急性期脳虚血患者における水素吸入の安全性と血中水素濃度

3分で読める詳細解説

結論

3%以上の水素吸入は安全であり、血中に十分な水素を供給できる。

研究の背景と目的

動物実験において、水素分子は脳や心臓の虚血再灌流障害、さらには神経変性疾患など、多様な病態に対して有効かつ安全であることが示唆されている。しかし、脳虚血患者は比較的高齢の患者層が中心となるため、実際の臨床応用に向けては、改めてその安全性を確認する必要がある。 加えて、水素吸入療法を確立するためには、患者へ安定的に水素を供給できるかという技術的な検証も不可欠となる。
そこで本研究は、急性期脳虚血患者を対象に、水素ガス吸入時の血中水素濃度推移と、呼吸・循環などの生理学的パラメータへの影響を詳細に調査することで、水素吸入療法の安全性と水素供給の安定性を評価することを目的とした。

研究方法

• 対象者: 急性期脳虚血と診断された患者13名が本研究に参加した。
  • このうち3名（症例1：72歳男性、昏睡状態で人工呼吸器管理中。症例2：78歳。症例3：74歳）に対して、血中水素濃度および生理学的パラメータの詳細な経時的測定が行われた。
  • 残りの10名の患者については、30分間の水素吸入終了時の静脈血中水素濃度を複数回測定し、濃度維持の安定性（再現性）を評価した。
  • 選定基準: 急性期脳虚血患者であること。
  • 除外基準: 患者が検査のための静脈穿刺を拒否した場合、または水素吸入中に何らかの不快感や不満を訴えた場合。
• 介入方法:
  • 水素濃度: 詳細測定を行った3名のうち、症例1は4%濃度の水素ガスを、症例2および症例3は3%濃度の水素ガスを吸入した。 濃度安定性評価の対象となった10名の患者は、3%濃度の水素ガスを吸入した。
  • 摂取/吸入量: 具体的な1分間あたりの吸入ガス総量については論文内に記述なし。
  • 頻度: 血中濃度および生理学的パラメータの詳細測定は、各患者につき1回実施された。濃度安定性評価は、各患者につき複数回（数日間）実施された。
  • 期間: 血中濃度および生理学的パラメータ測定のための水素吸入時間は30分間。吸入終了後も約30分間、血中濃度測定が継続された。 濃度安定性評価のための吸入時間も30分間であった。
  • 実施時間: 具体的な投与時間帯（午前・午後など）に関する記述は論文内になし。
  • 流量: 具体的なガス流量（L/分など）に関する記述は論文内になし。
  • 吸入方法: 症例1の患者は人工呼吸器を介して水素ガスを吸入した。 症例2、症例3、および濃度安定性評価対象の10名の患者は、通常のフェイシャルマスクを装着し、自身の呼吸努力とペースで水素ガスを吸入した。
• 対照群の設定: 各患者における水素吸入開始前の状態を、それぞれの対照（ベースライン）とした。
• 評価方法:
  • 血中水素濃度: 動脈血および静脈血を採取し、ガスクロマトグラフィー法を用いて血中の水素濃度を測定した。
  • 生理学的パラメータ: 体温、血圧、脈拍数といったバイタルサインに加え、動脈血ガス分析により、酸素分圧(pO2)、酸素飽和度(sO2)、二酸化炭素分圧(pCO2)、重炭酸イオン濃度(HCO3−)、pH、塩基過剰(BE)などの呼吸・循環・代謝に関する詳細な指標を測定した。

研究結果

• 主要な結果:
  • 3%または4%の水素ガス吸入開始後、動脈血および静脈血中の水素濃度はともに速やかに上昇し、約20分でプラトー（安定した状態）に達した。その濃度は約10～20 μM/Lであり、これは動物実験において治療効果が確認されている血中濃度と同等のレベルであった。
  • 吸入期間中、動脈血中の水素濃度は常に静脈血中の濃度よりも高い値を示したが、時間の経過とともにその差は小さくなる傾向が見られた。
  • 水素ガス吸入を中止すると、動脈血中の水素濃度は非常に速やかに低下し、約6～8分で吸入中止直前の濃度の10%未満まで減少した。
  • 一方、静脈血中の水素濃度は動脈血と比較して緩やかに低下し、吸入中止後約6分で吸入中止直前の濃度の50%未満、約18分で10%未満まで減少した。
  • 詳細な生理学的パラメータを測定した3例において、水素吸入中および吸入後に、血圧、脈拍、体温、血液ガスデータ（pH、sO2など）に臨床的に問題となるような変動は見られなかった。
  • フェイシャルマスクを用いて3%水素ガスを30分間吸入した10名の患者において、吸入終了時の静脈血中水素濃度は、1 μM/L未満から25 μM/Lと、患者間で大きなばらつきが認められた。
  • しかし、マスクの装着状態をより注意深く確認し、患者に適切に吸入するよう促すことで、血中水素濃度のばらつきは改善する傾向が示された。
  • 喘息やCOPDといった肺疾患を有する患者2名では、水素吸入のみによる血中水素濃度の上昇は非常に低かった（1 μM/L未満）。しかし、水素豊富生理食塩水（水素水）の静脈内投与（100mLを30分かけて投与）を併用したところ、血中水素濃度はそれぞれ1.2 μM/Lから12.1 μM/L、0.5 μM/Lから8.2 μM/Lへと有意に上昇した。
• 考察
  • 本研究の結果から、水素ガス吸入は、先行研究で報告されている水素水の静脈内投与と比較して、より高い血中水素濃度を達成できる可能性が示された。しかしながら、フェイシャルマスクを用いた簡便な吸入方法では、マスクの密着性などにより、水素の供給効率が不安定になるという課題が明らかになった。
  • 特に、意識障害があるなど神経学的な問題を抱える患者の場合、無意識のうちにフェイシャルマスクが適切な位置からずれてしまうことが観察された。
  • 顔面に密着するタイプのマスクや、呼気を排出するための一方向弁などを利用することで、吸入の不安定性はいくらか軽減されたものの、一部の患者ではマスクによる息苦しさや呼吸抵抗感を訴えるケースもあった。
  • 水素ガスを吸入させる際には、単に空気と混合するだけでは吸入酸素濃度が低下し、低酸素状態を招くリスクがあるため、適切に酸素も添加することが安全性の観点から重要であると考察された。
  • 水素ガスと正常圧酸素（大気圧下での高濃度酸素吸入、NBO）を併用することは、脳虚血のような病態に対して、それぞれのガスが持つ利点を組み合わせた理想的な治療法となる可能性が示唆された。
• 研究の限界:
  • 本研究は、対象とした患者数が比較的少数であった点が限界として挙げられる。
  • 水素水の静脈内投与や経口摂取といった、他の水素投与経路との直接的な比較データが十分に得られていない。
  • 研究参加の同意条件として、患者が予期せぬ不快感や不満を訴えた場合には直ちに研究を中止するという制約があったため、特に濃度安定性の評価において、より長期間にわたる系統的なデータ収集が困難であった。 フェイシャルマスクや吸入方法のさらなる改良により、吸入効率の不安定性は低減できる可能性がある。

Appendix（用語解説）

• 急性期脳虚血 (acute cerebral ischemia): 脳の血管が急に詰まったり狭くなったりすることで、脳への血流が途絶え、脳細胞が酸素不足・栄養不足に陥る状態。代表的なものに脳梗塞がある。
• 生理学的パラメータ (physiological parameters): 体温、血圧、脈拍、呼吸状態、血液中の酸素や二酸化炭素の量など、体の基本的な機能や状態を示す客観的な指標のこと。
• ガスクロマトグラフィー (gas chromatography): 気体や気化しやすい化合物を分離し、それぞれの成分の量を測定するための分析手法。この研究では、血液中に溶け込んでいる微量の水素ガスを検出・定量するために用いられた。
• プラトー (plateau): グラフなどで、ある数値が上昇または下降した後、一定の値で横ばいの状態が続く部分のこと。この研究では、血中水素濃度が一定レベルに達して安定した状態を指す。
• μM/L (マイクロモーラー/リットル): 溶液中の物質の濃度を表す単位の一つ。1リットルの溶液中に、100万分の1モルの物質が溶けている状態を1 μM/Lという。
• 動脈血 (arterial blood): 心臓から全身の組織へ送り出される血液で、酸素を豊富に含んでいる。
• 静脈血 (venous blood): 全身の組織で酸素を供給し終え、二酸化炭素などを受け取って心臓へ戻ってくる血液。
• NPO (nothing by mouth / nil per os): 絶食・絶飲のこと。ラテン語の “nil per os” (口から何も入れない) に由来する医療用語。
• BE (Base Excess; 塩基過剰): 血液の酸性・アルカリ性のバランスを示す指標の一つ。血液が正常なpH（約7.4）を保つために、どれだけ酸またはアルカリ（塩基）が過剰であるか、あるいは不足しているかを示す値。
• BB (Buffer Base; 緩衝塩基): 血液中に含まれる、pHの急激な変動を和らげる働き（緩衝作用）を持つ塩基性物質の総量。
• sO2(oxygen saturation; 酸素飽和度): 血液中のヘモグロビンが、どれくらいの割合で酸素と結合しているかを示す値。肺での酸素の取り込みや、組織への酸素供給の状態を反映する。
• pCO2(partial pressure of carbon dioxide; 二酸化炭素分圧): 血液中に溶け込んでいる二酸化炭素の圧力。主に肺でのガス交換（換気）の状態を反映する。
• pO2(partial pressure of oxygen; 酸素分圧): 血液中に溶け込んでいる酸素の圧力。主に血液の酸素化の状態を反映する。
• HCO3−(bicarbonate ion; 重炭酸イオン): 血液のpHを一定に保つための最も重要な緩衝物質の一つ。腎臓や呼吸によって調節される。
• COPD (Chronic Obstructive Pulmonary Disease; 慢性閉塞性肺疾患): 長期間の喫煙などにより、気管支や肺胞に炎症が起こり、空気の流れが悪くなる病気。
• 正常圧酸素療法 (NBO: Normobaric Oxygen Therapy): 通常の大気圧下で、空気よりも高い濃度の酸素を吸入する治療法。

論文情報

タイトル

A basic study on molecular hydrogen (H2) inhalation in acute cerebral ischemia patients for safety check with physiological parameters and measurement of blood H2 level（急性期脳虚血患者における生理学的パラメータによる安全性確認と血中水素濃度測定を目的とした水素分子(H2)吸入に関する基礎的研究）

引用元

Ono, H., Nishijima, Y., Adachi, N. et al. A basic study on molecular hydrogen (H2) inhalation in acute cerebral ischemia patients for safety check with physiological parameters and measurement of blood H2 level. Med Gas Res 2, 21 (2012). https://doi.org/10.1186/2045-9912-2-21

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