老年性聾發病機制研究進展

王松 韓賀舟 馬秀嵐

老年性聾又稱年齡相關性聽力損失(age-related hearing loss,ARHL),主要表現為隱匿性、緩慢進行性雙側感音神經性聽力下降,可引起老年患者的交流障礙、認知改變、脫離社會等不良影響。隨著研究的進展,人們認為離子通道異常、耳蝸突觸病變、活性氧自由基、線粒體異常、激素作用、遺傳因素等因素導致了老年性聾的發生,本文對這些發病機制進行總結,希望對老年性聾的預防、早期發現和早期治療的研究提供參考。

1 離子通道異常

細胞內及細胞間離子的正常轉運是毛細胞發育、維持細胞器功能和保持蝸內電位(endocochlear potential,EP)所必需的,各種離子通道出現異常而導致耳蝸傳音感音系統發生功能障礙,是造成老年性聾的機制之一。

1.1Na+_K+_2Cl-協同轉運蛋白 Na+_K+_2Cl-(NKCC)協同轉運蛋白在人體中存在NKCC1和NKCC2兩種亞型[1],耳蝸中的血管紋是一種產生富含K+的內淋巴液的雙層上皮,NKCC1在血管紋中高度表達,參與調節耳蝸中階內淋巴液的K+濃度進而維持蝸內電位的穩定[1,2]。Mutai等[3]曾觀察到在人體中NKCC1相關基因的改變使得外淋巴液中的K+無法循環至血管紋,內淋巴體積減小,前庭階與中階間的前庭膜塌陷,毛細胞受損,導致嚴重的聽力下降。有研究報道在衰老小鼠模型中,NKCC1的表達有所減少,聽力有所下降[4],進一步驗證了NKCC1與ARHL的關系。針對這一改變,已有研究證實應用醛固酮可維持NKCC1蛋白結構的穩定,可能是未來治療ARHL的方向之一[4]。

1.2Na+_K+_ATP酶 Na+_K+_ATP酶在結構上由三種亞單位組成,分別是α、β和FXYD,目前已發現4種α亞型、3種β亞型和7種FXYD亞型[5]。既往認為耳蝸血管紋中有α1、β1和β2三種亞型表達[6],α1-β1間的結合廣泛存在,通過將血管紋中K+逆濃度和電壓泵入內淋巴中,保證了內淋巴液高K+低Na+的穩態和蝸內電位的穩定[7],以確保聲信號的傳導。研究表明,Na+_K+_ATP酶的表達會隨著年齡的增長而減少。Ding等[6]在CBA/CaJ小鼠耳蝸中觀察到,所有的Na+_K+_ATP酶亞單位在蛋白和基因兩方面的表達均隨年齡增加而減少;同時衰老小鼠中β1亞單位的二硫鍵被破壞,削弱了α1-β1之間的化學鍵,影響了α1-β1亞單位的正確組裝,可能是導致ARHL的原因之一。最近的研究發現,α2亞型在耳蝸中也有廣泛分布,其mRNA和蛋白表達隨年齡增長而下調,導致低效率的K+循環進而影響其轉運,造成內耳結構的損害和聽力損失[8]。α2-Na+_K+_ATP酶可能是預防ARHL的潛在靶點。

1.3鉀離子通道 在人體中,鉀離子通道根據其不同的功能和結構分為四型:電壓門控鉀離子通道(Kv)、內向整流鉀離子通道(Kir)、雙孔鉀離子通道(K2P)和配體門控鉀離子通道(Kligand)。KCNQ是一個編碼五種Kv7通道的基因家族,KCNQ4參與從外毛細胞排出K+的主要通道,保證K+循環[1,9]。毛細胞中Kv7.4的表達受損是造成聽力損失的主要因素,在KCNQ4基因敲除的小鼠模型中,Carignano[9]發現外毛細胞數量在模型小鼠年輕時即有減少,年老時幾乎全部消失,內毛細胞和螺旋神經細胞數量也逐漸減少;隨著年齡的增長,細胞的丟失從耳蝸底部發展至頂端,由于耳蝸底部的基底膜振動主要感知高頻聲,因此這一發現也與ARHL患者高頻聽力首先受累的表現相符。Jung等[10]通過對293例人類胚胎的電生理評估,也發現KCNQ4基因突變可能與遲發性聽力損失有一定的聯系。

2 耳蝸突觸病變

傳統觀點認為聽力損失與毛細胞的破壞有關。然而,Parthasarathy等[11]在CBA/CaJ小鼠模型中發現內毛細胞與聽神經纖維間突觸數量隨著年齡增加而減少,這種變化出現在毛細胞損失之前,人體尸體解剖也發現類似結果[12],因此提出聽力損失的發生可能通過耳蝸突觸病變(cochlear synaptopathy,CS)這一機制造成。帶狀突觸是內毛細胞和螺旋神經節細胞間的重要結構,是聽覺傳導通路中第一個興奮傳入突觸。在耳蝸突觸病變這個過程中,突觸數量減少,但并未發現毛細胞數量的改變[11],考慮這一機制在老年性聾的發生發展中起到了重要作用[13]。

在老年性聾的早期,耳蝸帶狀突觸是主要的損傷部位[14]。通過對人類顳骨的觀察發現,隨著年齡的增長盡管毛細胞的數量維持正常,但螺旋神經節細胞的數量在逐漸減少[13],導致帶狀突觸減少。耳蝸突觸的減少可由噪聲暴露導致[15],有人提出年齡相關的耳蝸突觸病變是由于以往的噪聲暴露造成的[16],而不是機體老化的結果。然而,在移除鼓膜的個體中,也出現了突觸數量隨年齡增加而減少的現象[17],Johannesen等[18]研究也說明年齡是耳蝸突觸病變的因素之一,這表明噪聲暴露不是耳蝸突觸病變的必要條件,ARHL患者出現耳蝸突觸病變可能是機體老化和噪聲暴露共同作用的結果。

帶狀突觸前膜含有大量谷氨酸鹽神經遞質,谷氨酸鹽是人體中樞神經系統中的一種興奮性神經遞質,其神經毒性在耳蝸突觸病變中也發揮一定作用。很多ARHL患者既往都有噪聲暴露過多或微循環障礙,噪聲造成的谷氨酸鹽過多釋放或缺血造成的谷氨酸鹽攝取障礙會導致突觸后膜去極化延長,致使大量離子涌入突觸后神經元,由此產生的滲透不平衡導致突觸后成分中的水分大量增加,導致急性腫脹和隨后的細胞死亡,最終導致螺旋神經節細胞的損失[19]。內毛細胞中維持突觸囊泡循環的神經遞質轉運系統很大程度上依賴于線粒體產生的ATP,在D-半乳糖誘導的衰老小鼠耳蝸中檢測到線粒體DNA氧化損傷增加和ATP生成減少。因此,年齡相關的帶狀突觸損傷可能由線粒體氧化損傷和隨之而來的其他功能障礙所引起[14]。

3 活性氧自由基

線粒體的有氧代謝產生了大量的ATP,隨之而來也產生了大量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),ROS產生和清除之間的不平衡會導致氧化應激[20],ROS引起的氧化損傷已成為許多疾病的研究熱點。在D-半乳糖誘導的ARHL小鼠模型中,線粒體超氧化物的水平增高,線粒體DNA突變增多,ATP水平和線粒體膜電位顯著下降,而抑制氧化應激可以緩解聽力損失的程度[21],表明ROS也可能是老年性聾發生的機制之一。

在耳蝸血管紋中,ROS會破壞一些重要的細胞成分,如核DNA、線粒體DNA、細胞膜和蛋白質等。隨著年齡增長,ROS的產生逐漸增多,所造成的破壞逐漸積累,導致組織結構改變和功能障礙,聽覺系統不同部位遭到損傷后將影響聽力[22]。動物模型中氧化應激導致線粒體功能障礙,增加了線粒體外膜通透性,膜電位降低,線粒體釋放凋亡誘導因子和細胞色素c進入胞漿,激活caspase-3并誘導凋亡,造成帶狀突觸和毛細胞的丟失和變性[23]。研究表明,缺乏抗氧化基因的小鼠模型會表現出更加嚴重的ARHL[24,25]。

還有許多研究證明了ROS在ARHL發生中的作用。核因子E2相關因子2(NF-E2-related factor 2,Nrf2)是細胞應對氧化應激過程中的關鍵轉錄因子,能夠保持氧化與抗氧化間的穩態,同時通過調節細胞保護酶來抵御ROS所帶來的損傷,聽覺皮層中隨年齡增長降低的Nrf2通路活性以及相關mtDNA的損傷是老年性聾聽覺皮層老化的主要機制之一[26]。Cav1.3是一種電壓門控Ca2+通道,介導Ca2+內流,細胞內Ca2+會削弱ROS帶來的影響,Cav1.3數量隨年齡增長而減少,Cav1.3敲除會導致細胞內ROS的滅活減少,促使細胞衰老和凋亡[27]。異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)是有氧代謝的重要元素,促進了NADPH和NADH的產生,這兩種分子由于其抗氧化的性質對減少細胞的氧化應激起到了重要作用。在衰老小鼠中IDH表達有所減少,IDH2基因敲除的小鼠表現出NADPH產生減少,內耳中氧化應激負擔加重,導致毛細胞和螺旋神經節細胞減少,促進ARHL的發生[28]。

在人體和動物試驗中均發現抗氧化劑會延緩ARHL的進展[24],因此,控制ROS所造成的氧化應激可能是未來治療老年性聾的主要方向之一。

4 線粒體DNA突變

線粒體負責重要的細胞功能,包括能量產生、細胞凋亡、細胞信號傳導和鈣儲存,線粒體DNA(mtDNA)控制區的變異與不同疾病相關,包括癌癥、亨廷頓病和β-地中海貧血[29],諸多研究表明mtDNA突變和ARHL的發生發展有關。

線粒體4 977 bp缺失在衰老組織中易被發現[30,31],包括在老年性聾患者的顳骨中,該缺失包含5個tRNA基因和7個多肽基因,其中2個編碼ATP酶6和8[32],最近的研究也表明耳蝸線粒體4 977 bp缺失會阻礙線粒體氧化磷酸化,與ARHL的發生有著密切關聯[33]。在ARHL小鼠模型中發現mtDNA的3 860 bp缺失顯著增加[23,32],這與人體mtDNA的4 977 bp缺失產生的效果非常接近。除了基因片段大量缺失外,線粒體基因組中的點突變已被確定為老年性聾的重要因素。Falah等[29]發現,納入試驗的58例ARHL患者的mtDNA中16 223 C>T、16 311 T>C、16 249 T>C和15 954 A>C四個位點的突變頻率與對照組相比顯著提高。這些變異位于mtDNA控制元件mt5、mt3L、7S DNA、終止相關序列(termination-associated sequence,TAS)和線粒體單鏈DNA結合蛋白(mitochondrial single strand DNA binding,mtSSB)的結合位點附近,改變mtDNA中的功能性蛋白質結合位點,影響mtDNA的基因表達水平。

既往研究證實了過量ROS和氧化應激在老年性聾發展中的作用。隨著年齡的增長,人體清除ROS的效率減低,導致氧化應激,同時造成mtDNA突變、呼吸鏈功能障礙、線粒體中ROS生成增加以及進一步突變,這一惡性循環導致細胞功能逐漸下降[32]。mtDNA變異可以改變線粒體電子傳遞鏈的功能,加強氧化應激,增加ROS的生成,從而誘導線粒體固有的凋亡途徑[29]。

針對mtDNA的變異需要進一步研究,以探索預防、延緩或治療相關疾病的新方法,同時,對于線粒體的研究或許可使其成為識別ARHL發病風險的重要生物標志物。

5 激素

多年來,人們發現男性中ARHL的發生率更高且病情更加嚴重[34],最近的研究發現,ARHL發病率、嚴重程度和發病年齡的性別差異仍然占主導地位[35],讓人們聯想到性別差異對聽力的影響。在對大量育齡期女性、絕經后女性和雌激素替代治療患者的觀察中,發現雌激素水平越高,聽力越好[36]。不同的研究結果相繼表明,接受雌激素治療的女性受試者ABR閾值水平較低、潛伏期較短,意味著更好的聽力水平[36,37]。

關于雌激素如何保持聽覺功能,一種常見的解釋認為雌激素是一種重要的神經營養成分,它可以協助調節神經元存活,但會在衰老過程中丟失[37]。雌激素可能對耳蝸中的胰島素樣生長因子-1受體(insulin-like growth factor 1 receptor,IGF-1R)表達產生有益影響,因為雌激素處理的血管紋細胞在72 h內顯示出IGF-1R水平的上升趨勢。換言之,雌激素和IGF-1R可能在老化的耳蝸中具有共同依賴關系,在雌激素處理的血管紋細胞中觀察到高的IGF-1R表達水平可以保護耳蝸感覺細胞免受變性。IGF-1R通過PI3K/AKT通路抑制促凋亡基因的DNA轉錄,耳蝸細胞將延緩凋亡,ARHL的癥狀也將延遲,然而目前仍需要更多的研究來確認IGF-1R激活哪些相關的細胞信號基因來刺激PI3K/AKT通路以減少細胞凋亡[37]。

雌激素受體(estrogen receptor,ER)亞型ERα和ERβ在內耳的血管紋、耳蝸血管和I型螺旋神經節細胞等區域有所分布。有學者認為雌激素受體對促進感覺細胞存活的復雜細胞信號通路起到門控作用,例如在雌激素的作用下,ERα在大腦中與磷酸肌醇3(PI3)激酶的p85亞單位相互作用,以激活PI3K/AKT神經保護信號通路[38]。

6 遺傳因素

ARHL是一種多因素導致的復雜疾病,遺傳因素起著至關重要的作用,35%～55%的老年性聾由遺傳因素導致[39]。隨著基因治療在各種類型的動物實驗和人體實驗中取得成功,內耳遺傳缺陷的深入研究顯得十分重要[40]。

粘脂蛋白是一種瞬時受體電位(ransient receptor potential,TRP)陽離子通道,存在于溶酶體中,哺乳動物中的三種粘脂蛋白分別由Trpml1、2、3基因編碼。研究表明缺乏粘脂蛋白1和3的小鼠ARHL進展加快,毛細胞中粘脂蛋白1和3同時缺乏會導致外毛細胞溶酶體增大、通透性增加,外毛細胞發生退化而導致ARHL的發生,Trpml1和Trpml3基因可能與ARHL的發生發展有關[41]。編碼連接蛋白26(connexin26,Cx26)的基因突變是感音神經性聽力損失的常見原因,Fetoni等[24]分析Gjb2+/-小鼠作為人類35delG雜合子攜帶者的模型,發現與對照組小鼠相比,Gjb2+/-小鼠的ABR和DPOAE隨著時間的推移惡化得更快,表明GJB2基因對老年性聾的影響。谷胱甘肽S-轉移酶(glurathione S-transferases,GSTs)和細胞色素P450(cytochromes P450,CYPs)等抗氧化酶參與細胞毒性化合物的代謝、解毒以及ROS的清除,這些酶的改變可能成為ARHL發展的風險因素。CYP1A1的rs4646903和rs1048943單核苷酸多態性以及GSTM1和GSTT1缺失被認為是ARHL的遺傳風險因素,研究發現GSTM1+/GSTT1-基因型也增加了ARHL的易感性,rs1048943的單核苷酸多態性影響了CYP1A1的RNA結構[42]。在針對SLC26A4的CpG位點的甲基化檢測中發現,ARHL患者一個CpG位點(CpG3)的甲基化水平顯著升高;此外,與對照組相比,ARHL患者外周血中SLC26A4的轉錄水平顯著降低,SLC26A4的CpG位點甲基化水平具有重要意義,從而為ARHL的診斷提供了一個潛在的標志物[43]。

最近的研究也陸續發現了DCLK1、SLC28A3、CEP104、PCDH20、SLC44A2、STRN和SIK3等基因與ARHL有一定的相關性[44],關于ARHL候選基因的研究還有待進一步深入,探索出特異性基因,以期對老年性聾的預測和診斷提供佐證。

7 小結

隨著研究的深入,越來越多有關老年性聾發病機制的學說被提出,這些機制可以疊加作用,也可以相互影響。對既往研究總結發現,過量活性氧自由基的蓄積所導致的氧化應激會與線粒體DNA的突變形成惡性循環,二者共同導致線粒體的功能障礙,后者會進一步加重耳蝸突觸病變的程度,線粒體異?？赡苁抢夏晷悦@的重要發病機制?；蛲蛔冇绊懼鴻C體內離子的正常轉運、氧化應激等多個環節,可能貫穿于老年性聾發生發展的各個過程,這也是人們努力探索干細胞和基因治療的重要原因。

老年性聾的發病機制復雜,受遺傳、環境、社會和醫學等因素的影響。隨著人口老齡化,其發病率將繼續增加,但人們對于ARHL的重視程度仍然不夠,因此應加強ARHL相關的健康教育和宣傳,同時應致力于人類ARHL的早期檢測、預防和管理。