アスリートに対するPhotobiomodulation therapyの応用―スポーツ・パフォーマンス向上への研究紹介―

Abstract

近年，低反応レベルレーザー治療（Low reactive level laser therapy: LLLT）およびLight emitting diode therapy（LEDT）のような光治療はPhotobiomodulation therapy（PBMT）と呼ばれている．このPBMTはスポーツ障害の治療・予防のみならず，筋疲労の遅延によるパフォーマンスの向上に効果的であることが報告されている．本稿ではアスリートを対象としてPBMTのパフォーマンス向上効果を検討した論文について，スポーツ種目別にその概要をまとめた．

Translated Abstract

Recently, phototherapies, such as low reactive level laser therapy (LLLT) and light emitting diode therapy, have been referred to as photobiomodulation therapies (PBMT). It has been reported that PBMT is effective not only in the treatment and prevention of sports-related disorders but also in improving the performance of athletes by delaying muscle fatigue. This study summarizes previous published reports that examined PBMT-induced performance improvement effects in athletes of different sport types.

1.  はじめに

スポーツ・アスリート（以下アスリート）に対するレーザー，特に低反応レベルレーザー治療（Low reactive Level Laser Therapy: LLLT）はスポーツ障害の治療・予防において有効であることが報告されてきている^1-3)．近年ではLLLTのみならずLEDを用いた光治療（Phototherapy）も同様の効果が認められ，これらを合わせてPhotobiomodulation therapy（PBMT）と呼ばれている．一方，アスリートはパフォーマンスの向上を究極の目的とし，障害予防の先には効率的なトレーニングによる競技力向上のプロセスが繋がっている．こうしたトレーニング効果やパフォーマンス向上において筋疲労の遅延や回復の促進にPBMTが有効であることが示されてきている^4,5)．本稿では，PBMTのスポーツパフォーマンス向上への新たな適用として，特にアスリート，スポーツトレーニングの実践者を対象としている研究論文についてまとめ，その競技やパフォーマンスについて紹介する．

2.  研究論文の抽出と選定

PBMT研究の中で，パフォーマンスや筋疲労への影響についてスポーツ・アスリートを研究対象に用い検討している論文を選定するため，PubMedによる検索を行った．検索条件として，論文titleに「photobiomodulation」「LLLT」「low-level laser」「LEDT」「light emitting diode」のいずれかを含み，かつtitleまたはabstractに「muscle」「fatigue」「recovery」「performance」「sports」「athletes」を含むものを抽出した（review・comment論文は除外した）．これにより抽出された456件の論文から，スポーツ・アスリートのパフォーマンスに関係しないと考えられる以下の用語をtitleに含むものを除外し，144件を得た：rat，rats，mouse，mice，rabbits，cell，patient，patients，adults，injury，pain，syndrome，disease，surgery，osteotomy，arthroplasty，cortex，cerebral，spinal，ischemia．これらのうち，対象者がスポーツ・アスリート，スポーツトレーニング実践者である26件を選び出した．またこの他に，ReseachGate社の推薦論文によって得た同条件の論文4件を加えた．合計30件の論文について，対象者の競技種目・運動実践内容によってグルーピングし，研究方法の諸条件や結果の特徴を表1～4にまとめた．

3.  球技系チーム競技種目における検討

3.1  バレーボール

表1はバレーボール選手を対象としたPBMTのパフォーマンス向上・疲労改善に関する研究をまとめたものである．Professional選手を対象としたものが多く，上腕二頭筋による筋力発揮^6-9)，下肢によるジャンプテスト・トレーニング^10,11)および自転車漕ぎによるWingate test^12,13)，公式試合¹⁴⁾などのパフォーマンスについて調べられている．ジャンプテスト¹⁰⁾を除きすべてテストの実施前にPBMTを施している．Leal Jr.ら^6-9)の上腕二頭筋を用いた一連の研究において，PBMTが筋疲労の遅延およびcreatine kinase （CK）・乳酸の上昇抑制をもたらすことが示された．また，下肢パワーの指標となるWingate test^12,13)においてもCKの低下が示された．これらの報告がPBMTによるスポーツパフォーマンス向上への興味を高めた基礎研究と言える．しかしながら，バレーボールにおけるパフォーマンスとして注目すると，公式試合における検討でCK上昇の抑制¹⁴⁾が示されているが，ジャンプ力においては変化を認めなかった報告もある¹⁰⁾．Da Cunhaら¹¹⁾は6週間の筋力トレーニング及びジャンプトレーニングにおいてトレーニング前にPBMTを行う群と筋への電気刺激（Neuromuscular electrical stimulation: NMES）を行う群の比較を行っている．いずれも筋力の増加とジャンプ力の向上を認めたが，NMESの方がPBMTよりもより効果的であった．言うまでもなく試合におけるパフォーマンスの向上には，一定期間のトレーニングによるベースアップが重要であるが，筋疲労の遅延などによるハイパフォーマンスの維持も有効である．ジャンプ力の直接的な向上にはNMESのような神経系と筋収縮の連動に作用する刺激の方が有効かもしれないが，PBMTは比較的の急性の反応として筋力維持・疲労の遅延に効果的と考えられるため，競技場面における活用が可能と考えられる．

Table 1  Summary of included studies with athletes of volleyball

Authors	Type of Subjects (Player)	Source of light	Wavelength (nm)	Power density per diode (W/cm2)	Energy per site (J)	Total energy delivered (J)	Treatment time per point or site (s)	Number of points or sites	Muscle treated	When photothrapy was applied?	Exercise protocol	Summary of results
Leal Jr. et al. 2008 ref. 6)	Volleyball/Professional	Laser	655	5	5	20	100	4	Biceps brachii	Before exercise	Isotonic contraction	Number of repetitions, Time until exhaustion↑
Leal Jr. et al. 2009 ref. 7)	Volleyball/Professional	Laser	830	35.7	5	20	50	4	Biceps brachii	Before exercise	Isotonic contraction	Number of repetitions↑
Leal Jr. et al. 2009 ref. 8)	Volleyball/Professional	LED	660 850	0.05 1.5	41.7	41.7	30	1	Biceps brachii	Before exercise	Isotonic contraction	Number of repetitions, Time until exhaustion↑ CK, CRP, LA↓
Leal Jr. et al. 2010 ref. 9)	Volleyball/International	Laser	810	5.5	30	60	30	2	Biceps brachii	Before exercise	Isotonic contraction	Number of repetitions, Time until exhaustion↑ CK, CRP, LA↓
dos Santos Maciel et al. 2013 ref. 10)	Volleyball/High performance	Laser	830	0.25	11	220	22	20	Triceps surae	During jump test	Horizontal & Vertical jump test	Gastrocnemius lateral RMS ↓ Jump distance & height N.S. MVC N.S.
da Cunha et al. 2020 ref. 11)	Volleyball/High performance	Laser	850	0.038	6	72	40	6 each leg =12	Quadriceps	Before training	Strength training & Jump training	Muscle strength ↑ Maintained for 2 weeks after training NMES improved more than Laser
Leal Jr. et al. 2009 ref. 12)	Volleyball/Recreational	Laser/LED	810/ 660 850	5.5/ 0.05 0.15	6 41.7	24 166.8	30 30	2 sites per limb	Rectus femoris	Before exercise	Wingate test	CK↓ performance, LA NS
Leal Jr. et al. 2009 ref. 13)	Volleyball & Soccer/Professional	Laser	830	35.7	4 or 3	40 or 30	40 or 30	5 each leg = 10	Rectus femoris	Before exercise	Wingate test	Wingate Test N.S. CK, LA(after 15 min)↓
Ferraresi et al. 2015 ref. 14)	Volleyball/Professional	LED	630/ 850	114.28/ 185.74	105 210 315	630 1260 1890	20 40 60	3 muscles (50 LED array)	Quadriceps Hamstrings Triceps surae	Before match	Volleyball official match	CK↓ 210–315J

3.2  サッカー

表2はPBMTがパフォーマンスに及ぼす影響についてサッカー選手を対象として検討した研究をまとめたものである．表1のLeal Jr.ら¹³⁾もバレーボール選手とサッカー選手の両方を対象としているが，ここにまとめたものはさらに近年のものが多い．サッカー競技においてPBMTに注目が高まっているのかもしれない．対象の部位はすべて大腿部であり，PBMTの波長は810 nm～880 nmであった．評価項目はLeg extensionの反復収縮¹⁵⁾，12週間の筋力トレーニング¹⁶⁾，筋の損傷が顕著となる伸張性収縮^17,18)，心肺機能の評価¹⁹⁾，サッカー選手のための無酸素性能力テスト（Soccer-specific aerobic test: SAFT⁹⁰）²⁰⁾など多彩である．

Table 2  Summary of included studies with athletes of soccer

Authors	Type of Subjects (Player)	Source of light	Wavelength (nm)	Power density per diode (W/cm2)	Energy per site (J)	Total energy delivered (J)	Treatment time per point or site (s)	Number of points or sites	Muscle treated	When photothrapy was applied?	Exercise protocol	Summary of results
Dos Reis et al. 2014 ref. 15)	Soccer/Professional	Laser	830	21.42	3.6	25.2	10	7	Quadriceps	Before and after exercise	Isotonic contraction	LA,CK↓, after exercise was more pronounced
Ferraresi et al. 2016 ref. 16)	Soccer/College athlete (twins)	LED	850	0.5	75	75	15	50 LED array	Quadriceps	Before and after strength training	Leg press + Leg extension 12 weeks	Maximal load in exercise ↑ Fatigue, CK, VAS ↓ IL-1β, MSTN↓ mTOR, SOD2↑
Vanin et al. 2016 ref. 17)	Soccer/Professional	Laser	810	5.495	10 30 50	60 180 300	10 30 50	6	Quadriceps	Before exercise	Eccentric exercise	Inhibit in MVC decrease, CK and IL-6 increase
de Olivieira et al. 2017 ref. 18)	Soccer/International	Laser	810	275	10	300	100 50 25	6	Quadriceps	Before exercise	Eccentric exercise	Inhibit in MVC decrease, DOMS↓ (100 mW/100 s, 200 mW/50 s)
Tomazoni et al. 2019 ref. 19)	Sccoer/High-level	Laser	810	2.75	50	450 300 100	100	9 6 2	Quadriceps Hamstrings Calf	Before test	Ergospirometry test	VO2max, Time until exhaustion, AT time & volume ↑ CK, LDH, IL-6, TBARS, carbonylated protein ↓ SOD & CAT activity ↑
Dornelles et al. 2019 ref. 20)	Sccoer/Amature	LED	880	0.2438	300	300	60	152 LED array	Hamstrings	Before test	Soccer-specific areobic test (SAFT90)	Lower reduction: Peak torque, Hamstring-to-Quadriceps torque ratio, CMJ height

Ferraresiら¹⁶⁾は，1組の双生児を対象に12週間のLeg pressとLeg extensionのトレーニングを行い，筋力および疲労テストについて比較した．その結果，照射（LLLT）による筋力増強を認め，筋痛・CKの低下，さらに遺伝子発現においてinterleukin-1β（IL-1β）・myostatinの減少およびmammalian target of rapamycin（mTOR）・mitochondrial superoxide dismutase: SOD2の増加を認めた．この結果はPBMTが筋損傷，筋萎縮の低下，炎症及び痛みの軽減に効果的であることを示唆している．Vaninら¹⁷⁾は，LLLTを10，30，50Jに設定し，照射後の伸張性収縮による筋機能低下並びに筋損傷マーカーについてPlaceboと比較した．その結果，10，50Jにおいて筋力低下の抑制および回復の早期化，CK活性およびIL-6の増加抑制を認めた．さらにde Oliveiraら¹⁸⁾も同様にLED照射が伸張性収縮後の筋力低下抑制，CK・lactate dehydrogenase（LDH）および筋痛の低下，筋損傷の軽減を複数の筋損傷マーカーから確認し，100 mW/diodeの照射条件がより効果的と報告している．

Tomazoniら¹⁹⁾はトレッドミルによるランニングテストにおけるPBMTの影響を検討している．CK・LDH，IL-6の増加抑制に加え，酸化ストレスのthiobarbituric acid（TBARS），carbonylated proteins, catalase（CAT），superoxide dismutase（SOD）が抗酸化反応したことに加え，疲労までの時間・maximal oxygen uptake（VO₂max）・anaerobic threshold（AT）出現時間の延長または上昇を認めた．サッカーにおいては90分間という長時間のパフォーマンス発揮において，高いパワーと持久的能力の両立という課題がある．PBMTは筋疲労・筋損傷軽減に加え，有酸素能力の維持にも効果的と言える．また，Dornellesら²⁰⁾はサッカーの試合を想定したテスト（SAFT⁹⁰）とPBMTの関係を検討する上で，ハムストリングスの伸張性筋収縮力および大腿部前後面の筋力比の低下抑制による損傷リスクの軽減効果を報告している．以上のように，サッカー選手を対象とした研究ではPBMTのより実践的なパフォーマンス向上・傷害予防への効果が示されている．

3.3  その他の球技

表3は表1，2以外の球技系チームスポーツとして，フットサル^21,22)，ラグビー・ホッケー・サッカーの複数種目²³⁾，ラグビー²⁴⁾および水球²⁵⁾の各選手によるPBMT研究の一覧表である．

Table 3  Summary of included studies with athletes of other ballgame

Authors	Type of Subjects (Player)	Source of light	Wavelength (nm)	Power density per diode (W/cm2)	Energy per site (J)	Total energy delivered (J)	Treatment time per point or site (s)	Number of points or sites	Muscle treated	When photothrapy was applied?	Exercise protocol	Summary of results
Leal Jr. et al. 2010 ref. 21)	Footsal/International	LED	660 850	0.05 0.15	41.7	417	30	5 each leg = 10	Rectus femoris	After exercise	Wingate test	LA,CK↓
De March et al. 2019 ref. 22)	Futsal/Professional	Laser/LED	905/ 640 875	0.00071/ 0.001666 0.001944	0.07125 3.42 3.99	510	228	17 each leg = 34	Quadriceps Hamstrings Calf	Before official match	Official match 40min	Time of staying in the pitch↑ CK, LDH,TBARS,CP,LA↓
Denis et al. 2013 ref. 23)	Soccer, Hockey & Rugby	LED	660 950	0.05 0.075 (* 34/35)	25.95	207.6	30	4 each leg = 8	Quadriceps	After high intensity exercise	High intensity exercise & Wingate test(WT)	LA clearance N.S. Fatigue index N.S. Peak Power (WT) N.S.
Pinto et al. 2016 ref. 24)	Rugby/International	LED	660/850	0.132	30	510	228	9 6 2	Quadriceps Hamstrings Triceps surae	Before test	Bangsbo sprint test	Test time↓ LA ↓
Zagatto et al. 2016 ref. 25)	Water Polo	LED	850	3.57	3	48	30	4+4 each leg = 16	Adductor magnus Adductor longus	Immediately after training	200 m maximal swimming 30s crossbar jump (CJ) test	Moderate effect in CK, IL-10, TNF-α and performance (30CJ test)

フットサルではWingate test²¹⁾および公式試合²²⁾における検討によりCK・乳酸および酸化ダメージ因子の抑制が示され，特に公式試合においてはコート内の滞在時間の延長と48時間後の回復促進も認められた．また，Pintoら²⁴⁾はラグビー競技でよく用いられるBangsbo sprint testにおいて所要時間の短縮と乳酸の低下にPBMTが効果的であることを報告している．一方，Denisら²³⁾はサッカー・ホッケー・ラグビー選手を対象として高強度運動とWingate testにおいてPBMTの効果を見ているが，疲労指標・乳酸除去，Wingate testのピークパワーにおいて非照射群との間に有意差は認められなかった．またZagattoら²⁵⁾も水球選手において5日間のトレーニング過程のPBMTの影響を検討し，30秒間のCrossbar jump testは日を追って向上したが，最大努力の200 m泳の時間および炎症・筋損傷マーカーに群間の差は認められなかったとしている．

4.  個人競技種目等における検討

表4は個人競技およびトレーニング実施者等を対象としたPBMT研究として，長距離ランナー^26-28)，自転車競技^29-31)，長距離ランナーおよび自転車競技³²⁾，ブラジリアン柔術および身体活動実施者³³⁾，また，日常的な身体活動実施者³⁴⁾，筋力トレーニング実施者³⁵⁾，体育大学生³⁶⁾についてまとめたものである．

Table 4  Summary of included studies with runner, cyclist and others

Authors	Type of Subjects (Player)	Source of light	Wavelength (nm)	Power density per diode (W/cm2)	Energy per site (J)	Total energy delivered (J)	Treatment time per point or site (s)	Number of points or sites	Muscle treated	When photothrapy was applied?	Exercise protocol	Summary of results
Ferraresi et al. 2015 ref. 26)	Long distance runnner/Elite	LED	850	0.25	37.5	450	15	6 muscles each side = 12 (50 LED array)	Upper arm External oblique Quadriceps Hamstrings Tibialis anterior Gastrocnemius	Before exercise	High-intense constant workload running on treadmill	CK, alanine and LA levels↓ O2 deficit↓ VO2 adaptation speed, VO2 from the slow component phase, Time limit of exercise↑
Dellagrana et al. 2018 ref. 27)	Runner/recreational	Laser/LED	850/ 670 880 950	1.666/ 0.0052 0.01953 0.01171	15 30 60	420 840 1680	16 32 44	28	Quadriceps Hamstrings Calf	Before test	Submaximal runnning test	Total time to exhausion, RE, Vo2max↑ LA, RPE, AT↓ 30 J per site is the best improve
Dellagrana et al. 2018 ref. 28)	Runner/recreational	Laser/LED	850/ 670 880 950	1.666/ 0.0052 0.01953 0.01171	15 30 60	420 840 1680	16 32 44	28	Quadriceps Hamstrings Calf	Before test	Submaximal runnning test & MVIC	Possible beneficial effects :EMG activity (15 J per site)
Lanferdini et al. 2018 ref. 29)	Competitive cyclist	Laser	810	6.9	15 30 45	270 540 810	15 30 45	9 each thigh = 18	Quadriceps	Before test	Time-to-exhaustion cycling test	O2 deficit & tau (time constant) ↓
Lanferdini et al. 2018 ref. 30)	Competitive cyclist	Laser	810	6.9	15 30 45	270 540 810	15 30 45	9 each thigh = 18	Quadriceps	Before test	Time-to-exhaustion cycling test (5 days)	Time to exhaustion ↑ High frequency content of EMG ↑(135J)
de Carvalho et al. 2020 ref. 31)	Amateur cycling athlete	LED	620 940 620+940	0.05286 0.0337 0.337& 0.05286	0.61 0.64 0.61& 0.64	360 360 360	102 108 153	1 each thigh = 2	Quadriceps	2, 3, 4 dyas after test	Isokinetic contraction test, Exhausion test	Peak torque 270°/sec (620 + 940)↑
Teles et al. 2015 ref. 32)	Runner & Cyclist/National or region competition	LED	850	0.17	13.37	106.96	23	4 each leg = 8	Quadriceps Gluteus Hamstrings Calf	Before test	Wingate test	Peak & relative power (Whole body vibration + LED)↑ LED N.S.
Follmer et al. 2018 ref. 33)	Brazilian jiu-jitsu athletes & Physically active men	Laser/LED	850/ 670 880 950	1.666/ 0.0052 0.01953 0.01171	30	60	32	2	Biceps brachii	Before fatigue test (FT)	Fatigue test (FT) (60% MVC)	Time to exhaustion ↑ Impulse during FT ↑
Hemmings et al. 2017 ref. 34)	Resistance trainning (2 years)	LED	660 850	0.05 (* 34/35)	1.5 3.0 6.0	9 18 36	30 40 120	6	Quadriceps	Before exercise	Eccentric leg extension with 120% MVIC	Number of repetition↑ LA N.S.
Tsuk et al. 2020 ref. 35)	Physical Education students	Laser	808	0.0188	1.1	150	600	3	Quadriceps	While MVC test After Fatigue test	MVC test Fatigue test	Peak torque, Total work NS (MVC, Fatigue test)

ランナーに対するランニングテストにおいては，CK・乳酸の増加抑制および有酸素能力として疲労時間の延長・酸素負債減少・VO₂max増加^26,27)，さらにランニング中の神経-筋活動の効率指標としての筋放電（root mean square: RMS）分析からPBMTがRMS指標を改善したことが報告されている²⁸⁾．また，自転車競技選手においても有酸素的なcycling testにおいて酸素負債およびその変化の時定数の低下²⁹⁾，疲労時間の遅延³⁰⁾などPBMTのポジティブな効果が報告されている．一方，de Carvalhoら³¹⁾は自転車競技者において等速性筋力発揮テスト及び自転車走による疲労テストにおけるPBMTの影響（620 nm, 940 nm, 620 nm + 940 nm, sham）を検討したが，620 nm + 940 nm照射条件で有意な筋力増加を認めたものの，疲労テストにおいては群間の差がみられなかった．また，Talesら³²⁾も長距離ランナーと自転車競技選手を対象としてLED照射，Whole-body vibration（WBV），LED + WBVの3条件で比較を行ったが，Wingate testのPeak powerおよびRelative workについてLED + WBV条件においてのみLED，WBV単独よりも高い値が示され，LEDの効果は十分に認められなかった．

Follmerら³³⁾はブラジリアン柔術選手と日常的に筋力トレーニングを実施している一般人を対象に上腕二頭筋へのPBMTの効果を検討している．ブラジリアン柔術は日本の柔道から派生した寝技や組技を主体とする格闘技であり，上肢への負担が大きいコンタクトスポーツである．肘屈曲運動の反復による疲労テストに先立ち，PBMTを施した後，最大筋力の低下を比較した．その結果，両対象者ともにPBMTによるPeak torque の低下抑制，反復時間の延長など疲労抑制の効果が認められた．一方，Hemmingsら³⁴⁾は筋力トレーニング実施者を対象に膝伸展運動の反復におけるLED照射の効果を調べ，60，120秒照射群で反復回数の増加を認めたが，発揮筋力および乳酸の増加抑制には効果を認めなかった．さらに，Tsukら³⁵⁾は体育大学生を対象にLaserによるPBMTの効果を検討したが，最大筋力発揮および25回の反復疲労テスト後の回復においてPlaceboとの差は示されずPBMT効果が示されなかったことを報告している．

5.  アスリートへのPBMTの適用

表1～4で示したスポーツ種目を中心としたPBMTの効果について再度まとめると，30件の研究の内，22件は計測項目にほぼ十分な効果が認められ，一部の項目にのみ効果があったものが5件^{10,12,13,25,34)}，効果が見られなかったものが3件^23,32,35)となった．その効果項目は①筋力の維持・低下抑制および早期回復，②疲労発現の遅延（反復回数や継続時間の増加），③筋損傷マーカー（CK，LDH，乳酸，筋痛等）の増加抑制，④有酸素能力指標（VO₂max，酸素負債等）の向上などである．また，効果の示された22件はすべてテスト前の照射であり，10件がLaser機器，8件がLED機器，4件がLaserとLEDの複合機器であった．LLLTのみならずLEDTによる検証が進み，今後スポーツ現場においてはより簡便にPBMTの適用が進むかもしれない.

これまで，筋疲労改善に対するPBMTの効果は，一般の対象者や動物実験によっても数多く報告されている⁵⁾．PBMTはミトコンドリアの変容とATP合成を促進し³⁶⁾，CKや乳酸の増加抑制や酸化ストレスである活性酸素・活性窒素の産生抑制^37,38)により筋疲労の遅延をもたらしていると考えられる．従って，上記の効果項目にポジティブな結果が得られたことも同様のメカニズムが作用したと考えられ，特にアスリートに限ったものではない．しかし，一流のアスリートはより多くのトレーニングを高負荷で継続し，怪我や障害のリスクが高まる上に，求められるパフォーマンスもレベルが高い．PBMTはこうしたアスリートに対し，試合や競技会の直前に適用することでパフォーマンスを向上させる可能性から注目されていると考えられる．しかし，こうした発想には“ハイテク・ドーピング”としての賛否が生じる．ただし，日常的なトレーニングにおける利用は障害予防に効果的であり，筋疲労の遅延効果などが相まってトレーニングの質を高めることに通じるはずである．

6.  おわりに

国際誌のレビューから，PBMTに関する検討は，治療分野のみならずスポーツパフォーマンス向上のための医科学的サポートツールとしての可能性が模索されている．この試みはブラジルにおいて盛んであるが，アメリカでの共同研究や，アイルランドやイスラエルでの研究も登場している．しかしながら，我が国においては，まだスポーツ現場における治療および障害予防としての活用に留まっている．今後，スポーツ現場へのPBMT適用が拡がることが期待される．

利益相反の開示

利益相反なし．

引用文献

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