Neil Armstrong a & Jo Welsman a
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Correspondence to Neil Armstrong (email: ).
(Submission: 27 November 2018 – Revised version received: 2019年3月12日 – 受理された。 07 June 2019 – Published online: 03 September 2019.)
Bulletin of the World Health Organization 2019;97:777-782. doi: http://dx.doi.org/10.2471/BLT.18.227546
はじめに
心肺フィットネスは、大気から骨格筋に酸素を送り、それを使ってエネルギーを生成して運動中の筋活動をサポートできる体の能力を定義するものである。 ピーク酸素摂取量は、若者の心肺体力のゴールドスタンダード指標として国際的に認知されている。 しかし、フィールドテストによるパフォーマンスデータ、ピーク酸素摂取量の不適切なスケーリング、介入が必要であるとされる個人を特定するための現在の傾向は、青少年の心肺フィットネス、およびその子供たちの現在と将来の健康との関係に対する我々の理解を曇らせている2。-心肺機能の評価には欠陥があり、不健全な解釈によって神話や誤解が生まれ、それが子どものヘルスケアに悪影響を及ぼす可能性があると、私たちは考えています。 5
Assessment of Cardiorespiratory fitness
80年以上にわたる集中的な調査の中で、青少年のピーク酸素摂取量の評価は、小児運動科学の研究室に新しい技術が導入されるにつれ、徐々に開発・改良されてきた。 6-8 ここでは、運動試験プロトコルの批判的検討、運動強度測定技術、呼吸ガス収集に使用する装置、呼吸ガス収集システムの部品の大きさ、呼吸ガスサンプリング間隔、運動中の最大努力の基準などについて取り上げている。 査読者は、比較のために使用した方法と器具を注意深く報告することを強調している。 9
ピーク酸素摂取量の厳密な測定は高い信頼性を持っているが、データを複数の研究室で比較する必要がある場合は注意が必要である。 ピーク酸素摂取量は、通常、被験者がトレッドミル上で走る、あるいはサイクルエルゴメーター上でペダルを漕ぐことで測定される。 しかし、検査機関によっては、トレッドミルとサイクルエルゴメーターの値を一緒にしたり11、サイクルエルゴメーターのピーク酸素摂取量の低い値に対応するために一定の補正係数を適用したり12、これらの値は、個人における心代謝系の健康と将来の心疾患リスクに関する年齢関連のカットオフ点を設定するために使用されます。 しかし、トレッドミルとサイクルエルゴメーターによるピーク酸素摂取値の差は、年齢や成熟度によって大きく異なるため、この方法でデータをプールすることは、データの解釈において交絡因子となる。 10
Development of Cardiorespiratory fitness
Peak oxygen uptakeはしばしば年齢や体重との関係で表されるが13、このように表現するのは単純化されている。 ピーク酸素摂取量は、成長および成熟に関連した形態的および生理学的変化に応じて増加する。 したがって、ピーク酸素摂取量を絶対値で表すか（L/min）、あるいはよくあるように体重との比率で表すか（mL/kg）にかかわらず、年齢や体重に関連した心肺フィットネスの信頼できる基準を定義することは不可能である8。 脂肪量の増加は、ピーク酸素摂取量の発達に影響を与えない14
少年のピーク酸素摂取量は、少なくとも幼児期後半から女子よりも高く、この差は子供が思春期に進むにつれて大きくなり、思春期後の18歳の男子では約40%高くなる15 発達運動生理学の研究への非侵襲的技術の導入は、ピーク酸素摂取量の基礎となるメカニズムについての研究を活性化させている。 ドップラー心エコー法を用いた研究では、思春期前のピーク酸素摂取量におけるわずかな性差（約10％）は、主に男子のストローク量の多さに起因していることが示されている。 この差が、心臓の大きさの違いによるものか16、あるいは心臓の機能の違いによるものか17、議論のあるところである。 一方、胸部生体電気インピーダンスと磁気共鳴画像法を用いた研究では、最大酸素摂取量において観察された性差は最大動静脈酸素差によるものであり、最大ストローク量や安静時心臓サイズには有意な性差はないと報告されている18。近赤外分光法を用いた研究では、女子では酸素利用に対する筋酸素供給の適合が男子と比較して悪いと報告しており、この違いが最大酸素摂取量の性差に寄与する可能性が示唆された19。 成熟に伴い、無脂肪体重は11～16歳において、女子で約40％、男子で約90％増加する。 男子の無脂肪体重の増加の大部分（約83％）は、身長速度のピーク時を中心とする4年間で起こり、女子の無脂肪体重の最大の増加（約31％）は、身長速度のピーク時を中心とする2年間の短い期間で起こり、その後は酸素摂取量のピークの発達に従って横ばいになる20）。10代後半におけるヘモグロビン濃度の性差による増加により、男子における酸素運搬能はさらに向上すると思われる。 この説は、縦断的な研究においてまだ実証されていない21。我々は、ピーク酸素摂取量の発達と評価に関する詳細な分析を別の場所で発表している6
Physical activity and cardiorespiratory fitness
身体活動と心肺機能の関係を説明するには、まず習慣性の身体活動と運動トレーニングとを区別することが必要である。 習慣的な身体活動とは、「通常の日常生活において、あらゆる領域、あらゆる次元で行われる通常の身体活動」と定義されています22。運動トレーニングとは、計画的、構造的な運動プログラムで、体力の構成要素に変化をもたらすのに十分な強度と頻度で、十分な期間、継続的に行われるものです。 心肺フィットネス、身体活動行動、運動トレーニング適性は、すべて遺伝性形質である。 しかし、遺伝学や小児分子運動生理学の議論は本論文の範囲外であり、興味のある読者は他の場所で発表された総説を参照してください23
異なる習慣的身体活動の評価方法は必ずしも比較できないが22、研究では、男子は女子よりも活発で、身体活動は男女とも年齢とともに低下することが一貫して示されている。 現在の身体活動ガイドラインを満たしていると報告された若者の数は、研究によって異なる。 International Olympic Committee Consensus Statement on the health and fitness of young people through physical activity and sportは、客観的な測定方法（加速度計など）を使用した場合、現在の身体活動ガイドラインを満たす若者は25％未満であると示唆している24
A systematic review of the literature25 found and analyze 69 training studies of youths 8-18 years of age.この文献は、8歳から18歳の若者を対象とした69件のトレーニング研究を分析したものです。 このレビューでは、厳格にデザインされたトレーニング研究は、性別、年齢、成熟度に関係なく、適切なトレーニングが青少年のピーク酸素摂取量を増加させることを一貫して実証していると指摘している。 これらのデータを総合すると、最大心拍数の約85～90％での連続強度トレーニング、または最大心拍数の約95％での高強度インターバルトレーニングを週3回、短い回復時間をはさんで行うことにより、10～12週間で平均8～9％、若者のピーク酸素摂取量を増加させることができることが示された。 45年以上前の研究では、厳密な方法で測定されたピーク酸素摂取量と、客観的にモニターされた青少年の習慣的な身体活動との間には、意味のある関係がないことが一貫して証明されています26。 ある研究では、202人の子供（98人の女子）をモニターし、11歳から13歳まで、年齢、成熟度、形態が、中等度と重度の身体活動の習慣に及ぼす影響を、マルチレベル・モデリングによって調査している27。 次に、研究者たちは、少なくとも中程度の強度の身体活動に費やした累積時間との関連でピーク酸素摂取量を分析した。 この分析により、体重を適切にコントロールした場合でも、男女とも、ピーク酸素摂取量は年齢とともに増加し、一方、習慣的な身体活動は年齢とともに減少することが示された。 同様に、Amsterdam Growth and Health Studyの研究者は、23年間のデータを分析した結果、男性でも女性でも習慣的な身体活動とピーク酸素摂取量には関連がないと結論付けた28
若い人は心肺機能を高めるために必要な身体活動の強度と時間をほとんど経験しないので、習慣的な身体活動とピーク酸素摂取量の間に意味がないことは驚くにはあたらない。 しかし、これらの知見は、身体活動介入はパフォーマンステストから推定されるピーク酸素摂取量の変化によって評価できるという最近の提案に重大な異議を唱えるものである2
神話と誤解
科学者は、50年以上にわたって心肺体力を予測する上でのパフォーマンステストの限界に気付いてきた。 典型的なコメントは以下の通りです。 「パフォーマンステストの得点は、平均的な子供では体格に大きく依存し、この一連のテストは作業能力や有酸素能力を予測する上で役に立たない」29、「パフォーマンステストは、単に背の高い生徒や太った生徒を識別する複雑な方法であるかもしれない」30。私たちは30年以上にわたり、学術界とこれらの懸念を共有してきました。 1988年、私たちは11歳から14歳の男子を対象とした20mシャトルランテストの評価を発表し、このテストの成績と厳密に測定したピーク酸素摂取量との間に29％の共通のばらつきがあることを報告しました。 31
当時、我々は、オンラインでの呼吸ごとの分析システム、新しい技術（質量分析や遠隔測定など）、および高度な統計モデリング技術の開発により、パフォーマンステストが科学研究で使われなくなることを想定していた。 逆に、パフォーマンステスト、特に20mシャトルランテストのスコアからピーク酸素摂取量を推定することへの関心が復活している。 文化が異なるさまざまな国で収集された100万人以上の子どものスコアを照合して、ピーク酸素摂取量を推定し、国際的な心肺フィットネス基準32や、最も健康な子どもは誰かを国別に比較することができるようになった。 さらに、私たちにとって深刻な懸念は、20mシャトルランテストの成績が、身体活動介入の評価、2 体力と健康プロファイリングのためのヨーロッパの標準値の確立、35 国際的な健康と体力の調査とモニタリング、36 代謝と心血管系のリスクの決定、37 現在と将来の健康改善のための介入が必要な個々の子供の特定に推奨されていることである4。
Shuttle-run test
20mシャトルランテストは心肺体力の測定ではなく、1分ごとに走行速度を上げることを要求する音声信号に合わせながら、20m離れた2本の線の間を走る個人の意思と能力の関数である。 参加者は、続けられなくなるまで集団で走り、完了したシャトルの数は、予測式によってピーク酸素摂取量の推定値に変換される。 現在、20mシャトルランテストのスコアからピーク酸素摂取量を推定するために、少なくとも17種類の予測式が使用されており、ピーク酸素摂取量の推定値が大幅に異なっている32。発表された研究の最近のメタ分析では、テストスコアと若者のピーク酸素摂取量の相関係数の51％（18/35）が、ピーク酸素摂取量の全分散の50％未満しか説明できないことが明らかにされた。 著者らは、基準妥当性は中程度であり、「20mシャトルランテストのパフォーマンススコアは単なる推定値であり、心肺体力を直接測定するものではないことを試験者は認識しなければならない」と結論付けています。「38
最近のレビュー39 では、20mシャトルランからのピーク酸素摂取量は1分間にkgあたり±10mLの範囲でしか推定できないと報告されているが、これは標準値の20～25％程度に相当するので、このテストの限界は明らかである。 同様に、このテストの信頼性の低さは、4～6ステージのテストにおける±2.5ステージの95％信頼区間に反映されています40。このテストでの成績に大きな性差があることはよくありますが、いくつかの国では、10代の成績における説明できない性差は95～100％41と高く、これは心肺フィットネスの真の性差の2倍以上となると報告されています。 もし、ある文化圏で10代の女子が男子よりも20mシャトルを本当に疲れるまで公然と走ることに抵抗があるならば、テストパフォーマンスに基づいた公表された国際的な規範は危ういものとなる。 この声明は、20mシャトルランテストによるピーク酸素摂取量の推定値の横断的な照合に基づいている。 24,43-45 私たちは、グレートブリテン及び北アイルランド連合王国の9歳から18歳の青少年の心肺フィットネス測定に関する、30年以上にわたる相当量の発表済みデータベースを保有しており、3000以上の厳格な実験室でのピーク酸素摂取量測定を行っている3,13。 20mシャトルランテストの提唱者によると、この心肺機能の低下の原因は、青少年の脂肪が一時的に大きく増加したためであるという。 研究者たちは、「フィットネスと脂肪の因果関係を直接分析すると、脂肪の増加が心肺機能の低下の35-70%を説明することができる」と主張している32。脂肪は代謝的にほとんど不活性で心肺機能に影響しないため14、フィットネスと脂肪の因果関係は存在しない。 しかし、20mシャトルランを行う際に脂肪が増えると、各シャトルランでの負担が増え、テストの成績に悪影響を及ぼす。 このデータ解釈の欠陥は、20mシャトルランテストでのピーク酸素摂取量の推定値が、体重との比率（毎分1kg当たりmL）で表され、したがって分母に脂肪量が含まれていることによってさらに悪化している。 心肺フィットネスを比率に基づいたピーク酸素摂取量として表現すると、体重の軽い若者（例えば、臨床的に低体重または成熟が遅れている）に有利で、体重の重い若者（例えば、過体重または成熟が進んでいる）には不利になります。 チュートリアル論文や2000以上のトレッドミルによるピーク酸素摂取量測定の最近の横断的・縦断的分析により、若者のピーク酸素摂取量の比率スケーリングには健全な科学的根拠も統計的正当性もないことが理論的・経験的に証明されています3、10、13、47
広まった比率スケーリングの誤った使用は若者の心肺フィットネスの理解に曇りを与えています。 比率スケーリングされたピーク酸素摂取量データは、男子の心肺フィットネスは10～18歳まで安定しており、女子の値は年齢とともに徐々に低下することを示す。 さらに、比尺度のデータは、心肺フィットネスと健康の指標との間の真の関係を誤解させるものです。 最近のシステマティックレビューでは、青少年の心肺機能と健康を関連付ける多くの論文が「脂肪率などの重要な交絡因子を考慮していない」ことが強調されている49。例えば、体格との比率でピーク酸素摂取量が高いことは体脂肪率が低いことと関連していたが、ピーク酸素摂取量を体格との比率で表現しない場合には、この2変数の間には関係がなかった。 同様に、ピーク酸素摂取量が高いほど、総コレステロール値と高密度リポタンパク質コレステロール値の比率が低いことと関連しているように見えたが、やはり、この関連はピーク酸素摂取量が体格との比率で表されたときのみ存在した49。レビューに対する発表済みのコメントでは、さらに、妥当性と信頼性が低いフィールドテストのパフォーマンスに対する体格の影響がテスト間で異なり、健康アウトカムとの関連性が疑われる大きさに影響する可能性も指摘された50。
Clinical Red Flags
心肺フィットネスと健康との関係は、「一次および二次心臓血管予防プログラミングが有益である可能性のある子供や青年を特定する」いわゆる臨床的レッドフラグの出現と普及によってさらに混乱している4。子供、青年および若年成人（8～18歳）における推定ピーク酸素摂取量が男性と女性でそれぞれ42mL/kg/minと35mL/min未満は、臨床的レッドフラッグを提起したものと特定されている4。 心肺機能は、性別、年齢、成熟度、および個人特有の変化のタイミングとテンポを持つ様々な形態的・生理的共変量に従って発達する。13 したがって、体重との比率によるピーク酸素摂取量の単一の値に基づいて、思春期前、思春期、思春期後の若者を分類することは正当化されないと我々は考えている。 さらに、ピーク酸素摂取量が妥当性、信頼性、文化的問題のあるテストから予測される場合、その尺度は弁解の余地がなくなる。
Conclusions
ピーク酸素摂取量の厳格な実験室評価は確立したアプローチだが、集団レベルで若者の心肺体力を評価する有効で実行可能な方法は現在存在しない。 我々は、20mシャトルランテストのようなパフォーマンステストから青少年の心肺体力を推定することは不可能であることを主張する。 また、健康関連変数と心肺体力の関係を調べるための体格比スケーリングの使用、年齢関連の規範の使用、臨床的レッドフラグの指定、身体活動介入を評価するための心肺体力のパフォーマンステスト推定値の使用についても異議を唱えます。 また、データの解釈が適切であることを保証する倫理的責任もある。 発表された論文は、厳密な科学的証拠に基づかない若者のピーク酸素摂取量の解釈を行い続け、繰り返し広範囲に渡って欠陥があることが示されている。 このようなデータの普及は、臨床実践に誤った情報を与え、政策声明を誤解させ、青少年の健康増進を目的とした勧告を誤導する可能性がある。 子供のスポーツと運動医学のオックスフォード教科書。 第3版。 オックスフォード: オックスフォード大学出版局; 2017. http://dx.doi.org/10.1093/med/9780198757672.001.0001
より引用しました。