筋萎縮，筋性拘縮，筋痛に対するベルト電極式骨格筋電気刺激法の効果－低強度の筋収縮運動の影響－

石木 雄大・孝橋 怜奈
本研究の目的は，ベルト電極式骨格筋電気刺激法（B-SES）による低強度の筋収縮運動が不動によって惹起されるラット腓腹筋の筋萎縮，筋性拘縮，筋痛に対して効果があるのかを検討することである．7 週齢の Wistar 系雄性ラット 26 匹を無処置の対照群，両側足関節を最大底屈位で 2 週間不動化する不動群，不動の過程で 1 日 15 分間，低強度の B-SES 介入を行う B-SES①群，同様に 1日 30 分間，低強度の B-SES 介入を行う B-SES②群に振り分けた．なお，B-SES の刺激強度は足関節最大底屈筋力の 20～30%を発揮する 2.5mA とした．結果，低強度の B-SES 介入では筋萎縮，筋性拘縮，筋痛の発生を予防することは困難であったが，筋痛に限ってはその進行を抑制する効果が認められた．つまり，不動によって惹起される筋痛をできる限り軽度に抑えておくことで，その後の運動療法が積極的に実践できると思われ，低強度の B-SES 介入は意義あるものと考える．

はじめに骨格筋が不動に曝されるとアポトーシスに由来した筋核の減少が生じ，この筋核に制御されていた細胞質領域の処理のためにマクロファージが集積し，結果，細胞質領域が縮小し，筋萎縮が生じるといわれている 1)．また，集積したマクロファージからは炎症性サイトカインである
interleukin-1β（以下，IL-1β）が発現し，これを契機に線維芽細胞が活性化すると transforming
growth factor-β1（以下，TGF-β1）の発現も相まってコラーゲンの増生，すなわち線維化が発生し，筋性拘縮に発展するといわれている 2,3)．加えて，不動に曝された骨格筋では，痛みの内因性メデ
ィ エ ー タ で あ る 神 経 成 長 因 子 （ nerve growthfactor，以下，NGF）が発現するとされており 4,5)，
その産生細胞の一つがマクロファージである．つまり，筋萎縮，筋性拘縮，筋痛といった不動に伴う骨格筋の可塑的変化の発生メカニズムに関わる重要事象は筋核のアポトーシスを発端としたマクロファージの集積と考えられている 6)．
したがって，筋核のアポトーシスを発端としたマクロファージの集積を抑止できれば，筋萎縮，筋性拘縮，筋痛といった骨格筋の可塑的変化を同時かつ効率的に予防できるのではないかと考えられ，積極的な筋収縮運動の負荷が重要と思われる．そして，その介入戦略の一つとして，骨格筋電気刺激療法（electrical muscle stimulation，
以下，EMS）があり，特に最近開発されたベルト電極式骨格筋電気刺激法（belt electrode skeletal
muscle electrical stimulation，以下，B-SES）は下肢全体の骨格筋を同時に刺激できることから効果的ではないかと思われる 7)．
所属研究室の先行研究 8)では，不動によって惹起される筋萎縮，筋性拘縮，筋痛に対する BSES の効果が検討されている．具体的には，8 週
齢の Wistar 系雄性ラット 32 匹を無処置の対照群と両側足関節を最大底屈位の状態で 2 週間不動化する不動群，不動の過程で 1:3 の刺激サイ
クルで 1 日 20 分間，B-SES を実施する LF 群，同様に 1:1 の刺激サイクルで 1 日 15 分間，BSES を実施する HF 群に振り分け，実験が行われている．なお，LF 群，HF 群ともに刺激周波数は下腿骨格筋に強縮を誘発する目的で 50Hz とし，－6－刺激強度は筋力増強効果が期待される足関節底屈の最大筋力（maximal voluntary contraction，以下，MVC）の 60%（以下，60%MVC）が発揮される 4.7mA に設定されている．つまり，LF 群とHF 群では 1 回あたりの介入の際の筋収縮頻度に違いがあり，具体的には LF 群は 1 回あたり 150回，HF 群は 225 回の筋収縮頻度となる．そして，結果をみると，筋萎縮と筋性拘縮の進行抑制効
果は HF 群のみに認められ，筋痛の進行抑制効
果は LF 群，HF 群ともに認められている．つまり，不動によって惹起される筋萎縮，筋性拘縮，筋痛に対して B-SES を用いた介入は効果的であり，特に筋収縮頻度が高くなる刺激条件が有効であることが示唆されている．
一方，上記の先行研究 8)における刺激強度は筋力増強効果が期待される 60%MVC を目安に設定されており，負荷量としては高強度な条件といえる．しかし，実際の臨床現場において不動が強いられるのは，ギプス固定などが必要な骨折後や安静臥床が必要な重篤疾患の急性期であり，このような場合，不動後早期から高強度の筋収縮運動を実践することは困難である．そのため，低強度の刺激強度による B-SES の効果を明らかにしなければ，臨床応用は難しいと思われる．
そこで，本研究では不動によって惹起される筋萎縮，筋性拘縮，筋痛に対する低強度の BSES 介入の効果を検証することを目的とする．

物には 8 週齢の Wistar 系雄性ラット 3 匹を用いた．各ラットは 3 種混合麻酔薬の腹腔内投与によって麻酔し，両側の大腿近位部と下腿遠位部にB-SES 電極を巻いた．B-SES の刺激条件は，刺激周波数を 50Hz，刺激サイクルを 2 秒通電，2秒休止の 1：1 サイクルとし，電気刺激装置の出力強度（最大 100%）を 5%ずつ漸増させながら通電し，その際の両側足関節の底屈筋力をプッシュプルゲージ（アイコーエンジニアリング社製）を用いて測定した．なお，各肢に対するそれぞれの出力強度での筋収縮回数は 3 回とし，その際の最大底屈筋力をデータとして採用した．
結果，100%MVC の足関節底屈筋力は 4.88Nであり，これに基づき 30%MVC を算出すると1.46N，20%MVC を算出すると 0.98N となる（図1）．そして，電気刺激装置の出力強度を 20％（通電電力；2.5mA）とした場合，1.18N の底屈筋力が発揮され，これは約 24.2%MVC にあたり，今回予定している 20～30%MVC の範囲内にある．なお，出力強度を 20％未満にすると十分な筋収縮は得られず，底屈筋力の測定も困難であり，出力強度を 25％（通電電力；3.6mA）とした場
合，2.29N の 底屈筋力が 発揮さ れ，こ れは約46.9%MVC となり，20～30%MVC の範囲外となる．よって，今回の実験における刺激強度は電気刺激装置の出力強度で 20％，通電電力としては 2.5mA に決定した．

予備実験
今回の研究では，重篤疾患の急性期でも適用できるような低強度の筋収縮運動を想定しており，具体的には 20～30%MVC が発揮される刺激強度を考えている．しかし，所属研究室の先行研究
8)
では 20～30%MVC が発揮される刺激強度は明らかになっておらず，あわせてこの条件で刺激した場合，どの程度の実施時間で筋疲労による筋出力低下が見られるのか明らかになっていな
い．そこで，これらの点を検討するため以下の 2つの予備実験を行った．
1．予備実験①
まず，20～30%MVC が発揮される刺激強度を明らかにするための予備実験を行った．実験動図 1 刺激強度の漸増に伴う足関節底屈筋力の推移
2．予備実験②
予備実験①の結果を踏まえ，2.5mA の刺激強度で通電した場合，どの程度の実施時間で筋疲労による筋出力低下がみられるのかを確かめる－7－

ための予備実験を行った．
実験動物は予備実験①と同様で，麻酔したラットの大腿近位部と下腿遠位部に B-SES 電極を巻いた．B-SES の刺激条件は，刺激周波数を50Hz，刺激強度を 2.5mA，刺激サイクルを 2 秒通電，2 秒休止の 1：1 サイクルとし，持続通電を行い，1 分毎に両側足関節の底屈筋力をプッシュプルゲージを用いて測定した．なお，上記の条件で通電すると 1 分間あたり 15 回分の足関節底屈筋力のデータが得られるが，採用するデータはその中の最大値とした．
結果，足関節底屈筋力は通電を開始して 30分まではほぼ一定であったが，その後は筋疲労に よ る 筋 出 力 低 下 を 認 め ， 38 分 を 過 ぎ る と20%MVC に相当する 0.98N を下回った（図 2）．
つまり，20～30%MVC を発揮する 2.5mA の刺激強度で通電を行う場合，30 分以内の刺激時間であれば筋疲労の影響は受けないと判断した．

図 2 通電時間の延長に伴う足関節底屈筋力の推移

材料と方法
1．実験プロトコル
1）実験動物
7 週齢の Wistar 系雄性ラット 26 匹を実験に使用した．そして，これらのラットは無処置の対照群，両側足関節を 2 週間不動化する不動群，不動の過程で B-SES による介入を行う B-SES 群に振り分け，B-SES 群については刺激条件の違いによってさらに 2 群に振り分けた（以下，B-SES①群，B-SES②群という）．
なお，動物実験施設にラットが搬入された後は，実験者の操作にラットを慣れさせ，後に行う筋痛評価が円滑に実施できるようハンドリングを行った．
2）足関節の不動方法
3 種混合麻酔薬の腹腔内投与によって麻酔を行い，両側足関節を最大底屈位の状態でギプス包帯を用いて 2 週間不動化した．なお，その際，足指は浮腫の発生を確認するために露出させ，不動期間中は浮腫の発生やギプスの緩みを防ぐ目的で 2～3 日ごとにギプスの巻替えを行った．
3）B-SES の刺激条件①刺激周波数刺激周波数はラットの下腿骨格筋に強縮を誘発 す る 目 的 で ， B-SES ① 群 ， B-SES ② 群 と も50Hz とした．
②刺激強度
今回の実験では予備実験①の結果を踏まえ，約 24.2%MVC の足関節底屈筋力を発揮する2.5mA を刺激強度とした．
③刺激サイクル
刺激サイクルは，2 秒通電，2 秒休止を繰り返す
1：1 とした．
④刺激時間
上記の刺激サイクルは所属研究室の先行研究
8)で設定されている HF 群と同様である．つまり，HF 群の刺激条件の中の刺激強度のみを変更した条件を設定するため今回の B-SES①群の刺激時間は 15 分間とした．加えて，予備実験②の結果から 2.5mA の刺激強度で通電を行う場合，30分以内の刺激時間であれば筋疲労の影響は受けないことが明らかとなった．そこで，今回の BSES②群の刺激時間は B-SES①群のそれの 2 倍になる 30 分間とした．
2．検索方法1）足関節背屈可動域の評価
不動開始前（以下，base line ; BL）ならびに不動 1，2 週間が終了した後は，3 種混合麻酔薬の腹腔内投与によってラットを麻酔し，所属研究室の先行研究に基づき以下の方法で足関節背屈可動域を測定した 2)．具体的には麻酔したラットを側臥位とし，股・膝関節を他動的に最大屈曲させ，足底部に丸型テンションゲージ （大場製作所製）の先端部をあてた．そして，0.3N の張力で－8－足関節を他動的に背屈させた際の背屈角度を測定し，これを足関節背屈可動域として採用した．
測定に際しては，基本軸を膝関節裂隙中央と腓骨外果を結んだ線，移動軸を腓骨外果と第 5 中足骨を結んだ線とし，これらの 2 つの軸がなす外角を 5°単位で読み取った．なお，以上の測定は 3 回行い，その最大値をデータとして採用した
2)．

こで，ミオシン ATPase 染色像は深層部と浅層部に 分け ，各々顕微鏡用デジタルカメ ラ（NikonDS-Ril）で撮影し，パーソナルコンピューターに取り込み，深層部と浅層部における各筋線維タイプの筋線維横断面積を 1 筋につき各々100 本以上計測した．

3．検索試料の採取方法
2 週間の不動期間終了後は，3 種混合麻酔薬の腹腔内投与によって各群のラットを麻酔した．
そして，体重を測定後，両側から腓腹筋外側頭を採取した．採取した腓腹筋外側頭は電子天秤にて筋湿重量を測定し，筋湿重量を体重で除した相対重量比を算出した．なお，腓腹筋外側頭はその後，後述する組織学的・生化学的検索に供した．

5．生化学的検索
1）ヒドロキシプロリン含有量の計測
線維化の指標となるコラーゲン含有量に関しては，コラーゲン特有の構成アミノ酸であるヒドロキシプロリンを定量することによって行った．まず，試料作製として採取した腓腹筋外側頭の一部を細切し，24 時間の凍結乾燥処理を行い，乾燥重量を測定した．次に，この試料に 6N-HCI を 1ml加え，110℃で 15 時間の加水分解処理を行い，HCI を除去した後，蒸留水 1ml を加え，試料を溶解した．そして，0.64µm のフィルターで試料を濾過し，濾過後に回収した試料をヒドロキシプロリン定量用の試料とした．
試料 5µl を 2 時間 100℃で加熱処理した後，4N-NaOH を 50µl 加え，攪拌し，90℃で 2 時間，再度加熱処理を行った．次に，Chlolamine-T 溶液を 500µl 加え，室温で 25 分間処理した後，Ehrlich 溶液を 500ml 加え，攪拌し，80℃で 20 分間加熱処理し，試料を発色させた．そして，波長540nm で試料の吸光度を測定し，ヒドロキシプロリン濃度に基づく標準曲線を基に試料内のヒドロキシプロリン含有量を定量した．なお，定量したヒドロキシプロリン含有量は乾燥重量で除し，単位乾燥重量あたりの含有量で表した．

4．組織学的検索
1）筋線維横断面積の計測
筋試料は筋腹中央部で 2 分割し，トラガントゴムに包埋後，液体窒素で冷却したイソペンタン液内で急速凍結した．そして，クリオスタットを用いて 7μm 厚の連続横断切片を作製し，ヘマトキシリン・エオジン（以下，H&E）染色ならびに酸性前処置（pH 4.3）によるミオシン ATPase 染色を施し，筋線維をタイプⅠ・Ⅱa・Ⅱb 線維に分別した．なお，腓腹筋外側頭の深層部はタイプⅠ・Ⅱa・Ⅱb線維が混在して構成されているのに対し，浅層部はタイプⅡb 線維のみから構成されている．そ2）NGF 含有量の計測
先行研究によれば，不動性筋痛の発生メカニ
ズムの一つに骨格筋内における NGF の発現増加が関与しているとされている 4,5)．そこで，本研
究でも NGF 含有量の計測を行った．具体的には，筋試料の一部を細切りし，ジルコニアビーズとLysis Buffer （ 50mM pH 8.0 Tris-HCI ， 150mM
NaCl，5mM EDTA，0.5% NP-40，5M Urea）を加え，ビーズ式細胞粉砕装置 Micro Smash（TOMY，MS-100R）を用いてホモジュネートした．ホモジュネート後は，4℃，12,000rpm の条件で遠心分離を行い，その上清液を回収した．そして，上清液2）筋痛の評価
筋痛に関しては，不動開始前（以下，base line;BL）と不動 1，2 週後に圧刺激鎮痛効果測定装置 （Randoll-Selitto，Ugo Basile 社製）を用いて腓腹筋外側頭の筋圧痛閾値を測定し，評価した．
具体的には，ラットの上半身を布で拘束し，静寂な環境下を保った状態で，先端直径が 8mmのプローブで皮膚上から腓腹筋外側頭を 48g/秒の条件で漸増加圧し，後肢の逃避反応が出現する圧力値を測定した．この測定は 5 回実施し，最大値と最小値を除外した 3 回の測定値の平均値を筋圧痛覚閾値のデータとして採用した 4,5)．

－9－

内の NGF 含有量を Rat NGF/NGF βELISA kit（ Bosterbio ， EK0471 ） を 用 い て 測 定 し ， BCA
Protein Assay Kit（Thermo，23227）を用いて測定した総タンパク量で除し（単位; pg/mg），データとして採用した．
6．統計処理統計処理には，一元配置分散分析と Scheffe法による事後検定を適用し，危険率 5％未満をもって有意差を判定した．

結果
1．筋萎縮の評価結果
1）筋湿重量ならびに相対重量比各群の筋湿重量を比較すると，対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群はいずれも有意に低値を示し，これら 3 群間に有意差は認められなかった（図 3a）．
相対重量比に関しては，対照群より不動群，
B-SES①群は有意に低値を示し，これら 2 群間には有意差は認められなかった．一方，B-SES②群は対照群と有意差は認められず，不動群，BSES①群とも有意差は認められなかった．（図3b）．
2）筋線維横断面積
腓腹筋外側頭の ATPase 染色像をみると，浅層部のタイプⅡb 線維，深層部のタイプⅠ・Ⅱa・Ⅱb 線維のすべてにおいて不動群，B-SES①群，B-SES②群は対照群より縮小していた（図 4）．実際，浅層部のタイプⅡb 線維の筋線維横断面積を比較すると，対照群より不動群，B-SES①群，
B-SES②群は有意に低値を示し，この 3 群間には有意差は認められなかった．また，深層部のタイプⅠ・Ⅱa・Ⅱb 線維に関してもすべて対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群は有意に低値を示し，この 3 群間には有意差は認められなかった（図 5）．
2．筋性拘縮の評価結果
1）足関節背屈可動域
各群の足関節背屈可動域を比較すると，不動
1 週後，2 週後ともに不動群，B-SES①群，B-SES②群は対照群より有意に低値を示し，この 3 群間には有意差は認められなかった（図 6）．
2）ヒドロキシプロリン含有量
各群のヒドロキシプロリン含有量を比較すると，対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群は有意に高値を示し，この 3 群間に有意差は認められなかった（図 7）．
3．筋痛の評価結果
1）筋圧痛閾値
各群の筋圧痛閾値を比較すると，不動 1 週後は対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群は有意に低値を示し，この 3 群間には有意差は認められなかった．一方，不動 2 週後は対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群は有意に低値を示し，この 3 群間を比較すると B-SES①群と B-a) 筋湿重量b) 相対重量比＊：対照群との有意差＊：対照群との有意差

図 3 筋湿重量ならびに相対重量比の比較－10－

図 4 腓腹筋外側頭の ATPase 染色像
上段の写真が浅層部，下段の写真が深層部で，左から対照群，不動群，B-SES①群，B-SES②群を示している．
浅層深層＊：対照群との有意差

図 5 筋線維横断面積の比較＊：対照群との有意差＊：対照群との有意差

図 6 足関節背屈可動域の比較

図 7 ヒドロキシプロリン含有量の比較

SES②群は不動群より有意に高値を示した．また，
B-SES①群と B-SES②群には有意差は認められなかった（図 8）．
2）NGF 含有量
各群の NGF 含有量を比較すると，対照群より不動群，B-SES①群，B-SES②群は有意に高値を示し，この 3 群間を比較すると B-SES①群と BSES②群は不動群より有意に低値を示した．また，
B-SES①群と B-SES②群には有意差は認められなかった（図 9）．

－11－

＊：対照群との有意差＊：対照群との有意差＃：不動群との有意差＃：不動群との有意差

図 8 筋圧痛閾値の比較

図 9 NGF 含有量の比較考察
今回の結果から，筋萎縮の指標である筋湿重量や相対重量比ならびに浅層部，深層部のすべての筋線維タイプの筋線維横断面積は不動群，B-SES①群，B-SES②群の 3 群間に有意差は認められなかった．つまり，低強度の B-SES 介入はいずれの刺激時間でも部位や筋線維タイプの違いに関係なく，筋萎縮の発生を予防することは困難であるといえる．加えて，筋性拘縮の指標である足関節背屈可動域は不動 1，2 週後とも不動群，B-SES①群，B-SES②群の 3 群間に有意差は認められなかった．また，ヒドロキシプロリン含有量に関してもこれら 3 群間に有意差は認められなかった．つまり，筋萎縮と同様，低強度のB-SES 介入はいずれの刺激時間でも筋性拘縮の発生を予防することは困難であるといえる．一方，筋痛の指標である筋圧痛閾値に関しては不動 1 週後は不動群，B-SES①群，B-SES②群の 3群間に有意差は認められなかったが，不動 2 週後は不動群に比べ B-SES①群，B-SES②群は有意に高値を示し，この 2 群間には有意差は認められなかった．また，NGF 含有量に関しても BSES①群，B-SES②群は不動群より有意に低値を示し，この 2 群間に有意差は認められなかった．
つまり，低強度の B-SES 介入はいずれの刺激時間でも筋痛の発生そのものを予防することは困難であるが，その進行を抑制する効果があるといえる．

沖田らは筋萎縮，筋性拘縮，筋痛といった不動に伴う骨格筋の可塑的変化の発生メカニズムには，筋核のアポトーシスを発端としたマクロファージの集積といった共通の事象が関与すると報告している 6)．つまり，筋核のアポトーシスの抑止効果が期待される筋収縮運動は，これら骨格筋の可塑的変化を同時かつ効率的に予防できるのではないかと考えられる．事実，所属研究室の先行研究によれば，60%MVC が発揮される高強度の刺激強度を設け，B-SES を活用した筋収縮運動の効果について検討している．この結果によれば 1:1 の刺激サイクルで 1 日 15 分間，すなわ
ち 1 回あたり 225 回の筋収縮頻度となる条件であれば，筋萎縮，筋性拘縮，筋痛のすべてを同時かつ効率的に予防できることが明らかになっている 8)．しかし，実際の臨床現場において不動が強いられるのは，ギプス固定などが必要な骨折後や安静臥床が必要な重篤疾患の急性期であり，このような場合，不動後早期から高強度の筋収縮運動を実践することは困難である．つまり，この課題解決のためには低強度の刺激強度による B-SES の効果を明らかにする必要があると考え，本研究を計画した．
しかしながら，今回設定した 20～30%MVC が発揮される低強度の刺激強度では，先行研究と同様の 15 分間の刺激時間とした B-SES①群のみならず，それを 30 分間に延長し，1 回あたり筋収縮頻度を 450 回と増加させた B-SES②群ともに筋萎縮と筋性拘縮に対する効果は認められな－12－

かった．つまり，筋萎縮，筋性拘縮の発生を予防するためには，高強度の刺激強度による筋収縮運動が必要であり，その重要性がより裏付けられたといえよう．
一方，今回設定した低強度の刺激強度では，筋痛の発生そのものを予防することは困難であったが，その進行を抑制する効果が認められた．
そして，この効果には NGF の発現が抑制されたことが影響していると思われる．不動に伴う NGFの発現は骨格筋内に分布する C 線維の側枝発芽に起因した分布密度の増加と関連があり，これは不動による外界からの刺激の減弱によって生じた末梢神経の可塑的変化の一つと考えられる
4)．つまり，今回の結果は不動の過程で低強度であっても筋収縮運動を促し，外界からの刺激を入力しておけば，筋痛の発生を軽度に抑えることができることを示唆している．そして，このような筋痛に対する効果は刺激時間の影響は受けず，15 分間という短時間の刺激時間でも有効であることが示唆された．不動によって惹起される筋痛をできる限り軽度に抑えておけば，不動解除後に積極的な運動療法が実践でき，結果的に効果的な理学療法戦略につなげることができると思われる．したがって，不動後早期から高強度の筋収縮運動が実践できない対象者においても，低強度の B-SES 介入は意義あるものと考える．
しかしながら，今回の検索では前述した骨格筋内における C 線維の分布密度など，筋痛の発生メカニズムに関わる生物学的事象に対する低強度の B-SES 介入の効果は明らかにできておらず，この点は今後の課題である．

underlying immobilization-induced muscle
fibrosis. Muscle Nerve. 2022; 65: 341-349.
2) Honda Y, Tanaka N, et al.: Effect of belt
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謝辞（指導教員 沖田 実）
本研究を進めるにあたり，ご指導，ご協力いた
だきました長崎大学大学院医歯薬学総合研究
科運動障害リハビリテーション学研究室の諸先生方に厚く御礼申し上げます．

参考文献
1) Tanaka N, Honda Y, et al.: Myonuclear
apoptosis via cleaved caspase-3 upregulation isrelatedtomacrophage
accumulation－13－