理学 療 法 学 第 25巻 第6号 381
〜387
頁 (1998
年)報 告
運
動 負荷 時 間
の
違
い
が
ラ
ット
廃
用 性
筋 萎縮
の
回復過 程
に
及
ぼ
す
影
響
*山 崎
俊
明
1)立
野 勝 彦
1)灰
田
信 英
D
出
口恵美
子
2) 要旨
廃 用 性 筋 萎 縮の回 復 過 程に及ぼす 運 動 負 荷の 影 響 を
,
運 動持続時
間の違いか ら検 討し た。 ラッ ト20
匹 (体 重203 〜 227g
) を各 4
匹の5
群に分 け,
その内4
群を実 験 群,
1 群 を対
照 群と し た。 実 験 群には2
週 問の後 肢 懸 垂に よ り廃 用 性 筋 萎 縮 を 惹 起 し た。 その後,懸
垂 を はず し2
週 間の回 復 過 程 と し, その間
,1
) 通常飼育
,2
) 1
日to
分 運 動 負 荷, 3
)30
分 運動負荷
,4
)90
分 運 動 負 荷を実 施 した。 なお,
運 動負
荷は トレ ッ ドミル によ る走
行 運 動 を週5
日行 っ た。 分 析は ヒ ラ メ筋
を材料
と し ,組織化学的
に行 っ た。ヒ ラメ筋の相 対 重 量 比は
, 90 分
運動負荷群
が他実
験 群よ り有 意に大 きか っ た。 さ らに,対
照群
と は差が な く,
運動
によ る回復を示し た。 し か し,
筋 線 維タイ プ構 成 比率
お よ び断面
積は,
実 験 群 間に差は なかっ た。 ま た,断面積
の分布状況
より,実
験 群の タ イ プll
線 維で 小 さいサ イズの線維群
が観察
さ れ,
…
時
的 筋 傷 害の可 能 性が示 唆された。
以 上より,
廃 用性筋
萎 縮の回 復 過 程にお ける運 動 負 荷で は,
持 続 時 間が一
っ の 規 定 因子
で あ る が, そ れの みで は 効 果 を 規 定で きな い と考
え ら れ た。 さ ら に 運動負荷
によ る効 果と筋 傷 害の両 面を考 慮 したプ ロ グラム の必要性
が示唆
さ れ た。 キー
ワー
ド廃 用 性 筋 萎 縮
,
回 復 過 程,
運 動 持 続 時間
は じ め に長
期臥床
ま たは安 静に より,
臨 床 的に見 ら れる 二次 的 障 害として 著 しい もの が骨 格 筋の萎 縮 と筋 力 低 下で あ り,一
般
的に廃
用性筋萎縮
とい わ れxEffect
〔}f Exercise Duration on Rccovcry [t〔}m Disuse
Atrophy m Rat Soleus Muscle
1) 金 沢 大 学 医 学 部 保 健 学 科
〔〒 920
−
09’
12石川県金 沢市 小立野 5 】1S のToshiaki Yamazaki
,
RPT,
Katsuhiko Tachino.
MD,
Nobuhlde Ilaida
,
RPT・
School of Health Sciences,
Faculしy of Medicine
,
Kanazawa University2) 映 寿 会 病 院 リハ ビリテ
ー
ソ r ン科Emiko Deguch]
,
RPT,
Department of RChabilitationMedlcine
,
EiJukai Ilospital〔受 付H [998年4月4 日 /受理 日 1998年7月911) る1)。 その現
象
を検索
す る た めに,
従 来より関 節 固定
, 脊 髄 横 切, 運 動 神 経の機 能 的ブロ ッ ク,
後 肢 懸 垂 (hindlimb
suspcnsion,
HS
)法
な ど が動物実験
で用い ら れて い る。 特に,HS
は筋の運 動学的
活 用や代 謝 物 質の動 態か ら,
安 静 臥床
に近似
し たモ デル と考 え られて いる2)。
灰
囲2)は,HS
によ る廃
用性筋
萎 縮の病 態と,
萎 縮の軽 減 を 目 的 とする走行
運動
の有効性
につ い て,
牛理学
的,組織化学的
, お よ び超
微 形 態 学 的 に検索
してい る。 そ れによる と萎 縮 進 行 申の運 動 負 荷により, 萎 縮を軽 減さ せ ること が可 能で あっ た と報 告して い る。 筆 者らの研 究において も,萎
縮 進 行 中に他 動 的 伸 張 刺 激3),
短 時 闇 筋 伸張位保
382
王旦1
学療2
去’
学 第 25巻 第 6 弓持
16),
荷 重 刺 激7)を介 入 することで完 全では ない が,萎縮
を抑制
で き た。 ま た,
長 期 問の無 重 力 環 境における生 活で生 じ る筋萎縮
へ の対策
に関
して は, 米 国 航 空字宙局
(
NASA
) や ロ シ ア(旧ソ 連 )な どの 研 究
業績
が多
い 。 実際
, 宇 宙 船 内で飛行
士は 工 夫さ れ た器 具を使
い, 運 動 を 実 施 して い る8冫。 よっ て,萎
縮 発 現の背 景に違いは あ る もの の,
萎 縮 予1
坊という観点
か ら,字宙
医学
の知 見は 大変参考
にな る と思わ れる。廃 用 進 行 中の な るべ く
早期
か ら,
運 動 負 荷の介 人が可 能な らば,
回 復に要す る期
間も少
な く,
経 済 的にも効率的
と考
え られる。 しか し, 臨 床 的に は一・
定 期 問,
臥 床を余 儀な くさ れ廃
用性萎縮
発 生 後に理学療
法を処 方される場合
が多い。 しか も萎 縮 筋で は, 訓練
の た めに行っ て よい筋 運動
の負荷
賊と筋の収 縮 様 式の許容
最 が狭
い ことが報 告され て い る9’
)。 よっ て,
萎 縮 筋の回 復 過程
にお け る適 切な運 動 処 方に関 する基礎
デー
タを 得ることは,
理学 療 法にとっ て重 要と考え ら れ る。 けれ ども, 随 意 筋を廃 用の状
況に設 定 する こ との 困難
さ も影
響
し, 回 復期
にお け る効 果 的 運 動 負 荷 方 法に関 す る統
一
し た見解は得 られて いない 。運 動 負 荷が
筋
に及 ぼす 要 因と して は,
運 動強度,
持
続 時 間,
頻 度,
種 類な ど が考
え られる。 し か も,
廃
用性筋
萎 縮の臨 床 実 験 あるい は動物実験
の条件
設 定の困難
さ を鑑み れば,
方 法 論の違い に より実
験結
果にばらつ きがで て くるの は当
然と考
え られ る。 そ こで,本
研究
で は,
運 動 負荷
量 を規 定 する 条 件 と して, 運 動 持 続 時 聞に焦 点を おい た。 そ し て,
廃 用 性 筋 萎 縮の回 復 過 程における, 運動負荷
の 影 響を毎日の 運動負荷時
闘の違いか ら検 討し,
廃 用 筋に対 する適 切な プロ グラム処方
の基礎
デー
タ を得るこ と を目
的と し た。 方 法1 .
実 験材
料実 験 動 物と して
,
Wistar
系雄
ラ ッ ト20
匹(
休
重203 〜 227g
) を準 備 し た。 対 象 筋 と しては,
非 荷重 によ る影響
を う け やすい抗 重 力 筋 として ヒ ラ メ筋を選 択 し た10)。2 .実験手順
ま ず
,
ラッb
を各4
匹の5
群に分け,
その内
4
群 を 実 験 群,
1
群を対 照 群 (CON
) と し た。 対 照 群は実験期
間(4
週間
) を 通して,
通 常 飼 育と した。 なお,
本 実 験は金 沢 大 学 宝 町 地 区 動 物 実 験 指 針に従
い行
っ た。実 験
群
に は 2週間, HS にて後 肢 筋に廃 用 性 萎 縮 を 惹 起させ た。 具 体 的には先
行 研究
5) と同様
に,
特製
ジャ ケ ッ ト に て ラ ッ トの骨 盤 帯を懸 垂 し,
後 肢が床に触れ ない程度
に調節
し た。 な お,餌
・
水
の摂取
は自 巾 と した。HS
後
の2
週問を 回復期間
と し,
実 験 群の1
群 は通 常 飼 育 (HS−
F ) と し た。 他の3 群
に は,1
目10
分 (HS − IO
)・30
分 (HS − 30
)・90 分
(HS −
90
)の 運動
を負荷
し,
運 動 以 外の時 問は通 常 飼 育 と し た (図1
)。 実 験内 容 群 n (開始 )o
2W
(終 了)4W
実験 群HS −
104
一一一一 一一 一一
1> 10分/日 → HS−30
麾一一一 一一一 一
→〉30
分/日 →HS −
90 4一一 一一一 一一一
レ90
分/日→HS − F
4
一一 一一一 一一
州 〉…
』
』
臣 対 照 群CON
4
…
〉一 一一一
→〉 懸 垂,
一 〉
:運 動
, 図
1
各 群の実 験 内 容・
』
レ.
還常飼 育運動 負荷 時 間の途いが ラ ッ ト廃 用 性 筋 萎 縮の回 復 過 程に及ぼす影 響 383
3 ,
運 動 負 荷 方 法 運動 負 荷と して は, トレ ッ ド ミル (実 験 動 物 強 制 運 動 測 定 器: シ ナノ製 作 所SN − 460)走行
を5
目 /週で2
週 間,
計10
回 実 施 し た。 走行
速度
は,
1
回日
は5m
/分,
2
回 目は10
m /分,
3
回 目は13m
/分, 4
回 目は15
m /分,
5
同 目以 降 は20
m 〆分 とし た。 表1
筋湿 重 量お よ び相対重量 比 耕 ヒラメ筋 湿 重 量 (mg ) 相 対 重 量 比HS −10HS
−30HS
−
90HS−
FCON91
±8
*85
±10
* 106±1294 ± 9‡ 116±12#0,
33
±O.
02
*O.
31
±0,
04
*O.
39
±0.
04
#0,
33±O,
03
* 0.
40:ヒ0,
02#4 .
分 析 方 法実
験期
間(4
週間 ) 終 ∫後,ラ ッ ト腹 腔 内に pentobarbital sodium (
50
mg 〆kg )
を注射
し麻
酔 状 態と した。
体 重 測 定 後,
両 側 後 肢か らヒ ラ メ筋
を摘出
し,筋
湿重量 を測 定 した。 筋は摘 出直 後 に液 体 窒 素で冷 却 した イ ソ ペ ン タン内で急 速凍結
し,
分 析 まで.
.80
℃ で保存
し た。組織化
学 的 分析
の た め, まず 凍 結 横 断 切 片 (10
μm )を作 製 し た。 そ の後
,筋 線維
タ イ プ分 類 (タ イプ i・
虱)
の た めにル チー
ンATPase
染 色(
pH10.
6
)
を行
っ た。 後日,
染 色 切 片の 顕 微 鏡 写 真 (X216 ) をもとに,
各 筋 あた り100
本以上の 筋 線 維 を 対象
に横断面積
の測定
お よ び タ イ プ構 成 比 率の計 算を実 施 し た3 )。 平 均 値±SD,
相 対 重 量 比.
一
ヒ ラ メ筋 湿 重量 (mg )f
体 重 (g),
rp <O.
05(CON 群 との有 意差 ),
# :pく0.
05
(HS−
F群とα)有意差).
表2
各 群の筋 線 維タ イ プ構 成 比 率 群 タイ プ 1 タイ プHHS −10HS
−30HS
−90HS
−
FCON 70.
0
:ヒ10,
563.
6
」−
8.
472.
5
±3.
5
66
!1」L6,
2 73.
1⊥ 9.
1 30.
0
上10、
5
36,
4ナ 8.
427.
5± 3.
533,
6
±6、
2
26,
9
士9.
1
平 均 値±SD,
単 位 :%,
各 群間に有意 差 な し.
群 表3
各 群の筋 線 維 断 面積 タイプ 1 タ イ プ 皿5 .
統 計学
的検
定各群 間
の 比較
に ぱ’
兀 配 置の分散分析
を用い, 有 意 差 を 認め た場 合はScheffc
の方法
に て検定
し た。 な お,測定値
は平均値
±標 準 偏 差で 示 し,
有 意 オく準は5
% と した。 結 果 HS−10HS
−
30HS
−
9GHS−FCON
2
,170
±676
*1,
926
±581
*2,
254
±955
* 1,
895
±598
* 2,
958±894tt1,
595
±835
*1,
608
±544
*1,
780±662
*1,
594
ゴ:499*2,
308
±736
#1 .
走 行 状 態につ いて四足 動
物
に対
して トレ ッ ド ミル の 速 度を漸 次 増加
さ せ る と, 走
行の様 式は速 足 (trot )か ら,
駆 け足 (gal10p )に変 わるといわ れ2),
本 研 究の5
回目
以降
の速度
(20m
/分)
で は,
速 足 様の走 行 形 態を示して いたc,2 .
分 析結
果につ いてヒ ラメ筋 湿 重 量は,
CON
群
に比 し,
HS ・10
群,
HS −
30
群
お よ びHS
−F
群で 有 意な低 下を示 した 平 均 値±SD,
単位 :μm2,
*:p〈O.
05 (CON 群 との有 意差 ),
# :p<O,
05(HS−
F群と の有意差),
が,
IIS− 90 群
とは差が な かっ た。ま た,
HS
−F
群とHS − 90
群 問に は差を 認め な か っ た。 相 対 重 量 比で は, HS − 10 群
お よ びHS
−
30
群は,
HS −F
群
と差が な かっ た。 ま た, HS −
90 群
はHS
−
F
群,
HS −− 10
群 およ びHS −
30
群 よ り有 意に大 き く,
しか もCON 群
と 差 が な かっ た (表1 )
。筋 線
維
タ イ プ の構 成 比 率は,CON
群の タ イ プi 線
維が多 く(
73.
1
% ),
実 験群
で少
ない(
63.
6
〜 72.
5
% )傾向
に あ っ た が,
有 意 差は認めなか一
・ た(
表
2
)
D筋 線 維 断 面 積の結 果を
表
3
に示 す。 タ イ プ 」・
且線 維ともに, CON
群
に比較
し,
実 験 群で有 意 に低い値(
各
々64 〜 76
%・69 〜 77
% )を示し た 。 しか し,
実験群
問に差 は認め な か っ た。384 工里学 療 法 学 第 25巻 第6
・
署・
考
察
本
研 究で は廃 用 性 筋 萎 縮の同 復 過 程に及ぼ す運動負荷
の影
響 を,
持 続 時 問の違いか ら検 討し た。 そ の結 果,
相対
重量比で は,1
「.
110
分およ び30
分の運 動 負 荷で は,HS −F
群と差が な く,
効 果を 認め な か っ た が, 1
日90
分
の運 動負
荷はHS −F
群
よ り有 意に大 き く効 果 的であ っ た。 し か し,筋
線維
タ イ プ構 成 比 率 および線 維 断 面 積に関しては, 実 験 群 聞に統計学 的有
意 差を認めず,
運 動 負荷持
続時問
に よ る影響
を明 らかに で き な か っ た。 そこ でT筋線維
の大 きさをよ り詳細
に分析
する た め, 断面 積の分 布 状 況 を各 群で比 較 した (図2
)。 こ の グラフ は各群
の計 測 全 線 維数
を100
% と して,
その分布
比率
をプ ロ ッ トし たもの である。
対 照 群 は タイ プ1 ・H
ともに中 闇 付 近に最大値
を もっ,
一
峰
性の分
布 を示 してい る。
実 験 群は,
対 照 群に 比 し全 体 的に狭
い範
囲で左方
に偏位
し,萎縮
を示 し た。 特 徴 的な点は,
実 験 群のタイ プ且線 維で,
最 大値付
近の 大 きな ピー
クと1000
μ 以 下の よ り小さい線 維に も うひ とっ小
さい ピー
ク を もっ , 二 r峰性
の分布
を示
し た ことで ある。特
に, 10
分 20隶
ls 掛10 鞏 (R5 O o 2000HS
−・
10
4000ロ
タ イプ1
翻
タ イプ1
20 15(
决〉
欄一
10 云 くR5 O oHS
−
30
200e 4000 20 15 10 5 0 0HS
−
F
2DOO 4000 20 15(
凍)
概10 鵡 (R 5 0 0HS
−
90
20 15 10 5CON
0 2000 4000 0 2000 4000 断面積(μ 〉
断面積
(μ ) 図
2
筋 線維 断 面 積の分 布 比 率運 動 負 荷 時 間の違いがラ ッ ト廃 用 性 筋 萎 縮の回 復 過 程に及ぼす 影 響 385 の運 動 負 荷 群で よ り顕 著と なっ て い る。 この点に 関して
,Stauber
ら11)は ラ ッ トヒ ラ メ筋に おける 反復伸
張の 影響
を検索
し,伸張
ス ピー
ドによ る違 いを 報 告 して いる。
特に速い伸 張で は,
小 さい サ イズの線維群
が出
現 し, 正 常線
維の一
部
が失わ れ,
結 合 組 織や再 生 線 維に置き か わ っ た こと を示唆
し てい る。 また, Kasper
ら L2〕 は,
HS
後の回復 過 程におい て, ヒ ラメ筋
に小
さい サ イ ズの タ イ プH
c線維
が出
現 する こと を観 察して い る。 それによ る と,
運 動 負 荷が な くて も出 現 して い る が,
走 行 運 動で有 意な増加
を示して お り,
一
時
的筋傷害
の 可 能 性 を 報 告して い る。 本 研究 結 果 も同様な傾 向 を示 したこ と か ら, 懸 垂 後の再 荷 重お よび走 行 運 動に よ る筋 原 線 維レ ベ ル の微 細な傷 害2)の 発 生が推
測さ れ る。 ま た, HS −F
群に お け る小さ い サ イ ズの線維出
現に関
して は,
懸i
畢に よる ヒ ラ メ筋の 短縮 状 態が,荷
重によ り急激
に伸張
さ れ, さ らに筋仕事
量が増 加 したこ と7)が 原 閃の一
っ と考 え ら れ る。 以上よ り,萎縮筋
に対
する 運動負荷
は,
運 動 負 荷に よ る効 果と筋 傷 害の両 面を考 慮 する必 要 が あ る と考
え ら れ る。本 研 究で は運 動
負荷装
置と して トレ ッ ド ミル を 用い た。走行
速 度に関
し て は, 2
週 間の後肢懸
垂 に よ る非荷
重後
であ るこ とを 考 慮 し, 5m
/分か ら漸 増 し,
5
回 目以降
20
m /分
と し たQ20m /分
の走 行 速 度で み られた速 足 形 態で は,
自発 行 動 時 に比べ ヒ ラ メ筋
の活動.
量 は約
L4
か ら1.
8
倍
に増 加 すると報 告されて い る2)。 また, Riley
ら 13)は ラ ッ ト にっ い て非荷
重後
の再荷
重状
態を ビ デ オ記 録によ り観 測し,移動
は止常
ラッ トの約 1
/3
で あっ た と報 告して い る。実際,
運動負荷初
「1
は,
5m
/分
の ス ピー
ド で も,
かろう じて追 従 して い た。 臨 床 的に考えて も,
臥 床 直 後の患者
に は 運動
負 荷 屋を 漸 増 する ことは適 切と思わ れる。 さ らに,
本 研究
では非荷
重によ る影響
をう け やすい抗 重 力 筋と して ヒ ラ メ筋を選 択 し た が, 伸 張ス ピー
ドに よる反 応の違い11)を考え るな らば,
よ りゆ っ く り と し た歩
行 形 態で の検 討 も必 要で ある と考え られ る。D ’
Aunno
ら]4〕 は無 重力
環境
を想 定 し, ラッ ト ヒ ラ メ筋の非 荷 重に よ る萎 縮 予 防 対 策と して,
機 械 的な遠 心 方 法を利 用 した 人一
.
「:的 重 力 (1.
5G ,
2.
6G
)
を用い て い る。 そ れによ る と,
運動強度
より も,
運 動 頻 度・
運 動 持 続 時 闘・
筋の収 縮 状 態 といっ た要 因が,
萎 縮 予防
に影響
するこ と を示 唆 してい る。本
研 究で は持
続 時 闇の観 点よ り検 討 し た結 果,
確かに1H90
分で効 果 的な点 もあっ た が,単
に持続時間
の みで は解釈
で きない点
も あ っ た。 非 荷 重 筋に対 する運 動 負 荷に は,
ス トレ スの 影 響 を 考 慮 する必 要があ り,
持 続 時 闇よ り頻 度 が よ り重要
な要因
とす る報 告
15)も あ る。 ま た,灰
圉2)は筋 萎 縮の予 防・
軽 減に与え る要 素に は, 運 動 強 度 と持 続 時 間 が あり,
それ らの相 乗で萎縮防
止 発 現の 閾 値が決 定さ れ る と述べ てい る。 さ らに, 本 研 究で は成 長 期の ラッ トを用い た が,
年 齢に よ る影 響 も考 慮 する必 要がある。
山 下ら16)は加 齢に伴
う筋
の蛋白質合成能
力の低
下 を示
唆し,青年期
で は萎 縮 後の回 復 期にお ける低 強 度 運 動 負 荷は筋機能
の向
上 を 促 すが.
老年期
で は筋
の機能維持
に 必 要 不 可 欠で あ る と し, 至 適 運 動 強 度は年 齢によ り異な る と述べ て いる,, 山 内ら の は廃 用 後の筋 機能
回復
に 及 ぼす等
尺性
運動
の効果
を若齢期
と老齢
期
で検討
して い る。 それに よ る と,収縮 ・弛緩時
間の 回 復は若 齢 期に比べ 老 齢 期で 遅 延 し,
運 動に よ り促
進さ れ た。 以上の よ う に,
運 動 負荷
が筋
に 及ぼ す要 閃には種々 考え ら れ る た め, 今後は各 要因
の影響
を 明 確にするこ とが重 要 と思われる。 文 献D
千 野 直一
:廃 用 性 筋萎縮の 発 生機 序,
1
.
リハ ビ リ テー
シ ョ ン基礎 医学, 第 2版 」, 上H
/i
敏・
他 (編 ),
医学書院 1994, pp 203−
212.
2) 灰 田 信 英: マ ウ ス ヒ ラ メ筋の廃 用 性 萎縮の病態な ら び に運動 負 荷 効 果に関する研 究, .
卜全 医 会 誌 99: 1050−
1067,
1990,
3) 山 崎 俊 明,
灰 田 信 英・
他: ラッ トヒラ メ筋の廃 用 性 萎 縮に対 する他 動 的筋伸張 刺 激の 効果.
組織化 学的ラ}科千.
王咀学 療 之去学 20: 87−
92,
1993.
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vaetArellIH"cDEvhs'
7"・y
Fasm・taimaivaa)mtsvau'
l・[bsleg's-eepm.・,・ii<Abstract>
387
Effect
ofExereise
Duration
onRecovery
from
Disuse
Atrophy
in
Rat
Soleus
Muscle
Toshiaki
YAMAZAKI,
RPT,
Katsuhiko
TACHINO,
MD,
Nobuhide
HAIDA,
RPT
School
of
ffealth
Sciences,
hacut(y
of
i14edicine,Kanazawa
(iniversily
Emiko
DEGUCHI,
RPT
l)epartment'
of
Rehabititation
Medicine,
Eijuleai
Hbspital
The
purpose
ofthis
study wasto
investigatc
the effect of exerciseduration
on recoveryfrorn
disuse
atrophyiri
rat soleus muscle.Twenty
maleWistar
rats(weight:
203-227g)
weredivided
into
experimental and controlgroups.
In
the experimentalgroup,
disuse
muscle atrophy wasinduced
by
hindlimb
suspensionfor
two weeks.Upon
termination of the suspension, these rats were madeto
runfor
1O,
30,
or90
min!day on a treadmillduring
the
subsequent recoveryperiod
(2
wk).