カーボンファイバープレート内蔵
ランニングシューズが漸増負荷
ランニングテスト中の乳酸代謝に及ぼす影響
Effect of carbon fiber plate equipped running shoes onlactate metabolism during incremental running test

鈴木康

弘Abstract
The purpose of this study was to examine the changes in physiological loadin a hypoxic environment caused by differences in shoes with and without carbon fiber plates in Japanese elite long-distance runner. The carbon-plated shoes :Nike-ZoomX Vaporfly2 Next% 2（VFN）, and the non-carbon-plated shoes : NikeZoomX Pegasus Turbo 2（PT2）were tested in elite male long distance runneron 10 stage x 3-min incremental running test. The longest 30-min incremental
running test could not be completed in either shoes condition, with a duration of26-min in PT2 and 28 min 30 sec in VFN. Running velocities at blood lactate concentration（La）of 2 mmol/L and 4 mmol/L were 242 m/min and 280 m/min for
PT2, respectively, compared to 285 m/min and 308 m/min for VFN, respectively.
The highest value of La appeared in stage 9, when exhaustion was reached inboth conditions, at 15.2 mmol/L for PT2 compared to 12.5 mmol/L for VFN. Inaddition, lower heart rate and higher arterial blood oxygen saturation were observed in the VFN condition compared to the PT2 condition at the same stage.
These results suggest that changes in running shoes with and without carbon fiber plates can alter energy metabolism in the glycolytic system, and therefore,
continuous assessment of aerobic capacity through running should be performed
wearing the same running shoes.

105カーボンファイバープレート内蔵ランニングシューズが漸増負荷ランニングテスト中の乳酸代謝…

Ⅰ

緒言

陸上競技長距離走選手を対象に長距離走パフォーマンスおよび有酸素性能力を評価する手段として，トレッドミルを用いた漸増負荷ランニングテストがよく用いられる。漸増負荷ランニングテストは，速度もしくは傾斜と速度の両方を増加させながら被験者を疲労困憊まで4走らせ，呼気ガスを採取することにより最大酸素摂取量（VO2max）や最大下運動時の酸素摂取量（ランニングエコノミー）を測定したり，血中乳酸濃度を測定することにより乳酸性作業閾値（Lactate Threshold : LT）を測定したりするテストである13）。長距離走のパフォ
4ーマンスは，VO2max11）12），ランニングエコノミー10）12），LT5）15）などのいわゆる有酸素性能力によって評価することができることが知られており4）9），これらのいわゆる呼吸循環系の指標を向上させることが，長距離選手の主なトレーニング目標となっている。すなわち，長距離走選手の年間トレーニング計画において定期的に漸増負荷ランニングテストを実施することにより，呼吸循環系のトレーニングが適切に行われているかを評価することは，長距離走パフォーマンスの向上に繫がると考えられる。
近年，ランニングシューズのテクノロジー化が進み，ナイキ社が開発したミッドソールの中にカーボンファイバープレートを入れたシューズの出現により，長距離走パフォーマンス，特にマラソンを始めとするロードレースでの記録が著しく向上している2）14）。カーボンファ
イバープレート内蔵シューズは，足が接地してから離地するまでに反発を多く得ることによって，足への負担を軽減することにより，走の経済性の指標であるランニングエコノミーが向上することが報告されている6）7）8）。そのため，カーボンファイバープレートが内蔵されているシューズと内蔵されていないシューズとを比較した場合，同じ速度で走ったとしても，生理学的負荷は異なっていると考えられる。したがって，トレッドミルを用いた呼吸循環系の指標の評価時に履くシューズは，被験者内および被験者間で統一したものを用いなければ，必ずしも同じ評価ができない可能性がある。
ナイキ社製のカーボンファイバープレート内蔵シューズの出現以来，これらのシューズ機能を評価した研究が多く行われてきている1）2）3）6）7）8）。そして最近では，複数のシューズメーカーが製造したカーボンファイバープレート内蔵シューズの特性を比較検討している研究が発表されている8）が，同一メーカーが製造したシューズを用いて，シューズの形状がほぼ同じでカーボンファイバープレートの有無による変化を比較した研究は，我々の知る限り見当たらない。また，長距離走者はパフォーマンス向上のために高地 / 低酸素トレーニングを実施することが多い16）が，ランニング用シューズの違いが低酸素環境での生理学的変化の程度に及ぼす影響を検討した研究は見当たらない。
そこで本研究では，陸上競技長距離走を専門としている日本トップレベルの競技者を対象
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人文自然科学論集

第 152 号

として，カーボンファイバープレートの有無によるシューズの違いが，低酸素環境における生理学的負荷に及ぼす変化について検討することを目的とした。

Ⅱ方法

1．対象者
対象者は，実業団の陸上競技部に所属する日本人長距離走競技者 1 名（29 歳）であった。
対象者は，過去に日本選手権で優勝および世界選手権に出場経験がある，日本でのトップレベルの競技者であり，測定時の自己ベスト記録は 5,000 m 走，10,000 m 走ともに日本歴代 2位であった。対象者はトレッドミルでの測定および低酸素環境でのトレーニング経験が十分にあり，実験に先立ち，実験の趣旨，内容および危険性について十分な説明をすることにより参加の同意を得た。
2．ランニングシューズ
実験に使用したシューズは，ナイキ社製の競技用ランニングシューズであり，1 つは，カーボンファイバープレートが内蔵された ZoomX Vaporfly Next% 2（VFN），もう 1 つは VFと同じ形状であるがカーボンプレートが内蔵されていない ZoomX Pegasus Turbo 2（PT2）であった。シューズの重量は VFN が 191 g，PT2 が 209 g であり，いずれのシューズも測定日以前に対象者が 2-3 回履いて走ったのみの比較的新しいものであった。
3．実験デザイン
対象者は，トレッドミルを用いた漸増負荷ランニングテストを 2 回実施し，1 回目の測定と 2 回目の測定の間隔は 48 時間に設定した。測定は昼食後 2 時間が経過した状態で行い，1回目はカーボンファイバープレートが内蔵されていないシューズ（PT2）を履いてもらい，2 回目はカーボンファイバープレート内蔵のシューズ（VFN）を履いてもらってテストを実施した。なお，対象者は普段からナイキ社製のシューズを履いてトレーニングしていた。さらに対象者には，測定の 24 時間前以降は，激しい運動，アルコールおよび各種サプリメントの摂取を避けるように指示した。
漸増負荷ランニングテストテストは，いずれも常圧低酸素環境のトレーニング室（Espec社製）内で実施した。この低酸素トレーニング室は，床面積が 8.7 m×6.9 m，天井高は3.3 m であり，酸素濃度の制御範囲は 18.6-11.2％（標高 1,000-5,000 m 相当）であった。トレーニング室内の酸素濃度は，標高 3,000 m 相当（吸気酸素濃度：14.4％）に設定し，トレーニング中の室内温度は，おおよそ 20-22℃になるようにエアコンの温度を設定した。
対象者は，運動開始 10 分前に低酸素トレーニング室に入室し，2 回の測定ともに同じ内107

カーボンファイバープレート内蔵ランニングシューズが漸増負荷ランニングテスト中の乳酸代謝…

容のウォーミングアップを行った後，漸増負荷ランニングテストを開始した。
4．測定項目
漸増負荷ランニングテストは，1 ステージ 3 分間の運動を 30 秒の休息を挟みながら疲労困憊まで最大 10 ステージ行う最大 30 分間の運動であった。各ステージの速度は，事前に常酸素環境で測定した血中乳酸濃度が 4 mmol/L（Onset of Blood Lactate Accumulation :OBLA）に相当する走速度（373 m/min）を基準に，55％ OBLA 速度から運動を開始し，ステージ毎に 5％ ずつ速度を漸増させ，10 セット目が 100％ OBLA になるように設定した。
すなわち，トレッドミル速度は，205, 224, 242, 261, 280, 298, 317, 336, 354, 373 m/min であった。なお，30 秒の休息中に Borg スケールにより自覚的運動強度（RPE）を記録し，同時に指先から微量採血し，血中乳酸濃度分析機（Lactate Pro 2, Arkray, Japan）を用いて血中乳酸濃度を測定した。また，各ステージの走速度と血中乳酸濃度の結果をもとに，最小二乗法を用いて近似曲線を算出し，血中乳酸濃度が 2 mmol/L 時および OBLA 時の走速度を算出した。
漸増負荷ランニング運動中は，心拍計（Polar H10：Polar 社製）を用いて心拍数（HR）を 5 秒平均で連続的に測定し，パルスオキシメーター（WristOx₂ Model 3150：Nonin Medical社製）を用いて動脈血酸素飽和濃度（SpO2）を 1 秒平均で連続的に測定した。HR は各ステージにおける最高値を記録し，SpO2 は各ステージにおける最低値を記録した。

Ⅲ

結果

標高 3,000 m 相当の酸素濃度（14.4％）における最長 30 分間の漸増負荷ランニングテスト
は，いずれのシューズ条件でも完走できず，その持続時間は PT2 では 26 分（第 9 ステージ2 分でオールアウト）であり，VFN では 28 分 30 秒（第 10 ステージ 1 分 30 秒でオールアウト）であった。
図 1 に，シューズの違いによる血中乳酸濃度（La）の変化を示した。各ステージの La は全てのステージにおいて VFN が PT2 と比較して低値を示した。また，La が 2 mmol/L 時
および OBLA 時の走速度は，PT2 がそれぞれ 242 m/min および 280 m/min であったのに対し，VFN ではそれぞれ 285 m/min および 308 m/min であった（表 1）。La の最高値は，いずれの条件でも疲労困憊に至った第 9 ステージで現れ，PT2 が 15.2 mmol/L であったのに対し，VFN では 12.5 mmol/L であった。
図 2 に，シューズの違いによる HR の変化を示した。第 1，2 ステージにおいては，PT2がわずかに低値を示したが，第 3 から第 7 ステージにおいては VFN が低値を示し，第 8，9ステージでは同じ値であり，HR の最高値はいずれの条件でも 171 bpm であった。
108

1615.2

血中乳酸濃度（mmol/L）

14PT21212.512.5

VFN

108.8

86425.85.7
4.1

4
1.6

1.6
1.3

1.4

0200

220

22.61.6

1.7240260

3.1
1.8280300

320340360

380

走速度（m/min）

図1

シューズの違いによる血中乳酸濃度の変化

180171170

168
164

心拍数（bpm）

160158147144140148138133132

130110200

158151150120

171

165

PT2122121220

VFN

240260280300320340360

走速度（m/min）

図2

シューズの違いによる心拍数の変化

表 1 シューズの違いによる血中乳酸濃度‌2 mmol/L 時
および 4 mmol/L 時の走速度の比較

PT2
VFN

2 mmol/L 時の走速度（m/min）

4 mmol/L 時の走速度（m/min）

242285280
308

PT2 : Nike-ZoomX Pegasus Turbo 2
VFN : Nike-ZoomX Vaporfly Next% 2

109

380

90

動脈血酸素飽和度（％）

85818080808079787776787676757878767473PT27070VFN65200220240260280300320340360

380走速度（m/min）

図3

シューズの違いによる動脈血酸素飽和度の変化

2019181817

自覚的運動強度

16161514141312121012111110PT28VFN6200220240260280300320340360

380走速度（m/min）

図4

シューズの違いによる自覚的運動強度の変化

図 3 に，シューズの違いによる SpO2 の変化を示した。第 2 ステージでは条件間で同値を示したが，第 1 から第 8 ステージでは VFN が高値を示した。また疲労困憊に至った第 9 ス
テージでは，VFN が低値を示した。また SpO2 の最低値は，PT2 が 73％ であり，VFN が70％ であった。
図 4 に，シューズの違いによる RPE の変化を示した。RPE は第 1 ステージから第 9 ステージまでほぼ同じような値を示した。

110東京経済大学

Ⅳ

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考察

本研究における最も重要な知見は，ナイキ社製カーボンファイバープレート内蔵レーシングシューズ（ZoomX Vaporfly Next% 2 ; VFN）は，ほぼ形状が同じタイプでカーボンファイバープレートなしのシューズ（ZoomX Pegasus Turbo 2 ; PT2）と比較して，標高 3,000 m相当の低酸素環境におけるトレッドミルを用いた漸増負荷ランニングテストにおいて，同一速度での血中乳酸濃度（La）および心拍数（HR）を低く抑えることができ，動脈血酸素飽和度（SpO2）を高く保つことができる可能性が示唆されたことである。これらの結果は，漸増負荷ランニングテストを行う際は毎回同じランニングシューズを履いて実施する必要があることを意味しており，異なるランニングシューズでテストを実施することは，有酸素性能力の各指標を過大評価もしくは過小評価してしまう可能性があるため注意が必要であることを示唆している。
2017 年にナイキ社が発表したカーボンファイバープレート入りレーシングシューズ（Zoom Vaporfly 4％）のプロトタイプを用いた研究により，カーボンファイバープレートが内蔵されていない自社のシューズおよびアディダス社のシューズと比較してランニングエコノミーが約 4％ 向上することが報告され6），商品名の 4％ の由来となっていることはよく知ら れ て い る。ま た，プ ロ ト タ イ プ で は な く，一 般 人 が 購 入 で き る 市 販 タ イ プ の Zoom
Vaporfly 4％ を用いた場合でも，ランニングエコノミーは約 2～3％ 向上することが認められており7），このナイキ社製カーボンファイバープレート内蔵レーシングシューズの出現により，10 km，ハーフマラソン，マラソンのシーズンベストタイム上位 20 位および 100 位が 2017 年より大幅に減少していることが報告されている2）。Senefeld et al.14）は，ナイキの新しいシューズ技術を使用して，世界のマラソン大会で走ったエリートマラソンのレースタイムが，男性で 2％（2.8 分），女性で 2.6％（4.3 分）向上したことを報告しており，選手た
ちはナイキ社製レーシングシューズによる恩恵を大きく受けていると考えられる。さらに，さまざまなシューズメーカーにおける 7 種類のカーボンファイバープレート内蔵シューズを比較検討した研究においても，ナイキ社製シューズが他社シューズと比較して最もランニングエコノミーを改善したことが報告されており8），単にカーボンファイバープレートを内蔵するだけでは，ナイキ社製のシューズと同等のランニングエコノミーを達成することはできないことが示唆されている。このように，ナイキ社製のカーボンファイバープレートをミッドソールに入れたシューズは，他社製のシューズと比較して，機能的優位性が高いと考えられる。そのため，本研究ではナイキ社製のシューズを用いて，カーボンファイバープレートの有無による生理学的負荷の違いを，主に血中乳酸濃度の変化によって説明しようと試みた。
一方，呼気ガス分析装置を用いた測定が必要であるランニングエコノミーは，機材の関係で111

カーボンファイバープレート内蔵ランニングシューズが漸増負荷ランニングテスト中の乳酸代謝…

本研究では測定できなかった。
ランニングエコノミーは，長距離走パフォーマンスを左右する重要な生理学的指標である
ため，レーシングシューズの研究において測定項目に多く用いられている1）2）6）7）8）。しかし，ランニングエコノミーばかりではなく，血中乳酸濃度を用いた指標である LT や OBLA も長距離走パフォーマンスを評価するために重要5）15）であるが，カーボンファイバープレート内蔵のシューズが LT や OBLA に及ぼす影響を検討した研究は見当たらない。そこで本
研究では，これらの指標がカーボンファイバープレートの有無によりどの程度変化するのかについて検討した。その結果，カーボンファイバープレートが内蔵されていないシューズ（PT2）では，漸増負荷ランニングテストにおける第 3 ステージで血中乳酸濃度が 2 mmol/L に達したのに対し，カーボンファイバープレート内蔵シューズ（VFN）では第 5 ステー
ジ に お い て も 2 mmol/L 以 下 の 値 で あ っ た（図 1）。ま た，第 5 ス テ ー ジ で は PT2 は4 mmol/L に達していたが，VFN が 4 mmol/L を超えたのは第 7 ステージであり，カーボンファイバープレートの有無は，漸増負荷ランニングテストにおける同一速度の La を大きく低下させることが示唆された（図 1）。さらに，VFN は，最大下強度における HR の上昇を抑え，SpO2 の低下を抑えることが認められた（図 2，図 3）。これらの結果は，長距離走競技者が有酸素性能力を評価するために実施する漸増負荷ランニングテストを複数回実施する場合には，同一シューズを用いてテストする必要があることを示唆するものであり，もし同一のシューズでの実施が難しい場合は，少なくとも，カーボンファイバープレート内蔵シューズとカーボンファイバープレートが内蔵されていないシューズとを混在させて測定してはいけないことを強く示唆するものである。
本研究は，日本トップレベルのエリート長距離選手を対象にした事例研究であるため，カーボンファイバープレートの有無により，なぜこのような生理学的変化が認められたのかを明示することはできない。先行研究によると，カーボンファイバープレート内蔵シューズでは，ランニング中に地面から大きな衝撃を受ける筋の一つである下腿三頭筋の筋活動（底屈速度）が低下すること6），足底部のアーチと足底筋における筋腱複合体の長さ変化が小さくなり，それにより立脚後半における足底筋および脛骨筋の筋腱複合体の短縮速度が遅くなる
こと3）が報告されている。もし，下腿三頭筋，足底筋および脛骨筋における筋腱複合体の短縮速度低下の原因が筋にあるとすれば，本研究で認められたランニング中における少ないエネルギーで運動可能なこと（La の低下，HR の低下，SpO2 の増加）を説明できるかもしれない。しかしながら，先行研究で認められている筋腱複合体の短縮速度の低下が筋に起因するのか，もしくは腱に起因するのかは明らかではないため，今後さらなる研究が必要である。

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まとめ

本研究では，陸上競技長距離走を専門としている日本トップレベルの競技者 1 名を対象として，ナイキ社製シューズにおけるミッドソールのカーボンファイバープレートの有無が，トレッドミルを用いた漸増負荷ランニングテスト中の La，HR，SpO2 にどのような影響を及ぼすのかについて検討した。その結果，VFN は PT2 と比較して，La および HR を低くし，SpO2 を高くすることができる傾向にあることが明らかになり，特に各ステージにおける La の低下は顕著であった。したがって，カーボンファイバープレートの有無によるランニングシューズの違いにより，解糖系のエネルギー代謝が大きく変化することから，ランニングにより有酸素性能力を継続的に評価する場合は，可能な限り同じランニングシューズを履いて実施する必要があることが示唆された。
謝辞

本研究は，2021 年度の東京経済大学個人研究助成費（研究番号 21-19）を受けた研究成果である。
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