老年性聾發(fā)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(guān)性聽力損失(age-related hearing loss,ARHL),主要表現(xiàn)為隱匿性、緩慢進行性雙側(cè)感音神經(jīng)性聽力下降,可引起老年患者的交流障礙、認(rèn)知改變、脫離社會等不良影響。隨著研究的進展,人們認(rèn)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(dǎo)致了老年性聾的發(fā)生,本文對這些發(fā)病機制進行總結(jié),希望對老年性聾的預(yù)防、早期發(fā)現(xiàn)和早期治療的研究提供參考。

1 離子通道異常

細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞間離子的正常轉(zhuǎn)運是毛細(xì)胞發(fā)育、維持細(xì)胞器功能和保持蝸內(nèi)電位(endocochlear potential,EP)所必需的,各種離子通道出現(xiàn)異常而導(dǎo)致耳蝸傳音感音系統(tǒng)發(fā)生功能障礙,是造成老年性聾的機制之一。

1.1Na+_K+_2Cl-協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白 Na+_K+_2Cl-(NKCC)協(xié)同轉(zhuǎn)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(chǎn)生富含K+的內(nèi)淋巴液的雙層上皮,NKCC1在血管紋中高度表達(dá),參與調(diào)節(jié)耳蝸中階內(nèi)淋巴液的K+濃度進而維持蝸內(nèi)電位的穩(wěn)定[1,2]。Mutai等[3]曾觀察到在人體中NKCC1相關(guān)基因的改變使得外淋巴液中的K+無法循環(huán)至血管紋,內(nèi)淋巴體積減小,前庭階與中階間的前庭膜塌陷,毛細(xì)胞受損,導(dǎo)致嚴(yán)重的聽力下降。有研究報道在衰老小鼠模型中,NKCC1的表達(dá)有所減少,聽力有所下降[4],進一步驗證了NKCC1與ARHL的關(guān)系。針對這一改變,已有研究證實應(yīng)用醛固酮可維持NKCC1蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)上由三種亞單位組成,分別是α、β和FXYD,目前已發(fā)現(xiàn)4種α亞型、3種β亞型和7種FXYD亞型[5]。既往認(rèn)為耳蝸血管紋中有α1、β1和β2三種亞型表達(dá)[6],α1-β1間的結(jié)合廣泛存在,通過將血管紋中K+逆濃度和電壓泵入內(nèi)淋巴中,保證了內(nèi)淋巴液高K+低Na+的穩(wěn)態(tài)和蝸內(nèi)電位的穩(wěn)定[7],以確保聲信號的傳導(dǎo)。研究表明,Na+_K+_ATP酶的表達(dá)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(dá)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(xué)鍵,影響了α1-β1亞單位的正確組裝,可能是導(dǎo)致ARHL的原因之一。最近的研究發(fā)現(xiàn),α2亞型在耳蝸中也有廣泛分布,其mRNA和蛋白表達(dá)隨年齡增長而下調(diào),導(dǎo)致低效率的K+循環(huán)進而影響其轉(zhuǎn)運,造成內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的損害和聽力損失[8]。α2-Na+_K+_ATP酶可能是預(yù)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(jù)其不同的功能和結(jié)構(gòu)分為四型:電壓門控鉀離子通道(Kv)、內(nèi)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(xì)胞排出K+的主要通道,保證K+循環(huán)[1,9]。毛細(xì)胞中Kv7.4的表達(dá)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(fā)現(xiàn)外毛細(xì)胞數(shù)量在模型小鼠年輕時即有減少,年老時幾乎全部消失,內(nèi)毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量也逐漸減少;隨著年齡的增長,細(xì)胞的丟失從耳蝸底部發(fā)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(fā)現(xiàn)也與ARHL患者高頻聽力首先受累的表現(xiàn)相符。Jung等[10]通過對293例人類胚胎的電生理評估,也發(fā)現(xiàn)KCNQ4基因突變可能與遲發(fā)性聽力損失有一定的聯(lián)系。

2 耳蝸突觸病變

傳統(tǒng)觀點認(rèn)為聽力損失與毛細(xì)胞的破壞有關(guān)。然而,Parthasarathy等[11]在CBA/CaJ小鼠模型中發(fā)現(xiàn)內(nèi)毛細(xì)胞與聽神經(jīng)纖維間突觸數(shù)量隨著年齡增加而減少,這種變化出現(xiàn)在毛細(xì)胞損失之前,人體尸體解剖也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果[12],因此提出聽力損失的發(fā)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(nèi)毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞間的重要結(jié)構(gòu),是聽覺傳導(dǎo)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(shù)量減少,但并未發(fā)現(xiàn)毛細(xì)胞數(shù)量的改變[11],考慮這一機制在老年性聾的發(fā)生發(fā)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(fā)現(xiàn),隨著年齡的增長盡管毛細(xì)胞的數(shù)量維持正常,但螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的數(shù)量在逐漸減少[13],導(dǎo)致帶狀突觸減少。耳蝸突觸的減少可由噪聲暴露導(dǎo)致[15],有人提出年齡相關(guān)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(jié)果。然而,在移除鼓膜的個體中,也出現(xiàn)了突觸數(shù)量隨年齡增加而減少的現(xiàn)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(xiàn)耳蝸突觸病變可能是機體老化和噪聲暴露共同作用的結(jié)果。

帶狀突觸前膜含有大量谷氨酸鹽神經(jīng)遞質(zhì),谷氨酸鹽是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一種興奮性神經(jīng)遞質(zhì),其神經(jīng)毒性在耳蝸突觸病變中也發(fā)揮一定作用。很多ARHL患者既往都有噪聲暴露過多或微循環(huán)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(dǎo)致突觸后膜去極化延長,致使大量離子涌入突觸后神經(jīng)元,由此產(chǎn)生的滲透不平衡導(dǎo)致突觸后成分中的水分大量增加,導(dǎo)致急性腫脹和隨后的細(xì)胞死亡,最終導(dǎo)致螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的損失[19]。內(nèi)毛細(xì)胞中維持突觸囊泡循環(huán)的神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)很大程度上依賴于線粒體產(chǎn)生的ATP,在D-半乳糖誘導(dǎo)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(guān)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(chǎn)生了大量的ATP,隨之而來也產(chǎn)生了大量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),ROS產(chǎn)生和清除之間的不平衡會導(dǎo)致氧化應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(fā)生的機制之一。

在耳蝸血管紋中,ROS會破壞一些重要的細(xì)胞成分,如核DNA、線粒體DNA、細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)等。隨著年齡增長,ROS的產(chǎn)生逐漸增多,所造成的破壞逐漸積累,導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)改變和功能障礙,聽覺系統(tǒng)不同部位遭到損傷后將影響聽力[22]。動物模型中氧化應(yīng)激導(dǎo)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(dǎo)因子和細(xì)胞色素c進入胞漿,激活caspase-3并誘導(dǎo)凋亡,造成帶狀突觸和毛細(xì)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(xiàn)出更加嚴(yán)重的ARHL[24,25]。

還有許多研究證明了ROS在ARHL發(fā)生中的作用。核因子E2相關(guān)因子2(NF-E2-related factor 2,Nrf2)是細(xì)胞應(yīng)對氧化應(yīng)激過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,能夠保持氧化與抗氧化間的穩(wěn)態(tài),同時通過調(diào)節(jié)細(xì)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(guān)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(dǎo)Ca2+內(nèi)流,細(xì)胞內(nèi)Ca2+會削弱ROS帶來的影響,Cav1.3數(shù)量隨年齡增長而減少,Cav1.3敲除會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS的滅活減少,促使細(xì)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(chǎn)生,這兩種分子由于其抗氧化的性質(zhì)對減少細(xì)胞的氧化應(yīng)激起到了重要作用。在衰老小鼠中IDH表達(dá)有所減少,IDH2基因敲除的小鼠表現(xiàn)出NADPH產(chǎn)生減少,內(nèi)耳中氧化應(yīng)激負(fù)擔(dān)加重,導(dǎo)致毛細(xì)胞和螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞減少,促進ARHL的發(fā)生[28]。

在人體和動物試驗中均發(fā)現(xiàn)抗氧化劑會延緩ARHL的進展[24],因此,控制ROS所造成的氧化應(yīng)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(fù)責(zé)重要的細(xì)胞功能,包括能量產(chǎn)生、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞信號傳導(dǎo)和鈣儲存,線粒體DNA(mtDNA)控制區(qū)的變異與不同疾病相關(guān),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(fā)生發(fā)展有關(guān)。

線粒體4 977 bp缺失在衰老組織中易被發(fā)現(xiàn)[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(fā)生有著密切關(guān)聯(lián)[33]。在ARHL小鼠模型中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn),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(guān)序列(termination-associated sequence,TAS)和線粒體單鏈DNA結(jié)合蛋白(mitochondrial single strand DNA binding,mtSSB)的結(jié)合位點附近,改變mtDNA中的功能性蛋白質(zhì)結(jié)合位點,影響mtDNA的基因表達(dá)水平。

既往研究證實了過量ROS和氧化應(yīng)激在老年性聾發(fā)展中的作用。隨著年齡的增長,人體清除ROS的效率減低,導(dǎo)致氧化應(yīng)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(huán)導(dǎo)致細(xì)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(yīng)激,增加ROS的生成,從而誘導(dǎo)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(yù)防、延緩或治療相關(guān)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(fā)病風(fēng)險的重要生物標(biāo)志物。

5 激素

多年來,人們發(fā)現(xiàn)男性中ARHL的發(fā)生率更高且病情更加嚴(yán)重[34],最近的研究發(fā)現(xiàn),ARHL發(fā)病率、嚴(yán)重程度和發(fā)病年齡的性別差異仍然占主導(dǎo)地位[35],讓人們聯(lián)想到性別差異對聽力的影響。在對大量育齡期女性、絕經(jīng)后女性和雌激素替代治療患者的觀察中,發(fā)現(xiàn)雌激素水平越高,聽力越好[36]。不同的研究結(jié)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(guān)于雌激素如何保持聽覺功能,一種常見的解釋認(rèn)為雌激素是一種重要的神經(jīng)營養(yǎng)成分,它可以協(xié)助調(diào)節(jié)神經(jīng)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(dá)產(chǎn)生有益影響,因為雌激素處理的血管紋細(xì)胞在72 h內(nèi)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(guān)系,在雌激素處理的血管紋細(xì)胞中觀察到高的IGF-1R表達(dá)水平可以保護耳蝸感覺細(xì)胞免受變性。IGF-1R通過PI3K/AKT通路抑制促凋亡基因的DNA轉(zhuǎn)錄,耳蝸細(xì)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(rèn)IGF-1R激活哪些相關(guān)的細(xì)胞信號基因來刺激PI3K/AKT通路以減少細(xì)胞凋亡[37]。

雌激素受體(estrogen receptor,ER)亞型ERα和ERβ在內(nèi)耳的血管紋、耳蝸血管和I型螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞等區(qū)域有所分布。有學(xué)者認(rèn)為雌激素受體對促進感覺細(xì)胞存活的復(fù)雜細(xì)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(jīng)保護信號通路[38]。

6 遺傳因素

ARHL是一種多因素導(dǎo)致的復(fù)雜疾病,遺傳因素起著至關(guān)重要的作用,35%～55%的老年性聾由遺傳因素導(dǎo)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(nèi)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(xì)胞中粘脂蛋白1和3同時缺乏會導(dǎo)致外毛細(xì)胞溶酶體增大、通透性增加,外毛細(xì)胞發(fā)生退化而導(dǎo)致ARHL的發(fā)生,Trpml1和Trpml3基因可能與ARHL的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[41]。編碼連接蛋白26(connexin26,Cx26)的基因突變是感音神經(jīng)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(fā)現(xiàn)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?qū)夏晷悦@的影響。谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(glurathione S-transferases,GSTs)和細(xì)胞色素P450(cytochromes P450,CYPs)等抗氧化酶參與細(xì)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(fā)展的風(fēng)險因素。CYP1A1的rs4646903和rs1048943單核苷酸多態(tài)性以及GSTM1和GSTT1缺失被認(rèn)為是ARHL的遺傳風(fēng)險因素,研究發(fā)現(xiàn)GSTM1+/GSTT1-基因型也增加了ARHL的易感性,rs1048943的單核苷酸多態(tài)性影響了CYP1A1的RNA結(jié)構(gòu)[42]。在針對SLC26A4的CpG位點的甲基化檢測中發(fā)現(xiàn),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(zhuǎn)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(biāo)志物[43]。

最近的研究也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了DCLK1、SLC28A3、CEP104、PCDH20、SLC44A2、STRN和SIK3等基因與ARHL有一定的相關(guān)性[44],關(guān)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(yù)測和診斷提供佐證。

7 小結(jié)

隨著研究的深入,越來越多有關(guān)老年性聾發(fā)病機制的學(xué)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(jié)發(fā)現(xiàn),過量活性氧自由基的蓄積所導(dǎo)致的氧化應(yīng)激會與線粒體DNA的突變形成惡性循環(huán),二者共同導(dǎo)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,線粒體異常可能是老年性聾的重要發(fā)病機制。基因突變影響著機體內(nèi)離子的正常轉(zhuǎn)運、氧化應(yīng)激等多個環(huán)節(jié),可能貫穿于老年性聾發(fā)生發(fā)展的各個過程,這也是人們努力探索干細(xì)胞和基因治療的重要原因。

老年性聾的發(fā)病機制復(fù)雜,受遺傳、環(huán)境、社會和醫(yī)學(xué)等因素的影響。隨著人口老齡化,其發(fā)病率將繼續(xù)增加,但人們對于ARHL的重視程度仍然不夠,因此應(yīng)加強ARHL相關(guān)的健康教育和宣傳,同時應(yīng)致力于人類ARHL的早期檢測、預(yù)防和管理。