Health promotion with stair exercise
要旨
健康な成人の心肺機能、筋骨格系、神経運動系のフィットネスを開発・維持するためには、1回の運動につき中強度の身体活動30分以上、または強度の身体活動20分以上が推奨されている。しかし、時間や施設の不足、悪天候などの理由で、多くの成人がまだ身体的に不活発である。そこで、健康増進に効果的で、日常生活で手軽にできる運動を開発することが重要である。階段を使った運動は、この目的を満たす可能性が高い。
先行研究のデータを用いて、階段昇降運動時の強度（酸素消費量）を予測するために、以下の式を作成した。酸素消費量（ml/kg/min）=2.03×[垂直方向の移動速度（m/min）]+3.7．階段を使った運動に関するこれまでの介入研究から、階段昇降運動は体力や健康を向上させるが、体力のない人や高齢者には強すぎることが分かっている。
階段運動は、短い階段の昇降を交互に行うことで、より簡単に行うことができる。本データは、階段昇降運動が、健康増進のための階段運動の可能性を広げることを示唆している。
はじめに
心肺機能が高いことは、心血管イベントのリスク低減に関連する独立した要因である1,2)。健康な成人の心肺機能、筋骨格系、神経運動系のフィットネスを開発・維持するために、米国スポーツ医学会（ACSM）3)は、中強度の身体活動を週5日30分以上、または強強度の身体活動を週3日20分以上を推奨している。しかし、多くの先進国では、成人の20%以上がまだ身体的に不活発である4,5）。
時間がないことや屋内施設へのアクセスは、定期的な身体活動にとって大きな障害となっている6）。また、気温や降水量などの気象条件も、定期的な身体活動への参加に悪影響を及ぼすことがある7）。したがって、健康増進に効果的で、日常生活で簡単に行えるエクササイズを開発することが重要である。
本レビューでは、階段昇降運動の効果を検討した研究をまとめた。ほとんどの研究では、体力開発や健康増進を目的として、複数階間の階段で行う運動が含まれていた。また、家庭やオフィスでできる、より短い階段での階段昇降運動を健康増進に活用する研究についても紹介する。
階段昇降運動の作業強度
代謝が安定した状態での階段昇降のエネルギーコストは、1928年にBenedictとParmenter8)によって初めて推定された。彼らは、長い階段のある登山鉄道（522段）を48歩/分（垂直方向で10.1m/分）で登った4人の女性の酸素消費量を測定し、平均体重62kgの女性の平均総酸素消費量は1519ml/分となった。これは、体重で調整すると、階段昇降時の酸素消費量24.5ml/kg/minに相当する。しかし、この値は、48歩/分という低い歩数であるため、階段昇降時の代表的な酸素コストとしては低すぎると思われる。また、階段昇降で体重を垂直に持ち上げるための正味のエネルギーコストは、「階段昇降の総代謝量-（マイナス）平地歩行の代謝量」として推定すると、9.3cal/kg/mである。この値から算出される機械効率25%は、傾斜のあるトレッドミルでの歩行26%9、自転車エルゴメーターでのペダリング25.7%10)と同様である。この類似性は、BenedictとParmenterが研究した独自のウェアラブル呼吸器で得られた値*Correspondence: takaishi@nsc.nagoya-cu.ac.jpの正確性を裏付けるものである。
それから約70年後、Bassettら11)は、段差0.203mのエスカレーターで70歩/分（=垂直方向14.1m/分）で階段を昇る際の酸素消費量は約30ml/kg/分であると報告した。階段22段（計180段）を用いた2つの研究12,13）では、階段昇降時の酸素消費量は、95段/分（=鉛直方向14.3m/分）で33.5ml/kg/分、100段/分（鉛直方向15.0m/分）で35.6ml/kg/分だった。これら4つの研究8,[11][12][13]から、階段昇降時の総酸素消費量と階段昇降時の垂直方向の移動速度の関係を示す式が以下のように求められた。
酸素消費量（ml/kg/min）=2.03×[垂直方向の移動速度（m/min）]+3.7 （r=0.932)
階段昇降運動で健康づくり
心肺機能の向上と血液プロファイルの改善。表1に階段昇降運動の介入研究[14][15][16][17][18][19][20][21]の概要を示す（詳細は各論を参照）．最後の21）を除く各研究では、座りっぱなしの若年・中年成人において階段昇降運動が心肺体力を向上させることが確認された。
Murphyら22)は、1日を通して3回の短時間（10分）の早歩きを積み重ねることは、ACSMが推奨する1回の連続した総時間と同等以上の心血管リスク低減効果があることを報告した3)。Macfarlaneら23)は、6分以下の短時間の生活活動を複数回積み重ねることで、座りがちな成人の体力レベルを著しく向上させることができることを確認している。これらの2つの研究は、短時間の生活活動を複数回積み重ねることで健康効果が得られることを示している。しかし、この2つの研究を表1に示した研究と比較すると、各バウトの時間や階段昇降運動の総時間が短く、特に各バウトの最小量について指示せずに行った研究14,16,20)では、その短さが目立つ。これらの介入は、階段による短時間運動のバウトを積み重ねることで、心肺機能や血液プロファイルが改善されることを示唆していることは注目される。
図1では、（Borehamらの研究17）のみが、論文に含まれる図において、階段昇降運動中の心肺パラメータの変化を示している。実験（介入）群のデータを示す1つの図では、階段昇降運動開始時および開始後60秒と120秒の心拍数が約110,170,183拍/分（これらの被験者の図1は本研究では報告されていない）である。階段昇降運動で報告された酸素消費量と心拍数を考慮すると、介入前の被験者のV・O2maxは最大でも40ml/kg/minと推定された。階段昇降運動終了時にほぼ最大となる心肺応答は、運動時間が短く総エネルギー消費量が少ないにもかかわらず、心肺機能や血液プロファイルを改善するのに十分である可能性があると推測される。
Bennら24)は、健康な高齢男性において、Stairmaster（エスカレーターに似た階段昇降装置）で3分間の階段昇降中の心拍数と収縮期血圧がそれぞれ150拍/分と270mmHgに達したと報告した。なお、最後の研究を除き、いずれも高齢者を対象とした介入研究ではない21)。図1 中高年男性の階段昇降連続運動および階段昇降運動時の心拍数の変化。1 . 高齢者向けの運動プログラムは慎重に実施する必要があるが、体力レベルの高い高齢者にとって階段昇降運動が強すぎるということはないと思われる。
ジョギングやサイクリングなどの積極的な有酸素運動を習慣的に行っているため心肺機能が高い人は、負荷を追加する以外、階段昇降運動による健康効果は得られないと考えられる25）。
神経筋のフィットネス Beanら21)は、Short Physical Performance Battery (SPPB)で推定される移動制限のある高齢者において、加重ベストを着用しながら1日3回の階段昇降運動（42歩/1回）を行うと、脚伸展力が17%向上することを示した。また、Loyら26)は、エスカレーターに似た階段昇降装置で外部負荷をかけた長時間の階段昇降運動が、中年定住女性の脚のパフォーマンス（膝伸展のピークトルク）を改善することを確認した。これら2つの研究結果は、体重の10%以下の外部負荷をかけた階段昇降運動が、下肢筋のウェイトトレーニングの代替となることを示唆している。しかし、階段昇降運動が下肢の神経筋フィットネスレベルに及ぼす影響はまだ限定的である。
階段昇降運動
運動強度について階段昇降運動の運動強度は、時速9.6kmのジョギングに相当する27）。従って、中程度の体力の座った人や普通の高齢者にとっては、日常生活でこの運動を取り入れることはかなり困難であると思われる。しかし、短い階段の昇降を交互に繰り返す階段運動は、全体の強度（単位時間当たりの酸素消費量）を下げることができる。
図1は、BMI22.0kg/m2の中年男性に、試験的に行った階段昇降運動と階段昇降運動の心拍数の変化を示している。昇降運動は24段の階段で合計263段（高さ47.5m）、昇降運動は21段（高さ3.8m）の階段で12セットの運動を行った。歩数は、両運動とも上昇期は90歩/分、昇降運動の下降期は75歩/分であった。酸素消費量は、運動終了1分前に呼気ガスをサンプリングして推定し、上昇期運動では33.5ml/kg/分、上昇期/下降期運動では19.2ml/kg/分だった。これらの結果は、運動プログラムに階段下降期を挿入することで、階段運動の強度を緩やかにできることを示すものである。
体重と酸素消費量の関係を確認するため、24名の被験者（年齢：20.5±0.8歳、V ・ O2max：47.7±8.3 ml/kg/min、平均±SD）に3つの運動からなる以下の実験を実施した。被験者は、24段の階段（高さ4.2m）3段での階段昇降運動と、個人のBMIを調整するための負荷重りの有無による平地歩行の2種類を実施した。ステップ率について
時間（分）
0 177 JPFSM : Active healthy life with stairsは、2種類の階段運動とも、上り運動は90歩/分と110歩/分、下り運動は75歩/分だった。
表2は、BMI条件を変えて行った3種類の運動の酸素消費量を比較したものである。前述したように、階段昇降運動は高強度である。しかし、階段昇降運動の強度は階段昇降運動よりもかなり低く、昇り段階の歩数を変えることで調整することができる。また、この表から、単位体重あたりの酸素コストは、BMIに関係なくほぼ等しいことがわかる。
身体能力のある人は、有酸素運動をより高い強度で行うことが推奨される[27][28][29][30]。FlegとLakattaによるV・O2maxと年齢の関係の回帰式31)によると、健康な30歳の男女の予測V・O2maxはそれぞれ43.2ml/kg/min、33.5ml/kg/minに相当し、これらの値は10年に3.9,2.5ml/kg/minずつ減少すると言われている。したがって、50歳の健康な男女のV・O2maxは、それぞれ35.2ml/kg/minと28.5ml/kg/minであることが望ましい。ウォーキングは健康増進のための代表的な運動である32）。この値から考えると、表2の歩行強度は、多くの健常成人にとって中等度の中間に位置する。一方、階段昇降運動は、幅広い年齢層の体力がない人から中等度の人の体力レベルに適した有酸素運動の一種であるはずだ。この考え方は、効果的な強度で短時間だけ運動を始めようとする人の動機付けになるはずだ。
血糖値濃度のコントロール
食後高血糖は空腹時高血糖に比べて微小・大血管合併症のリスクが高いため33,34）、糖尿病（DM）や耐糖能異常（IGT）の人は、食後の血糖濃度コントロールが重要である。私たちは、IGT 35)やDM 36)の人を対象に、階段昇降運動の食後血糖値への影響を調査している。図2は、8名の中高年男性を対象に、異なる条件下での血糖値の変化を示したものである。全員が試験食からスタートし、1）120分間椅子に座り続ける（REST）、2）90分間座り続け、約7.2分間早歩きを行い、120分間座り続ける（WALK）、3）90分間座り続け、約5.5分間階段昇降運動を12セット行い、120分間座り続ける（STAIR）。図2に示すように、階段昇降運動は、歩行よりも早く、効果的に血糖値を低下させることができた。5.5分間の階段昇降運動は、血糖値を60 mg/dl (3.3 mmol/l)低下させた。階段運動の血糖値を下げる能力は、ウォーキングの3倍であった。DMの高齢者（平均年齢72歳）において、階段昇降運動の血糖値低下効果は、同じ心拍数で行うペダリング運動よりも優れていた。36）。
STAIR条件による血糖値の低下からすると、階段昇降運動そのものが、これらの被験者にとって超最大級の有酸素運動に相当する可能性がある。中等度以上の強度の運動は、作業筋の5′-アデノシン一リン酸活性化プロテインキナーゼ（AMPK）を活性化する37,38）．STAIRの階段昇降時のエネルギー生産は、主に解糖系代謝に依存するため、AMPKの活性化を招き、その結果、グルコースの作業筋への輸送が促進されたと考えられる39,40）。私たちは、6分未満の階段昇降運動が血糖値を40mg/dl正味減少させることができることから、座りがちなDMまたはIGT患者が職場や家庭で血糖コントロールを改善するために同様の運動を行う動機付けになると考える（文献1参照。35
階段運動が骨密度に及ぼす影響
骨密度の低さは、性別に関係なく高齢者の骨折の危険因子である41）。骨形成の誘導には、高歪率・高ピーク力を伴う運動は、低荷重を多数回繰り返すよりも効果的である42） ．Couplandらによる疫学研究43) では、アンケートで評価した階段昇降の頻度（平均10便/日（四分位範囲6.0-15.0）、13歩/便）が全身および転子骨密度と関連することが示された。
階段昇降運動は機械的ストレスが高く、骨形成を促進するはずであることが研究で示唆されている。Stacoffら44)は、階段昇降時の平均的な垂直方向の地面反力（GRF）は平地歩行とほぼ同じであり、階段下降時のGRFは階段昇降時の1.4～1.6倍であることを示している。したがって、Couplandらの調査における階段昇降の頻度は、本当は階段下降の頻度を反映しているのかもしれない。この推測が正しければ、階段昇降運動は転子部や大腿骨頚部の骨密度の増加に寄与する可能性がある。
階段の利用促進
いくつかの研究で、階段運動の利用が促進されている。このトピックのレビュー45)では、公共の交通駅、ショッピングモール、オフィスビルでポスターや階段昇降機のバナーなどのポイント・オブ・チョイスのプロンプトが、特にエスカレーターの場面で階段を使う人の数を増やすと結論付けている。これは、階段の利用を促すことで、日常生活の一部として運動を行う人の数を増やすことができることを示している。
結論
これまでの研究で、階段昇降運動が心肺機能の向上や健康増進に有益であることが支持されている。しかし、階段昇降運動の強度は、体力がない人や高齢者にとっては高すぎる。私たちのデータは、階段昇降運動が健康増進のための階段運動の利用可能性を拡大することを示唆している。健康増進に階段運動が適していることを確認するために、介入研究が必要である。