ガスチャレンジ
- Orange Science
- 3月26日
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更新日：3月26日
呼吸は、神経制御とフィードバック機構の複雑なネットワークを介して機能し、身体は常に呼吸代謝需要を満たすために呼吸速度と潮容積を調整します。一般的な大気ガスの濃度を変化させ、低酸素や高カプニアなどの課題を導入すると、酸素化とガス移動を調節する身体の能力に大きな影響を与えます。病的な状態では、このような変化が呼吸の乱れや無呼吸を引き起こし、長期的な影響を及ぼす可能性があります。
制御されたガスの供給は、急性課題から動物モデルへの慢性暴露まで、前臨床研究において多くのアプリケーションがあります。
flexiVent
介入と測定装置
例えば、肺動脈性肺高血圧症は肺の組織力学に軽微な変化を引き起こします。flexiVentは強制振動法（FOT）を用いており、肺の構造変化を捉えるのに十分な感度があります。フレキシベントは自動化された用量反応によって気道過敏性を評価することができます。
論文
vivoFlow
連続的な換気パターン
全身プレチスモグラフィーチャンバーは、被験者の換気パラメーターの連続記録とともに、ガスチャレンジへの自動曝露を可能にします。急性暴露の間、IOXソフトウェアはマスフローコントローラー（MFC）で制御ガスの混合と供給を制御することができます。MFCは、プロトコルで自動化することができ、チャレンジの重症度と持続時間を変化させ、正常酸素状態に戻すことができる。このようなチャレンジは不規則な呼吸や無呼吸を引き起こす可能性があり、これらはリアルタイムで記録され定量化されます。
呼吸パターン情報に加えて、プレチスモグラフィは、高忠実度のEEG/EMG信号、光遺伝学トリガー、血中酸素センサーで拡張することができ、ガスチャレンジ中の被験者の換気制御に関するさらなる洞察をもたらします。
論文
ガスチャレンジとは
呼吸研究におけるガスチャレンジ（gas challenge）とは、被験者に特定の気体（ガス）を吸入させることにより、呼吸器系や循環器系の反応を測定・評価する実験手法のことを指します。主に呼吸生理学や肺機能評価、さらにはガス交換機能や血管機能を評価するために用いられます。
ガスチャレンジの目的
ガスチャレンジの目的は以下の通りです。
肺のガス交換能力の評価
呼吸筋や換気反応の評価
血管反応や循環機能の評価
具体的なガスの種類と目的
ガスチャレンジでは、以下のようなガスを使用します。
酸素（O₂）
目的：高酸素環境下の反応を測定
測定指標：酸素飽和度、換気量、動脈血ガス
二酸化炭素（CO₂）
目的：高炭酸ガス環境下の呼吸反応を測定
測定指標：換気応答、呼吸駆動力
一酸化炭素（CO）
目的：肺胞-毛細血管のガス拡散能評価
測定指標：拡散容量（DLCO）
ヘリウム（He）
目的：肺容量や気道内のガス流動性評価
測定指標：肺容量、換気効率
混合ガス（O₂+CO₂など）
目的：換気応答や血管反応の同時評価
測定指標：換気量、動脈血ガス
代表的なガスチャレンジの種類
以下のようなガスチャレンジ手法があります。
① 高酸素チャレンジ（Hyperoxic Challenge）
100%酸素または酸素濃度を高めた空気を吸入させます。
肺のガス交換能力や動脈酸素飽和度の変化を測定し、換気反応や血管機能を評価します。
慢性閉塞性肺疾患（COPD）や間質性肺疾患の評価に使用されます。
② 高炭酸ガスチャレンジ（Hypercapnic Challenge）
二酸化炭素濃度を高めたガス（例えば5% CO₂ + 95% O₂）を吸入させます。
呼吸駆動力や中枢性換気応答を評価できます。
呼吸中枢の反応性や呼吸筋疲労、自律神経反応を評価する際に使用されます。
③ 一酸化炭素チャレンジ（CO Diffusion Test）
少量の一酸化炭素（CO）を含むガスを吸入させ、肺胞-毛細血管間のガス拡散能を測定します。
肺拡散能（DLCO）の評価に用いられ、肺線維症や間質性肺炎などの診断に利用されます。
④ 窒素ウォッシュアウト法（Nitrogen Washout Test）
窒素（N₂）を含まないガス（例えば酸素やヘリウム）を吸入させ、肺内の窒素濃度変化から肺容積や気道閉塞を評価します。
ガスチャレンジの応用例
COPD、間質性肺疾患、喘息の診断・病態評価
中枢性換気応答（例えば高炭酸ガスによる呼吸応答）の測定
ガス交換効率や肺拡散能の評価
血管反応の測定（高酸素・低酸素刺激）
ガスチャレンジの利点
非侵襲的でありながら、肺・呼吸機能を詳細に評価可能
生理学的反応（呼吸、換気、血流反応など）を定量的に測定可能
特定疾患の診断や病態評価に有用
呼吸研究におけるガスチャレンジのアプリケーション例
呼吸研究におけるガスチャレンジは、主に呼吸器系、循環器系、および中枢神経系の生理反応を評価するために使用されます。以下、代表的なアプリケーション例をいくつかご紹介します。
1. 肺拡散能の評価（Diffusing Capacity of the Lung, DLCO測定）
アプリケーション概要
一酸化炭素（CO）ガスチャレンジを用いて、肺胞-毛細血管間のガス交換能力を測定します。
目的
肺拡散能（DLCO）を測定し、肺のガス交換効率を評価する。
間質性肺疾患（ILD）や肺線維症（IPF）などの病態評価に有用です。
使用するガス
0.3% 一酸化炭素（CO） + バランスガス（ヘリウムまたは酸素）
測定指標
DLCO（Diffusing capacity of the lung for carbon monoxide）
肺胞換気量（VA）
肺血流量
応用事例
間質性肺疾患（ILD）
慢性閉塞性肺疾患（COPD）
肺高血圧症（PAH）
線維化肺疾患（IPF）
2. 換気応答評価（Ventilatory Response Evaluation）
アプリケーション概要
二酸化炭素（CO₂）チャレンジや低酸素（Hypoxia）チャレンジを用いて、呼吸中枢の換気応答を評価します。
目的
呼吸中枢の二酸化炭素感受性または酸素感受性を評価する。
睡眠時無呼吸症候群（SAS）や中枢性呼吸障害の診断。
使用するガス
CO₂チャレンジ：5% CO₂ + 21% O₂ + N₂
低酸素チャレンジ：12% O₂ + N₂
測定指標
呼吸数（RR）
一回換気量（VT）
分時換気量（VE）
動脈血酸素飽和度（SpO₂）
応用事例
中枢性睡眠時無呼吸（CSA）
慢性呼吸不全
呼吸中枢機能障害
高地トレーニング・高地順応
3. 肺血管反応の評価（Pulmonary Vascular Response）
アプリケーション概要
低酸素ガスチャレンジ（Hypoxia Challenge）を用いて、肺血管の収縮反応を測定します。
目的
肺高血圧症（PH）の診断および病態評価。
高地登山者や飛行機搭乗時の酸素需要評価。
使用するガス
低酸素ガス：12% O₂ + 88% N₂
高酸素ガス：100% O₂
測定指標
肺動脈圧（PAP）
心拍数
酸素飽和度（SpO₂）
応用事例
肺高血圧症（PH）
慢性閉塞性肺疾患（COPD）
高地順応研究
登山医学
4. 脳血流および自律神経反応の評価（Cerebral Blood Flow and Autonomic Response）
アプリケーション概要
高炭酸ガスチャレンジ（Hypercapnic Challenge）を用いて、脳血管反応や自律神経系の反応を評価します。
目的
脳血管反応性（Cerebral Vasoreactivity）の評価。
脳虚血や脳卒中リスクの評価。
呼吸困難感の生理学的反応評価。
使用するガス
CO₂ガス：5% CO₂ + 21% O₂
混合ガス：50% O₂ + 50% N₂
測定指標
脳血流量（CBF）
脳血管抵抗（CVR）
心拍数
換気量
応用事例
脳卒中リスク評価
呼吸困難感の客観的評価
自律神経系機能評価
不安障害・パニック障害の評価
5. 換気効率の評価（Ventilation Efficiency Assessment）
アプリケーション概要
ヘリウム（He）チャレンジを用いて、気道内のガス分布やデッドスペースを測定します。
目的
肺の換気効率や気道閉塞の評価。
閉塞性肺疾患や拘束性肺疾患の診断。
使用するガス
ヘリウム（He）：80% He + 20% O₂
測定指標
デッドスペース換気量（VD）
一回換気量（VT）
分時換気量（VE）
応用事例
COPD
喘息
肺気腫
肺繊維症
6. 航空医学・高地順応研究（Aviation Medicine / High-Altitude Research）
アプリケーション概要
低酸素ガスチャレンジを用いて、航空機内や高地環境下での生理反応を評価します。
目的
飛行機搭乗時の酸素供給不足への耐性評価。
高地登山や高地作業時の低酸素耐性評価。
使用するガス
低酸素ガス：15% O₂ + N₂
通常空気：21% O₂
測定指標
動脈血酸素飽和度（SpO₂）
呼吸数・換気量
心拍数
応用事例
航空医学研究
高地登山トレーニング
呼吸器系慢性疾患患者の酸素耐性評価
ガスチャレンジは呼吸器系、循環器系、神経系の生理応答を定量評価する強力なツールです。 特に、肺機能測定、中枢神経応答、血流動態、酸素・二酸化炭素感受性など、呼吸・循環生理学全般にわたる広範な研究に応用されています。
ガスチャレンジに使用される装置
呼吸研究におけるガスチャレンジの動物モデル実験では、以下のような専用装置が使用されます。
呼吸機能解析装置：vivoFlow
vivoFlowは、無拘束状態での呼吸機能解析を可能にする装置で、全身プレチスモグラフィ法、ヘッドアウト、ダブルチャンバー方式での解析が可能です。
特長：
無拘束での測定が可能で、動物の自然な呼吸状態を評価できます。
全身プレチスモグラフィ法を採用し、詳細な呼吸パラメータの取得が可能です。
ノイズキャンセリング機能を備え、精度の高いデータ収集を実現します。
2. 吸入曝露装置：inExpose
inExposeは、マウスやラットなどのげっ歯類に対し、タバコの煙やエアロゾルなどの吸入曝露を行うためのコンパクトな装置です。
特長：
鼻部および全身への曝露が可能で、多様な実験ニーズに対応します。
タバコの煙やエアロゾルの自動生成機能を備え、再現性の高い曝露環境を提供します。
コンパクトな設計で、実験室内のスペースを有効活用できます。
emkaTECNOLOGIES社 全身プレチスモグラフ装置 vivoFlow
呼吸研究におけるガスチャレンジでは、動物モデルを用いて呼吸器系の生理的応答を詳細に評価することが重要です。この目的のために、vivoFlowシステムが広く活用されています。
vivoFlowの活用方法
vivoFlowは、無拘束状態での呼吸機能解析を可能にする全身プレチスモグラフ装置です。これにより、動物にストレスを与えることなく、自然な呼吸パターンを評価できます。
主な特長：
無拘束測定：動物を拘束せずに呼吸機能を測定でき、自然な生理的状態を保ちます。
高感度センサー：微細な呼吸変化を検出する高感度センサーを搭載し、精度の高いデータ取得が可能です。
多様な動物種に対応：マウスやラットなど、小動物から中型動物まで対応するモジュールを用意しています。
ガスチャレンジへの応用：
vivoFlowは、特定のガス（例：高濃度CO₂や低酸素ガス）を用いたチャレンジ試験において、動物の呼吸応答をリアルタイムでモニタリングするのに適しています。これにより、呼吸数、換気量、呼吸パターンの変化を詳細に解析し、呼吸器系の感受性や適応反応を評価できます。
活用例
急性ガスチャレンジ試験： 動物を特定のガス環境（例：高CO₂）に曝露し、その際の呼吸数、換気量、呼吸パターンの変化をリアルタイムでモニタリングできます。
慢性曝露研究： 長期間にわたるガス曝露の影響を、動物の自然な行動や生理的状態を維持しながら評価できます。
呼吸研究におけるガスチャレンジでは、vivoFlowのような無拘束全身プレチスモグラフ装置が、動物モデルの自然な呼吸機能を高精度に評価するために有用です。これらの装置を活用することで、呼吸器疾患の病態解明や新たな治療法の開発に貢献できます。
flexiVent
呼吸研究におけるガスチャレンジでは、動物モデルを用いて呼吸器系の生理的応答を詳細に評価することが重要です。この目的のために、SCIREQ社のflexiVentシステムが広く活用されています。
flexiVentの活用方法
flexiVentは、in vivoでの呼吸力学測定のゴールドスタンダードとして知られています。このシステムは、機械的換気とさまざまな容積・圧力制御操作を組み合わせて、正確で再現性のある呼吸メカニクスの測定を可能にします。
主な特長：
高精度ピストンポンプ：コンピュータ制御のピストンポンプにより、精密な換気と圧力制御が可能です。
交換可能なモジュール：さまざまな被験体サイズに対応するモジュールを用意しており、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、フェレット、ピグレット、サルなど、多様な動物種に適用できます。
flexiWareソフトウェア：データの収集、分析、グラフ化、保存を管理する専用ソフトウェアで、効率的なデータ解析をサポートします。
ガスチャレンジへの応用：
flexiVentは、強制振動法（FOT）を用いて、呼吸器系の詳細な力学特性を評価します。これにより、ガスチャレンジ試験中の中枢気道、末端気道、実質の反応を高精度に解析できます。例えば、メタコリンなどの気道収縮物質を用いたチャレンジ試験で、気道過敏性や気道抵抗の変化を詳細に評価することが可能です。
活用例：
急性ハイパーカプニアの評価： 動物モデルにおいて、高二酸化炭素（CO₂）環境への急性曝露時の呼吸応答を詳細に解析できます。flexiVentは、気道抵抗や肺コンプライアンスなどのパラメータを正確に測定し、呼吸器系の即時反応を評価します。
慢性曝露モデルの解析： 長期間のガス曝露（例：慢性的な高CO₂環境）による肺機能の変化を追跡し、疾患の進行や治療介入の効果を評価する際に有用です。
emka TECHNOLOGIES
emka TECHNOLOGIES社は、1992年にフランスで設立され、当初は、アイソレーテッドオーガンバスやランゲンドルフ灌流装置を開発、製造しており、2000年には非侵襲性のテレメトリーをリリース、2014年には、SCIREQ社（カナダ）をグループに入れることにより、呼吸器研究用機器を製品ポートフォリオに加え、幅広い分野の機器を、世界の研究者の方々に提供しています。
オレンジサイエンスはemka TECHNOLOGIESの日本総代理店です。日本では唯一emka TECHNOLOGIES社と取引できる窓口となっております。日本国内で展開される様々な研究プロジェクトを支え、研究者の皆様がより効果的かつ効率的に研究を進められるよう、迅速で専門的なサポートを提供しています。
主な製品
マウス・ラット用テレメトリー
ジャケットテレメトリー
オーガンバス
ランゲンドルフ
主な製品
マウス・ラット肺機能測定装置
マウス・ラット呼吸測定装置
吸入暴露装置
細胞暴露装置
その他の製品
Precisionary ビブラトーム（振動式ミクロトーム）
組織切片作製
Precisionary ビブラトームは細胞や組織の切片を特許取得済みの圧縮技術によりビビリなしで作製し、急性組織上の多くの生存細胞を維持します。肺機能を解析した後、肺を取り出しスライスしたり、肺1つから複数の組織サンプルを取得することが可能です。
従来のビブラトームの5倍の速さで切開し、ブレードを組織に当てる時間を短縮し、より良い切開を実現
Auto Zero-Zテクノロジーにより、Z軸のたわみを1 µm未満に低減
高周波振動メカニズムにより、ビビリマークを低減または除去
持ち運びに便利な軽量設計
完全自動化：切開＋厚み調整
360度のアガロース包埋により、切断プロセス中に組織を安定化
Etaluma Lumascope
インキュベーター内で使用できる３色蛍光ライブセルイメージング蛍光顕微鏡
EtalumaのLumascope（ルマスコープ）は、優れた感度、解像度、ゼロピクセルシフトを備えた、半導体光学の新しいコンセプトで設計された、倒立型小型蛍光顕微鏡です。日々顕微鏡を使用する科学者によって考案、設計され、そのコンセプトデザインにより、インキュベーター、ドラフトチャンバーなどの限られたスペースの中で使用でき、幅広いラボウエアでのライブセルイメージングを可能にします。
多点観察モデル、定点観察モデルがあり、様々な観察シーンに対応できます。
