Dose-dependent effects of head-ward fluid shift with hypercapnia on cerebral blood flow autoregulation

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K06844
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 岩崎 賢一 日本大学, 医学部, 教授 (80287630)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小川 洋二郎 日本大学, 医学部, 准教授 (60434073) ; 加藤 智一 日本大学, 医学部, 助教 (10786346) ; 田子 智晴 日本大学, 医学部, 助手 (70780229)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 体液シフト / 脳血流調節 / 高二酸化炭素血症 / 頭低位

Outline of Annual Research Achievements

文部科学省令和2年5月14日発「感染拡大の予防と研究活動の両立に向けたガイドライン」に基づいた対策を実施し、研究者および被験者の十分な感染予防を行いながら実験ができるようにするための研究室の整備を行った。具体的には、サージカルマスク、ゴーグル、被験者との距離の確保のための床目印、入口及び施設内の手指消毒設備（アルコールジェル）、検温のための非接触体温計などを備えた。また、実験室の温度などの環境条件が基準範囲内に保たれた状態で適切に換気を行うために、二酸化炭素濃度を指標として、気流と換気を調節した。そして脳血流速度測定用の超音波ドプラプローブの固定具の模擬作成や30度頭低位の試験実験などを行いながら、手技の精度や感染対策の評価のために動画の記録も行い、感染対策をしながら実験手技や測定が問題なく行えることを確認した。
そして、2020年度にコロナ禍により本実験開始ができなかったことを補い2021年度からの実験実施の加速、および、より有意義な最新の脳循環解析を効率的に行うために、以前行った「空気呼吸下0度水平、および10度、30度の頭低位の健康被験者実験」の測定データのうち中大脳動脈血流速度波形と指動脈血圧波形を用いて、両者の波形の関係を解析（伝達関数解析）し、急速な血圧変動に対する脳血流自動調節機能を評価した。また、両波形をケンブリッジ大学開発の数理モデルPCソフトを用いて解析し、頭蓋骨内の圧力（頭蓋内圧）の評価を行った。その結果、空気呼吸下0度水平と10度の頭低位に比べて、空気呼吸下30度の急峻な頭低位においては、頭蓋内圧が有意に上昇してしまうにもかかわらず、急速な血圧変動に対する脳血流自動調節の機能は悪化せず維持されているという、これまでに明らかとされていなかった結果を得た。本研究の推進に寄与するよう、これらの新しい知見を英文論文原稿にまとめ現在投稿準備中である。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本研究は、健康成人を被験者とする実験を行う計画であり、2020年度はコロナ禍にともない通常の実験の開始ができなかった。まず、コロナ禍の状況の推移を注視したが、コロナ感染症の収束が見通せず、以下に記載するコロナ禍においても本実験を開始するための整備を行った。具体的には文部科学省による「感染拡大の予防と研究活動の両立に向けたガイドライン」に基づき、研究者および被験者の十分な感染予防を行いながら実験ができるようにするための研究室の整備を行い、感染対策を施した状態での個々の実験手技や手順の確認から開始し、後に試験実験を行い、状況を動画に記録して、安全かつ実験手技が問題なく実施ができることを確認した。
ガイドラインにおいては、一般的な感染予防策（接触・飛沫感染防止策）を徹底するために、マスクの着用や、十分な対人距離の確保、入口及び施設内の手指の消毒設備の設置、施設の換気（実験等の性質も考慮しつつ、換気設備を適切に運転する、２つの窓を同時に開けるなど）、施設の消毒、検温の積極的実施等の記載があり、それに基づいた整備を行った。また実験後の器材の消毒のためのアルコールスプレーやアルコール布も用意し、消毒忘れがないようにチェックリストを作成した。その結果、本実験開始の準備が整ったが、この作業の完了に2020年度大半の期間を要し、かつ年度後半にも緊急事態宣言が適応されていたため、本実験の開始に至らなかった。
一方、2020年度の遅れを取り戻すために2021年度からの実験実施の加速、および、より有意義な最新の脳循環解析を効率的に行うために、以前に実施した「空気呼吸下0度水平、および10度、30度の頭低位の健康被験者実験」のデータ解析を行い興味深い結果を得て公表準備中であり、今後本実験を開始した際には、実験実施後すぐに同様の解析を行い、最新の脳循環解析を効率的に行うことができると考えている。

Strategy for Future Research Activity

年度ごとに頭低位の角度をかえて実験を行う計画であったのを変更し、１被験者について、３つ全ての頭低位角度の負荷をランダムな順番で日を変えて、年度内の期間で行うこと（一定期間での同一被験者の反復測定）によって、被験者選定の手続きの時間の削減と、コロナ禍における被験者募集の困難さへの対策とする。また、「空気呼吸下0度水平、10度、30度の頭低位実験」のデータ解析を行い興味深い結果を得たため、この研究等を含め先行研究との比較をも行いながら、成果の最大化をはかりたいと考えている。特に本実験を開始した際には、実験実施後速やかに2020年度に行ったのと同様な解析を実施し、最新の脳循環解析を効率的に行う予定である。
実験は、まず傾斜角度が変更できる電動ベッド上で被験者を水平で仰臥位にして、ダグラスバックに接続したマスクを装着し通常大気を吸入してもらう。また、心電図計、上腕式自動血圧計、非観血的連続血圧計、経頭蓋ドプラ血流計、呼気炭酸ガスモニタ、動脈血酸素飽和度モニタ、レーザ血流計、近赤外分光計などを装着し、生理学的データのPCへの記録を開始する。15分以上の安静時間を確保した後、まずは、水平で大気呼吸下でのベースラインの測定を行う。その後、ベッドを傾斜（実験日毎に5度、15度、30度のいずれか）させて頭低位状態による頭部方向への体液変位を起こし、吸入するダグラスバックを通常大気から３％二酸化炭素含有ガスに切り替える。この状態を10 分間持続する。負荷終了後、ベッドを水平状態に戻し大気呼吸下でバイタルサインが曝露前水準に戻ったことを確認し実験終了とする。
実験終了後に記録してデータを用い、脳血流調節機能や、脳組織酸素飽和度と中大脳動脈血流速度の相関関係、頭蓋内圧推定値、圧受容器反射機能などを評価し、主に水平大気呼吸下のベースラインからの各々角度の負荷中の変化量、変化率等の比較を行う。

Causes of Carryover

2020年度はコロナ禍での実験実施のための施設の整備や対策下での手技や試験的な実験の確認にとどまり、本実験を開始できなかったため、その予算を2021年度の実験実施に用いる。特に年度ごとに頭低位の角度をかえて実験を行う計画であったのを変更し、１被験者について、３つ全ての頭低位角度の負荷をランダムな順番で日を変えて、年度内の期間で行う（一定期間での同一被験者の反復測定）。それにより、被験者選定の手続きの時間の削減と、コロナ禍における被験者募集の困難さへの対策とする。そいて2021年度内に研究期間全体での目標被験者の半数（10名）程度で「３％二酸化炭素含有ガス吸入下5度、および15度、30度の頭低位負荷」（延べ30回）を実施し、研究実施の遅れを取り戻す計画である。その際に、2020年度に行えなかった実験の被験者費用などを使用する計画である。
また、以前実施した空気呼吸下低頭位実験のデータを、2020年度に解析しまとめた研究成果について、学会発表や論文発表を行いたいと考えている。加えて、本研究に重要な関連がある実際の宇宙飛行実験（以前、宇宙飛行士対象に脳血流等の測定を実施）の成果内容について、あらためて本研究との関連を再検討しまとめて国際的にも発表して、当研究が実施された後の結果の解釈や考察に応用し成果の最大化をはかりたいと考えている。これらを実施するための費用としても使用する計画である。