上原記念生命科学財団研究報告集, 33 (2019)

上原記念生命科学財団研究報告集, 33（2019）14. 高体温誘発性換気亢進反応のメカニズム解明
西保 岳
筑波大学 大学院人間総合科学研究科 体育科学専攻
ヒューマン・ハイ・パフォーマンス先端研究センター 運動生理学研究室
Key words：暑熱，体温，換気調節緒 言
近年、我が国では気温の上昇が顕著であり、全国各地で熱中症や脱水が多発している。暑熱下では常温下と比較して持久性運動パフォーマンスが著しく低下することから［1］、気温上昇は健康上問題となるだけでなく、競技選手の運動パフォーマンスにも大きな影響を与える。暑熱下で運動を行うと、筋活動に伴う産熱量の増加により体温が上昇し、この体温上昇時には換気量の増加（高体温誘発性換気亢進）が起こる［2，3］。この換気亢進 によって体内の二酸化炭素（CO2）が過剰に排出され、動脈血 CO2 分圧（PaCO2）の低下が生じることで脳血管の収縮が起こり、脳血流量が低下すると報告されている［4，5］。したがって、高体温誘発性換気亢進とそれに付随する脳血流の低下が、暑熱環境下での運動パフォーマンス低下や熱中症の一因である可能性が示唆されるが、暑熱下運動時に換気亢進が起こるメカニズムは明らかでない。
頚動脈小体は末梢化学受容器とも呼ばれ、低酸素時の換気応答に重要な役割を果たす。もし体温上昇によって末梢化学受容器の活動が亢進するのであれば、換気ドライブも大きくなり、それが高体温誘発性換気亢進反応 （体温上昇時の換気亢進反応） を起こすメカニズムの一つかもしれない。本研究では、高体温誘発性換気亢進反応のメカニズム解明のため、暑熱下一定負荷運動時における高体温誘発性換気亢進反応に末梢化学受容器が及ぼす影響について検討した。

方 法
被検者は 11 名の健常男性［年齢：24 歳、身長：168.8 cm、体重：71.5 kg］であった。実験に先立ち、被検者には実験の目的、方法及び実験実施上の危険性を十分に説明し、実験参加の同意を得た。
環境温 37℃、相対湿度 50%に設定した環境制御室内で 10 分間の安静状態におけるベースライン測定を行った後、55%VO2peak 強度での一定負荷自転車運動を開始した。頚動脈小体の活動を抑制するための高酸素吸入は、運動前安静時、運動開始 5 分目、食道温（Tes）が運動開始 5 分目の値から 0.5、1.0、1.5℃上昇した時にそれぞれ行った。高酸素吸入時には、被験者の予期なしに、吸気を室内空気（O2 濃度 20.93%）から 100%O2 濃度の空気に切り替え、30 秒、皮膚温（Tsk）、血圧、動間の吸入後、吸気を再び室内空気に戻した。換気量（VE）、呼気終末 CO2 分圧（PETCO2）
脈血酸素飽和度（SpO2）、中大脳動脈平均血流速度（MCAVmean）、心拍数（HR）を測定した。
安静時ベースライン測定の前半 5 分間の平均値を運動前安静時のデータとして、運動 5 分目の 1 分間の平均データを運動時ベースラインのデータとして用いた。また、高酸素吸入直前の 1 分間の平均値を運動時における高酸素吸入前のベースラインのデータとして用い、高酸素吸入時および吸入後のデータは 10 秒ごとに平均した値を用いた。データは二元配置分散分析を用いて解析した。事後検定には、Shaffer の多重比較を用いた。すべての検定において統計的有意水準は 5%未満とした。

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結 果
Tes は、運動開始 5 分目から Tes＋0.5、＋1.0、＋1.5℃時点へと徐々に増加した。PETCO2 は、運動開始 5 分目からTes＋0.5、＋1.0、＋1.5℃時点へと徐々に低下し、Tes＋1.0、＋1.5℃時点において安静時よりも低値を示した。HR は運動開始 5 分目から Tes+0.5、+1.0、+1.5℃時点へと徐々に増加した。MCAVmean は、運動開始後 5 分目および Tes＋0.5 時点において安静時よりも高値を示し、Tes＋1.5℃時点において運動開始 5 分目よりも低値を示した。
運動時ベースラインにおいては、高酸素吸入前と比較して吸入後に SpO2 は高値、VE は低値、PETCO2 は高値を示した（図 1-I）
。Tes＋0.5℃、＋1.0℃、及び＋1.5℃（図 1-II）時点ではそれぞれ、高酸素吸入前と比較して吸入後にSpO2 は高値、VE は低値、PETCO2 は高値を示し、MCAVmean は高値を示した。
安静時、運動時ベースラインおよび各深部体温レベル（＋0.5、1.0、1.5℃）における高酸素吸入前から最大反応時のVE の変化量を図 2 に示す。いずれにおいて VE は高酸素吸入前と比較して吸入後に低下したが、高酸素吸入前から最大反応時の VE の変化量の絶対値は安静時よりも運動時ベースラインおよび深部体温を増加させた各深部体温レベルで高値を示した（図 2A）。しかしながら、高酸素吸入前から最大反応時の VE の変化量の高酸素吸入前に対する相対値にはいずれの時点においても差は見られなかった（図 2B）。

図 1．運動時ベースライン（I）と運動時に食道温が 1.5℃上昇した場合（II）での高酸素吸入前後の SpO2（A）、VE （B）、PETCO2（C）、及び MCAVmean（D）の変化。* P < 0.05, vs. 高酸素吸入前。
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図 2. 安静時及び運動時におけるベースラインと運動中食道温が 0.5、1.0、1.5℃上昇した場合に高酸素を吸入した時の換気量変化。絶対値変化（A）と相対値変化（B）。

考 察
高酸素吸入を行うことで安静時および運動時ベースラインのVEは低下した。
従って、安静時と運動時の換気反応に、末梢化学受容器が貢献していることが示唆される。本研究における結果と一致して、Blain ら（2009）［6］は、安静時の犬の頚動脈小体に高酸素の血液をかん流することで末梢化学受容器の働きを抑制したところ、換気量が低下したことを報告している。また、St Croix ら（1996）は、常温環境下における中強度運動時に高酸素吸入により末梢化学受容器の働きを抑制すると、運動時の VE が低下したことを報告している［7］。
運動時に Tes の上昇に伴い VE が増加したことから、体温上昇に伴い換気亢進反応が起こっていたことが示された。
同様の結果は、多くの先行研究で報告されている［2, 8～9］。この換気反応が起こるメカニズムはいまだ不明であり、本研究は、運動時の体温上昇に伴う換気亢進反応に末梢化学受容器が及ぼす影響を検討した初めての研究である。運動時に高酸素を吸入し末梢化学受容器の活動を抑制すると、いずれの深部体温レベル （運動時ベースライン、ベースラインから Tes＋0.5、＋1.0、＋1.5℃） においても、VE が一時的に低下した。しかしながら、V¬E の低下の程度は、深部体温のレベルに関わらず、15%程度であった（図 2）。もし、体温上昇に伴う換気亢進反応に末梢化学受容器が大きく関与しているのであれば、深部体温が上昇するに従い、高酸素吸入による換気量低下の程度は大きくなるはずであるが、そのような結果は得られなかった。従って、運動時の体温上昇に伴う換気亢進反応に、末梢化学受容器はほとんど関与しないことが示唆される。Fujii ら（2008）は安静加温時において、高酸素吸入によって末梢化学受容器の働きを抑制した場合の換気量の低下は、常体温下で 20%であり、その低下の程度は、体温が上昇した場合でも同程度であったと報告している［10］。従って、安静時、運動時に関わらず、末梢化学受容器が体温上昇時の換気亢進反応へ及ぼす影響は小さいと考えられる。

共同研究者・謝辞
本研究の共同研究者は、筑波大学体育系の本田靖教授と藤井直人助教である。

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上原記念生命科学財団研究報告集, 33（2019）文 献1） Galloway SD, Maughan RJ.Effects of ambient temperature on the capacity to perform prolonged cycle exercise
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2） White MD.Components and mechanisms of thermal hyperpnea. J Appl Physiol (1985). 2006 Aug; 101(2):65563. Epub 2006 Mar 24. Review. PMID:16565352
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4） Nybo L, Nielsen B. Middle cerebral artery blood velocity is reduced with hyperthermia during prolonged
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Jul 3.
6） Blain GM, Smith CA, Henderson KS, Dempsey JA. Contribution of the carotid body chemoreceptors to eupneic
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