은 압박될 때 적은 정수압을 가지며, 압박 부하를 균일하게 완충해주는 능력이 감소합니다. 그러면 작은 부위에 높은 부하가 가해지거나, 정상의 경우 약 20% 정도의 부하만 감당하는 뒤쪽 성분들에 과도한 부하가 전달되면서 퇴행이 가속화 되는 악순환에 빠지게 되는 것이죠. 

 

35~40세 정도가 되면 대부분의 사람들이 정도의 차이가 있을 뿐 어느정도 척추사이 원반의 퇴행이 발생할 수 있습니다. 평가를 위해 MRI를 가장 흔히 촬영하게 됩니다. 이 때 굉장히 주목할만한 사실은, MRI 검사에서 척추사이 원반의 퇴행 소견을 보이는 사람들 중 상당수는 증상이 없고 이에 따른 기능적 상실이 없다는 것입니다. 즉, 퇴행성 변화가 있다고 해서 모두 치료해야 하는 것은 아니며, 증상과 연관이 있어야 합니다.

 

원반 탈출증 (디스크 탈출증)에 대해서는 앞으로 좀더 자세히 다루겠습니다.