老年性聾的研究和防治任重道遠*

楊軍 陳建勇# 侯書樂 陳鵬輝 段茂利

老年性聾又稱年齡相關性聽力損失(age-related hearing loss,ARHL),是因衰老的累積效應引起聽覺系統的老化和退變所導致的聽力下降。ARHL是老年人群中最常見的一種慢性感覺缺陷,是繼心臟病和關節炎之后影響老年人的第三大常見健康問題。ARHL主要的聽力學特征表現為雙耳漸進性、對稱性感音神經性聽力損失;以輕度至中度的中-高頻(2～8 kHz)聽力下降為主;言語分辨能力下降,尤其是在嘈雜環境中言語感知和理解困難。因此,常導致溝通困難、社會孤立、認知能力下降,增加阿爾茨海默病的患病風險,明顯降低老年人群的生活質量[1]。此外,ARHL對老年人群的精神、心理、生理也會造成一系列不利影響,增加社會負擔。本文就近年來ARHL的相關基礎與臨床研究進行梳理和總結,旨在為ARHL的防治提供理論依據。

1 ARHL相關基礎研究

毛細胞和螺旋神經節細胞的不可逆損傷以及血管紋的變性是ARHL的主要病理學改變。目前ARHL病理機制的研究主要圍繞氧化應激、炎癥反應、細胞凋亡和自噬細胞保護這四個方面[2]。研究認為隨著年齡的增長抗氧化活性降低,進而加劇活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產生[3]。過量的ROS引起線粒體DNA基因位點的缺失和/或突變,導致氧化磷酸化的失調,繼而誘導能夠啟動凋亡途徑的細胞損傷過程[4]。目前研究結果表明,NRF2-KEAP1(Kelch樣ECH相關蛋白1-NF-E2相關因子2)信號通路參與了這一氧化應激過程。核因子-紅細胞2相關因子2(NRF2)會隨著年齡的增長而下調,導致NRF2調節的細胞保護和氧化還原穩定性受到阻礙,包括調節線粒體穩態、調節抗氧化酶表達、防止細胞凋亡、DNA修復和轉錄調節[5]。與年齡相關的NRF2活性降低還會影響許多其他生化過程,例如,在持續的氧化應激過程中,NRF2會降低5′腺苷單磷酸酯活化蛋白激酶(AMPK)的表達,進而抑制延長的自噬反應,從而防止細胞內容物隨著時間的推移而過度破壞[6]。

上述氧化應激、細胞凋亡激活和線粒體功能障礙的免疫系統失調會產生一系列的慢性炎癥反應。慢性炎癥和氧化應激共同作用產生的ROS通過核因子κB(NF-B)的ROS激活而聯系在一起,長期的氧化應激會引發慢性炎癥和促炎細胞因子的產生,從而增加ROS的產生;另外在促炎細胞因子的促進下,進一步增加炎癥反應,導致ROS的產生增加,進而啟動導致慢性炎癥損傷的正反饋效應[7]。

細胞凋亡已被證明是通過毛細胞死亡導致ARHL的主要因素。動物模型研究發現ARHL的發展主要與線粒體DNA缺失和重復、NOX過表達和解偶聯蛋白2(UCP2)有關。與對照組相比,ARHL模型鼠的血管紋、螺旋神經節和Corti器中NOX3的表達以及切割的胱天蛋白酶3(CASP3)顯著增加[8]。ARHL模型鼠的研究表明,腹側耳蝸核中NOX2的表達和內耳結構中NOX3的表達顯著增加。此外,研究還發現ROS作為p53上調因子,誘導持續的Bak激活,最終導致細胞凋亡(Someya等,2009)。類似地,在C57BL/6J ARHL小鼠模型中,Bak基因缺失阻止了毛細胞和螺旋神經節神經元細胞的凋亡(Someya等,2010)。

蛋白質合成發生在內質網(ER)內,ER評估合成的蛋白質是否存在異常組裝,隨后通過自噬溶酶體或泛醌蛋白酶系統進行破壞和回收,這個過程稱為未折疊蛋白反應(UPR),是一種應激反應。慢性UPR激活和ER應激最終會抑制自噬,增加錯誤折疊和受損蛋白質的程度,并可能通過NF-B激活觸發ROS的產生[9]。此外,FOXG1通過調節自噬在聽覺退化過程中也發揮重要作用。FOXG1的抑制降低了自噬活性,并導致ROS的積累和隨后耳蝸毛細胞的凋亡。通過阿司匹林給藥增加FOXG1的表達,可進一步激活自噬,減少ROS的產生,進而抑制細胞凋亡,促進模擬衰老的HC和HC樣OC-1細胞的存活[10]。

2 ARHL相關的基因遺傳學研究

ARHL相關易感基因可能參與編碼結構蛋白和穩態蛋白,這些蛋白通常是維持聽覺細胞結構和功能到老年所需的。這些基因的亞型等位基因會使得對ARHL相關環境或生活方式等風險因素的抵抗力降低。另外活性氧物質代謝、抗氧化系統和線粒體功能相關的基因已被報道為ARHL易感性基因,但耳蝸感覺上皮中mTORC1基因缺失可以保護小鼠免受ARHL的侵害[11],耳蝸毛細胞中mTORC1活性的降低可能是預防ARHL的潛在策略。

盡管小鼠是研究哺乳動物ARHL發病機制的主要模式動物,但只有約四分之一的擬議人類ARHL基因與擬議小鼠ARHL基因存在重疊(Bowl,2015),仍需要一種更綜合的方法來深入了解ARHL遺傳學機制,如圖1[12]所示。

圖1 基于動物和人類模式的ARHL基因分析流程圖 GWAS:全基因組關聯研究;WES:全外顯子組測序;WGS:全基因組測序(圖片譯自Bowl等[12])

另外,在人類基因遺傳學方面,ARHL的全基因組關聯研究(genome-wide association study,GWAS)顯示許多候選基因與ARHL有關,其中與ARHL密切相關的候選基因包括GRM7、CDH13、IQGAP2、DCLK1、PTPRD、GRM8、CMIP、ESRRG、ACVR1B、CCBE1、SIK3、PCDH20、SLC28A3、ISG20、TRIOBP、ILDR1、EYA4[13]。在這些候選基因中關聯性最強的是GRM7基因。GRM7是一種編碼谷氨酸代謝型受體7的基因,主要在毛細胞和螺旋神經節神經元中表達,當GRM7中的一種遺傳變異發生時,會導致內毛細胞和聽覺神經元之間突觸連接處的谷氨酸釋放增加,并逐漸累積到毒性水平,進而促進ARHL易感性。

另外與ARHL相關的一些少見基因,近年來也逐步受到關注和報道,包括已知基因KLHDC7B、MYO6、SYNJ2、TECTA、PUS7L、EYA4、ARHGEF28和新型基因PDCD6、PIK3R3、BAIAP2L2、CRIP3、KLHDC7B、MAST2、SLC22A7,單細胞測序顯示這些基因在內耳組織細胞中廣泛表達[14]。但目前這些罕見基因的發現都只是在歐洲白人的獨立樣本中獲得復制,仍有必要進行更多的研究來闡明這些變體/基因是否在其他種族和地區人群的ARHL中發揮致病作用。

3 ARHL相關的臨床研究

臨床研究主要聚焦在ARHL相關的流行病學和風險因素,以及ARHL對大腦皮層和認知功能的影響。

3.1ARHL相關的流行病學研究 ARHL患病率隨著年齡的增長而逐步增加,50歲以上人群約40%,70歲以上人群上升至約71%。與同齡女性相比,男性更容易遭受聽力損失。與白人相比,黑人的聽力損失風險降低,推測可能與黑色素水平的差異有關。

噪聲暴露和耳毒性藥物可能是加劇ARHL進展的外在因素(Yang等,2015)。吸煙和被動吸煙與聽力損失的發生幾率增加相關,與吸煙相比,被動吸煙的OR值更高(1.15∶1.28),提示被動吸煙導致聽力損失的風險更高。除吸煙外,高體重指數(BMI)也與聽力損失密切相關(Fransen等,2008)。另外,具有心血管危險因素(如高血壓、糖尿病、吸煙、血清膽固醇升高)的個體聽力損失的風險會更高。研究發現,在調整多種風險因素后,2型糖尿病與ARHL相關;與非糖尿病患者相比,糖尿病患者聽力損失的患病率增加(Horikawa等,2013)。此外,ARHL也與社會經濟地位(教育背景、職業和收入)存在一定關系,收入和教育水平較低的人的聽力損失風險更高。但值得注意的是,多項研究發現適度飲酒與聽力損失的幾率降低相關,提示適度飲酒具有保護聽力的作用(Gopinath等,2010),其深層的保護機制仍有待進一步深入研究。

值得注意的是,上述這些大樣本人群的橫斷面調查研究結果仍存在一些局限性,因為整個隊列隨訪研究過程中很難將個人風險因素的直接影響與對總體樣本人群的間接影響有效區分,從而建立因果關系。然而,綜合來看,這些數據表明,健康的生活方式,其中包括適度飲酒,可以起到一定的預防ARHL的保護作用。

3.2ARHL對中樞聽覺皮層影響的相關研究 當外周聽覺受損時,耳蝸將聲信號轉換為電信號的效能會降低,引起聽覺信號減弱,進而影響大腦處理這些信息的方式,最終導致中樞聽覺皮層的萎縮或重組[15]。在解剖學方面,主要表現為聽覺皮層灰質體積減少[16]。有研究認為這種解剖變化與GABA水平降低導致的神經傳遞功能障礙有關(Gao等,2015)?；屹|體積的整體減少是衰老的一種普遍性的神經特征,因此值得思考的一個問題是,ARHL引起的聽覺傳入剝奪是否會加劇腦萎縮的表現,以及是否會對皮層組織產生影響,這需要更深入的研究。

ARHL相關聽皮層結構的變化,目前有以下兩種理論假說:第一種,聽覺障礙與聽覺剝奪導致的腦容量下降之間存在直接的因果關系,也就是臨床常講到的聽覺剝奪假說;第二種情況是,衰老本身就會導致聽覺外周和中樞神經系統同時衰退[16]。

除了皮層的解剖結構變化外,ARHL患者在聽覺處理的功能方面也表現出差異。功能性MRI(fMRI)研究顯示,ARHL患者在顳葉,特別是右側半球對粉紅色噪聲(即1/f噪聲)的反應中表現出皮層功能激活增加。這種激活可能是由于與衰老相關的抑制作用減少,亦可能影響聽閾升高的補償機制(Chen等,2016)。

聽覺信息的感知,尤其是理解,依賴于大腦網絡之間的整合來理解和解釋外周聽覺刺激。ARHL患者參與聽覺處理的大腦區域之間的功能連接存在重要差異,具體而言,ARHL患者視覺和聽覺感覺皮層之間的連接,以及注意力和默認模式網絡之間的連接顯著減少(Puschmann等,2017)。說明在ARHL患者中負責對言語感知的整個皮層網絡組織結構和功能發生了變化,進而對言語感知和理解產生阻礙。

3.3ARHL對中樞非聽覺皮層影響的相關研究 ARHL不僅會影響聽覺腦區,也會影響非聽覺腦區。聽力損失患者的非聽覺腦區功能可能被上調以支持對言語的感知和理解,這種資源重組將進一步導致其認知和神經功能下降。

第一個影響表現在注意力網絡方面。形態學研究表明,ARHL患者的前扣帶皮層(ACC)體積減少。ACC萎縮與負責頻率分辨的耳蝸外毛細胞的放大器功能之間存在關聯,這種萎縮會進一步導致明顯的記憶障礙[17]。也有研究認為,ARHL中受損的聽覺處理會導致聆聽更費力,進而逐步耗盡聽覺和非聽覺認知功能中可用的有限資源容量。通過研究參與努力感知聲音的神經網絡的激活增加現象或許有助于觀察到ARHL患者中這些區域的神經退化[18]。

第二個影響表現在視覺網絡方面。在聽覺信號處理過程中抑制大腦其他感覺區域活動的能力會降低。例如,在單音節詞識別任務中,當背景噪聲增加引起言語可懂度降低時,視覺皮層的激活會明顯增加(Vaden等,2016)。另外,靜息狀態下fMRI顯示,ARHL患者中聽覺和視覺皮層之間的神經網絡連接也增加(Power等,2013)。這些研究進一步突出了與ARHL相關的視覺和聽覺區域的皮層重組現象。

第三個影響表現在運動網絡方面。聽力損失越嚴重的患者,越需要依賴大腦多個區域的整合來理解聽覺信息,但ARHL患者中目前尚不清楚運動網絡是如何用于言語感知的。有學者提出以下兩種假說來解釋:首先,運動補償假說認為運動網絡的激活補償了ARHL患者受損的聽覺處理功能(Du等,2016);其次,運動衰退假說表明,外周聽覺受損導致對聽覺皮層的輸入減少,聽覺處理的缺陷進一步減少了對關節運動皮層輸入的正向反饋[19]。

這些研究說明與ARHL相關的感覺剝奪會影響大腦結構、功能和典型的神經資源分配,這些結構的變化和神經資源的再分配重塑會影響ARHL患者的認知過程和聽覺處理之外的其它功能。

3.4ARHL導致認知功能損傷的相關臨床研究 ARHL與認知功能下降和患癡呆癥的風險增加顯著相關,并且這種情況會隨著聽力損失的嚴重程度而逐漸增加(Lin等,2013)。目前關于ARHL與認知功能下降的關聯性,主要涉及以下三個假說:

(1)共同原因假說認為,認知功能下降和ARHL共病表現可歸因于常見的神經退行性病變,這一假設得到了老年人的感覺功能和認知領域平行變化的研究證據支持(Fischer等,2016)。此外ARHL會加劇衰老過程中認知能力下降的進程和速度,信息退化和感覺剝奪假說同樣支持這一觀點[20]。

(2)信息退化假說則推測外周聽覺受損引起聽覺輸入信號減少,導致聽覺中樞對有限的處理資源提出了更高的要求(Wingfield等,2016)。在環境噪聲或聽力損失導致言語分辨率下降的情況下,大腦皮層處理和理解這些聽覺信號的“聽覺努力”會增加。因此,有限的認知資源被從其他認知任務中轉移到努力聆聽上,從而導致認知資源的耗盡。這種資源的重新分配對認知功能會產生不利的影響,在理論上可能導致認知功能下降(Humes等,2013)。當聆聽更困難時,需要額外的認知資源來應對這種聆聽需求,這就意味著用于其他認知過程的資源會逐漸被耗盡。支持這一假說的有力證據來自對助聽器干預效果的研究,助聽器有助于恢復聽覺,進而減少認知負荷。助聽器干預6個月可以顯著改善患者聽力和記憶力。

(3)感覺剝奪假說與信息退化假說存在一些理論上的共同點,但感覺剝奪假說更加強調ARHL的長期感覺剝奪,即隨著時間的推移,認知資源長期向聽覺重新分配會導致認知能力下降。該假說強調,這種長期剝奪會導致代償性皮層重組和神經改變,從而阻礙一般的認知和情緒過程,但有利于聽覺感知[21]。研究人員對感覺剝奪假說進行了擴展,提出盡管感覺剝奪通過感覺輸入不足直接影響認知,但它也可能通過社交減少或抑郁增加間接影響認知功能。該假說提出,與社交孤立和抑郁相關的社交互動減少可能介導聽力損失和認知能力下降之間的因果關系[22]。

4 ARHL預防與治療相關研究

通過改變環境或飲食方式來預防ARHL的發生值得探索,然而其潛在機制仍未完全闡明。研究顯示,重水(D2O)可調節新陳代謝,抑制嚙齒類動物體內ROS的產生,延緩衰老的進程(Shchepinov等,2007)。筆者研究團隊通過構建ARHL的小鼠模型,探討了D2O對ARHL的影響,發現在4至9周齡的正常小鼠飲食中添加10% D2O可降低ABR反應閾,與未處理的小鼠相比,其蝸管中的氧化應激水平顯著降低;代謝通量分析發現這一過程主要與D2O延緩與衰老相關的代謝反應有關。此外,實驗還證實,Nrf2/HO-1/谷胱甘肽軸在D2O治療的小鼠中下調,通過補充D2O可以減緩新陳代謝速度和減少耳蝸中氧化應激的產生,從而阻礙ARHL進展[23]。這些發現為保護耳蝸免受氧化應激和調節代謝以預防ARHL開辟了新的途徑。

藥物治療方面也有一些新的發現。2013年輝瑞公司首次采用PF-04958242(AMPA受體的正變構調節劑,一種離子型谷氨酸受體)進行了ARHL的藥物臨床試驗。選取44例50歲以上ARHL患者,單次給藥后1 h和5 h聽力測試發現聽閾沒有改善(Bednar等,2015)。在Autifony Therapeutics公司贊助并于2016年完成的CLARITY1研究中,評估了電壓門控鉀通道調節器AUT 00063對ARHL患者聽力的影響,結果,在經過4周的治療后,與安慰劑組比較,差異無統計學意義(注冊號clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02345031,結果未發表)。諾華制藥公司的一項I期和II期臨床研究,采用基因治療的方法,將促毛細胞轉錄因子ATOH1轉導至重度至極重度聾患者內耳中,試圖通過促進毛細胞從支持細胞再生來修復受損的聽力(注冊號clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02132130,結果未發表)。雖然動物試驗顯示這種方法能夠恢復聽力,但在人體內耳中是否有效尚未明確。此外,Pragma Therapeutics在噪聲性聽力損失(NIHL)動物模型中發現GRM7的調節劑能夠改善ARHL的聽力,但目前還在進行臨床前試驗,尚未應用到ARHL的前瞻性隊列研究中[12]。

考慮到藥物治療ARHL的局限性,以及ARHL影響認知功能的現實依據,近年來較多學者開展了助聽干預對ARHL認知功能下降影響的研究。一些研究發現,使用助聽器干預能夠預防或降低ARHL相關認知能力下降的速度(Mamo等,2017;Maharani等,2018),但需要進一步研究將其作為預防策略。另外,有研究發現,重度-極重度的ARHL患者植入人工耳蝸后認知能力明顯提高[24]。雖然助聽干預后整體認知能力的改善主要表現在即時和延遲記憶領域、工作記憶、處理速度和持續注意力,以及認知靈活性、注意力、配對關聯學習和簡單反應時間任務方面,但截至目前還幾乎沒有非常有力的證據能表明長期使用助聽器或人工耳蝸植入后聽覺相關中樞神經元會發生變化。另外,助聽干預對認知功能的改善情況是否受聽覺剝奪的年限、認知能力下降程度和癡呆分期等因素的影響,也無定論。這些臨床問題都亟待深入研究,以期為ARHL相關認知功能下降的干預提供重要的理論依據,進而制定有效的防治策略。

5 ARHL防治任重道遠

目前ARHL的確切病理機制尚不清楚,因此在藥物研發方面仍缺乏精準的生物靶點,這也是目前ARHL藥物治療面臨的最大挑戰。研發可以預防或改善輕至中度ARHL的藥物或許是目前更具現實前景的一個方向。雖然幾項針對成人聽力損失的藥物治療臨床預試驗和前瞻性隊列研究仍在進行中,并顯示出一些有效性,但仍需要更多的研究數據給予支持。此外,干細胞植入或基因靶向治療,已經在動物研究中得到驗證,但在人體內耳組織中,如何克服與內耳給藥相關的解剖方面的生理屏障仍是目前治療的最大瓶頸[25]。

隨著人口老齡化速度的加快,聽力損失和認知能力下降對幸福感和健康的影響也越來越受到社會關注。通過確定聽力損失和認知能力下降之間潛在的介導因素及發病機制,可以確定早期干預的潛在途徑,以緩解與ARHL相關的認知能力下降及老年癡呆的發生(Loughrey等,2008)。未來對ARHL產生的神經效應以及皮層重組和認知能力下降之間的因果關系的深入研究,將對ARHL相關健康問題干預策略的制定具有非常重要的意義。

或許可以通過WES和WGS捕獲所有可能存在的變異,以闡明ARHL的遺傳易感性?？赏ㄟ^GWAS和家族測序研究鑒定出更多的ARHL相關基因或等位基因,并進行縱向表型研究。此外,通過基因編輯技術(如CRISPR/Cas9)揭示基因改變后ARHL耳蝸的病理變化,或許可以為ARHL防治發揮關鍵作用。

總之,目前雖然鑒定了一些與ARHL易感性相關的候選基因,但對ARHL相關遺傳學和病理機制的理解仍非常有限,并存在諸多挑戰。盡管WGS正逐步用于ARHL的基因篩選,但缺乏足夠的研究資金來進行強有力的表型研究,這是ARHL研究進一步進展的主要障礙。未來,ARHL防治仍然任重道遠。