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A Review of Using Hypoxia as a Therapeutic Modality: Developing Intermittent Hypoxia-Hyperoxia Conditioning Protocol Guidelines for Surgical CABG Patients
2019年4月
ダニエル・ニューマン
ミルウォーキー・スクール・オブ・エンジニアリング
概要
本論文では、外科的冠動脈バイパスグラフト（CABG）患者の治療法として期待される、間欠的低酸素条件付け（IHC）によるホルミシス効果について検討した。IHC の歴史を簡単に振り返るとともに、既知の細胞メカニズムについて詳細に検討した。IHCに関する様々なレビューや主要な研究が検討され、心血管患者にとって有益な臨床結果が示されている。この情報をもとに，CABG患者の臨床管理にIHCを取り入れるためのプロトコルガイドラインを作成した。このガイドラインでは、適切な投与方法、臨床上の安全性、患者管理について述べられている。このレビューで得られた知見は，すべてのメカニズムを完全に理解し，IHCの投与を最適化するためにはさらなる研究が必要であるが，この治療法は安全で，非侵襲的かつ非薬理学的な治療法であり，現在の心臓管理やリハビリテーションの有用な助けとなる可能性が高いというものである。
1. はじめに
高地トレーニング（HAT)低酸素コンディショニング（HC)酸素チャレンジなど、研究や臨床の場でよく使われる言葉は、分圧（低気圧）や吸気酸素量（FiO2）などによって大気中の酸素濃度を変化させ、身体に負荷をかけることを意味する。この低酸素刺激は多くのカスケードを引き起こし、最終的には細胞の適応につながる
[1]. 意図的に身体に負荷をかけて反応や抵抗を引き出すという概念は「ホルミシス」と呼ばれ，運動や予防接種などの日常的な例や，神経可塑性や活性酸素種（ROS）などのあまり知られていない例が，この現象を例証している [2, 3]。ホルミシスとは，細胞が低用量の有害な刺激にさらされたときに，将来の傷害に備えて適応し，コンディションを整え，最適化するという独自の能力に基づくもので，同じ刺激を大量に受ければ有害な影響が生じる可能性がある（図1）[2, 3, 4]。16世紀の化学者であり医師でもあるパラケルススの造語「Dose makes the poison」は，物質の有益な効果と有害な効果の決定的な違いを要約したもので，適応反応を引き起こすのに十分な細胞のひずみを与え，細胞を傷つけるのには十分ではないことを意味している [2, 4, 5]。
図1：ホルミシスの図解 [6].10
原文参照
HCの生理学的効果を理解しようとすると、すぐに非常に複雑になる。HCは、完全には理解されていない分子および細胞カスケードの相互接続された迷路で構成されている。この論文では既知のメカニズムと経路について述べているが、全動物あるいはヒトの研究で誘発される反応に注目することは有益である。HCに関する研究は、アスリートがパフォーマンス向上のためにHCを使用することを調査する研究が中心となっているが、ヒトでの臨床試験は相対的に不足しており、その結果、HCは主に患者集団における安全性と有効性に関する懸念から、臨床の場では無視されることが多くなっている。
しかし、最近ヨーロッパで、心臓手術の前後のコンディショニングに間欠的低酸素コンディショニング（IHC）を用いた場合の安全性と有効性を示す研究がいくつか発表されている[7, 8, 9]。この総説の目的は、HC の歴史を振り返り、IHC、特に心臓血管系に関する現在入手可能なデータをまとめることである。さらに、この文書の特徴は、冠動脈バイパスグラフト（CABG）患者の前後のコンディショニングに断続的低酸素-高酸素コンディショニング（IHHC）を使用し、IHHCの臨床的有効性を判断するための試験をデザインするためのプロトコルガイドラインを作成する試みである。
2. 背景
2.1 低酸素による生体への影響の歴史
低酸素とその人体への影響は、Joseph Priestleyが酸素を発見した直後の1800年代には研究されていた[10]。気球乗りや登山家は、適切な順応をせずに高地に登ると衰弱し、死に至ることさえあることをすぐに発見した [10, 11]。高地に住んでいる人や、順応するのに十分な時間があった人は、驚くほど順応することが観察された[10, 11, 12]。これらの人々は、より高い高度に、より大きな運動能力で、急性高山病にならずに昇ることができたのです[10, 11, 12]。この研究が世界に公開されたのは、1991年にソビエト連邦が崩壊した後しばらくしてからであったが、ロシアの研究者はHCの最初のパイオニアの一人であった[13, 14]。
第二次世界大戦前までさかのぼると，旧ソ連ではパイロットが7000メートル以上の高度でオープンコックピットの飛行機を操縦できるようにするために，高度室と低気圧室を使用していた[13]．これらの方法にはコストと不便さが伴うため，ロシアの研究者は，間欠的な低酸素ガスの吸入によって同様の順応が得られるかどうかを研究し，有望な結果が得られることを見出した [13]。ずっと最近になって、アメリカでもパイロット（機内の圧力低下下での認識)落下傘兵（高地ジャンプ)水陸両用部隊（肺活量の増加)特殊部隊（高地での任務のための順応)兵士の運動能力向上のためにHCを使い始めた[15]。しかし，低酸素トレーニング（HT）が細胞の適応を促し，運動能力の向上に寄与することが認知され始めたのは，1968年のメキシコシティ（標高2240m）で開催されたオリンピックで低耐久種目のタイムが記録されてからのことである[16, 17]。1968 年のオリンピック以来、半世紀にわたり、様々な低酸素トレーニング（HAT）や断続的低酸素トレ ーニング（IHT）が、分子レベルでの変化を評価し、それらの適応がどのように競技成績に結びつくか を評価するために盛んに研究されてきた。
2.2 低酸素トレーニングの競技上の利点
高地トレーニングにはいくつかの方法があり（図2)それぞれの方法では異なる領域での分子や細胞の変化が強調されているかもしれないが、これらの方法の目的はすべて、パフォーマンスを向上させるために有酸素運動能力と効率を高めることにある[18]。
図2：高地・低酸素トレーニング技術の概要
[18]. IHE=間欠的低酸素曝露，IHIT=インターバルトレーニング中の間欠的低酸素曝露，CHT=継続的低酸素トレーニング，RSH=低酸素下での反復スプリントトレーニング，LH=live high，TH=train high，LL=live low，TL=train low，HH=高気圧性低酸素，NH=正常気圧性低酸素
2.2.1 高地トレーニング
当初、研究は受動的順応とHATに焦点を当てており、これらの方法がエリスロポエチン（EPO）産生、赤血球（RBC)ヘモグロビンの質量と親和性の増加を誘発するという主張を裏付ける研究が数多く登場した[16, 18, 19, 20, 21, 22]。これらの適応プロセスを最適化する方法を見つけるために，live high train high（LHTH），live low train high（LLTH），live high training low（LHTL）などのさまざまなプロトコルが開発された[16, 18, 20, 21, 22, 23]。LHTLは、高地への長時間の暴露を伴うため、前述のような血液由来の適応を身体に形成させながらも、アスリートが正常酸素状態で最大出力のトレーニングを行うことができるため、最も有益な高地プロトコルであると考えられている[16, 18, 20, 21, 22, 23]。多くの研究では、これらの高地プロトコルが有酸素能力やある程度の有酸素効率の向上に効果的であることが示されている[16, 18, 20, 21, 22, 23]。これらの研究では、これらの適応がパフォーマンスの向上につながることもわかっている[16, 18, 20, 21, 22, 23]。
地上でのHAT技術の欠点は、アスリートがトレーニングのたびに数千フィート下がることができる地域に住んでいなければならないため、現実的でないことが多いことである。また、パフォーマンスの向上はアスリートによって異なるようで、小さな改善でも最も影響を受けるエリートアスリートに最大の効果があると言われている[16, 18, 20, 21, 22, 23]。このため、HATは、すでに高地で生活している人にとっては偶然のトレーニング戦略となっているし、熱心に取り組んでいるエリート持久系アスリートにとっては、パフォーマンスの向上につながると信じられている[24]。
2.2.2 間欠的低酸素トレーニング
過去 20 年の間に、IHT に関する研究が HAT の追加プロトコルとして登場した [18, 22]。IHTでは、HATのように主に有酸素運動能力を目標とするのではなく、有酸素運動の効率を重視している[18, 22]。転写因子である低酸素誘導因子-1α（HIF-1α）および他のいくつかの重要な制御タンパク質は、IHTの主要な標的の一部です[18, 22]。IHTの適応のメカニズムは、運動と多くの類似点がある。このため、いくつかの研究では、IHT は、最大有酸素運動と組み合わせることで最適化されることがわかっている [25]。いくつかの研究では、高強度インターバルトレーニング(HIIT)と反復スプリントトレーニング(RST)は、最大負荷以下のIHTと比較して、単独でも同じようなHIF-1αの活性化を示した[18, 25, 26]。LHTLプロトコルが最も効果的であることがわかったのと同じ理由で、酸素消費量が低下し、トレーニング刺激が減少するため、IHTセッションを延長しても最大作業能力に到達するのは難しいことが観察された[25]。しかし、IHTと短時間のHIITを組み合わせると、最大出力に耐えられ、IHTとHIITの両方の適応メカニズムが複合的に作用して、より大きな分子と細胞の刺激を引き出すことができる[25]。最近の研究では、HIIT や RST と IHT を組み合わせることで、HIF-1 αを活性化することが期待でき、アスリートがトレーニング中に十分に耐えられることが示されている [18, 25, 26]。また、HIIT中にIHTを行うことは、HATに代わる優れた方法であるだけでなく、これらの異なるトレーニング戦略がお互いに補完し合うことができるという研究結果もある[18, 27]。様々なHT戦略は異なるメカニズムを対象としているため、正しく行えば、2つのアプローチを組み合わせることで、適応をもたらすより効率的な方法となることが提案されている[18, 22]。
2.2.3 低気圧と常圧低酸素の比較
HT技術の主な違いの一つは、低酸素環境への遭遇方法である。低気圧性低酸素（HH）と正常気圧性低酸素（NH)慢性低酸素と間欠的低酸素である。HH または NH のメカニズムに有意な差があるかどうかに関する研究は分かれている [28, 29, 30, 31, 32]。いくつかの研究では、HHがNHと異なる効果を誘発するかどうかを理解するには交絡変数が多すぎると結論づけており、さらに、たとえ違いがあったとしても有意ではないとしている[28, 30, 32]。これに対して、HHはNHと比較して、換気反応、体液バランス、急性高山病の重症度、一酸化窒素（NO）の代謝、パフォーマンスの向上などにおいて優れた適応を誘発することが提案されている[31]。別の研究では、安静時にはHHとNHは同じような結果になるが、運動後にはHHはNHに比べてより大きな低酸素血症を引き起こし、右心室機能が向上することがわかった[29]。メカニズムは完全には解明されていないので、適応反応の誘発においてHHとHNがどの程度異なるのかを明らかにするには、さらなる研究が必要である[28, 30, 32]。
2.2.4 低酸素トレーニングの時代
IHTの効果が確認されると、高地を模したマスクや施設が発明され、人工的に正常気圧や低気圧の低酸素環境を作り出すことができるようになった。これらの装置は、アスリートが好きな場所でトレーニングできるより現実的な方法であり、これらの装置は簡単に入手できるため、アスリートは最近、様々なトレーニング技術（持久力、レジスタンス、HIIT、リカバリー）に頻繁に使用するようになった。IHTのプロトコルや使用するデバイスには様々なものがあるため，いくつかの研究では様々な結果が得られており，さらなる研究が求められている[16, 18]．それぞれのアスリートのフィットネスレベル、競技、目標に合わせて、最も重要な生理学的適応を引き出すために、HT戦略を微調整するためには、さらなる研究が不可欠であるが、IHTは現在のところ必要とされており、有望な可能性を秘めている[18]。
HT を調査した多くの研究では、細胞の変化とパフォーマンスの結果に関して同様の結果が得られている。低酸素環境で，高い無酸素閾値を誘発する強度のトレーニングを行うと，EPO，赤血球，ヘモグロビン，ミオグロビン，解糖能，ミトコンドリア密度，毛細血管密度が正常酸素環境でのトレーニングよりも増加する（これらの適応のメカニズムは付録Aに記載）[20, 27, 33, 34]。酸素の需要を減らし、酸素の運搬能力を高め、有酸素運動の効果を高めることで、HTはエネルギー利用と競技パフォーマンスの向上につながり、アスリートが競争力をつけるためのツールとして将来が期待されている[20, 33]。
陸上競技の分野ではHTは長い道のりを歩んできたが、これらの有望な結果は臨床の場でも十分に通用する可能性がある。様々な患者が、心血管系、呼吸器系、代謝系、認知系の健康に効果があることが知られている運動によって誘発されるのと同様の効果を得ている。運動能力向上のためのHTの数十年にわたる研究は、臨床疾患の治療にIHCを使用するための基礎となっている。
2.3 臨床現場における低酸素コンディショニング
2.3.1 低酸素に対する生体の反応の自然界での例
低酸素は、閉塞性睡眠時無呼吸症候群（OSAS）の結果として、かなり以前から臨床の場で観察されてきた。OSASの特徴は、過呼吸と胸腔内圧の上昇を伴う重度の断続的な低酸素状態が多数（30～90回）周期的に発生することであり、これが過剰な酸化ストレスと全身の炎症反応を引き起こす[1, 35]。当初、軽度のOSASは、保護的なプレコンディショニングメカニズムとして機能し、血管新生を誘発し、冠側副血行路を増加させる可能性がある[36]。しかし、時間が経つにつれ、OSASの重症度、持続時間、夜間暴露の性質は不適応となり、高血圧、脳卒中、冠動脈疾患、代謝異常、心血管死亡率の増加などの有害な状態は、未治療のOSASと関連している[1]。
先天性心疾患もまた、低酸素/低酸素血症と関連し、生存のための適応反応を引き起こす疾患状態である[37]。ヘマトクリットの増加は、組織への酸素供給量を増加させるための必須の適応の一つであるが、結果が伴わないわけではない [37]。先天性心疾患患者における赤血球増加症は、脳卒中、筋力低下、血栓症、血液のシアストレスの増加、血管の機能障害や破裂と関連している[37]。ファロー四徴症の患者に見られるもう一つの適応は、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体γコアクチベーター-1α（PGC-1α）の発現が増加することで、ミトコンドリアの生合成と酸化的リン酸化の増加をもたらし、組織が経験する低酸素血をより効率的に利用できるようにすることである[38]。
低酸素に対する身体の適応能力を示すもう一つの例として，標高4000m以上の高地で生活する何百万人もの人々が挙げられる[11, 39]。最近の研究では、高地に住んでいる人は、高地に住んでいない人と比較して、肥満、2型糖尿病、虚血性心疾患、喘息、神経症の発生率が有意に低く、平均寿命が長いことが明らかになっている[11, 39]。
これは、人々が適度な低酸素状態で生存しているだけでなく、その中で繁栄していることを示している。
このような自然発生的な低酸素および低酸素血症の例や、慢性閉塞性肺疾患や喘息などの例では、低酸素によって刺激される有益な適応があり、最初は生存メカニズムとして機能している[1, 37, 40]。しかし、残念ながら、病気の状態は重症化することが多く、時間の経過とともに不適応が深刻な結果を招くことになる[1, 37, 40]。様々な疾患集団で観察される併存疾患や有害な影響により、多くの臨床医は、IHCについて知ったときに、表面的には直観に反する治療法であると警戒する。しかし、先に述べたように、またスポーツ選手のHTに見られるように、適切にモニタリング・投与された場合、HCはホルミシス効果の一部として誘発される多くのポジティブな適応を示す[1, 35, 41]。
2.3.2 治療的間欠的低酸素コンディショニング
IHCは全身のメディエーターや組織に影響を与え、重なり合う様々な細胞経路を刺激する。これらの複雑なカスケードはまだ十分に理解されていないが、これらの様々な経路が心血管、代謝、呼吸、神経の効果を誘発する能力を明らかにするための追加研究が始まっている[35]。図3は、重要かつ既知の活性化されたHC経路の簡略図である。付録Bでは、これらの主なメカニズムとそれらの相互に関連するカスケードの詳細な説明を行っている。しかし、治療法の臨床的妥当性に関しては、患者の転帰が重要である。そこで，次の章では，心血管障害のある患者を対象とした研究で観察された有益な結果をまとめてみた。
図3：心血管の健康/保護のメディエーターに対するIHC刺激の提案[5, 35]。ROS = 活性酸素種（reactive oxygen species）
3.3.3 心血管疾患患者で観察された臨床的アウトカム
心血管系の機能が低下している患者に対するHCの影響を調べた研究の数は限られているが、質の高い研究は少数ながら存在する。いくつかを詳細に検討する。Lyaminaら[42]は、第1期高血圧症の若い男性37人にIHCプロトコルを採用し、正常血圧の健康な参加者20人の対照群と比較した。試験の4日前に，患者は低硝酸塩食を摂取するよう求められ，そのためのガイドラインが提供された。3分間の低酸素状態（FiO2 10%）を4〜10サイクル行うIHCセッションを1日20回連続で実施した。治療の前後および3ヵ月後の追跡調査で、血圧と尿中のNO排泄量を測定した。その結果、統計的に有意な血圧の低下とNO濃度の上昇が認められた（表1）。
表1：Lyaminaらの研究[42]で収集したデータの概要
原文参照
SBP=収縮期血圧，DBP=拡張期血圧
Glazachevら[7]は、CABG術後の患者に、（運動に基づく標準的な心臓リハビリテーションの代わりに）正常圧IHHCプロトコルを採用した。この研究では、46人の患者を8週間の非無作為化対照試験に登録した。27名の患者が、低酸素（10～14%）を4～6分、高酸素（30%）を3分回復させるサイクルを5～7回行うIHHCセッションを週に3回実施した。IHHC群は、標準的な心臓リハビリテーション運動プログラム（FiO2 21%）を行った対照群の患者19名と比較された。その結果、IHHC群では、運動パフォーマンスと耐性、血圧低下、血液と代謝のプロファイル、および知覚的QOL（Seattle Angina Questionnaire）において、統計的に有意な改善が認められた。アウトカム評価は、治療前と治療後、そして1ヶ月後のフォローアップ時に行われた（表2）。IHHC群は、対照群と比較して、同等以上の結果を示した。
表2：Glazachevらの研究[7]で収集された臨床的に関連するデータの概要
原文参照
LVEF=左心室駆出率、TC=総コレステロール、AI=atherogenic index、LDL=低密度リポ蛋白質
Tuterら[9]は、術前のCABG患者に正常圧のIHHCプロトコルを採用した。登録された127名の患者は、3つのグループに分けられた。IHHC、RIPC、対照の3群に分けた。IHHC群では、1日20〜30分のIHHCセッションを4回行い、3〜5分間の低酸素状態（12%）の後、1〜3分間の高酸素状態（35〜40%）とした。RIPC群では、10分間の遠隔虚血性プレコンディショニング（RIPC）の後、10分間の再循環を3サイクル行い、これは誘導の直前に実施した。対照群は、IHHC群と同じスケジュールで、偽処置（加湿した正常酸素空気）を行った。これら3群の乳酸値とトロポニンI値を術前、術後2時間、術後24時間に測定し、さらに術中、術後に観察された合併症についても調べた。IHHC群では、乳酸値とトロポニンI値が統計的に有意な結果を示し、不整脈が減少する傾向が見られ、心筋の保護が図られた（表3）。
22
表3：Tuterらの研究[9]で収集されたデータの概要
原文参照
RIPC=remote ischemic preconditioningの略。
これらの3つの研究で確認された効果を詳細に見ていくことに加えて、HCによって誘発され、20以上の研究で確認された一般的な臨床結果の概要を表4に示す。さまざまな焦点を当てた研究では，さまざまな種類のHCプロトコルが使用され，有益な変化の程度もさまざまであったが，表4には，患者に対するさまざまな臨床応用の可能性が示されている。患者集団には、オーバートレーニング症候群のアスリート、健康な人、高齢者、肥満の人、そして冠動脈疾患、CABG処置、心不全、糖尿病、高血圧の患者が含まれている。また、患者を対象とした研究では実現不可能であったり、不足していたりする結果を示すために、いくつかの重要な動物実験が含まれている。
表 4：低酸素コンディショニングの臨床結果のまとめ
原文参照
すべての結果は、別段の記載がない限り、対照群と比較して統計的に有意に異なっており、”^”で示されている。N=ノルマルバリック、H=ハイポバリック、CHC=慢性低酸素性コンディショニング。
表4に見られるように、疾患患者におけるHCの効果は数多く考えられる。これらの研究で得られたいくつかの重要な知見は、注目に値する。最も注目すべき点は、HCは、運動が苦手な患者集団において、運動能力と耐性を高めるのに非常に有効であることが示されていることである[7, 8, 47, 52, 54, 57, 58, 59, 60, 64]。これに加えて、複数の研究では、狭心症の大幅な減少、低酸素耐性の向上（プロトコル終了時の低酸素状態での動脈血酸素飽和度（SaO2）が最大8%上昇)O2利用率の向上も示されている[7, 9,52, 54, 55, 56, 58, 59, 60]。高血圧患者では、NO産生の増加が見られ、その結果、血圧がかなり低下した[7,42,52,53]。多数の患者を対象とした研究では、脂質プロファイルが劇的に低下し、動脈硬化や血管の健康状態の低下も見られた[7, 48, 51, 58, 59, 60, 62]。主観的ではあるが、複数の研究で、QOL（生活の質）の質問項目で、プロトコルの前後で改善が見られた[7, 42, 47, 57]。2つの患者の研究では、LVEF%の増加傾向が見られ、別の研究では、CABG処置後にトロポニンIレベルの40%以上の減少が見られた[7, 9, 47]。このことは、低酸素状態にすることで心筋保護作用が高まり（梗塞が50%程度減少)心機能が向上することを示した数多くの動物実験を裏付けるものである[43, 44, 45, 46]。これらの有益な効果は、単独では小さいと思われるものもあるが、患者の心血管系の健康に複合的な効果をもたらす。臨床的に適切な結果を得るためには、より多くの患者を対象とした研究が必要であることは明らかであるが、予備的な研究では、様々な患者の管理に役立つことが示唆されている。
2.3.4 遠隔虚血性プレコンディショニング
原理的には似ているが、IHCとRIPCの違いを理解することが重要だ。虚血性プレコンディショニングは、ホルミシスと同じ概念で作用するが、肺に拡散するFiO2を減少させることで低酸素を誘導する代わりに、組織に血液が供給されないように血管を閉塞させる[5]。間欠的な虚血状態は動物実験で有望な結果を示しており，虚血再灌流障害（I/RI）の保護を目的として，一定期間，心臓の開腹手術で試用された[5]。これは、最終的なクロスクランプを行う前に、大動脈を3～5分間かけて数回クロスクランプし、心臓へのアクセスを可能にすることで達成された[5]。
この方法は現実的ではなく，大動脈のプラークを取り除くことによる有害な影響があったため，広く使われる技術にはならなかった[5]。
RIPCは，虚血性プレコンディショニングに伴う障害を回避するために確立されたもので，同じ手法を用いるが，腕または脚を閉塞するだけである[5]。これは，血圧計のカフを200mmHgまで膨らませて5～10分後に解放することで達成される。プロトコルによって，閉塞の時間やサイクルは異なる[5]。閉鎖された腕や脚のI/RI保護を刺激するメカニズムは、血行が再開したときに分配されると考えられている[5]。IHCとは異なるRIPCの主要なメカニズムの1つは、CO2の蓄積とその結果としての酸血症である[5]。これがI/RIの保護に役立つのか、有害なのかについては議論があるが、現時点ではCO2の影響について結論を出すには十分な研究がなされていない[5]。もう一つの違いは、臨床現場での応用である。RIPCはシンプルで、手術の前に直接、タイムリーに投与することができるが、患者はこの技術によって不快感を抱くことが多いのです[5]。RIPCに関する研究が進むにつれ，RIPCは短期的なI/RI保護のための効果的な代替手段としての役割を果たす可能性があると思われる[5]。
2.4 外科的心臓病患者のためのプロトコルに関する臨床研究の必要性
心疾患患者にIHCを行うことの安全性に対する臨床医の不安と、心疾患患者の管理にIHCを使用することが可能かどうかの懸念が、IHCを臨床の場から遠ざけている2つの主な障壁となっている。近年、治療用IHCのさまざまな適応に関する患者研究が出てきているが、特に米国では、外科的な心臓患者におけるプレコンディショニングとポストコンディショニングの効果を調べた研究はほとんどない。臨床家が使用できる実用的なプロトコルがないため，IHCは理論上の地位にとどまり，臨床家が検討すべき治療法としての発展が制限されている。そのため，安全で効果的なプロトコルのガイドラインを作成するために，適切なIHCプロトコルのパラメータと安全性について検討する必要がある。
2.5 プロジェクト声明
心臓病患者におけるIHCの潜在的な治療効果を考慮すると，このテーマについてさらに質の高い臨床研究を実施する必要がある。そのためには、適切に設計されたプロトコルを導入する必要がある。本プロジェクトの目的は、IHCに関する現在入手可能な研究を紹介し、CABG患者の臨床現場で実施可能な術前・術後の間欠的低酸素-高酸素コンディショニング（IHHC）プロトコルガイドラインを作成することである。
3. 方法
本プロトコルガイドラインを作成する過程で、以下の手順を踏んだ。HC」「HC for cardiovascular patients」「HT for athletes」「matches of HC」「hypobaric vs normobaric hypoxia」「cardiac rehabilitation」などの用語を用いて200以上の論文を検索・検討した。また，様々な総説や低酸素コンディショニングの一次研究で使用された参考文献をたどることでも論文を見つけた。特に心臓血管系の患者を対象とした HC の歴史、メカニズム、安全性、有効性に関する情報を得 るために論文をレビューした。
さらに、HC と心血管障害患者に関する最近の総説や研究の著者数名に連絡を取り、追加情報を得た。また，HC 装置の製造会社 2 社（Hypoxico および Ai Mediq S.A.）に連絡を取り，同社の装置および心血管障害患者を対象とした研究に関する詳細情報を尋ねた。また，CABG後の患者の心臓リハビリテーションについて，理学療法士にも相談した。
すべての入手可能なデータを検討した後，CABG患者の術前・術後のHCプロトコルの作成に最も適した論文を使用した。様々なHC戦略の安全で効果的な投与量、期間、頻度、長さに関する最新かつ適切なデータがまとめられた。さらに、心血管系の患者集団におけるHCの安全性について、多くの研究が検討された。そして、これらの知見をもとに、CABG 患者のプレコンディショニングおよびポストコンディショニングのプロトコルガイドラインを作成した。
4. 結果
4.1 低酸素コンディショニングのバランスの検討
低酸素の投与量、持続時間、頻度が、有益な結果をもたらすか有害な結果をもたらすかに重要な役割を果たしていることは明らかである[4]。刺激が少なすぎると結果が出ず、治療は時間とお金の無駄になってしまう。一方，刺激が強すぎると，安全でない治療になってしまう（図4）。
図4：低酸素曝露の用量反応 [1]. 中等度の低酸素とは、およそ10%から 15%のFiO2,または2500mから5000mの範囲である
低酸素は不適応を引き起こす可能性があるため、IHCの適切な投与法を理解することが不可欠である。複数のレビュー記事では、多数の一次研究における様々なHCプロトコルが検討され、低酸素の最適な投与法とされるものについて同様の結論が得られている（表5）[4, 41, 65, 66]。患者の治療を考慮すると、IHCは最も臨床的に実現可能で有益であると広く受け入れられている[4, 41, 65, 66]。IHCでは，比較的短時間の治療が可能で，簡単かつ安価に患者の治療に組み込むことができる。
表5に見られるように、HCの投与方法は大きく異なるが、許容範囲内であれば有益な結果が観察されており、治療は完全に安全であることがわかっている。数十年にわたるアスレチックトレーニングプロトコルの研究と同様に、心臓外科患者を対象とした最近の数多くの研究でも、IHCの安全性と良好な忍容性が示されている[7, 8, 9, 47, 57, 58, 63, 67]。先に述べたように、IHCはある程度運動を模倣しているため、IHCを実施する際には、心拍数（HR)心電図（ECG)SaO2,および患者の反応などのパラメータを、心臓リハビリテーションのガイドラインに沿ってモニターする必要がある[68]。IHC の間、HR はベースラインから 30% から 50% 増加し、SaO2 は最大でも 80% まで低下し、呼吸数は最大で毎分 30 から 40 回まで増加することが許容される [7, 9, 66, 68, 69]。血圧の著しい上昇、めまい、狭心症、心電図異常、皮膚の蒼白、患者の不快感などの不耐性の臨床的徴候も、医師がモニタリングすべきである[7, 9, 42, 66, 68, 69]。これらの徴候がモニターされ、適切なプロトコルパラメータに従っている限り、IHCは心臓病患者において安全であることが示されている。
安全性のパラメータは見つかっているが、プロトコルのばらつきは、特定の患者の反応に対する最適な投与方法を評価するための研究の必要性を示している。Ai Mediq社は，このジレンマの一部を解決するために，Self-Regulated Treatment（SRT）ソフトウェアを使用したHCデバイス「ReOxy」を開発した[69]。ReOxyは、画面上に3つのトレンドラインを表示する。ReOxyの画面には、SaO2,HR、およびFiO2レベルの3つのトレンドラインが表示される[69]。SRTシステムは、低酸素テストからのデータトレンドを用いて、患者に照射するFiO2を計算し、セッション中に自動調節して、患者を治療上の最大負荷のゾーンに維持する[69]。患者の治療を再調整するためには、5～6回のセッションごとに低酸素テストを実施する必要がある。患者が10%FiO2の耐性に達したら、それ以上FiO2を下げるべきではない[66]。Ai Mediqと最近の心臓手術前後のコンディショニング研究の著者らによる推奨は、再酸素化回復期間中にFiO2を30〜40%まで増加させることであり、これを間欠的低酸素-低酸素トレーニング（IHHT）と呼んでいる[66, 69]。この方法は、回復時間を早めるだけでなく、活性酸素を適度に増加させて、より大きな内因性抗ストレス反応を誘発することができる[66, 69]。ReOxyデバイスは、臨床家に患者固有のプロトコルをもたらすのに非常に役立っている。ReOxyは現在、クラス2Bの勧告を受けている。これは、メカニズムとアプリケーションがまだ十分に定義されていないが、利益がリスクよりも大きいことを示している[70]。ReOxyは，欧州ではCEマークを取得し，医療機器指令に完全に準拠しており，米国では現在，食品医薬品局の承認を求めている[69]。
4.2 試験デザイン
このセクションでは、臨床医が自分の施設でIHC試験をデザインする際に使用するプロトコルガイドラインを提供する。施設や臨床医によって、前向き研究を実施するためのリソースや手順が異なることは理解しているので、このセクションでは、IHCプロトコルを成功させるための重要な戦略を示すことで、その開発を支援することを目的としている。このプロトコルは、プレコンディショニングとポストコンディショニングという2つの段階がある。プレコンディショニングは、心肺バイパス（CPB）と心臓停止によって引き起こされるストレス反応に対する身体の準備を目的としている。ポストコンディショニングは、主にスタンド・カーディアック・リハビリテーション（SCR）の補助として使用され、運動能力と耐性を高め、心血管の健康を引き出すために行われる。この研究ガイドラインの作成には、方法の項の研究の集大成、最近成功した複数の研究戦略[7, 8, 9, 58, 63]、およびReOxy装置の適切な使用に関するAi Mediq S.A.の推奨事項[69]が用いられた。
4.1.2 対象となる患者集団
本研究は、プロスペクティブな単一センター、単一術者による二重盲検研究とする。患者は、選択的冠動脈バイパス術（CABG）を受けようと相談に来た人を連続して選ぶこと。本研究は二重盲検法であるため、研究責任者と参加者はグループ分けを知らないものとする。参加者には、薬物や栄養の摂取量を変更しないこと、現在の日常的な運動習慣を維持することを求める。この試験は、90人の患者が選ばれ、試験プロトコルを遵守するまで続けるべきである。表6に本試験の除外基準を示す。
4.2.3 間欠的低酸素-高酸素
コンディショニングプロトコル 本研究では、3つの研究グループを設定する。IHHT、間欠的低酸素-高酸素曝露（IHHE)および対照の3つの研究グループが必要である。IHHTは運動中（コンディショニング後の外来リハビリ中）に投与し、IHHEは座っているときに投与する。患者を3つの研究グループのいずれかに無作為に分けた後、患者の低酸素への耐性と感受性を評価するための低酸素試験を実施すること。対照群には、安静時に偽の低酸素試験を実施する。Ai Mediq[69]が推奨しているように、ReOxy低酸素・高酸素装置はその独自の操作システムのため、すべてのセッションで使用されるべきである。低酸素試験は、医師の立会いのもと、10分間行う必要がある[66]。このテストでは、FiO2 を 12%まで低下させ、患者の SaO2 と HR、めまい、狭心症、ECG 異常、皮膚の蒼白などの不耐性の臨床的徴候、および患者の反応を注意深くモニタリングする必要がある [66]。SaO2 が 80% 以下になったり、HR が患者のベースライン HR の 30 ～ 50% 以上に上昇した場合、装置は自動的に FiO2 の量を 30 ～ 40% に調整し、患者の飽和度が 98% になるようにする [66]。SaO2が98%以上になると、FiO2は12%に低下する。この状態が10分間続き、ReOxyデバイスはSaO2,HR、FiO2の3つのトレンド値のデータを収集する[66, 69]。そして、これらのデータが分析され、患者固有のIHHCプロトコルのための詳細なサマリーが得られる[66, 69]。医師がいつでも不耐症の臨床的徴候を評価した場合は、試験を直ちに終了し、患者は試験への参加を中止すべきである。
プレコンディショニングセッションは，患者が手術の相談をし，治療に同意した翌日に開始する。プレコンディショニング段階では、手術前に6～8回の治療セッションを行い、最後のセッションは手術の前日に行う。治療時間は30～45分で、1回の治療で4～7サイクル行う。1 サイクルは、3～7 分間の低酸素状態（患者の耐性に応じて 10～14%の FiO2）の後、3 分間の高酸素状態の回復期間で構成される。この低酸素プロトコルは、両相とも同じものを使用する。
患者が安定していると判断された場合には、抜管後 1 日目に後処理を開始する。IHHT群とIHHE群の両方が再試験され、最初は安静時のIHHEとして開始される。IHHT 群の患者が外来 SCR を開始したら、運動時に再検査を行い、IHHT プロトコルを開始する。IHHT は、トレッドミルまたは固定式自転車のいずれかを用いて、SCR プロトコルの患者の有酸素運動期間中に実施されるべきである。コンディショニング後のIHHC治療は、患者のSCRプロトコルと並行して、週3～4回継続する。対照群は、IHHE群と同じレジメに従うが、偽の低酸素セッション（加湿した正常酸素空気）を行う。
4.1.4 プロトコルの有効性を評価するためのアウトカム指標
研究期間中、7回のアウトカム評価を実施する。細胞の適応や機能的な臨床結果を評価するために、本試験の期間中に複数のアウトカム指標を測定する必要がある（表7）。
研究者がこれらの推奨事項に基づいて試験を実施することになった場合、機器の入手可能性やコストの問題から、これらの結果指標のすべてが測定されるわけではないと思われる。しかし、これらのアウトカム指標は、IHHCのメカニズムの様々な機能に関する情報を提供するものであり、CABG患者に対するIHHCの効果を評価・分析する上で貴重なものである。
4.1.5 潜在的研究フローチャート
潜在的な研究デザインの進行は、プロトコルを視覚的に整理するフローチャート（図5）に簡潔にまとめられている。
5. 考察
IHHCは、非侵襲的、非薬理学的、かつ安価な治療法であり、いくつかの研究と複数の患者集団において安全かつ有効であることが示されている。身体の多面的で相互に関連した生理学的経路を扱う場合、過度に単純化しないことが重要である。完全には理解されていない単一のシグナルカスケードを選択的に標的とするいくつかの治療法の危険性は、身体の自然な適応メカニズムを変化させるという意図しない結果である。
IHHCの利点の1つは、誘導性低酸素が相互に制御する多数の経路を刺激することである。そして、これらの経路がわずかに変化することで、体全体の抵抗力や適応力が高まる。このような総合的なアプローチは、運動との類似点が多く、手術やCPBによるストレス反応を軽減するだけでなく、心臓リハビリテーションにも役立つと考えられている。以前の研究では、IHHCプロトコルのみがSCRと比較されていたが、IHTと運動を組み合わせることでより高い効果が得られることから、このプロトコルガイドラインでは、IHTを代替ではなく補助として使用することを提案している。また、このような併用療法は、手術に限らず、自宅療養を継続して心血管の健康を維持するための運動の補助としても有効である。
様々な患者層におけるHTの潜在的な使用法と利点を示す複数の研究が登場している。この文書で述べられているプロトコルガイドラインは、臨床家にHTの背景と、患者管理にHTを導入する方法の戦略を提供する。IHCが標準治療とみなされるためには、すべてのメカニズムと臨床現場での適切な使用法を理解するために、かなりの量の研究が必要である。しかしながら，今回の予備的な結果は，IHCが臨床現場で実行可能な治療法として考慮されるべきであり，心血管系の短期的および長期的な適応に有望な可能性があることを示している。このプロトコルガイドラインが、CPBによって引き起こされる全身のストレスを軽減し、健康の回復と維持に役立つことが期待されている。
5.1 制限事項
本研究で想定される限界は，心臓専門医，麻酔科医，灌流医，集中治療医，理学療法士による患者の手術やリハビリテーションの過程における管理スタイルの違いである。また、IHHC療法の効果を評価するために選択された結果指標が包括的でない可能性もある。もう一つの未知数は、患者の投薬やビタミン剤がIHHCの適応メカニズムにどのように影響し、それによって結果が変化するかについての理解が不完全であることである[35]。多くの除外基準を設けた単一施設、単一外科医による研究であるため、IHHCの効果が他の心臓手術や患者集団にも当てはまると確信を持って推論するには限界がある。
5.2 将来の推奨事項
将来的に有用な研究は、IHHCの対象となる患者集団を様々な心臓手術に加え、動員不能な集中治療室の患者や小児患者にまで広げることである。限られた時間の中で有意義な結果を得るためには、何回のセッションが必要かを理解するために、IHHCの異なる投与頻度を比較することは重要である。さらに、IHHCの複雑な経路や、患者が経験している他の臨床上の利点を理解するために、異なる結果指標を評価することも重要である。アセタゾラミドは、高地順応や急性高山病のために投与されることがあるが、HCにも有用な補助薬として提案されている[71]。