筋肉の基礎知識とアップデート

骨格筋は身体動作に留まらず、全身の代謝機能でも重要な役割を担っていることが認識されています。さらに筋肥大や筋萎縮、マイオカインなど近年で分かってきた情報の理解や筋力強化を考えるには、筋肉の構造や質に関する基礎的な知識の整理も欠かせません。

筋肉の基礎知識、収縮メカニズムや筋線維

筋肉には3種類（骨格筋、心筋、平滑筋）あり、一般に筋肉と呼ばれているのは骨格筋で、これだけが運動神経に支配されているために自分の意志で収縮を調整できる随意筋です。骨格筋と心筋は筋肉の収縮に必要なタンパク質（アクチンおよびミオシン）が規則正しく配列した筋原線維があることで、どちらも縞模様が見られます。また、収縮速度や疲労のしやすさで違いはあるものの、ともにその収縮にはATP（アデノシン三リン酸）が分解されてADP（アデノシン二リン酸）となる際に生じるエネルギーが使われます。

筋原線維を構成するミオシンは、このエネルギーを利用してアクチン線維上を動く分子モーター※です。このような筋の収縮メカニズムは1942年に生理学者のセント＝ジョルジによって発見され、その後、ゲノム解析や遺伝子発現系における開発の進歩で2000年前後から飛躍的に進展しました。現代ではとくに骨格筋で、全身における糖代謝への影響や骨格筋自身が内分泌を介して他の臓器に作用し、恒常性の維持に寄与していることも分かっています。（以降、骨格筋を筋肉と記載）

※分子モーター：細胞内で化学エネルギーなどを用いて力学的な仕事をする分子の総称。

【筋の種類】

（図内解説：ミオシンはエネルギーを使ってアクチンに結合し、ミオシン分子の端にあたる部分の角度を変えながらアクチンを滑り込ませることで、筋節（サルコメニア）が短縮するとともに筋原線維も短くなり、続いて筋線維も短縮し、結果として筋の収縮につながる。）

筋線維内に存在するミトコンドリアは、あらゆる細胞が活動するために必須の多様な機能を持った細胞小器官で、糖や脂肪などの栄養成分をエネルギーとして利用できる形のATPに変換する役割を担っています。近年、筋肉の恒常性維持にはペプチド由来のミトコンドリア形成が必要ということも、ゲノム生物学によって明かされました。いま盛んに研究の進むミトコンドリアは、筋肉では遅筋線維（赤筋）と速筋線維（白筋）でその存在比や状態が異なります。

まず遅筋線維は、鉄を含むタンパク質のミオグロビンを多く含むことで赤く見えるために赤筋とも呼ばれています。大型なミトコンドリアが数多く存在し、酸素を使ってATPを作り出すための酸化酵素活性が高く、有酸素性運動で活躍する筋線維です。ただし、筋肉内のグリコーゲン（貯蔵グルコース）からATPを作り出す代謝過程で働く酵素と、ミオシンが動くために必要な酵素（ATPase、ATPアーゼ）の活性が低いため、急で爆発的なパワーを要するような運動には向いていません。
反対に速筋線維は、ミオグロビンが少ないために白っぽく見えます。ミトコンドリアの数は少なく小型で酸化酵素活性も低く、無酸素性運動で活躍する筋線維です。貯蔵されるグリコーゲンの顆粒は多く、その代謝酵素とミオシンの酵素における活性も高いため、持久性はないものの瞬発的で収縮速度を要する運動に向いています。
そして、この2つの中間的な特徴を持つのが中間筋（ピンク筋）です。

いわゆる“筋肉の質”を決めるのは、筋線維3種類における比率です。各組織の機能や必要性に合わせて筋線維がモザイク状に入り混じり、収縮能力や代謝能力に影響を与えています。例えば、骨に近い深部では遅筋が多いのに対して体表の近くでは速筋が多いことや、遅筋では加齢による変化は少ないものの、速筋では20歳前後から急速に衰え始めるといった違いも。大腿直筋ではもともと3種類の筋線維がほぼ均等に分布するといわれ、どれか1つが55%を超えるとその筋線維が優位な筋と呼ばれます。
重要なのは、筋線維は老化やトレーニング、不活動、筋疾患、食事などの後天的な影響で変化するということです。近年の研究では、運動時に骨格筋でPGC1α※という転写調節因子の発現量が増加し、ミトコンドリアの生合成が増えて筋線維が速筋から遅筋へ変わることや、脂肪酸の酸化が促進するということも分かってきました。

※PGC1α（PPARγcoactivator 1α）：褐色脂肪組織において寒冷刺激の際に発現誘導される因子として発見されたが、骨格筋等でエネルギー代謝や運動に関する遺伝子発現を活性化することも分かってきた。

筋肉の合成（筋肥大）とは

筋肉量は筋タンパク質の合成と分解のバランスによって調節され、日常生活のなかでは食後に合成が分解を上回り、逆に空腹時では合成を分解が上回ります。このバランスが保たれていれば、筋肉量はほとんど変わりません。筋肉を肥大化させるには合成を高め、分解を上回るように筋タンパク質を蓄積していくことが必要です。
レジスタンス運動は標的とする部位の筋肉に負荷を集中させて合成と分解をともに増加し、その割合で合成の方が大きいために筋タンパク質を蓄積できます。ただし、筋肉には疲労からの回復時間を設けることも必要なため、適切な頻度と個人に合わせた負荷で継続的に行うことが重要です。このレジスタンス運動による合成促進にはmTOR※という酵素が重要な役割を果たすことが分かっているものの、そのメカニズムはまだ不明な点もあり、機能や活性化調節に関する研究が今も盛んに行われています。
また、持久性運動では主にミトコンドリアタンパク質の合成を増加させる一方で、筋原線維への影響は大きくありません。このように、運動による筋肉の適応には違いがあることを認識し、筋肥大が目的ならレジスタンス運動を、エネルギー利用率の向上が目的なら持久性運動を検討することが必要です。

※mTOR（mechanistic target of rapamycin）：細胞外の栄養状態や細胞内ATP量などの情報が感知されると、細胞の成長や増殖につなげるように中心となって働くリン酸化酵素。

筋肉の萎縮とは

筋肉は不活動で萎縮することが広く知られています。ただ、その詳しいメカニズムについてはよく分かっていませんでした。これまで有力だったのは、運動という筋肉を増加させる刺激がなくなるために筋肉は減少するという説です。近年では、遺伝学的な解析方法によって転写調節因子のFOXO1※が萎縮を引き起こし、これをビタミンDが抑制するということが分かってきました。
さらに最近、不活動によって起こる細胞内カルシウム濃度の減少が筋委縮の引き金になることを発見したという報告があります。この研究は骨折により筋委縮した患者の筋肉サンプルでも検討され、関連するタンパク質３種類の同定や、不活動で積極的に筋肉を減らすスイッチの入ることが明らかになりました。 ほかにも、毛細血管内で放出されたDII4※が、筋線維で組織幹細胞に発現しているNotch2受容体※を活性化すると筋肉の減少が誘導されるという報告も。この研究はヒト培養細胞をつかった筋委縮の誘導でも確認され、一連の流れを抑えられれば不活動による筋委縮を顕著に改善できる可能性があります。

※FOXO1：インスリン・IGF1の下流に位置し制御的に働く転写調節因子。飢餓や糖尿病、ギブス固定、がんによる筋委縮では骨格筋で顕著に増加する。
※DII4（Delta-like ligand 4）：膜貫通タンパク質でNotch受容体を活性化するリガンド（受容体の特定部位に結合して生理活性を担う物質）の1種。
※Notch2受容体：隣接する細胞間の接触シグナルに関わり、細胞の分化や増殖を制御する。

筋肉が放つ生理活性物質「マイオカイン」

マイオカインは筋肉が出す生理活性物質の総称で、全身の臓器へ様々な影響を与えることが分かっています。その由来はギリシャ語のmyo（筋）とkine（作動物質）からなる造語で、定義はまだありません。これまでに候補を含めると数十個以上が発見され、ここ10年間でマイオカインを題材に発表された文献数はおよそ300件に上ります。 例えば、「BAIBA（β-aminoisobutyric acid、βアミノイソ酪酸）」は運動時にPGC1αによって骨格筋から分泌され、白色脂肪細胞を褐色化させるように働きます。ほかには、ミトコンドリアが豊富な遅筋線維のヒラメ筋では細胞の収縮刺激によって合成および分泌される、「BDNF」が持久的運動に関与するなど。 近年では分析技術の進歩によってマイオカインのような物質の解析も可能になり、筋委縮の治療薬を始めとする新たな研究に期待が寄せられています。

「筋肉×老化」も視点の変換が必要な時代に！

筋肉の老化は筋委縮だけでなく、筋肉内での脂肪蓄積など筋の質における低下も招きます。こうしたサルコペニア肥満や加齢による筋肉の変化とその評価方法、個別化すべき運動方法についても情報のアップデートが必要です。

「サルコペニア肥満」とは？サルコペニアやフレイルとの違い

まず、サルコペニアは1989年にRosenberg（米国タフス大学）によってギリシャ語の「筋肉（サルコ、sarx）」と「喪失（ぺニア、penia）」から提唱された造語で、加齢に伴う筋委縮や筋肉の機能低下を指します。対するサルコペニア肥満は、サルコペニアに肥満（脂肪の過度な蓄積）が共存している状態です。そして、フレイルはもともと「か弱さ」や「壊れやすさ」を意味する言葉でした。高齢者におけるフレイルとは、次に記す5つの兆候のうち3つ以上が当てはまった状態です。
一方、がん患者でみられる筋委縮はカヘキシーと呼ばれ、その原理は異なるものの筋委縮を改善して健康寿命を伸ばすという視点では一致しています。

フレイル高齢者における5つの兆候

①歩行速度の低下
②疲れやすい
③活動性の低下
④筋力の低下
⑤体重の減少

（参考：国立長寿医療研究センター「フレイルの原因は？」）

加齢による筋肉の減少率、歩行速度で寿命が変わる！

一般的に20歳代と比べると70歳までに筋肉の面積は25～30%、筋肉量は30～40%減少し、50歳以降では毎年1～2%くらいのペースで筋肉量が減ると言われています。ただ、部位毎に筋肉量の変化は異なり、ホルモンの変化や栄養状態、意欲低下に伴う活動性の低下など理由が多岐に渡るため、一定の見解は得られていません。
ある疫学研究では、高齢者と歩行速度に関する衝撃的な報告がありました。75歳の人がその後10年生きる割合について、歩行速度が速い人は男性で50%と女性で80%、遅い人は男性で15%と女性で35%と、その結果に約3倍も差がついたのです。さらに、速く歩く人では糖尿病の発症率が低いことも示されました。このように適度な運動は、生活習慣病の発症予防など全身にとって良い効果をもたらします。

加齢によって筋肉が変化するメカニズム

これまでの研究で、加齢に伴う筋線維の減少が筋委縮につながることや、筋細胞外の間隙部分にある異所性脂肪や線維性結合組織、細胞外の水分といった収縮に関与しない要素が増加することについて分かっています。こうした非収縮要素の増加によって筋力が十分に発揮されないのは、骨折や死亡に関わる重要なリスク要因です。
また、男性ではタンパク同化作用※を持つテストステロンの分泌量が思春期以降で増大したあと、中年期以降で著明に減少します。そして男女とも、タンパク合成を促すIGF-I（インスリン様成長因子-I）の分泌量が思春期に最大となって老年期に低下することも、筋肉の質が加齢で変化する要因のひとつでしょう。このIGF-Iの下流にはFOXO1が位置し、これがIGF-Iと逆の動きをするために加齢では過剰発現して筋委縮を引き起こします。
そのほか、筋肉の再生を担う幹細胞の「筋衛星細胞」が、加齢になると可逆的から不可逆的な老化状態に変化することも注目すべき要因です。「筋衛星細胞」は未分化性の高い細胞で、筋肉トレーニングなどの刺激で活動のスイッチが入り、増殖しながら筋線維に融合していくことで結果的に筋線維が太くなります。いま、ビタミンB6における「筋衛星細胞」への影響について研究が進行中で、近い将来に新しい栄養療法が生まれるかもしれません。

※タンパク同化作用：低分子のアミノ酸などから高分子のタンパク質を合成すること。

進化し続ける筋肉の評価方法

骨格筋の評価方法には、専用機器を用いる方法と身近で簡単に行える方法があります。ここで、いま話題の遺伝子検査についてポイントを押さえておきましょう。

筋量の測定「MRI・CT・DXA法・BIA」の特徴

サルコペニアの診断方法ではSMI（Skeletal Muscle Mass Index、骨格筋量指数）という、四肢の筋肉量の和を身長の2乗で除した値（kg/m2）を用いるのが一般的です。これに必要な筋肉量の測定には、DXA法（二重X線吸収測定法、Dual-energy X-rayabsorptiometry）やBIA（生体電気インピーダンス法、Bioelectrical Impedance Analysis）がよく用いられています。
一方、MRI（Magnetic Resonance Imaging）やCT（Computed Tomography）は筋断面積の正確な計測が可能で、ほかにも筋内脂肪浸潤など筋の質的な変化や筋内水分の変動における評価にも有用です。ただ、その筋断面積には筋細胞間隙部分も含まれているため、本来の筋収縮要素を過大評価する可能性があるといったデメリットも。現実的には持ち運びが可能で費用も安い、DXA法やBIAが主流になっています。
なかでもBIAの精度は目覚ましく向上し、初期では主に50kHzだけの単周波数だったのに対し、現在は複数の周波数を用いた多周波BIAが主流になりました。さらに近年では、理論的精度がより高く任意の部位を特定して評価できるS-BIS（分節型生体電気インピーダンス分光法、Segmental-Bioelectrical Impedance Spectroscopy）も用いられつつあります。ここで、家庭用に普及している体組成計もBIAの一種ではあるものの、精度が異なることに注意しましょう。

高度な機器を必要としない評価方法

とくに高度な機器を用いることなく、次に挙げるような簡単な方法でも筋肉は評価でき、サルコペニアの診断基準として有用視されています。

【身近な骨格筋の評価方法】

「AWGS（Asian Working Group for Sarcopenia）2019」を参考に抜粋
※SPPB：Short Physical Performance Battery

“持久系・瞬発系”、「遺伝子多型」の検査とは？

近年、一般消費者むけに筋肉の遺伝子タイプを確認するための遺伝子検査サービスが登場し、注目を集めています。運動能力の遺伝率については、1971年にKlissouras（ギリシャ）によって初めて報告されました。一部では、運動能力で現れる個人差の半分以上は、遺伝要因によって説明がつくと言われています。 なかでも研究発表が多いのは、「ACE遺伝子I/D多型」「ACTN3遺伝子R577X多型」の2つです。このうちACE遺伝子は、スポーツパフォーマンスに関する遺伝子多型で初めて報告されたもので、そのIタイプは持久性に、Dタイプは瞬発性に優れるといった特徴があります。ただし、この報告は欧米人におけるものでアジア人では逆の関連性が認められるなど、民族間で異なる可能性があります。もう1つのACTN3遺伝子は骨格筋の構造維持に関わり、速筋線維だけに存在している遺伝子です。
そのほか、運動中で血中乳酸濃度の動態に関わる「MCT1遺伝子T1470A多型」など、持久系に関連する遺伝子多型は約100種、パワー系では約70種の報告があります。今後も続々と発見される可能性を考えると、数個の遺伝子多型だけで自身の競技特性を断定するのは、なかなか難しいと言えるかもしれません。
現時点ではまだデータも少なく、すべての検査キットが日本人を対象とした根拠があるとは限らないことに注意が必要です。わが国では法的規制のある諸外国と異なり、まだ十分な管理方針が示されていません。検査の希望者に対しては、「遺伝子検査サービスを購入しようか迷っている人のためのチェックリスト10か条（東京大学医科学研究所ヒトゲノム解析センター、2014年公開、Ver.1.1）」が公開されているので参考にしてください。
こうしたサービスは、自分にあった競技種目の選択や適切なパーソナルトレーニング、怪我などの障害予防に役立つと期待されている一方で、活用には遺伝情報に対する正しい理解と倫理観が求められます。

高齢者における筋力強化のポイントと注意点

運動で効果を出すには、目的に応じた適切な運動プログラム（運動様式、強度、時間、頻度など）を設定する必要があります。とくに高齢者では強度と頻度を低めに設定し、筋力を効率よく十分に発揮するために、呼吸器や循環器系の適応能力について改善を検討することも大切です。加えて、食が細く低栄養状態が疑われる際には運動だけでなく、食事内容への介入も欠かせません。また、過用による筋の変性にも注意が必要で、激しい運動は筋膜に異常を生じて筋の配列に障害が起こりやすい状態となり、これが継続すると筋力低下を招く恐れも。
近年のネットワーク医学解析※により、加齢とともに筋肉で蓄積する脂肪は筋肉トレーニングで減らせることや、そのシグナル経路についても解明されつつあります。筋収縮の強度が低い散歩や柔軟などを自己流で行っていても、目的とする筋線維の強化は望めません。筋力強化には個別の機能形態や状態を把握しながら、計画を立てて行っていくことが大切です。

※ネットワーク医学解析：生体分子の生物学的な相互関係をネットワークで表現し、疾患などに関して幅広く包括的に解析する医学分野のこと。

まとめ

筋の評価技術は進歩し、その解析結果に基づく効率的な運動に取り組めるような時代になりました。筋肉と老化を考える上では、とくに加齢で落ちやすい速筋について組織毎に筋の状態を把握しながら、質の低下を招くことのない運動の計画を立てましょう。また、日常生活のなかでも、握力の確認や階段の昇降などを通じて筋肉の状態に向き合うような心がけをしてみてはいかがでしょうか。