噪聲性聾機(jī)制及潛在分子治療的研究現(xiàn)狀*

范貝 陸菲 查定軍

噪聲性聾(Noise induced hearing loss, NIHL)又稱噪聲性聽力損傷，是由于暴露于噪聲環(huán)境中，導(dǎo)致耳蝸毛細(xì)胞損傷為典型性病理改變的一種進(jìn)行性感音神經(jīng)性聾。成年哺乳動物耳蝸毛細(xì)胞損傷后不能再生，是導(dǎo)致永久性聽力損傷的主要原因。世界上約5%的人口遭受噪聲導(dǎo)致的聽力損傷，噪聲性聾是世界工業(yè)化國家的一個主要職業(yè)風(fēng)險，影響工人的交流，嚴(yán)重者會造成神經(jīng)、內(nèi)分泌和消化系統(tǒng)等功能受損，導(dǎo)致社會生產(chǎn)力下降[1]。如何激活內(nèi)耳相關(guān)信號通路介導(dǎo)內(nèi)耳基因治療和干細(xì)胞治療以促進(jìn)毛細(xì)胞再生，達(dá)到聽功能和前庭功能的恢復(fù)成為近年來研究熱點(diǎn)。本文圍繞氧化應(yīng)激、免疫炎癥、鈣離子失衡和易感基因?qū)IHL致病機(jī)制進(jìn)行綜述，并回顧NIHL的基因治療和干細(xì)胞治療研究現(xiàn)狀。

1 NIHL損傷機(jī)制的研究

1.1氧化應(yīng)激損傷 噪聲刺激下可使耳蝸內(nèi)自由基表達(dá)過量，生成脂質(zhì)過氧化物導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。自由基產(chǎn)生主要在外毛細(xì)胞和血管紋，其次是螺旋神經(jīng)節(jié)和支持細(xì)胞，自由基的產(chǎn)生是一個持續(xù)動態(tài)的過程，持續(xù)時間可長達(dá)7～10天，損傷最嚴(yán)重的部位自由基含量最高，由耳蝸基底膜底端向頂端擴(kuò)散[2]。這種自由基在耳蝸組織內(nèi)存在時間長可能與毛細(xì)胞長期慢性損傷存在關(guān)聯(lián)，也為噪聲暴露的干預(yù)和聽力損失程度的控制提供一種可能[3]。耳蝸內(nèi)產(chǎn)生的氧自由基主要來源于線粒體電子傳遞鏈，線粒體可加速有氧代謝，使超氧化物和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加。噪聲刺激引起迷路血管收縮，造成組織缺血、缺氧，影響局部組織有氧代謝，產(chǎn)生大量的活性氧和活性氮。強(qiáng)噪聲刺激后外毛細(xì)胞的擺動性對能量需求高，導(dǎo)致過氧化物的蓄積，產(chǎn)生大量的自由基，誘發(fā)細(xì)胞凋亡和壞死，最終導(dǎo)致聽力損傷[4]。通過提高氧化還原激活轉(zhuǎn)錄因子，如：缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-α)、核轉(zhuǎn)錄因子(Nrf-2)和抗氧化酶Prdx6的表達(dá)，能夠改善氧化應(yīng)激介導(dǎo)的聽覺細(xì)胞損傷[5]。

1.2內(nèi)耳免疫炎癥 耳蝸內(nèi)的免疫系統(tǒng)包括免疫細(xì)胞，如：巨噬細(xì)胞，還包括耳蝸支持細(xì)胞和外側(cè)壁纖維細(xì)胞等非免疫細(xì)胞。巨噬細(xì)胞是耳蝸內(nèi)主要的天然免疫細(xì)胞，是耳蝸損傷后炎癥和組織修復(fù)反應(yīng)的重要驅(qū)動因素。在穩(wěn)態(tài)條件下，耳蝸巨噬細(xì)胞分布于多個耳蝸區(qū)域，包括螺旋韌帶、螺旋神經(jīng)節(jié)區(qū)、基底膜和血管紋等，且巨噬細(xì)胞形態(tài)具有差異，免疫蛋白表達(dá)模式不同，表明巨噬細(xì)胞在維持耳蝸功能的多樣化[6]。高強(qiáng)度噪聲刺激導(dǎo)致耳蝸白細(xì)胞顯著增加，單核細(xì)胞進(jìn)入耳蝸，分化為成熟的巨噬細(xì)胞，特別是在螺旋韌帶和螺旋緣處；噪聲暴露后耳蝸巨噬細(xì)胞的分布、表型和數(shù)量均有明顯改變[7,8]。巨噬細(xì)胞能夠吞噬和分泌粘性分子，激發(fā)免疫反應(yīng)。Toll樣受體4(Toll-like recept 4，TLR-4)是一種激活先天免疫系統(tǒng)的細(xì)胞受體，能夠識別損傷相關(guān)的分子，在受損組織上表達(dá)，有助于啟動免疫反應(yīng)。噪聲刺激后TLR-4在耳蝸感覺上皮組織表達(dá)提高，TLR-4敲除小鼠相對于對照組小鼠有較強(qiáng)的抗噪聲能力，TLR-4缺陷可抑制Corti器中IL-1β的產(chǎn)生，減少噪聲刺激后感覺細(xì)胞損傷和耳蝸功能障礙[9]。噪聲刺激后，耳蝸炎癥反應(yīng)急性期巨噬細(xì)胞產(chǎn)生多種炎性因子和趨化因子，調(diào)節(jié)耳蝸炎性細(xì)胞功能可能成為一種有效的噪聲性損傷的防治方法[10]。Zhang等[11]在噪聲暴露后3天檢測，發(fā)現(xiàn)TLR-4、腫瘤壞死因子(TNF-α)和白細(xì)胞介素1β(IL-1β)在螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和螺旋韌帶纖維細(xì)胞表達(dá)提高，TLR-4/NF-κB信號通路參與噪聲損傷致耳蝸炎癥，表明有效的調(diào)控免疫炎癥反應(yīng)會減少噪聲致耳蝸損傷。

1.3Ca2+平衡失調(diào) 噪聲損傷致使內(nèi)耳淋巴液發(fā)生異常振動，細(xì)胞膜受體電位控制的Ca2+通道異常開放，Ca2+內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)鈣水平升高，Ca2+平衡失調(diào)，出現(xiàn)鈣超載現(xiàn)象，導(dǎo)致毛細(xì)胞損傷；噪聲刺激后Ca2+升高激活內(nèi)毛細(xì)胞突觸末端谷氨酸受體，引起神經(jīng)末梢興奮性毒性和腫脹[12]。鈣離子通道阻滯劑和細(xì)胞內(nèi)鈣離子螯合劑抑制噪聲引起的聽覺損傷[13]。噪聲損傷后激活耳蝸毛細(xì)胞內(nèi)鈣蛋白酶和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶參與細(xì)胞色素C釋放和毛細(xì)胞退化，導(dǎo)致聽覺系統(tǒng)受損[14]。動物實(shí)驗(yàn)顯示，對豚鼠耳蝸鼓階灌注鈣蛋白酶抑制劑具有聽力保護(hù)效應(yīng)，為NIHL提供了潛在的靶向藥物治療[15]。

1.4基因易感性 目前人類定位的耳聾基因多于200個，與NIHL相關(guān)的易感基因很多，主要集中在氧化應(yīng)激類基因、單基因耳聾基因、熱休克蛋白基因等，通過動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究基因易感性，對預(yù)防和治療NIHL有很好的指導(dǎo)意義[16]。Shen等[17]調(diào)查中國工人中NIHL患者和聽力正常人群，發(fā)現(xiàn)患者血漿中谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)活性低于聽力正常工人，GSTM1多態(tài)性與NIHL易感性有關(guān)。Loukzadeh等[18]對伊朗160名男性工人研究表明GSTT1和GSTM1的遺傳變異性對NIHL的易感性沒有影響。GST的遺傳變異對NIHL易感性的研究結(jié)果存在差異，需要前瞻性研究和其他包括GST多態(tài)性對基因表達(dá)的影響等研究來進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果。錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)是一種作用于線粒體內(nèi)的抗氧化酶，它能將有毒的超氧化物轉(zhuǎn)化為過氧化氫，噪聲暴露后Mn-SOD基因敲除小鼠比野生型小鼠聽力損傷和毛細(xì)胞損傷嚴(yán)重，進(jìn)而表明Mn-SOD在保護(hù)耳蝸免受噪聲損傷方面起著重要的作用[19]。已有研究證明原鈣粘蛋白15(PCDH15)、肌球蛋白(MYH14)和鈣粘蛋白23(CDH23)基因與NIHL的相關(guān)性[20]。PCDH15屬于鈣粘蛋白超家族成員，定位于內(nèi)耳毛細(xì)胞的立體纖毛，基因突變會導(dǎo)致聽力損傷和耳鳴，Xu等[21]發(fā)現(xiàn)PCDH15基因rs11004085位點(diǎn)基因變異是NIHL的危險因素。粒狀頭樣2(Grhl2)基因?qū)е鲁Ｈ旧w顯性感音神經(jīng)性聽力損失，其編碼蛋白在耳蝸管內(nèi)上皮細(xì)胞高表達(dá)，調(diào)控內(nèi)耳上皮細(xì)胞的發(fā)育，對維持聽力和前庭功能至關(guān)重要，楊秋月等[22]對噪聲環(huán)境工作人員Grhl2基因的多態(tài)性分析發(fā)現(xiàn)3'-UTR區(qū)的rs3735715位點(diǎn)提高患NIHL風(fēng)險。熱休克蛋白(HSP)是一組保守蛋白，參與細(xì)胞內(nèi)其它蛋白的合成、折疊、組裝和運(yùn)輸。HSP70-1、HSP70-2和HSP70基因參與人類HSP的合成，這些基因的突變與NIHL易感性有關(guān)[23]。Lei等[24]研究HSP70基因發(fā)現(xiàn)rs2763979位點(diǎn)攜帶者對NIHL具有更高易感性。電壓門控鉀通道KCNQ4是鉀離子代謝基因，也是NIHL的一個易感基因，Guo等[25]對中國571例NIHL患者和639例聽力正常人員進(jìn)行遺傳關(guān)聯(lián)研究，結(jié)果提示KCNQ4的rs4660468CT/TT基因型和TT基因型可能是NIHL的危險因素。

2 NIHL潛在的分子治療

哺乳動物耳蝸毛細(xì)胞損傷后不能再生，是導(dǎo)致永久性聽力喪失的主要原因。近年來發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)控內(nèi)耳相關(guān)信號分子，誘導(dǎo)內(nèi)耳受損的毛細(xì)胞、支持細(xì)胞及干細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)毛細(xì)胞再生[26]。從分子水平上利用基因治療、干細(xì)胞治療被認(rèn)為是未來恢復(fù)毛細(xì)胞功能的一種干預(yù)手段，這些技術(shù)的進(jìn)步將為聽力學(xué)研究帶來新的曙光[27]。

2.1基因治療 基因治療指通過細(xì)胞特異性啟動子將基因轉(zhuǎn)入特定的細(xì)胞，在一段時間內(nèi)產(chǎn)生效應(yīng)蛋白。內(nèi)耳Corti器中細(xì)胞病變是許多聽覺疾病的主要原因，內(nèi)耳位于淋巴管周圍和內(nèi)淋巴流體空間的存在使載體易于擴(kuò)散，是基因治療的一個有吸引力的靶點(diǎn)[28]。研究表明使用病毒載體將抗凋亡的Bcl-2基因轉(zhuǎn)入慶大霉素預(yù)處理的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)能夠保護(hù)毛細(xì)胞形態(tài)和聽力[29]。Atoh1基因在感覺毛細(xì)胞有絲分裂后分化過程起重要作用，Liu等[30]通過異位表達(dá)Atoh1，實(shí)現(xiàn)了兩種支持細(xì)胞亞型成功轉(zhuǎn)化為表達(dá)11種毛細(xì)胞特異性標(biāo)志物的未成熟毛細(xì)胞;其進(jìn)一步類似研究同樣證明了兩種類型的支持細(xì)胞，內(nèi)耳邊緣細(xì)胞和指骨細(xì)胞向未成熟的內(nèi)耳毛細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，新的細(xì)胞表現(xiàn)出內(nèi)耳毛細(xì)胞的特征，如：直線形的立體纖毛束、Fgf8和otoferlin的表達(dá)，以及比外毛細(xì)胞更大的外向電流[31]。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在噪聲性聾小鼠模型中，通過將p27Kip1缺失與異位Atoh1過表達(dá)相結(jié)合，證明了未成熟的毛細(xì)胞在成年小鼠體內(nèi)仍然存活，為毛細(xì)胞的再生提供了一個潛在的途徑[32]。

病毒載體介導(dǎo)基因直接傳遞到耳蝸是另一個正在積極開展的研究領(lǐng)域，腺病毒是較為常用、相對安全的載體。Kawamoto等[33]研究用腺病毒載體將Math1基因轉(zhuǎn)入豚鼠的內(nèi)淋巴使Math1蛋白表達(dá)升高，導(dǎo)致Corti器中未成熟的毛細(xì)胞的產(chǎn)生。Mizutari 等[34]研究Math1基因的驅(qū)動使柱狀細(xì)胞再生毛細(xì)胞方面的潛力得到了支持，其團(tuán)隊(duì)研究了Notch通路的作用，通過抑制Notch激活誘導(dǎo)支持細(xì)胞轉(zhuǎn)化為毛細(xì)胞。NRF2是基因治療的另一個靶向分子，是介導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)的轉(zhuǎn)錄激活因子，通過誘導(dǎo)抗氧化酶和蛋白酶表達(dá)上調(diào)來對抗氧化應(yīng)激。噪聲暴露后NRF2基因敲除鼠比野生型小鼠表現(xiàn)更高的聽力閾移，利用NRF2增強(qiáng)子能夠保護(hù)噪聲暴露后毛細(xì)胞的完整性和降低氧化應(yīng)激[35]。GJB2、MsrB3和VGLUT3基因缺陷小鼠模型中，靶向基因編輯導(dǎo)致了聽力損失的相對恢復(fù)，其在NIHL的應(yīng)用有望得到進(jìn)一步的證實(shí)[36]。利用基因治療誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子的過度表達(dá)，已經(jīng)證明對毛細(xì)胞和聽力有保護(hù)作用[37]。利用腺病毒轉(zhuǎn)染膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)和神經(jīng)營養(yǎng)因子3(NT-3)在動物體外和體內(nèi)的研究，發(fā)現(xiàn)對突觸數(shù)量恢復(fù)和聽力損傷具有保護(hù)作用[38]。

2.2干細(xì)胞治療 近年來，干細(xì)胞的高分化能力和低免疫原性為疾病治療提供了應(yīng)用潛力，使干細(xì)胞治療成為受歡迎的前沿醫(yī)學(xué)研究。干細(xì)胞治療作為NIHL的一種潛在的治療方法，通過補(bǔ)充受損的感覺毛細(xì)胞和恢復(fù)聽覺結(jié)構(gòu)來減少聽力損傷。Li等[39]發(fā)現(xiàn)成年小鼠內(nèi)耳中存在具有分化潛能的干細(xì)胞，這為內(nèi)源性干細(xì)胞治療毛細(xì)胞損傷提供了應(yīng)用的可能性。干細(xì)胞可分化新的毛細(xì)胞及神經(jīng)元細(xì)胞，為進(jìn)一步的干細(xì)胞移植取代內(nèi)耳受損的細(xì)胞提供了可能。胚胎干細(xì)胞經(jīng)體外誘導(dǎo)神經(jīng)源蛋白1 (neurog1)表達(dá)及BDNF、GDNF治療后，可分化為谷氨酸能神經(jīng)元[40]，且移植胚胎干細(xì)胞具有谷氨酸能表型，表達(dá)早期神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)記物。最新報道的3D培養(yǎng)系統(tǒng)對胚胎干細(xì)胞分化過程研究發(fā)現(xiàn)，加入Wnt激動劑調(diào)控Wnt信號通路能提高內(nèi)耳感覺細(xì)胞的分化[41]。Cho等[42]將神經(jīng)分化的間充質(zhì)干細(xì)胞移植到耳蝸，觀察到少量再生神經(jīng)元，聽覺功能輕度恢復(fù)。Fetoni等[43]研究噪聲暴露下將脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞移植入耳蝸組織，發(fā)現(xiàn)耳蝸組織內(nèi)生長因子表達(dá)提高且不加重聽力損傷。將誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的神經(jīng)元移植入耳蝸后，觀察到神經(jīng)元突起向毛細(xì)胞的投射，部分移植細(xì)胞表達(dá)谷氨酸神經(jīng)元標(biāo)記物、囊狀谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[44]。Chen等[45]成功誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化為毛細(xì)胞樣細(xì)胞，并通過基因編輯技術(shù)修復(fù)MYO15A基因突變所致的毛細(xì)胞樣細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的異常。通過內(nèi)源性干細(xì)胞激活和外源性干細(xì)胞移植兩種策略，研究者希望找到恢復(fù)NIHL的方法[46]。然而，在干細(xì)胞治療的體內(nèi)應(yīng)用中，需要考慮一些復(fù)雜的因素，如：干細(xì)胞類型的選擇、信號通路的調(diào)控、移植途徑、耳蝸內(nèi)環(huán)境、外部刺激等[47]。

3 小結(jié)及展望

NIHL預(yù)防和治療是基礎(chǔ)和臨床研究中面臨的關(guān)鍵問題，明確其致病機(jī)制和尋找新的分子治療方法是研究的熱點(diǎn)。內(nèi)耳氧化應(yīng)激、免疫炎癥、鈣離子失衡和易感基因是NIHL發(fā)生的主要致病機(jī)制，主要的分子治療方法包括Atoh1、NRF2、病毒載體介導(dǎo)的神經(jīng)營養(yǎng)因子基因療法和干細(xì)胞療法。因此，未來研究中，探尋新的分子治療靶點(diǎn)并精準(zhǔn)調(diào)控靶向基因，實(shí)現(xiàn)內(nèi)耳毛細(xì)胞損傷恢復(fù)和聽力保護(hù)，將促使NIHL的防治達(dá)到精準(zhǔn)個體化，是未來NIHL的研究方向。