吸入酸素濃度と肺傷害，感染症：高い吸入酸素濃度の有用性と問題点

周術期呼吸管理
吸入酸素濃度と肺傷害，感染症：
高い吸入酸素濃度の有用性と
問題点
Contribution of Oxygen Concentration to Acute
Lung Injury and Infection : Is Higher Inspiratory
Oxygen Concentration Helpful or Hazardous?
東京女子医科大学麻酔科学教室
佐藤暢夫
Nobuo Sato
小谷　透
Toru Kotani
麻酔中の吸入酸素濃度上昇や術後数時間の酸素投与は，低酸素イベントの回避，嘔気嘔吐の防
止，創部感染防止を期待して行なわれている．しかし，効果が得られるのは低酸素の回避のみで，
高濃度酸素投与は吸収性無気肺の発生，抜管時期の遅延，低酸素症状の発見の遅れ，重篤な低酸
素血症におちいる危険性も内包する．適切な酸素投与法について症例ごとに検討する必要がある．
吸入酸素濃度を論じるうえで
必要な基礎的事項
1. 低酸素血症について
の結合の割合は SaO2 で表され，血液中の溶解量は PaO2
で表現される．ヘモグロビン（Hb）は 4 つのヘムで構成
され，1 つが酸素を結合するとHb 全体の構造が変化し他
のヘムと酸素との結合が促進される（アロステリック効
ヒトの細胞が生きていくために酸素は不可欠である．酸
果）．この結果，Hbの酸素結合状態は all or nothing の
素は肺から血液中に取り込まれ末梢組織に運搬されるの
状態となり，酸素が豊富な肺では酸素を吸収し，少ない
で，血液中の酸素含量は生命活動が維持できるかの評価
末梢組織では酸素を放出することが可能となる．つま
指標として重要である．酸素は血液中にすばやく溶解す
り SaO2 と PaO2 の関係は S 字状を描く（図 1 ）1）．低酸素
るがごく一部であり（溶解係数 0.0031mL/dL/mmHg），
血症とは動脈血の酸素分圧が低下している状態をいい，
大部分は血液中のヘム鉄と結合し運搬される．ヘム鉄と
組織血流が維持されていても低酸素症が発生する．低
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酸素血症の臨床症状として，PaO2 60mmHg 以下で軽度
化炭素症を生じる．麻酔薬など呼吸中枢に影響を与える
の精神機能の障害と視力の減退，軽度の過換気，40 〜
薬物や脳幹の障害などによって呼吸運動が障害される中
50mmHg 以下で頭痛，傾眠，意識混濁，頻脈，軽度高
枢性低換気と，気道が狭窄・閉塞する末梢性低換気に分
血圧が認められ，非常に重症の低酸素血症では徐脈，低
けられる．肺胞換気を増加させることで改善する．
血圧となる．組織血流が低下した場合は，低酸素血症
2）
（2）換気血流比不均等
効率的なガス交換を行なうためには，換気と血流のバ
がなくとも組織の低酸素は起こる．
ランスを常に調整する必要がある．しかし，肺内の血液
2. 低酸素血症の発生機序
は重力の影響により体下部に集中しやすく，逆にガスは
吸気運動により取り込まれた新鮮ガスは比較的太い気
体上部に集まりやすいため，換気と血流のミスマッチが
道までは速い流速で末梢領域へと広がるが，やがて流速
生じやすい．陽圧強制換気を行なうとこの状態が助長さ
を失い，その先は拡散という物理現象により肺胞に到達
れる．換気血流比を維持するために肺毛細血管は酸素分
する．拡散はガスの濃度勾配に従う．肺胞ではHbが酸
圧の低い肺胞への血流を減少させる自動調節能，低酸素
素分子を積極的に結合し持ち去るため，気道から肺胞に
性肺血管収縮（hypoxic pulmonary vasoconstriction：
むけて濃度低下勾配が発生する．CO2 は口側にむけて減
HPV）を有する．HPV の機序はいまだ明らかでない．各
衰する濃度勾配に従い拡散し，あるレベルの気管支から
種病的状態や一部の血管拡張薬および麻酔薬によって抑
は呼気運動により体外に排出される．これら一連の流れ
制される．図 3 では左の肺胞の酸素分圧が高いにもかか
が損なわれるとガス交換が障害される．
わらず，右の肺胞に血流が多く流れ，HPVが抑制されて
低酸素血症を起こす生理学的機序として次の 4 つがあ
いることがわかる．HPVを促進させる，あるいは調整
る．
1）
（1）肺胞低換気
肺胞に到達する新鮮ガス量低下により生じる（図 2 ）．
有効な濃度勾配が維持できなくなるため，肺胞−毛細血
全酸素含量
100
Hbと結合した酸素
80
18
14
60
10
40
6
20
0
22
溶解酸素
20
40
60
80
2
0
100 600
酸素含量（mL/100mL, vol％）
ヘモグロビンの酸素飽和度（％）
管間のガス交換が行なえなくなり，低酸素血症と高二酸
酸素分圧
（Po2）
（mmHg）
図 1 ヘモグロビン酸素解離曲線（文献 1 より引用・改変）
pH7.4，二酸化炭素分圧（Pco2 ）40mmHg，37℃の条件で
の酸素解離曲線を（）示す．また，ヘモグロビン（Hb）
を15g / 血液 100mL とした場合の，全酸素含量を（）
示す．
図 2 肺胞低換気の発生模式図
肺胞への新鮮ガスの供給がなくなり，ガス交換が障害さ
れる．
O2
O2
シャント
図 3 シャントならびに換気血流比不均等の発生模式図
できる薬物は発見されていない．HPVが抑制されている
残りの 0.5 秒は予備力と考えられる．拡散量は肺胞壁の
状態で体位変換を行なうと，血流分布の変化によりミス
表面積と酸素や二酸化炭素の分圧差に比例し，拡散距離
マッチが助長され低酸素血症が悪化することがある．治
に反比例する（図 4 ）．肺水腫や肺間質の炎症が代表的
療では，ミスマッチを助長する薬物があれば投与中止す
な病態である．酸素濃度上昇が対症療法である．
る以外には，対症療法として酸素濃度を上昇させ，背景
病態の改善を待つしかない．
（3）シャント
3. 酸素毒性
過剰な酸素は組織毒性をもつ．酸素毒性はフリーラジ
静脈血が換気されている肺領域をバイパスし，ガス交
カル（活性酸素）による細胞ないし，組織障害が主因と
換の機会を与えられず直接体循環系に流れ込む状態をい
考えられる．活性酸素は正常細胞の酸化還元反応により
．シャントには，気管支静脈や動静
う（図 3 右の肺胞）
産生されるため，細胞内にはフリーラジカルによる毒性
脈瘻のような構造的にガス交換に関与することのない解
効果から細胞を守る防御システムが存在しているが，活
剖学的シャントと，無気肺などのように構造的にはガス
性酸素が過形成されて防御能を超えると，タンパク質，
交換が可能であるが，その機能を失ったことによるシャ
脂質，DNA が変化して細胞傷害や細胞死に至る．酸素
ント様血流の 2 種類がある．無気肺が原因であれば肺胞
による組織傷害の病理学的変化は非特異的である．細胞
を再開通させる人工呼吸療法が有効であるが，吸入酸素
滲出期を経て終末期には肺線維化と肺高血圧などの不
濃度の上昇は効果を示さない．
可逆的変化が出現する点で急性呼吸促迫症候群（acute
（4）拡散障害
respiratory distress syndrome：ARDS）に類似する．
血液が肺胞近傍を流れている時間は約 0.75 秒といわ
この結果，生理学的な変化として残気量，拡散能，肺コ
れ，この間に肺胞から拡散してきた酸素を取り込む必要
ンプライアンスの低下がみられる（表 1 ）3）．酸素によ
がある．健常人では約 0.25 秒でガス交換は終了するため，
る組織傷害は細胞内代謝亢進（甲状腺ホルモン，アドレ
ナリン，テストステロン，高体温），薬物（ブレオマイ
シン，ニトロフラントイン，コルチコステロイドなど）
により増強する可能性がある 4）．
O2
高濃度酸素投与の“功”
高濃度酸素投与の“功”
ここでは「高濃度酸素」を「吸入酸素分画（F I O2）0.60
以上」と定義する．
PO2
100
表 1 健常者 100％酸素吸入時の臨床所見
（文献 3 より引用・改変）
PO2 ＝70
吸入時間（時間）
肺機能正常
40
0∼12
0.75 秒
拡散に要する時間
図 4 拡散障害の発生模式図
臨床所見
拡散障害では酸素が血流に拡散するまでの時間が長くな
る．通常は 0.25 秒程度である（）．生体は予備力とし
て 0.75 秒までの遅延を許容するが（），それ以上にな
ると酸素化が悪化する（）．
気管・気管支炎
胸骨下痛
12∼24
肺活量減少
肺コンプライアンス低下
24∼30
P（A-a）O2 増加
運動時 PO2 低下
30∼72
肺拡散能低下
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1. 低酸素症の予防 / 治療
肺の病理変化があったとしても高濃度酸素によるもの
Edmark らは子宮摘出術予定患者において，導入時の
か，原疾患の悪化によるものか区別しがたく評価は難し
F I O2（0.6，0.8，1.0）が高いと，肺底部の無気肺領域が
いが，高濃度酸素による組織毒性のプロフィールは曝露
増加する（それぞれ 0.3 ± 0.3，1.3 ± 1.2，9.8 ± 5.2cm2 ）
期間により異なることだけは間違いないだろう．
ことを胸部 CT の解析で示した．
5）
全身麻酔後には術後低酸素血症を含む肺合併症は 2 〜
40％で発生している 6）．患者要因としては喫煙や慢性閉
塞性肺疾患（chronic obstructive pulmonary disease：
COPD）など呼吸機能や循環機能，免疫反応の異常があ
酸素毒性で重要なのは吸入濃度ではなく PaO2 であり，
この結果，低酸素血症患者への臨床では肺の組織学的変
化は，ほとんど起こらないと指摘する意見もある．
2. 低酸素イベント発見の遅れ
り，全身麻酔関連要因には過剰な輸液，無気肺を発生さ
Fu ら 12）は術後低換気の影響を調査するため，下腹
せるような不適切な換気設定，麻酔中に使用した薬物（麻
部あるいは下肢血管外科手術後 45 症例の分時換気量を
酔薬，筋弛緩薬，オピオイドなど）の効果残存が，手術
50％に減じたところ，F I O2 0.21 では SpO2 の低下がみら
関連要因には胸部手術や腹部手術など横隔膜に近い領域
れたが，0.25，0.3 では異常を感知できなかった．また，
に切開創がある場合が含まれる．原因に関わらず低酸素
術後回復室滞在 288 症例では，SpO2 が 90％以下に低下
血症への対症療法として酸素投与の有効性が確認されて
する割合は室内気群で 9.0％と酸素投与群の 2.3％の 4 倍
いる．急性呼吸不全治療の第一選択も酸素療法である．
であり，周術期の酸素投与が SpO2 モニターの感度を低
7）
下させ，低酸素血症の発見が遅れる危険性について警告
2. その他
している．
術後悪心・嘔吐予防や術後創感染に有効との報告が
あった（後述）
．
3. 吸収性無気肺
麻酔に関連する無気肺の原因の 1 つに吸収性無気肺が
高濃度酸素投与の“罪”
3．高濃度酸素投与の“罪”
1. 組織毒性
ある．100％酸素で脱窒素を行なうと，血液に酸素を吸
収された後，肺胞内圧を維持するガスがなくなり肺胞は
虚脱する．分圧の上昇で気体の吸収率も上がることも関
8）
与する 13）．
高濃度酸素ほどフリーラジカルが増加するので，酸素
による組織傷害の危険性も高くなる．おそらくフリー
4. 換気抑制
ラジカルに対する生体防御機構〔Toll 様受容体（Toll-
COPD のように CO2 に対する換気応答を失い，低酸素
like receptor：TLR），単核貪食細胞系（mononeuclear
に対するドライブに換気を依存している場合は，高濃度
phagocyte system：MPS），NO pathway，ケモカイン
酸素投与により換気が抑制される．
など〕のレベルの違いにより，肺組織への影響や生存
9）
期間には種差がみられる 10）．ラットの研究では 100％酸
5. HPV の抑制
素吸入では 3 日以内に死亡するが，サルでは 2 週間は生
正常肺であっても肺内ガス分布は均一ではない．前述
存可能であり，おそらくヒトは，より耐性を有すると考
のとおり，肺胞内酸素分圧が低い領域では HPV により
えられる．ヒトへの高濃度酸素使用に関する限られた
肺血管が収縮し換気と血流のマッチングを調節している
臨床報告のなかでも 100％酸素の悪影響が報告されてい
が，酸素を投与することで肺胞内酸素濃度が上昇すると
る 11）．一方で，100％酸素で 7 日間人工呼吸を受けた心
HPV が抑制され換気血流比不均等が増大する可能性が
臓術後症例の肺機能は 42％以下の酸素濃度の症例と違
ある 14）．
いはなかった．頭部外傷症例で 31 〜 72 時間人工呼吸を
受けた症例では大気で換気された症例と比較し病理組織
上の違いはなかった．
6. 肺内シャントの増加
一般に P/F 比（＝ PaO2 ÷ F I O2）は F I O2 依存性に低下
する．この理由は F I O2 依存性に肺内シャント量が増加
チューブの位置異常，人工呼吸器の不適切な設定，カフ
するためといわれる 15）．
漏れなどがある．肥満患者では仰臥位となっただけで低
換気となりやすいが，同時に換気血流比不均等やシャン
トも発生しやすく，複合要因が考えられる．全身麻酔中
現実的な対応策
現実的な対応策
は通常調節換気であり，その様式には従量式と従圧式が
ある．従量式換気モードでは換気量は担保されているよ
高酸素症（hyperoxia）が生体にとって安全でないと
うにみえるが，ガスの肺内分布に偏りを生じやすく，局
いっても，より危険な低酸素症の防止は常に最優先であ
所の過伸展や低換気を防止できないことがある．従圧式
る．低酸素症をみたら，酸素投与による不都合な合併症
換気モードでは気道 / チューブトラブルにより換気量が
があるとしても治療しなければならない．その際，高濃
低下する可能性があるものの，注意深くモニタリングす
度酸素による副作用を減らすために F I O2 の上限を定め
れば逆に低換気を察知しやすい．肺内ガス分布の不均一
るなら，「その患者にとって安全な」PaO2 を具体的に設
性は従量式に比べ起こしにくい．呼気終末陽圧（positive
定する必要がある．極論をいえば，ヒマラヤ山頂をめざ
end-expiratory pressure：PEEP）は機能的残気量を維
す登山家（もちろん十分訓練されており素人ではない）
持することで周術期低酸素血症の予防に役立つが，至適
にとっては PaO2 40mmHg は十分許容できるレベルであ
PEEP レベルの決定法に定説がないことが問題となる．
る
．
16）
2. 全身麻酔中の F I O2 設定
1. 全身麻酔中の低酸素血症の予防策
周術期の至適 F I O2 について結論はない．強いていう
全身麻酔中では肺胞低換気によるものが多い（表 2 ，
なら低酸素症を生じない濃度設定であるが，循環系への
3 ）．低換気の原因としては気道内の分泌物貯留，気管
影響が大きい手術では十分な予備力を作っておく必要が
17）
表 2 低酸素血症の原因と血液ガスの変化（文献 17 より引用・改変）
安静時 PaO2
（室内気吸入時）
安静時 PaO2
（酸素吸入時）
肺胞低換気
低下
正常
無変化もしくは低下
増加
換気血流比不均等
低下
正常
無変化もしくはやや増加，もしくは低下
正常
シャント
低下
低下
無変化もしくは低下
正常
拡散障害
低下
正常
小∼大で低下
正常
障害
運動時 PaO2
（室内気吸入時）
（安静時と比較）
表 3 肺疾患の違いによる低酸素血症のメカニズム（文献 17 より引用・改変）
疾患
低換気
換気血流比不均等
シャント
拡散障害
（＋）
＋＋
−
−
肺気腫
＋
＋＋＋
−
＋＋
気管支喘息
−
＋＋
−
−
肺線維症
−
＋
＋
＋＋
肺炎
−
＋
＋＋
−
無気肺
−
−
＋＋
−
肺水腫
−
＋
＋＋
＋
肺血栓・塞栓症
−
＋＋
＋
−
ARDS
−
＋
＋＋＋
−
慢性気管支炎
PaCO2
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ある．予備力の少ない高齢者では低酸素血症による認知
F I O2 を極力下げることが IP の進行を防ぐために必要と
機能障害を指摘する報告がある 18）．
なる 23）．
3. 術後低酸素血症対策
5. 術後におけるその他の話題
人工心肺中は人工肺に問題がない限り低酸素血症にな
ることは少ないが，長時間人工呼吸を停止するために無
気肺による低酸素血症がしばしば問題となる 19）．
（1）術後悪心・嘔吐
術後悪心・嘔吐（postoperative nausea and vomiting：
PONV）の頻度は 20 〜 70％といわれる 24 〜 27）．PONV 発
Sinha ら 15）は冠動脈バイパス術後症例に対し，人工心
生機序として（たとえ短時間であっても）手術操作によ
肺離脱後，血行動態が安定した段階で F I O2 0.5 で投与す
る虚血が催嘔吐性物質を放出するとの説があり，PONV
る群と，30 分間 F I O2 1.0 を投与する群に分けたところ，
予防手段として F I O2 上昇が議論された 28）．Greif らは腸
F I O2 0.5 群では酸素化の有意な改善を認めたのに対し
切除術予定231症例を術中F I O2 0.3 群と，F I O2 0.8 群に
て，F I O2 1.0 群は有意に酸素化の悪化を認めた．F I O2 1.0
分けた PONV 発生率を観察したところ，それぞれ 30％，
群では抜管までの時間も延長しており，離脱後 30 分間
17％と F I O2 0.8 群が少なかった 29）．Goll らも婦人科腹腔
の酸素濃度の違いがアウトカムに影響を与える可能性を
鏡下手術 240 症例について F I O2 0.3 群，F I O2 0.3 ＋オン
示唆した．
ダンセトロン投与群，F I O2 0.8 群の 3 群に分けたところ，
これに対し，Downs は酸素供給量の増加は動脈血酸
PONV 発生率はそれぞれ 44％，30％，22％と F I O2 の上
素飽和度がわずかに上昇するのみで，Hb 濃度や，心拍
昇は制吐薬併用よりも効果的で，F I O2 0.8 とすることに
出量とは関係がなく，Fu らの研究にあるように，むし
よる無気肺などの肺合併症はなかったことから，PONV
ろ酸素投与をしない方が低換気や換気血流比不均等，肺
防止に有利と報告した 30）．
内シャント，拡散障害など一次的肺傷害の発見が早く
しかし，その後は吸入酸素濃度と PONV の発生率に
なるとしており 20），周術期のルーチンの酸素投与に対
は関係がないとの報告が相次いだ 31 〜 33）．Greif 論文の共著
し警鐘をならしている．心臓術後症例での術後低酸素
者でもある Sessler が加わったメタ解析では，10 論文中
血症は術中からの PEEP の使用（いわゆる open lung
8 論文で PONV 減少が確認できず，効果は期待できな
approach）により回避できるとの報告もある
．
21）
吸入酸素濃度を下げるためにはモニタリングが必須と
なり，モニターからの情報を処理するためのスタッフが
必要となる．それぞれの状況で最適な方法を選択するべ
きであろう．
いと結論している 34）．Sessler が 2009 年に来日した時に
Greif 論文について尋ねたところ，即座に“That study
was wrong”と返答したことを付け加えておく．
（2）術後創感染
術後創感染（surgical site infection：SSI）の患者以外
の要因として創部の血流と酸素化が重要である．Greif
4. 全身麻酔中の特殊な状況
らは腸切除術後 500 症例について，術中から病棟帰室 2 時
（1）一側肺換気（OLV）
間後まで F I O2 0.3 と 0.8 で比較したところ，創部感染率が
OLV 中は医原性に巨大なシャントを起こしており，
それぞれ 11.2％と 5.2％であり，一般的な感染率 9 〜 27％
静脈系でガス交換されない血液が動脈系へ流れ込むた
と比較しても，F I O2 0.8 は SSI 予防に有効と報告した 35）．
め，低酸素血症をきたす．HPV の反応により徐々に換
しかし，腹腔鏡下手術 1,400 症例に対して同様のプロト
気血流比不均等が改善し，酸素化が改善する．換気側
コルを用いた他の研究（PROXI trial）では，19.1％対
の肺胞虚脱を防ぐため PEEP を用いることが多いが，高
20.1％と有意差がなかった 36）．さらに組織血流が悪化し
すぎる PEEP ではシャントが増大し，逆に酸素化が悪化
やすい肥満患者（BMI34）を PROXI trial のデータから
することがあるので個々の状況に合わせて適切な PEEP
抽出し同様の解析を行なったが，有効性は確認できな
1）
を用いる必要がある
．
22）
（2）低酸素血症をきたす肺病変合併例
間質性肺炎（interstitial pneumonia：IP）患者では
かった 37）．この結果に対しては，肥満の程度が軽い，手
術内容にばらつきがある，という指摘があり，否定され
たとはいえないという意見もある 38）．高圧酸素療法の効
果について，胸部術後の胸骨感染では感染期間に有意差
はなかったが，感染再発率，抗生剤投与期間，在院日数
まとめ
まとめ
が有意に低く 39），理論的に高濃度酸素吸入の効果は期待
できるはずである．高圧酸素療法では酸素毒性はさらに
現時点では高濃度酸素の効果を支持するデータは少な
ために，曝露時間の短縮が課題と
く，むしろ合併症のリスクもあることから，ルーチンに
短時間で発生する
40）
なる．
用いられるべき処置ではない．酸素投与の利点欠点を十
分に理解したうえで，明確な目的をもって適切な「濃度
と投与期間」を症例ごとに設定すべきである．
■ 参考文献
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