DOI: 10.11227/seikisho.53.3 日 生 気 誌 53(1):3 12,2016 (Jpn. J. Biometeor. 53(1):3 12,2016) 日 生 気 誌 00(0) : 00-00, 0000 (Jpn. J. Biometeor. 00(0) : 00-00, 0000) 総 説 動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 と 四 肢 からの 熱 放 散 調 節 Blood Flow through Arteriovenous Anastomoses(AVA) and Regulation of Heat Losses from the Extremities in Human Kozo Hirata 神 戸 女 子 大 学 家 政 学 部 Faculty of Home Economics, Kobe Women s University ( 受 付 2016 年 3 月 7 日 / 受 理 2016 年 3 月 17?? 日 ) 本 研 究 は 熱 負 荷 時 に 手 から 還 流 する 皮 静 脈 血 流 が,どの 程 度 前 腕 からの 蒸 散 性 (E) 及 び 非 蒸 散 性 (R+C) 熱 放 散 量 に 影 響 するか 明 らかにすることを 目 的 とした. 両 腕 は, 一 側 ずつ 手 血 流 量 と 手 からの 還 流 静 脈 血 を 手 首 のカフ 加 圧 (250 mmhg)により 30 分 間 遮 断 する 加 圧 側 としない 対 照 側 とした. 食 道 温 が 0.82 上 昇 する 間, 手 の 血 管 拡 張 後, 対 照 側 の 前 腕 皮 膚 温 は 3.2 上 昇 したが, 加 圧 側 では 上 昇 が 認 められなかっ た.これに 伴 って, 対 照 側 の 前 腕 発 汗 量 は 0.21 units まで 増 加 したが, 加 圧 側 では 0.13 units に 留 まった. これらの 結 果 から, 手 の 血 管 拡 張 による AVA 血 流 量 の 増 加 は, 前 腕 の 発 汗 量 増 加 と 皮 膚 温 の 上 昇 による 熱 放 散 量 亢 進 に 著 しく 寄 与 することが 判 明 した. キーワード: 動 静 脈 吻 合 (AVA), 手 血 管 拡 張, 前 腕 熱 放 散 量, 表 在 性 皮 静 脈 血 流, 局 所 発 汗 量 The aim of this study was to investigate to what extent venous blood flow from the hand affects evaporative (E) and non-evaporative (R+C) heat losses from the forearm during heat load. Blood flow to and venous flow from the hand were occluded at the wrist for 30 min with cuff (5 cm width) at a pressure of 250 mmhg. Blood circulation in the control hand was not disturbed. After hand vasodilation, forearm skin temperature increased by 3.1 on the control side but remained at rest value on the occluded side, with an increased esophageal temperature averaging 0.82. Forearm sweat rate at the end of heat load on the control sides was 0.21 units significantly higher than on the occluded side (0.13 units). These results clearly show contributes to the increase in forearm sweat rate and skin temperature after hand vasodilation (mainly through arteriovenous anastomoses: AVA) during heat load. Key words: AVA, hand vasodilation, forearm heat loss, Superficial venous blood flow, Local sweat rate 1. はじめに 核 心 温 ( 体 温 )は 恒 常 性 を 維 持 するために 様 々 な 変 動 が 存 在 する. 日 内 変 動 では, 午 後 から 夜 に かけて 高 く, 夜 から 早 朝 にかけて 低 下 し, 再 び 午 前 中 から 午 後 にかけて 上 昇 するという 二 相 性 の 変 化 を 示 すことが 知 られており,その 原 因 は, 主 に 四 肢 部 からの 熱 放 散 量 の 変 化 によるのである
( 4 ) (Aschoff and Heise, 1972). 図 1 に 示 されるように, 夜 間 から 早 朝 にかけて 核 心 温 ( 直 腸 温 )の 低 下 を 引 き 起 こすのは, 四 肢 末 梢 部, 特 に 指 尖 部, 手 掌 部 の 皮 膚 温 上 昇, 皮 膚 血 管 コンダクタンス( 皮 膚 血 管 拡 張 の 指 標 )の 著 増 による 熱 放 散 量 の 亢 進 に 起 因 することが 分 かる.これに 対 し, 胸 部 など 体 幹 部 では, 皮 膚 温, 皮 膚 血 管 コンダクタンスの 挙 動 は 四 肢 部 とは 著 しく 異 なり,むしろ 核 心 温 の 変 動 と 類 似 している.すなわち, 核 心 温 が 高 い 時 間 帯 には 変 化 は 小 さいが 皮 膚 温, 皮 膚 血 管 コンダク タンスが 高 く, 夜 間 から 早 朝 にかけて 低 下 すると いう, 四 肢 部 とは 反 対 の 動 きを 示 している. 作 成 して, 上 述 の 問 いに 対 して 実 験 的 に 明 らかにす ることを 試 みた( 姫 野,1997; 田 村 ほか,2005). 図 2 に 示 すように, 主 に 上 肢 部,フレンチ 袖 で 肩 か ら 両 腕 手 を 露 出 し,その 他 の 皮 膚 を 被 覆 した 衣 服 A と, 四 肢 を 完 全 に 覆 い, 体 幹 部 の 背 面 及 び 上 胸 部 を 露 出 した 衣 服 B を 用 意 した. 衣 服 A B の 被 覆 面 積 は 体 表 面 積 の 74%( 露 出 部 26%)である.こ の 衣 服 A B を 着 用 して 7 人 の 被 験 者 に 相 対 的 に 同 一 となる 自 転 車 運 動 負 荷 を 1 時 間 行 った 時 の 直 腸 温 変 化 を 図 3 に 示 した.60 分 目 の 直 腸 温 は 衣 服 A ( 上 肢 部 露 出 )では 平 均 で 37.88, 衣 服 B( 体 幹 部 露 出 )では 38.14 まで 上 昇 し, 両 者 間 には 0.26 もの 有 意 な 差 が 認 められた.また 平 均 体 温 でも 同 様 な 傾 向 が 示 され, 衣 服 A( 上 肢 部 露 出 )では 37.43, 衣 服 B( 体 幹 部 露 出 )では 37.63 であり, 上 肢 部 露 出 の 方 が 0.20 有 意 に 低 値 を 示 した. これらの 結 果 から, 被 覆 ( 露 出 ) 面 積 が 同 一 であっ ても A B 両 衣 服 着 用 により 核 心 温 に 差 が 生 じたのは, 上 肢 部 を 露 出 する 方 が 体 幹 部 を 露 出 するより 熱 放 散 量 が 高 く 亢 進 することに 起 因 することが 示 された. 図 1 直 腸 温, 皮 膚 温,コンダクタンスの 日 内 変 動 (Aschoff and Heise, 1972 より 引 用 ) すなわち 核 心 温 の 日 内 変 動 に 能 動 的 に 関 与 し ているのは, 皮 膚 温 や 皮 膚 血 管 コンダクタンス, 皮 膚 血 流 量 (Smolander et al., 1993)の 変 化 に 伴 う 皮 膚 からの 熱 放 散 反 応 であり,これに 重 要 な 皮 膚 部 位 は, 体 幹 部 よりむしろ 四 肢 部 であることが 示 されている. 図 2 被 覆 部 位 の 異 なる 実 験 用 衣 服 2. 四 肢 部 からの 熱 放 散 はどれほど 有 効 か 四 肢 部 からの 熱 放 散 反 応 を 積 極 的 に 調 節 する 結 果 として 核 心 温 の 日 内 変 動 は 生 じているが, 四 肢 部 からの 熱 放 散 がどれほど 有 効 なのであろうか. 四 肢 部 と 体 幹 部 の 皮 膚 では, 同 じ 面 積 であっても 熱 放 散 調 節,すなわち 体 温 調 節 への 有 効 性 に 違 いがあるの か 否 か 明 らかにする 必 要 がある.そこで 同 一 素 材 で 被 覆 面 積 も 同 一 であるが, 被 覆 部 位 の 異 なる 衣 服 を 図 3 衣 服 別 自 転 車 運 動 負 荷 時 の 直 腸 温 変 化 ( 姫 野,1997 より 抜 粋 )
動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 と 四 肢 からの 熱 放 散 調 節 ( 5 ) 3. 四 肢 部 の 皮 膚 AVA 血 流 動 態 の 観 察 四 肢 部 の 皮 膚 が 体 幹 部 に 比 べて 熱 放 散 に 適 し ているのはどのような 理 由 からであろうか. 第 一 に 形 態 の 違 いが 考 えられ, 容 積 に 対 する 表 面 積 比 が 大 きい 場 合, 熱 放 散 には 有 効 となる. 人 の 体 幹 部 の 表 面 積 : 容 積 比 を 1 とした 場 合, 腕 は 5 倍, 手 は 10 倍, 手 指 は 22 倍, 足 趾 では 69 倍 も 大 き いことが 知 られている(Carlson and Hsieh, 1970). このように 体 幹 部 より 四 肢 部 で, 特 に 末 梢 部 ほど 容 積 に 対 する 表 面 積 比 が 著 しく 大 きいため, 熱 放 散 に 有 用 である. 第 二 に 皮 膚 血 管 であり, 四 肢 末 端 部 の 皮 膚 に 存 在 するが 体 幹 部 皮 膚 にはないものとして 動 静 脈 吻 合 (Arteriovenous Anastomoses: AVA) 血 管 があ る(Clara, 1956; Hales, 1984; Sherman, 1963).これ は 顔 面 の 一 部 の 皮 膚 にも 存 在 するが, 形 態 や 調 節 反 応 等 が 一 般 の 皮 膚 血 管 とは 著 しく 異 なること が 知 られている(Hales et al., 1984). ヒトの 皮 膚 では, 手 や 足 などの 四 肢 末 梢 部 や 耳, 唇 など 特 定 の 皮 膚 部 位 に AVA 血 管 が 多 数 存 在 し, 解 剖 学 的 な 構 造 が 毛 細 血 管 とは 異 なっている. 例 えば, 一 般 の 皮 膚 では 表 皮 の 厚 さが 約 0.2~0.4 mm あり,その 下 にある 真 皮 の 乳 頭 下 血 管 網 から 乳 頭 毛 細 血 管 が 出 て, 乳 頭 内 で 毛 細 血 管 係 蹄 を 作 って いる.AVA 血 管 は 細 動 脈 と 細 静 脈 の 間 に, 極 めて 厚 い 40~60 μm の 平 滑 筋 壁 をもち,コイル 状 に 巻 いて 存 在 する.AVA の 数 は 指 爪 床 部 では 1 cm 2 当 たり 600, 手 掌 足 底 や 小 指 球 では 100 も 存 在 するといわれている(Popoff, 1934).AVA のサイ ズは, 内 径 では 10~150 μm, 血 管 の 長 さは 200~ 500 μm であり, 深 さはやや 深 く,ほぼ 汗 腺 と 同 様, 皮 膚 表 面 から 約 1 mm の 深 さに 位 置 するといわれ ている(Nelms, 1963).AVA 血 管 には 多 数 の 血 管 収 縮 性 交 感 神 経 端 末 の 存 在 が 報 告 されており (Donadio et al., 2006), 血 流 量 が 増 加 する 場 合 に は 上 述 の 交 感 神 経 活 動 の 抑 制 による 受 動 的 血 管 拡 張 に 依 存 することが 知 られており, 一 般 の 皮 膚 血 管 のように 汗 腺 活 動 と 連 動 した 能 動 的 血 管 拡 張 (Fox and Hilton, 1980; 平 田,1995)は 関 与 しない. AVA 血 管 は 毛 細 血 管 に 比 べて 拡 張 時 の 内 径 が 著 しく 大 きいため, 核 心 部 の 熱 を 皮 膚 表 面 へ 運 び 出 し 環 境 へ 放 散 するために 極 めて 重 要 な 働 きを していることが, 指 摘 されている(Molyneux, 1977).ポアズイユの 法 則 として 知 られているよ うに, 圧 力 差 が 一 定 の 場 合, 単 位 時 間 に 流 れる 液 体 の 量 は 管 の 半 径 の 4 乗 に 比 例 し, 長 さおよび 粘 性 に 反 比 例 する.すなわち, 口 径 が 2 倍 の 管 は 16 倍 も 多 くの 液 体 を 流 すことができるし, 口 径 が 半 分 になれば 流 量 は 1/16 に 激 減 することを 示 している. この 法 則 を AVA 血 管 と 毛 細 血 管 に 当 てはめて 考 え, 拡 張 した AVA 血 管 の 平 均 径 100 μm は, 毛 細 血 管 の 平 均 径 10 μmに 比 べて 10 倍 大 きいため, ポアズイユの 法 則 により 単 位 長 さ 当 たりの 血 流 量 は AVA 血 管 が 10,000 倍 も 大 きいことになる (Molyneux and Bryden, 1981).このため,AVA の 存 在 する 部 位 の 皮 膚 血 流 量 は 他 の 部 位 に 比 べ 著 しく 大 きい. 指 血 流 量 を 静 脈 閉 塞 プレチスモグラ フィ(Whitney, 1953)で 測 定 した 例 では, 暑 熱 時 に 拡 張 している 状 態 での 血 流 量 は 100 ml min -1 100 ml -1 以 上 にも 増 加 するが,AVA の 存 在 しない 皮 膚 の 血 流 量 は 指 血 流 量 の 約 1/10 程 度 と 少 な いことからも,いかに AVA 血 管 を 流 れる 血 流 量 が 多 いのかが 分 かる( 永 坂,1993).Coffman と Cohen(1971)の 報 告 によると, 手 全 体 の 血 流 量 のうち,AVA 血 流 量 は 約 80%にも 達 し, 残 りが 毛 細 血 管 血 流 であることが 知 られている. このように AVA 血 管 の 拡 張 時 には 皮 膚 血 流 量 が 著 しく 増 加 するため, 図 1 に 示 した 日 内 変 動 に おいて 核 心 温 の 低 下 開 始 時 には, 四 肢 末 端 の 手 指 皮 膚 温 は 約 10 もの 急 激 な 上 昇 が 示 され, 熱 放 散 の 著 増 を 惹 起 している. 4. AVA 血 管 からの 還 流 皮 静 脈 血 による 熱 放 散 上 肢 末 端 の 手 指 部 に 存 在 する AVA 血 管 を 通 過 した 血 液 は, 手 指 部 からの 熱 放 散 を 著 しく 増 加 さ せたあと, 腋 窩 静 脈 をとおり 心 臓 へ 戻 る.Aulick and Robinson(1981)は 1 時 間 のトレッドミル 走 行 運 動 中 の 腋 窩 静 脈 血 液 温 と 指 皮 膚 温 変 化 の 関 係 を 報 告 している( 図 4).AVA 血 流 量 の 増 加 に 伴 い 指 尖 部 皮 膚 温 の 上 昇 が 始 まると, 腋 窩 静 脈 血 液 温 は 著 しく 低 下 することから,AVA 血 管 の 拡 張 に 伴 い, 上 肢 部 からの 熱 放 散 量 が 著 増 し 腋 窩 静 脈 血 液 温 が 低 下 した 結 果 であることが 示 された. 腋 窩 静 脈 血 液 温 と 指 尖 皮 膚 温 は 鏡 像 を 描 き, 指 尖
( 6 ) 皮 膚 温 の 上 昇 時 には 腋 窩 静 脈 血 液 温 は 低 下 する が, 指 尖 皮 膚 温 の 低 下 時 には 反 対 に 上 昇 している. しかし,これらの 変 化 は AVA 血 管 の 拡 張 に 伴 い, 手 指 部 からの 熱 放 散 量 促 進 のみで 説 明 するに は, 腋 窩 静 脈 血 液 温 の 低 下 が 大 きすぎるようであ る.すなわち, 両 温 度 の 関 係 が 示 唆 することは, 手 指 部 からの 熱 放 散 ばかりではなく,AVA 血 管 を 通 過 したあと 腕 部 において 表 在 性 皮 静 脈 を 通 過 するあいだに, 上 肢 全 体 から 熱 放 散 が 促 進 して 強 力 な 体 温 調 節 作 用 が 作 動 していることである (Grant and Pearson, 1938; 平 田,1990). 図 5 手 指 血 流 量 と 前 腕 血 流 速 度 の 関 係 (Hirata et al., 1989b より 抜 粋 ) 過 した 血 流 量 (Coffman and Cohen, 1971)の 変 化 と 同 期 していることがわかる. 5. 前 腕 皮 膚 温 と AVA 血 流 図 4 走 行 運 動 中 の 腋 窩 静 脈 血 液 温 と 指 尖 皮 膚 温 変 化 (Aulick and Robinson, 1981 より 抜 粋 ) このメカニズムを 明 確 に 示 すことを 目 的 に, 我 々は 心 拍 数 120 bpm 程 度 の 下 肢 運 動 中 に, 静 脈 閉 塞 プレチスモグラフィで 測 定 した 手 指 血 流 量 と, 超 音 波 ドップラー 血 流 計 で 測 定 した 前 腕 の 皮 静 脈 血 流 量 の 指 標 としての 血 流 速 度 を 測 定 する 実 験 を 行 った(Hirata et al., 1989b)( 図 5). 運 動 中 に 体 温 が 上 昇 し, 手 指 血 流 量 の 増 加 に 伴 い, 前 腕 の 皮 静 脈 血 流 も 増 加 を 示 した. 途 中,25 分 ~ 30 分 の 5 分 間 と 40 分 目 から 10 分 間, 手 首 のカ フ 加 圧 (OCCL)により 手 指 への 血 流 を 遮 断 する と, 前 腕 の 皮 静 脈 血 流 はほとんどなくなり,カフ 加 圧 を 開 放 すると 再 び 皮 静 脈 血 流 量 は 増 加 した. このように 前 腕 部 の 皮 静 脈 血 流 速 度 と 手 指 血 流 量 の 間 には 正 比 例 の 関 係 が 存 在 する. 以 上 の 結 果 から, 前 腕 の 皮 静 脈 を 流 れる 血 流 量 は 大 部 分 が 手 指 部 から 還 流 する 血 流,すなわち 主 に AVA を 通 運 動 時 の 前 腕 皮 膚 温 が, 手 指 AVA 血 流 量 の 影 響 を 受 けていることを 明 確 にするため, 手 指 への 血 流 を 遮 断 したときと,しないときの 両 条 件 で, 前 腕 皮 膚 温 を 比 較 する 実 験 を 行 った(Hirata et al., 2013). 環 境 温 23 下 で 半 仰 臥 位 にて 30 分 間 の 自 転 車 運 動 により 体 温 上 昇 を 起 こしたとき, 手 と 前 腕 の 皮 膚 温 変 化 を 図 6 に 示 した. 一 方 は 手 首 の 血 流 遮 断 をしない 対 照 側 (CONTROL: 左 ), 他 方 は 手 首 のカフ 加 圧 により 手 への 血 流 を 30 分 間 遮 断 した 側 (OCCLUSION: 右 )とした. 対 照 側 では 体 温 上 昇 に 伴 って AVA を 含 む 手 の 皮 膚 温 が 上 昇 し, 前 腕 皮 膚 温 のレベルを 超 えた 後, 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 が 観 察 されたが,カフ 加 圧 側 では 手 の 皮 膚 温 上 昇 が 生 じないため, 前 腕 の 皮 膚 温 上 昇 も 生 じなかった. 両 条 件 下 の 前 腕 皮 膚 温 を 図 7 に 示 した. 対 照 側 の 前 腕 皮 膚 温 ( 白 丸 )は, 手 指 の 皮 膚 温 が 急 激 に 上 昇 するのに 伴 って, 運 動 15 分 目 より 26.0 から 運 動 終 了 時 29.2 まで 3.2 も 上 昇 した. 運 動 終 了 後 の 5 分 間 にはさらに 上 昇 し, 29.9 にも 達 した. 一 方, 血 流 を 遮 断 して 手 から の 還 流 静 脈 血 がない 場 合, 手 首 カフ 加 圧 側 の 前 腕 皮 膚 温 ( 黒 丸 )は 約 26 を 維 持 しつづけ 上 昇 す ることはなかった. 運 動 終 了 後 に 血 流 を 開 放 する と, 手 の 皮 膚 温 は 約 22 から 28 まで 急 激 に 上 昇 し,それにともない 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 が 観 察 さ れた.カフ 加 圧 時 であっても 前 腕 への 皮 膚 血 流 量 は 確 保 されているが, 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 には 寄 与
動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 と 四 肢 からの 熱 放 散 調 節 ( 7 ) しなかった.これは, 手 から 還 流 する 皮 静 脈 血 流 がカフ 加 圧 により 遮 断 されたため, 前 腕 皮 膚 温 が 上 昇 しなかったことを 示 しているのである. 換 言 すれば, 下 肢 運 動 中 の 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 は,まず 体 温 の 上 昇 により 手 指 皮 膚 血 流 量 が 著 しく 増 加 し, 手 指 の 皮 膚 温 が 上 昇 する. 次 いで 手 指 を 通 過 した 静 脈 血 が, 前 腕 にある 表 在 の 皮 静 脈 を 通 過 する 際 に 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 を 引 き 起 こすのである. 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 が, 主 に 前 腕 皮 膚 血 流 量 の 増 加 によ るとの 考 え(Veghte et al., 1979)は, 少 なくとも 本 実 験 条 件 下 では 誤 りであるといえる.さらに, 前 腕 筋 肉 から 直 上 の 皮 膚 への 熱 移 動 による 皮 膚 温 上 昇 についても 可 能 性 は 考 えられるが,Johnson and Rowell(1975)によれば, 下 肢 運 動 中 の 前 腕 筋 血 流 量 は 安 静 レベルより 低 く 保 持 されると 報 告 され ているためこの 考 えは 否 定 される. 図 8 には, 同 様 の 方 法 によって 下 肢 運 動 中 の 上 肢 について, 手 と 前 腕 の 皮 膚 温 を 観 察 する 実 験 ( 左 図 : 環 境 温 20 )と, 上 肢 運 動 中 の 下 肢 に ついて 足 と 下 腿 の 皮 膚 温 を 観 察 する 実 験 ( 右 図 : 環 境 温 30 )を 行 い,サーモグラムの 結 果 を 示 した. 左 図 中 では D E の cuff と 示 したとこ ろで 左 手 首 にカフ 加 圧 による 阻 血 を 実 施 した.ま た 右 図 中 では C D の cuff で 右 足 首 にカフ 加 圧 による 阻 血 を 実 施 した. 前 腕, 下 腿 いずれの 皮 膚 温 においても, 四 肢 末 端 の AVA 血 管 から 還 流 する 静 脈 血 によって, 前 腕 および 下 腿 の 皮 膚 温 上 昇 が 観 察 され,さらに 表 在 性 皮 静 脈 から 周 辺 部 へ 継 時 的 に 熱 が 移 動 する 様 子 も 併 せて 観 察 された. このように 四 肢 近 接 部 の 皮 膚 からの 熱 放 散 は, 末 端 に 存 在 する AVA を 通 過 する 多 量 の 血 液 が 近 接 部 の 表 在 性 皮 静 脈 を 還 流 する 際 に 熱 を 放 散 す るという, 極 めて 効 率 のよい 熱 放 散 メカニズムに よって 調 節 されていることが 判 明 した. 図 6 手 首 阻 血 による 前 腕, 手 指 の 皮 膚 温 変 化 (Hirata et al., 2013 より 抜 粋 ) 図 8 カフ 加 圧 による 手 首, 足 首 阻 血 時 の 皮 膚 表 面 の サーモグラム( 下 肢 運 動 中 の 上 肢 皮 膚 ( 左 ), 上 肢 運 動 中 の 下 肢 皮 膚 ( 右 )) 6. 前 腕 発 汗 量 と AVA からの 還 流 皮 静 脈 血 流 図 7 手 首 阻 血 による 前 腕 の 皮 膚 温 変 化 (Hirata et al., 1989b; 平 田,1990 より 抜 粋 ) 手 指 AVA 血 流 が 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 を 引 き 起 こ すことは, 前 腕 の 発 汗 量 にも 影 響 して 熱 放 散 反 応 に 寄 与 するものと 考 えられる. 図 6 で 既 に 述 べた 運 動 実 験 において, 左 右 の 前 腕 局 所 発 汗 量 に 及 ぼ す 手 からの 還 流 静 脈 血 の 影 響 を 観 察 した(Hirata et al., 1989a). 図 9 左 側 に 示 すように, 図 左 (A)は 対 照 実 験 として 手 首 のカフ 加 圧 を 全 く 行 わないで, 被 験 者 5 人 の 左 右 両 腕 における 発 汗 反 応 には 差 がない
( 8 ) ことを 確 かめた. 発 汗 開 始 はほぼ 同 時 であり, 発 汗 増 加 量 も 同 程 度 であった. 一 側 の 手 首 をカフ 加 圧 した 条 件 での 経 時 変 化 を 図 9 右 ( B)に 示 した. 図 6 で 示 したように, 手 指 AVA からの 還 流 静 脈 血 の 有 無 による 前 腕 皮 膚 温 の 差 が 3.2 にも 上 り, 前 腕 部 における 局 所 皮 膚 温 の 差 異 は 前 腕 発 汗 量 にも 表 れ, 運 動 終 了 時 点 でカフ 加 圧 側 では 0.13 mgcm -2 min -1 であったが, 対 照 側 では 0.21 mg cm -2 min -1 と 有 意 に 高 値 まで 増 加 した. これは 中 枢 性 の 発 汗 神 経 衝 撃 に 対 して, 神 経 腺 接 合 部 での 伝 達 物 質 の 分 泌 が, 温 度 上 昇 により 亢 進 することに 起 因 するのであろう(Bullard et al., 1967). 図 中 の 実 線 は 同 一 の 中 枢 性 の 発 汗 刺 激 に 対 し, 皮 膚 温 上 昇 に 対 する 発 汗 量 増 加 の 感 度 を 示 している. 皮 膚 温 が 高 くなるほど 直 線 の 傾 きが 大 きくなり, 発 汗 量 増 加 の 感 度 が 高 くなることを 示 している.その 効 果 は 指 数 関 数 的 で,Q 10 は 3 またはそれ 以 上 であるといわれている (MacIntyre et al., 1968; Nadel et al., 1971). 皮 膚 温 の 上 昇 がない 場 合 には,ある 場 合 に 比 べて 前 腕 発 汗 量 の 開 始 が 若 干 遅 延 し, 増 加 量 は 有 意 に 抑 制 さ れた. 前 腕 皮 膚 温 の 上 昇 が, 前 腕 発 汗 量 の 増 加 亢 進 に 大 きく 寄 与 することが 示 された. 7. 前 腕 からの 熱 放 散 に 及 ぼす 手 指 AVA から の 還 流 皮 静 脈 血 流 図 9 手 首 阻 血 による 前 腕 発 汗 量 の 変 化 (Hirata et al., 2013 より 抜 粋 ) これらの 変 化 を 前 腕 皮 膚 温 に 対 する 前 腕 発 汗 量 の 関 係 として 図 10 に 示 した. 手 首 のカフ 加 圧 側 ( 黒 丸 )では 皮 膚 温 の 上 昇 がないため, 主 に 中 枢 温 と 平 均 皮 膚 温 の 変 化 が 刺 激 となり 運 動 終 了 時 に 0.13 mg cm -2 min -1 まで 増 加 した. 一 方, 対 照 側 ( 白 丸 )では 同 一 の 中 枢 性 の 発 汗 神 経 衝 撃 に 加 えて, 前 腕 の 局 所 皮 膚 温 上 昇 の 効 果 が 加 わっ たため 発 汗 量 が 亢 進 し, 運 動 終 了 時 には 0.21 mgcm -2 min -1 と 有 意 に 高 値 まで 増 加 した. 既 に 図 6, 図 8 で 示 した 結 果 を 用 いて, 前 腕 皮 膚 からの 蒸 散 性, 非 蒸 散 性 および 全 熱 放 散 量 を 推 定 し, 手 指 AVA 血 流 を 通 過 して 還 流 する 静 脈 血 流 の 役 割 について 定 量 的 に 述 べる(Hirata et al., 1989a). 表 1 に 示 したとおり, 腕 からの 蒸 散 性 熱 放 散 量 (E)は, 対 照 側 では 87 W m -2 であった のに 対 し,カフ 加 圧 側 で 53W m -2 であるため, 皮 膚 温 上 昇 による 熱 放 散 量 の 亢 進 が 34 W m -2 (39%)にも 達 している.さらに 非 蒸 散 性 熱 放 散 量 (R+C)は 対 照 側 で 53 W m -2,カフ 加 圧 側 で は 27 W m -2 であり, 手 から 還 流 する 皮 静 脈 血 流 によるものは 26 W m -2 (46%)にも 達 している. 腕 全 体 からの 熱 放 散 量 は, 対 照 側 の 140 W m -2 に 対 してカフ 加 圧 側 では 80 W m -2 であった. AVA 血 流 量 が 増 加 し, 手 から 還 流 する 皮 静 脈 血 による 熱 放 散 の 亢 進 は,60 W m -2 (43%)にも 達 し,その 貢 献 度 が 確 認 さ 表 1 手 首 阻 血 による 前 腕 皮 膚 からの 蒸 散 性 非 蒸 散 性 及 び 全 熱 放 散 量 (Hirata et al., 1989a) 図 10 手 首 阻 血 による 前 腕 皮 膚 温 と 発 汗 量 の 関 係 (Hirata et al., 2013 より 抜 粋 )
動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 と 四 肢 からの 熱 放 散 調 節 ( 9 ) れた. 手 指 AVA から 帰 還 する 表 在 性 静 脈 血 が 前 腕 皮 膚 からの 熱 放 散 調 節 に 占 める 役 割 は, 極 めて 大 きいものと 結 論 できる. 8. AVA 血 流 と 核 心 温 血 圧 変 化 四 肢 における AVA 血 流 量 の 増 加 が, 熱 放 散 量 の 亢 進 に 重 要 な 役 割 を 果 たすならば, 核 心 温 にも 影 響 するはずである.これを 検 証 するために,7 名 の 健 康 な 男 性 を 被 験 者 とし, 室 温 20, 湿 度 30%の 人 工 気 象 室 で,30 分 間 の 安 静 ののち 心 拍 数 120~130 拍 / 分 強 度 の 自 転 車 運 動 を 25 分 間 行 わせた.その 後 20 分 間 の 回 復 期 とした.カフ 加 圧 実 験 では, 運 動 開 始 15 分 目 より 実 験 終 了 まで の 30 分 間, 両 手 首 のカフ 加 圧 により 血 流 を 遮 断 した. 対 照 実 験 は 一 切 の 加 圧 なしの 条 件 で 行 った. その 結 果, 対 照 実 験 では 指 皮 膚 温 は 20.5 から 34 まで 上 昇 し,これに 伴 って 前 腕 の 皮 膚 温 は 25.4 から 27.7 まで 2.7 も 上 昇 した. 一 方, カフ 加 圧 実 験 では 指 と 前 腕 の 皮 膚 温 は 加 圧 前 値 から 全 く 変 化 しなかった. 体 幹 部 の 皮 膚 を 代 表 し て, 胸 部 について 換 気 カプセル 法 による 局 所 発 汗 量 とレーザードップラー 血 流 計 による 皮 膚 血 流 量 を 測 定 したところ, 皮 膚 血 流 量 と 発 汗 量 ともに カフ 加 圧 開 始 後 に 亢 進 し, 対 照 実 験 よりカフ 加 圧 実 験 では 有 意 に 高 い 値 を 示 した( 図 11).これら はカフ 加 圧 による 上 肢 からの 熱 放 散 の 抑 制 を 補 償 するための 代 償 反 応 であると 推 察 される. 上 肢 からの 熱 放 散 抑 制 による 代 償 反 応 は, 前 額, 胸, 大 腿 と 足 の 4 部 位 で 測 定 した 皮 膚 温 が, 対 照 実 験 より 有 意 に 高 く 上 昇 した.これらはいずれも 皮 膚 血 管 の 拡 張 によるものと 解 された. Lossius et al.(1993)によれば,ava 血 流 量 の 変 動 は 平 均 血 圧 の 変 動 との 間 に 非 常 に 高 い 負 の 相 関 が 認 められると 報 告 していることから, 本 実 験 結 果 では,カフ 加 圧 の 代 償 反 応 として, 胸 部 ばかり でなく 前 額, 大 腿 や 足 など 全 身 の 皮 膚 において 血 管 拡 張 が 生 じているものと 推 察 され, 末 梢 血 管 抵 抗 が 低 下 した 結 果, 平 均 血 圧 では 5 mmhg の 有 意 な 低 下 が 生 じたものと 考 えられる( 図 12).さら には, 両 手 首 のカフ 加 圧 により 全 身 皮 膚 に 生 じた 代 償 性 反 応 により 熱 バランスの 変 化 が 起 きている にも 関 わらず, 食 道 温 はカフ 加 圧 により 0.20 も 高 値 を 示 した( 図 13). 図 11 手 首 阻 血 による 胸 部 血 流 量 と 発 汗 量 の 変 化 (Hirata et al., 1993 より 抜 粋 ) 図 12 自 転 車 エルゴメータ 運 動 による 熱 付 加 中 の 両 手 首 阻 血 が, 平 均 血 圧 (MAP)に 及 ぼす 効 果 ( 永 坂 ほか,1997 より 抜 粋 ) 図 13 自 転 車 エルゴメータ 運 動 による 熱 負 荷 中 の 両 手 首 阻 血 が 食 道 温 (Tes)に 及 ぼす 効 果 ( 永 坂 ほか,1997 より 抜 粋 )
( 10 ) 以 上 の 結 果 から, 実 験 的 に AVA 血 流 を 遮 断 す ると 上 肢 からの 熱 放 散 量 が 著 しく 減 少 するため, 全 身 の 皮 膚 における 余 分 な 血 管 拡 張 と 発 汗 量 の 余 分 な 増 加 が 生 じる.しかし 熱 バランス 的 には 十 分 な 補 償 ができなかったため, 食 道 温 は 0.20 も 高 値 となった.さらに AVA 血 流 遮 断 により 代 償 性 に 拡 張 した 血 管 床 が 大 きすぎるため, 血 圧 維 持 の 観 点 からは 末 梢 血 管 抵 抗 が 低 下 し, 平 均 血 圧 の 低 下 を 招 来 したものと 推 察 された. 換 言 すると 図 14 に 示 す 通 り,AVA 血 流 量 が 充 分 に 確 保 されれ ば, 四 肢 末 梢 部 ( 手 腕 や 足 下 腿 )からの 蒸 散 性 および 非 蒸 散 性 の 熱 放 散 量 が 十 分 に 高 く 維 持 され, 全 身 における 他 部 位 の 皮 膚 からの 発 汗 量, 皮 膚 血 流 量 の 増 加 を 抑 制 できる 上 に, 体 温 を 低 く 保 つことができる.さらに, 同 時 に AVA 血 流 量 は 血 圧 維 持 機 能 (Walloe, 2015)にも 貢 献 すること が 確 認 できた. でなく, 四 肢 近 接 部 を 通 過 して 帰 還 する 表 在 性 皮 静 脈 から 周 辺 部 の 皮 膚 へ 熱 が 伝 導 し, 局 所 皮 膚 温 の 上 昇 は 非 蒸 散 性 熱 放 散 と 発 汗 量 の 増 加 亢 進 に 伴 う 蒸 散 性 熱 放 散 をも 促 進 することで 体 温 調 節 に 寄 与 し ている. 本 文 中 で 述 べたように,AVA 血 流 と 四 肢 部 を 利 用 する 熱 放 散 の 機 序 は, 体 幹 部 への 皮 膚 血 流 量 と 発 汗 量 の 亢 進 を 抑 制 でき,その 結 果, 血 圧 維 持 の 調 節 にも 大 いに 貢 献 していることを 示 してきた. 今 回 は 述 べていないが,AVA 血 流 に 関 する 話 題 として 体 脂 肪 率 による 影 響 ( 西 村 ほか,1993), 皮 膚 毛 細 血 管 と AVA 血 流 の 分 離 測 定 の 試 み( 平 田 と 永 坂,1990;Hirata et al., 1988), 体 温 調 節 の 個 人 差 と AVA 血 流 の 関 係 (Hirata et al., 1996), 衣 服 の 快 適 性 との 関 係 (Hirata, 1988; 1991)などがある.AVA 血 管 における 温 熱 性 皮 膚 血 管 収 縮 反 応 (Heat-induced vasoconstriction : HIVC)( Nagasaka et al., 1986; Nagasaka et al., 1987; Nagasaka et al., 1987) については, 異 なる 皮 膚 部 位 への 刺 激 においても HIVC が 惹 起 される 等, 非 常 に 興 味 深 く 新 しい 展 開 がある.さらに,AVA 血 流 を 組 み 込 んだ 人 体 熱 モ デルの 開 発 ( 竹 森 ほか,1994; 竹 森,1995) 等 も 有 用 な 研 究 である.しかし, 今 回 は 紙 面 の 関 係 で 余 裕 がないため 別 の 機 会 に 譲 りたい. 図 14 AVA 血 流 量 増 加 が 上 肢 全 体 からの 熱 放 散 量 亢 進 に 寄 与 するメカニズム (Hirata et al., 1989a;Hirata et al., 1990 より 抜 粋 ) 9. おわりに 本 稿 では,AVA 血 流 による 熱 放 散 調 節 に 焦 点 を 絞 って 述 べてきた. 用 いた 実 験 結 果 は, 主 に 上 肢 に おける 手 と 前 腕 の 関 係 について 行 ったものである が, 下 肢 においても 同 様 のメカニズムにより, 下 腿 部 分 からの 熱 放 散 量 亢 進 に 足 部 AVA 血 流 が 関 与 し ている(Hirata et al., 1989b).このため, 四 肢 末 端 に 存 在 する AVA 血 流 の 増 減 によって, 四 肢 全 体 か らの 熱 放 散 量,ひいては 体 温 の 調 節 が 行 われている ことを 明 らかにした.この 機 序 は, 人 のからだの 形 態 と 機 能 を 十 分 に 活 かして 調 節 されている. 細 胞 を 栄 養 する 毛 細 血 管 とは 別 に, 主 に 体 温 調 節 性 に 機 能 する AVA 血 管 が 四 肢 末 端 部 に 配 置 されており, AVA 血 管 拡 張 により 末 端 部 からの 熱 放 散 量 ばかり 引 用 参 考 文 献 ASCHOFF, J. and HEISE, A. (1972): Thermal conductance in man: its dependence on time of day and on ambient temperature. In: ITOH, S., OGATA, K. and YOSHIMURA, H. (eds.), Advances in Climatic Physiology, Igaku Shoin, Tokyo, pp. 334 348. AULICK, L.H. and ROBINSON, S. (1981): Arm and leg intravascular temperatures of men during submaximal exercise. J. Appl. Physiol., 51: 1092 1097. BULLARD, R.W., BANARJEE, M.R. and MACINTYRE, B.A. (1967): The role of the skin in negative feedback regulation of eccrine sweating. Int. J. Biometeorol., 11: 93 104. CARLSON, L.D. and HSIEH, A.C.L. (1970): Control of energy exchange. MacMillan, New York, pp. 18. CLARA, M. (1956): Die arterio-venosen Anastomosen. (2 Aufl.), Springer, Wien, pp. 12 23. COFFMAN, J.D. and COHEN, A.S. (1971): Total and capillary fingertip blood flows in Raynaud s phenomenon. N. Eng. J. Med., 285: 259 263. DONADIO, V., NOLANO, M., PROVITERA. V., STANCANELLI, A., LULLO, F., LIGUORI, R. and SANTORO, L. (2006):
動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 と 四 肢 からの 熱 放 散 調 節 ( 11 ) Skin sympathetic adrenergic innervation: An immunofluorescence confocal study. Ann. Neurol., 59: 376 381. FOX, R.H. and HILLTON, S.H. (1980): Bradikinin formation in human skin as a factor in heat vasodilation. J. Physiol. (London), 284: 515 521. GRANT, R.T. and PEARSON, R.S.B. (1938): The blood circulation in the human limb; observations on the difference between the proximal and distal parts and remarks on the regulation of body temperature. Clin. Sci., 3: 119 139. HALES, J.R.S. (1984): Skin arteriovenous anastomoses, their control and role in thermo-regulation. In: KROGSGAARD-LARSEN, P., CHRISTENSEN, S.B. and KOFOD, H. (eds.), Cardiovascular Shunts, Alfred Benzon Symposium 21, Munksgaard, Copenhagen, pp.1 16. HALES, J.R.S., JESSEN, C., FAWCETT, A.A. and KING, R.B. (1984): Skin AVA and capillary dilatation and constriction induced by local skin heating. Pflugers Arch., 404: 203 207. 姫 野 朋 子 (1997): 四 肢 と 体 幹 の 部 位 差 が 人 の 体 温 調 節 反 応 に 及 ぼす 影 響. 神 戸 女 子 大 学 大 学 院 家 政 学 研 究 科, 修 士 論 文,p. 31. HIRATA, K. (1988): Skin circulation and clothing comfort How thermal features of the extremities vary by changing type of clothing. In: TOKURA, H. (ed.), Proceedings of International Symposium on Clothing Comfort Studies in Mt. Fuji, Fuji Institute of Education and Training, The Japan Research Association for Textile End-Uses, Japan, Aug. pp. 29 31. HIRATA, K., NAGASAKA, T. and NODA, Y. (1988): Partitional measurement of capillary and arteriovenous anastomotic blood flow in the human finger by laser-doppler-flowmeter. Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol., 57: 616 621. HIRATA, K., NAGASAKA, T., HIRASHITA, M. and TAKAHATA, T. (1989a): Increase in evaporative and non-evaporative heat loss from the forearm depends on venous return from the hand during exercise. In: MERCER, J.B. (ed.), Thermal Physiology 1989, Elsevier Science Publisher B.V., Amsterdam, pp. 155 159. HIRATA, K., NAGASAKA, T. and NODA, Y. (1989b): Venous return from distal regions affects heat loss from arms and legs during exercise-induced thermal loads. Eur. J. Appl. Physiol., 58: 865 872., 永 坂 鉄 夫 (1990):レーザードップラー 血 流 計 を 用 いたヒトの 皮 膚 毛 細 血 管 および 動 静 脈 吻 合 血 流 量 の 分 離 測 定 法 の 確 立. 興 和 生 命 科 学 振 興 財 団 研 究 報 告,2: 57 64. (1990): 運 動 時 の 四 肢 発 汗 量 を 促 進 する 動 静 脈 吻 合 (AVA) 血 流 量. 体 育 の 科 学,40: 889 894. HIRATA, K. (1990): Skin blood flow in an acral region of the extremities and thermoregulation during heat load in clothed subjects. Bulletin of Kobe Women s University, 24H: 83 106. HIRATA, K. (1991): Clothing comfort and physiological responses during exercise: mechanisms for promoting heat loss from the extremities. In: TOKURA, H. (ed.), Proceedings of 2 nd International Symposium on Clothing Comfort Studies in Mt. Fuji ~ Physiological aspects of clothing and their significance for human health~, Fuji Institute of Education and Training, The Japan Research Association for Textile End-Uses, Japan, Nov. 30 Dec. 2. HIRATA, K., YUTANI, M. and NAGASAKA, T. (1993): Increased hand blood flow limits other skin vasodilation. J. Therm. Biol., 18: 325 327. (1995): 皮 膚 血 流 量 の 温 熱 生 理 学. 繊 維 製 品 消 費 科 学,36: 12 17. HIRATA, K., KONDO, N. and SUYAMA, T. (1996): Individual difference in thermoregulatory responses of arteriovenous anastomoses (AVA) blood flow and interrelation of skin blood flow -sweat rate during heat load. Bulletin of ONO Sports Science Foundation, 4: 124 138. HIRATA, K., NAGASAKA, T. and SHIDO, O. (2013): Venous blood returning from the hand enhance forearm sweat rate during thermal load. Bulletin of Faculty of Home Economics, Kobe Women s University, 46: 21 29. JOHNSON, J.M. and ROWELL, L.B. (1975): Forearm skin and muscle vascular responses to prolonged leg exercise in man. J. Appl. Physiol., 39: 920 924. LOSSIUS, K., ERIKSEN, M. and WALLOE, L. (1993): Fluctuations in blood flow to acral skin in humans: connection with heart rate and blood pressure variability. J. Physiol., 460: 641 655. MACINTYRE, B.A., BULLARD, R.W., BANERJEE, M. and ELIZONDO, R. (1968): Mechanism of enhancement of eccrine sweating by localized heating. J. Appl. Physiol., 25: 255 260. MOLYNEUX, G.S. (1977): The role of arteriovenous anastomoses in the peripheral circulation. Proc. Roy. Soc. Qld., 88: v-xiv, pls. 1 9. MOLYNEUX, G.S. and BRYDEN, M.M. (1981): Comparative aspects of arateriovenous anastomoses. In: HARRISON, R.J. and HOLMES, R.L. (eds.), Progress in Anatomy, Cambridge University Press, pp. 207 227. NADEL, E.R., BULLARD, R.W. and STOLWIJK, J.A.J. (1971): Importance of skin temperature in the regulation of sweating. J. Appl. Physiol., 31: 80 87. NAGASAKA, T., CABANAC, M., HIRATA, K. and NUNOMURA, T. (1986): Heat-induced vasoconstriction in the fingers: a mechanism for reducing heat gain through the hand heated locally. Pflugers Arch., 407: 71 75.
( 12 ) NAGASAKA, T., CABANAC, M., HIRATA, K. and NUNOMURA, T. (1987): Control of local heat gain by vasomotor response of the hand. J. Appl. Physiol., 63: 1335 1338. NAGASAKA, T., HIRATA, K. and NUNOMURA, T. (1987): Contribution of arteriovenous anastomoses to vasoconstriction induced by local heating of the human finger. J.J.P., 37: 425 433. 永 坂 鉄 夫 (1990): 動 静 脈 吻 合 による 皮 膚 での 熱 移 動 の 調 節. 日 本 生 理 誌,52: 197 205. 永 坂 鉄 夫 (1993): 暑 熱 と 人 間 - 環 境 生 理 学 の 立 場 から. 日 本 体 質 学 雑 誌,57: 8 10. 永 坂 鉄 夫,, 平 井 敦 夫, 平 下 政 美 (1997): 動 静 脈 吻 合 の 体 力 医 学 的 意 義.デサントスポーツ 科 学, 18: 3 13. 西 村 和 久,, 白 水 智 子, 竹 森 利 和 (1993): 体 脂 肪 率 の 違 いは 末 梢 部 皮 膚 温 に 影 響 するか? 日 生 気 誌,30: 187 196. NELMS, J.D. (1963): Functional anatomy of skin related to temperature regulation. Fed. Proc., 22: 933 936. POPOFF, N.W. (1934): The digital vascular system- With reference to the state Glomus in inflammation Arteriosclerotic gangrene, diabetic gangrene thrombo-angiitis obliterans and supernumerary digits in man. Arch. Pathol., 18: 295 330. SMOLANDER, J., HARMA, M., LINDQVIST, A. KOLARI, P. and LAITINEN, L.A. (1993): Circadian variation in peripheral blood flow in relation to core temperature at rest. Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol., 67: 192 196. SHERMAN, J.L. (1963): Normal arteriovenous anastomoses. Medicine (Baltimore), 42: 247 267. 田 村 照 子, 小 柴 朋 子, (2005): 衣 環 境 の 科 学, 建 帛 社 ( 東 京 ),pp. 28 29. 竹 森 利 和 (1995): 熱 環 境 の 快 適 性 評 価 のための 人 体 熱 モデル 開 発. 神 戸 大 学 大 学 院 自 然 科 学 研 究 科, 博 士 論 文,pp. 1 113. 竹 森 利 和, 庄 司 祐 子,, 中 島 健 (1994): 動 静 脈 吻 合 血 管 反 応 を 考 慮 した 人 体 熱 モデルによる 皮 膚 温 予 測 結 果. 人 間 - 生 活 環 境 系 会 議 誌,1: 58 63. VEGHTE, J.H. ADAMS, W.C. and BERNAUER, E.M. (1979): Temperature changes during exercise measured by thermography. Aviat. Space Environ. Med., 50: 708 713. WALLOE, M.D. (2015): Arterio-venous anastomoses in the human skin and their role in temperature control. Temperature, 1 12. WHITNEY, R.J. (1953): The measurement of volume changes in human limbs. J. Physiol., 121: 1 27. Corresponding Author Address: Kozo HIRATA, Faculty of Home Economics, Kobe Women s University, 2 1 Aoyama Higashisuma, Suma-ku, Kobe, 654 8585, Japan. E-mail: k-hirata@suma.kobe-wu.ac.jp 654 8585 神 戸 市 須 磨 区 東 須 磨 青 山 2 1 神 戸 女 子 大 学 家 政 学 部