人工呼吸◉総Jpn J Respir Care 2018；35：48-52

説◉

成人集中治療患者における人工呼吸中の酸素濃度を再考する

江木盛時

キーワード：成人集中治療患者，人工呼吸，酸素濃度

要旨

生体にとって、組織や細胞への酸素の供給は極めて重要であり、低酸素血症は臓器障害を惹起し、重篤であれば死に至る。低すぎる SaO2 および PaO2 は臓器障害の発生や予後悪化に影響し、また FIO2 0.4 以下での人工呼吸は有害でないと近年まで考えられてきたため、施設や医師によっては、PaO2 を若干高めに保つことで Safety margin を確保することを考慮しているかもしれない。しかし、高濃度酸素投与は肺障害の惹起や吸収性無気肺と関連する可能性が示唆されている。また、高酸素血症は心拍出量や臓器還流量を低下させ、活性酸素（reactive oxygen species：ROS）の産生を促進させるため、高酸素血症は予後悪化と関連する可能性があり、近年 ICU における人工呼吸中の酸素濃度に関する介入試験も複数報告されている。
急性期患者に対する至適 PaO2 や SaO2 に関する問題は、過去 10 年かけて多くの観察研究が報告され、近年複数の介入試験が報告されるようになったいまだ “ 芽生え ” の領域である。生体では、少なすぎも多すぎも不利益となる“U 字現象 ” が血圧、血糖、脈拍、電解質濃度などさまざまな領域において繰り返し報告されている。酸素療法に関しても、同様である可能性がある。
今後、報告される大規模介入試験により、詳細な情報が得られ、至適 PaO2 や SaO2 が明らかになっていくことが期待される。いまだ、介入試験の少ない現在においては、我々は、高酸素血症に伴う酸素含有量の増加は臨床的に大きくないことや、その含有量の増加が心拍出量や組織環流量の低下によって相殺される可能性を知っておくなど、酸素が生体に与える生理を理解しながら人工呼吸患者の FIO2 を設定する必要があると考える。

Ⅰ．は じ め にや予後悪化に影響し、また FIO2 0.4 以下での人工呼吸は有害でないと近年まで考えられてきたため 1）、施設酸素が陸上に蓄積した後に進化した生物同様に、人や医師によっては、PaO2 を若干高めに保つことで Safe-間も好気性生物であり、ブドウ糖などのエネルギー源ty marginを確保することを考慮しているかもしれない。

を酸素の存在下で代謝することで生命維持に必要なしかし、高濃度酸素投与は肺障害の惹起や吸収性無ATP（アデノシン三リン酸）を得ている。生体にとっ気肺と関連する可能性が示唆されている。また、高酸て、組織や細胞への酸素の供給は極めて重要であり、素血症は心拍出量や臓器還流量を低下させ 2 ～ 4）、活性低酸素血症は臓器障害を惹起し、重篤であれば死に至酸素（reactive oxygen species：ROS）の産生を促進る。人工呼吸患者における供給酸素濃度を決定する際させる 5）。近年、慢性閉塞性肺疾患（chronic obstruc-には、目標とする SaO2 あるいは PaO2 を決定する必要

tive pulmonary disease：COPD）患者の急性増悪時 6）、がある。低すぎる SaO2 および PaO2 は臓器障害の発生

心停止後 7）および ICU 患者 8）において、高酸素血症と神戸大学医学部附属病院

48May 30, 2018

麻酔科

予後悪化との関連が報告されており、ICU における人工呼吸中の酸素濃度に関する介入試験も複数報告され

人工呼吸

表1

Jpn J Respir Care Vol.35 No.1

‌ヘモグロビン値 15g/dL の患者において PaO2 の変化が動脈血中酸素含有量に与える影響

SaO2（％） 1.34×Hb×SaO2

PaO2
Arterial oxygen content
0.003×PaO2（mmHg）（mL/dL）

0.75 （75％）

15.1

400.1215.2

1.00（100％）

20.1

100

0.3

20.4

1.00（100％）

20.1

500

1.521.6

ヘモグロビン値 15g/dL の患者において、PaO2 を 100mmHg から 500mmHg に増加させると動脈血中酸素含有量は 20.4mL/dL から 21.6mL/dL へ増加する（相対的に5.9％増加する）。ている。本稿では、それらの知見をまとめることで ICUあるいは SaO2 は、日常的に高めに保たれているのかもにおける人工呼吸中の酸素濃度に関して再考するきっしれない。

かけとしたい。

Ⅳ．高濃度酸素投与は肺にとって有害か？

Ⅱ．PaO2 と動脈血酸素含有量の関係

極度の低酸素血症が生体にとって有害であることに動脈血酸素含有量は、結合酸素と溶存酸素の計であ異論はない。高濃度酸素投与が肺にとって有害である

り、これに心拍出量を乗じたものが全身への酸素供給か否かに関しては、いまだに議論の分かれるところで量となる。動脈血酸素含有量は、1.34×Hb×SaO2＋0.003あるが、高濃度酸素吸入により急性肺障害（Lorrain×PaO2 の簡易式で推定される。患者の状況により、酸Smith 効果）が生じる可能性がある 11）。Lorrain Smith素解離曲線は変化するため一概には言えないが、PaO2効果は、透過性亢進、肺血管内皮傷害、線維化など急性が 100mmHg 程度で、SaO2 は大よそ 100％に近似する。

呼吸促迫症候群（acute respiratory distress syndrome：

それ以上 PaO2 を増加させても結合酸素はほとんど増加ARDS）にも生じる病態を惹起することが報告されていせず、溶存酸素のみが増加する。表 1 は、Hb15g/dL のる。このような高濃度酸素惹起性肺障害（hyperoxic患者において、PaO2 40mmHg（SaO2＝75％）から PaO2

acute lung injury：HALI）は、FIO2 0.6 以上の高濃度100mmHg（SaO2＝100％）そして PaO2 500mmHg（SaO2

酸素に長期的に暴露されるときに特に生じやすく、そ＝100％）へ増加した際の動脈血酸素含有量を示していの重症度は PaO2 や暴露時間に影響されると報告されてる。PaO2 100mmHg から 500mmHg に増加した場合、いる 12）。また、高濃度酸素吸入および高酸素血症は、動脈血酸素分圧は 5 倍となるが、動脈血酸素含有量はROS の産生を助長する 8）。この ROS の蓄積が酸素毒約 6％の増加しか理論上は期待できないことがわかる。

性を引き起こすことが示唆されている。重症人工呼吸

Ⅲ．人工呼吸中の酸素濃度の実際患者に対して行われる PEEP の調整、肺保護換気などにより HALI のリスクは軽減されることも報告されて5,498 名の人工呼吸患者を対象としたオランダの後ろいるが 12）、肺障害を呈さない酸素濃度の推定は困難で向き研究では、PaO2 の 22％が 120mmHg 以上であったあり、より低い酸素濃度であっても、肺障害を生じうことが報告されている。PaO2＞120mmHg であった場る可能性も示唆されている 13）。

合の約 75％において、FIO2 は下げられていなかった。
また、FIO2 が 0.4 以下である場合、94％の患者においⅤ．吸収性無気肺て、PaO2＞120mmHg は許容されていた 9）。オーストラ

肺胞内に取り込まれたガス容量よりも、血液に取りリアにおける 51 名の人工呼吸患者を対象とした一施設込まれるガス容量が多いと、肺胞内容積が減少し、無研究では、患者は多くの時間において SpO2＞98％およ気肺が生じうる。これを吸収性無気肺という。肺胞内び PaO2 80 ～ 120mmHg で管理されていた。この研に高濃度酸素が供給されると肺胞内の酸素は血管内に

究では FIO2 が 0.3 ～ 0.4 で SpO2＞98％である際、88％の拡散し、吸収性無気肺を生じうる 14）。この高濃度酸素患者で FIO2 は下げられていなかった。このように PaO2投与に伴う吸収性無気肺は酸素濃度が高ければ高いほ10）

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Egi M

ど生じやすいことが報告されている 15）。48 時間以上のタ解析では、各サブグループ間に相違なく高酸素血症

人工呼吸管理を必要とした患者に対して、FIO2 の中央と死亡率増加の関係が観察されたと報告されている 21）。

値 0.4 で管理した患者群と、SpO2 の目標値を 90 ～ 92

近年までに報告された急性期患者における高酸素血症％とした患者群（FIO2 の中央値 0.27）において胸部レに関する研究の多くは、後ろ向き観察研究であり、高ントゲン写真上の無気肺スコアを比較したところ、低酸素血症の閾値やそのタイミングなどが各研究間で異めの FIO2 で管理された患者群でより無気肺が少なくななるなど多くの問題を抱えており、高酸素血症と死亡ることが示唆されている 16）。

率増加との関係に因果関係が存在するか否かに関して

Ⅵ．高酸素血症が血流量とは介入試験が必要であると考えられてきた。

‌再灌流障害に与える影響

Ⅷ．人工呼吸患者を対象とした目標 PaO2 や酸素化が悪化した患者では高濃度酸素投与を行ってSaO2 を検討する介入試験  

も高酸素血症にはならない場合もある。しかし、必要

Panwar らは、103 名の 24 時間以上人工呼吸を要す以上の酸素濃度を投与すれば高酸素血症が生じうる。

る成人患者を対象に、SpO2 88 ～ 92％を目標とする酸

この高酸素血症は、末梢血管の収縮と心拍数の低下を素制限管理と SpO2 96％以上を目標とする管理を比較引き起こし、心拍出量低下を生じる 。冠動脈疾患をする無作為化比較試験を行った。新たな臓器不全発症有する患者を対象とした研究において、酸素投与は冠率、ICU 死亡率、90 日生存率のいずれにおいても、両動脈の抵抗増加と血流量低下を引き起こすことが報告

群に有意差は認められなかった 22）。

5）

されている 6）。同様に、酸素投与に伴い脳血流量が低Girardis らは、72 時間以上の集中治療を要すると考えられる術後成人患者 434 名を対象に、PaO2 70 ～ 100下することも報告されている 。
7）

心肺停止後患者では、一次性脳損傷に引き続く二次mmHg、または SpO2 94 ～ 98％を目標とする酸素制限性脳損傷を可能な限り軽減するような全身管理が望ま管理と、PaO2≦150mmHg または SpO2 97 ～ 100％を目しいと考えられている。二次性脳損傷は、再灌流によ標とする管理を比較する無作為化比較試験を行った。

る ROS の増加や血管透過性亢進などによって生じると酸素制限管理は ICU 死亡率（11.6％ vs 20.2％）、院内考えられている。心肺停止後に自己心拍の再開が得ら死亡率（24.2％ vs 33.9％）、新規のショック発生率（3.7

れた後には前述の如く、高酸素血症は ROS の産生を助％ vs 10.6％）、肝不全発生率（1.9％ vs 6.4％）、菌血症

長しうるため、二次性脳損傷を憎悪する可能性があ発生率（5.1％ vs 10.1％）のいずれも有意に低下させ、る人工呼吸器非使用期間を有意に延長させた（72 vs 48。ラットの全脳虚血モデルを用いた研究において、

17）

再還流時における投与酸素濃度を高くすることで、酸化ストレスが増大し、脳予後悪化に関連する可能性も報告されている時間）23）。
投与酸素濃度の相違で、Girardis らの研究の如く死。また、心肺蘇生モデルを用いた研亡率が相対的に 45％程度低下することは著者としては究でも心拍再開後の高濃度酸素吸入は酸化ストレスの信じがたい。Girardis らの研究は一施設非盲検化試験

増大と脳組織障害の憎悪が報告されているであるうえ、諸事情により予定された患者数以下で研

18）

。

19）

究が中止されており、その結果は後の介入試験によっ

Ⅶ．高酸素血症と予後との関係て再検証される必要があると考える 24）。

高酸素血症と患者予後との関係を検討した観察研究
は、人工呼吸患者、心臓手術後患者、心肺蘇生後患者、頭部外傷患者および脳梗塞患者を対象とした研究に大Ⅸ．脳卒中患者を対象とした目標 PaO2 や
SaO2 を検討する介入試験  別される。2014 年に Damiani らによって報告されたメ

脳卒中患者を対象とし至適な酸素療法を検討する小タ解析では、高酸素血症と死亡率増加の関係は、心肺蘇規模無作為化比較試験が実施された後に、Roffe らは、生後患者、頭部外傷患者および脳梗塞患者で認められ入院 24 時間以内の急性期脳卒中患者 8,003 名を対象とたものの、人工呼吸患者では認められなかった。しし（患者群の約 8 割が脳梗塞後患者）、72 時間の酸素かし、2015 年に Helmerhorst らによって報告されたメを投与する群（3L/ 分）、夜間のみ酸素を投与する群、50

May 30, 201820）

人工呼吸酸素投与なしの群に患者を割り付け、酸素療法が予後に与える影響を検討した。本研究は人工呼吸患者を25）対象とした研究ではないものの、酸素療法と ROS とのJpn J Respir Care Vol.35 No.1

2） Rousseau A, Bak Z, Janerot-Sjoberg B, et al：Acute hyperoxaemia-induced effects on regional blood flow, oxygen
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関係あるいは、酸素療法と虚血再灌流障害との関係を

3） McNulty PH, King N, Scott S, et al：Effects of supplemental

考慮すると興味深く、また急性期医療における酸素療

oxygen administration on coronary blood flow in patients法が予後に与える効果を検討した最大の無作為化比較試験であるため紹介する。
本試験において、各群の最低 SpO2 は、95.0％、94.5％、94.1％とその差は小さく、SpO2＜90％となった患者はそれぞれ 1.5％、1.1％、2.8％であった。各群において、身体症状の重症度を示す modified Ranking Scale（mRS）や死亡率に有意な差は存在しなかった。また、サブグループ解析においても、酸素療法が有効あるいは有害であるサブグループは検出できなかった。

Ⅹ．ICU における人工呼吸中の‌酸素濃度を再考する
本稿では、高濃度酸素吸入と高酸素血症が生体に与える影響に関し概説した。急性期患者に対する至適 PaO2や SaO2 に関する問題は、過去 10 年かけて多くの観察研究が報告され、近年複数の介入試験が報告されるよ

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うになったいまだ “ 芽生え ” の領域である。生体では、

9） de Graaff AE, Dongelmans DA, Binnekade JM, et al：Cli-

少なすぎも多すぎも不利益となる “U 字現象 ” が血圧、

nicians’ response to hyperoxia in ventilated patients in a

血糖、脈拍、電解質濃度などさまざまな領域において繰り返し報告されている。酸素療法に関しても、同様である可能性がある。
今後、報告される大規模介入試験により、詳細な情報が得られ、至適 PaO2 や SaO2 が明らかになっていくことが期待される。いまだ、介入試験の少ない現在においては、我々は、高酸素血症に伴う酸素含有量の増加は臨床的に大きくないことや、その含有量の増加が心拍出量や組織環流量の低下によって相殺される可能性を知っておくなど、酸素が生体に与える生理を理解しながら人工呼吸患者の FIO2 を設定する必要があると考える。

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Reconsidering the oxygen management in mechanically ventilated patients
Moritoki EGI
Department of Anesthesiology, Kobe University Hospital
Corresponding author：Moritoki EGI
Department of Anesthsiology, Kobe University Hospital
7-5-1 Kusunoki-cho, Chuo-ku, Kobe, 650-0017, Japan
Key words：adult critically ill patients，mechanical ventilation，oxygen management
Abstract
Oxygen is essential for cells, tissues and whole bodies. Hypoxemia may cause organ injury, and in severe cases
it leads to death. There were studies to report that the hyperoxemia was common in critically ill patients. Hyperoxia may be associated with lung injury and absorption atelectasis. In addition, hyperoxemia had been reported
to reduce a cardiac output and organ blood flow, and promote the production of active oxygen. Recently, there
are several randomized controlled trial to assess the impact of different target of PaO2 and/or SaO2 in critically illpatients. Nonetheless, its optimal target is still unclear. In the future, large randomized controlled trial may provide more detailed information on the optimal target of PaO2 and/or SaO2 in critically ill patients.

Until then, we should be better to aware the physiological effect of hyperoxia and hyperoxemia. It is repeatedly
reported the U- sharp phenomenon in heart rate, blood pressure, blood glucose electrolytes concentration and son
one. There is a possibility that oxygen therapy is similar as well. We may have to note that the increase of arterial oxygen content by the hyperoxemia is quite small and may overcome by the decrease in the organ blood flow
introduced by hyperoxemia. Accordingly, it might be necessary to set FIO2 in patients required mechanical ventilation with the understanding of the physiology of oxygen in human being.

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