噪声致隐性听力损失的发病机制研究进展*

闫秀明,石 科,郭 丹

(1.河南医学高等专科学校生物化学与医学遗传学教研室,郑州 451191;2.河南省聋病机制医学实验室,郑州 451191;3.河南中医药大学第二临床医学院,郑州 450046 )

耳聋是影响人类生活质量和导致终生残疾的重要原因。世界卫生组织最新发布全世界的听力损失者约有4.66亿人,超过总人数的5%,若无有效的干预措施,2030年将达到6.3亿,2050年至少有9亿人出现听力损失[1]。耳聋已造成了广泛的经济和社会负担,因此开展耳聋的相关研究对其预防和治疗具有深远的意义。听力损失一般是指听觉对声刺激的敏感度下降,即听觉阈值升高,这种变化可以通过纯音测听检测,可能是暂时性阈移(temporary threshold shift,TTS)或永久性阈移(permanent threshold shift,PTS)。其中TTS是听觉阈值一过性升高,随着自身的修复,可在数小时甚至数天内恢复到正常范围。TTS完全恢复后,不会引起听觉系统的永久性损伤。但有研究[2-4]表明,TTS的恢复不代表听觉功能的完全恢复。一种“新”的后天获得性感音神经性听力损失逐渐受到人们的关注及认识,这是一种常规听力学检查听阈正常,但阈上听觉感知功能缺陷症状隐匿的疾病,称为隐性听力损失(hidden hearing loss, HHL)。患有HHL疾病的患者,常频纯音测听阈值正常,但言语识别能力和时域编码相关功能降低,尤其是在嘈杂的环境中更加明显[5-6]。

流行病学调查显示,HHL的患病率12%～15%,HHL日益受到人们的重视,是引人注目的研究热点之一[7]。噪声暴露、年龄老化和耳毒性药物的使用等是引起HHL的危险因素。其中噪声普遍存在于人们的日常生活和工作中,对听觉系统造成了隐性损伤,这种损伤有可能随着年龄增长具有累积效应。全球有约11亿年轻人由于过度噪声伤害而面临着听力损失风险[8]。目前对噪声引起听力损伤的研究最为深入[9]。本文主要就噪声致HHL的发病机制进行综述,以期为早期发现和诊断并有效预防、干预HHL提供有力的理论依据。

1 发病机制

1.1 耳蜗突触损伤 早期有研究[10]发现,噪声暴露后,豚鼠耳蜗微音电位(cochlear microphonics,CM)幅度降低,复合动作电位(compound active potential,CAP)反应提高, CM随时间延长恢复正常,但CAP阈移却没有恢复正常。其中CM 主要来源于外毛细胞,提示外毛细胞功能可以逐渐恢复正常。CAP 是所有单个听神经动作电位的总和,反映可能出现耳蜗内传入神经突触的损伤。近年的实验研究[3,10-11]也表明,轻微噪声损伤只引起TTS,然而CAP阈移和听性脑干反应(auditory brainstem response,ABR) I波幅度的改变却不能完全恢复,ABR波I成分来源于耳蜗,代表着耳蜗听神经的总和电活动,是客观反映初级听神经纤维功能的可靠指标,这些说明噪声暴露导致内毛细胞与螺旋神经节之间的突触及螺旋神经节的不可逆转的损伤。在噪声引起的HHL中,耳蜗突触损伤的研究获得越来越多的关注。

人类耳蜗约含有12 000个外毛细胞、3 500个内毛细胞和40 000多条神经纤维细胞。其中外毛细胞是声音机械刺激的效应器,具有主动非线性放大机制,对内毛细胞产生驱动作用;内毛细胞将声信号转化为神经冲动,是机械-电信号转换的神经感受器。I型传入听神经是传入神经细胞的主要部分,约占95%。内毛细胞主要与I型传入听神经纤维形成特殊的带状突触连接。一个I型神经纤维与单个内毛细胞形成突触连接,而每个内毛细胞可与多个I型纤维连接。带状突触负责听觉信号向中枢系统的传递。带状突触因突触前膜内存在带状电子致密结构而得名。突触前膜外周附着大量囊泡结构,其内含有谷氨酸。在突触前膜上表达有电压依赖L型Ca2+主要通道CaV1.3L,谷氨酸释放与突触前膜Ca2+通道开放数量相关。对应的突触后膜上有谷氨酸受体池,主要有NMDA(N-metyh1-D-aspartic acid)和AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methy1-4-isoxazole propionic acid)受体。外界不同强度声音刺激时,内毛细胞产生不同程度的去极化,突触前膜上不同数量的CaV1.3L 型钙离子通道开放,突触间隙Ca2+进入突触前膜,触发囊泡释放相应的谷氨酸,作用于突触后膜上的特异性受体NMDA和AMPA,引起突触后膜去极化,螺旋神经元兴奋,声音在神经上进行传导[12]。带状突触是声音信号传导和释放的重要节点[13],能够快速、准确地传递不同频率、强度的声音信号,在听觉传导中起着不可替代的作用。

谷氨酸是内毛细胞进行机械-电信号转换的主要兴奋性神经递质,在耳蜗中存在谷氨酸-谷氨酰胺循环[14]。多余的未与突触后膜受体结合的谷氨酸被运输到支持细胞,支持细胞内含有谷氨酰胺合成酶,经此酶催化转变成无毒的谷氨酰胺排出,再被内毛细胞所摄取,然后在谷氨酰胺酶催化下又生成谷氨酸。谷氨酸-谷氨酰胺循环可有效调节谷氨酸作为神经递质在突触间的循环利用,以维持内耳正常的生理功能。任何损伤因素导致谷氨酸-谷氨酰胺循环过程出现问题,都会引起传入通路的损伤。实验发现,在豚鼠耳蜗中,噪声暴露2 h后其外淋巴液谷氨酸含量增多,与耳蜗其他部分相比,内毛细胞和听神经纤维的谷氨酸样免疫阳性反应明显升高,这些都提示谷氨酸释放增多[15]。在噪声暴露后24 h内,电镜观察到螺旋神经节末端有大量钙、钠和钾离子进入,传入神经纤维树突末端过度兴奋出现肿胀,突触后膜结构异常损坏[16-17]。病理学研究[12]认为,噪声导致毛细胞过度兴奋,释放大量谷氨酸过度激活突触后膜的特异性受体NMDA和AMPA,造成与受体耦联的Na+通道和Ca2+通道激活,Na+和Ca2+大量内流,螺旋神经节细胞内Ca2+超载,渗透压失衡,发生氧化应激反应,引起突触后神经纤维肿胀,空泡形成,甚至变性、凋亡;同时影响突触前膜、带状体和内毛细胞的正常形态与功能[18]。另外, 谷氨酸对突触后膜有营养作用。损伤内毛细胞后其释放减少,引起突触后膜退行性改变,也不利于螺旋神经节细胞损伤后的修复[19]。

谷氨酸过度释放产生兴奋性毒性作用很可能是引起耳蜗突触损伤及HHL的重要病理基础。通过外源性谷氨酸对活体豚鼠全耳蜗灌流实验,发现其畸变产物耳声发射(distortion product otoacoustic emission,DPOAE)未发生改变,ABR潜伏期加长,CAP 阈值增加, CM 幅度降低,随着外源性谷氨酸的逐渐增加,CM 幅度下降更加明显,形态学表明,外毛细胞形态结构保持正常,但在内毛细胞、突触及传入神经纤维中存在有空泡,其结构和功能受到损害。说明过多的谷氨酸特异性损伤了内毛细胞、突触和耳蜗传入神经,引起传入通路障碍[18]。SAWADA等[20]利用谷氨酸类似物进行实验,发现也可以损伤内毛细胞和螺旋神经节细胞的结构,从而破坏其正常的生理功能。KUJAWA等[21]研究发现,豚鼠进行噪声暴露后,在只有TTS时,毛细胞没有减少,但多于 50%毛细胞和听神经纤维之间突触出现了不可逆转损失,提示噪声暴露后毛细胞可保持完整,听阈能够恢复正常,但会导致带状突触出现大面积损伤,从而降低内毛细胞和传入神经之间的有效连接,过量释放谷氨酸引起的兴奋性毒性引起突触后端肿胀甚至破裂,耳蜗神经元出现变性[22-23]。有研究[24]表明,在噪声暴露同时,向豚鼠耳蜗灌流不同浓度的外源性谷氨酰胺合成酶,过多释放的谷氨酸进入支持细胞,经谷氨酰胺合成酶催化成谷氨酰胺。通过谷氨酸-谷氨酰胺循环调节能够维持传入通路中谷氨酸浓度的平衡,对噪声暴露引起的听力损失有明显的对抗保护作用。PUJOL等[25]在噪声暴露前,对豚鼠耳蜗灌注含二硝基喹酮(谷氨酸受体拮抗剂)的人工外淋巴液,能竞争性结合谷氨酸受体,减轻谷氨酸兴奋毒性作用,有效防止缺血缺氧和噪声暴露后谷氨酸过度释放造成的听力损失。谷氨酸受体阻滞剂如犬尿氨酸和MK-801也能有效克服谷氨酸兴奋毒性,减轻螺旋神经元树突的损伤[26]。

在噪声导致的HHL中,耳蜗神经元和毛细胞之间的突触发生了永久性的损伤。小鼠暴露于较低强度的窄带噪声2 h后,1周内ABR阈值恢复正常,但ABR和CAP 幅度没有回到原来水平。噪声暴露后1 d,带状突触减少约60%,之后数量有增加,1周后,数量减少还保持在约50%,带状突触损伤基本上是不可逆转的[2-3]。损伤的突触修复能力有限,不能完全修复,就会破坏神经兴奋的正常传导,减少向中枢传递的信息量。部分修复的突触前膜不能与突触后膜形成有效连接,突触联系中断,其所支配的听神经纤维存在功能缺陷,耳蜗时域信号编码和处理功能有所下降[27]。失去突触联系的螺旋神经元也会因缺乏营养支持逐渐出现退行性死亡。突触损伤是即时的,但螺旋神经节细胞的退行性变是缓慢的,其丧失需要数月到数年的时间。虽然这些损伤和改变会降低听觉处理的各方面能力,但在以听阈为观察指标的听力学检查中很难被发现,长时间内也难以被患者意识到。

1.2 听神经损伤 噪声暴露导致的HHL中, 常频纯音检测听阈正常,并不代表听觉功能正常,显著表现是阈上听觉功能缺陷,在嘈杂环境下言语信息和时域编码能力下降。长时间暴露于噪声会出现言语识别率下降[28]。武凯丽等[29]研究也证实,噪声致HHL 患者常规纯音正常,扩展高频测听阈值上升,噪声下言语识别能力下降,并且与纯音听阈不成比例。 对于HHL患者而言,噪声下言语识别能力下降与听神经对声音响应能力下降导致听觉系统强度编码能力缺陷有关[30]。

I型传入神经纤维可以根据自发性放电率 (spontaneous rate, SR)的不同分为高SR纤维和低SR纤维,高 SR纤维约占60%,阈值较低,主要分布于内毛细胞的柱细胞侧(外侧),直径粗大,有较多线粒体,声强响应动态范围较小,在对安静环境下声音时间处理和信号编码中发挥重要作用;低SR纤维约占40%,其阈值较高,较多位于内毛细胞的蜗轴侧(内侧),直径纤细,含线粒体较少,声强响应动态范围较大,对处理嘈杂环境下的声音刺激至关重要[31-32]。也就是说高SR神经纤维对安静环境低强度(阈值)声音刺激敏感,低SR神 经纤维对噪声背景高强度(阈上)刺激敏感。HHL患者的常频听阈正常,听觉功能障碍常常表现为噪声环境下聆听困难的听觉异常,如噪声下言语识别率明显变差、时域编码功能降低等。常频纯音听阈测试在安静环境中进行,主要反映高SR神经纤维的功能,研究认为,噪声引起的HHL中,耳蜗突触损伤主要引起低SR神经纤维退化,而对高SR神经纤维几乎没有影响[31]。在噪声致HHL中,短时间很快出现突触损伤,导致其所支配的低SR神经纤维功能缺陷,从而降低阈上听觉处理的各方面能力。这一结果可以解释噪声暴露所致HHL患者在嘈杂环境中言语识别率下降的原因。但低SR神经纤维损伤并不影响安静环境下的常频纯音测听[33],当突触的损失达到80%时,造成的神经纤维损伤也不会改变安静环境下的听力阈值,即事实上损伤部分耳蜗听神经纤维并不影响动物的听阈[34]。因此HHL患者的常频纯音听阈测试结果正常。

KUJAWA等[2]通过实验发现,小鼠经过噪声暴露后,几天后 DPOAE虽恢复正常水平,高频率ABR波I波幅度却未完全恢复,ABR波I幅度主要来源于I型神经元外周侧无髓鞘的树突, 代表高阈值、低SR突触/ 纤维的损伤或不完全修复。该研究证明,噪声选择性损伤高阈值、低SR的听神经纤维。进一步认为噪声暴露引起神经递质谷氨酸过量释放堆积,谷氨酸受体兴奋性中毒,耳蜗突触出现不可逆损失,特异性造成一些高阈值听神经纤维的损伤甚至死亡,虽然低阈值听神经纤及剩余的高阈值听神经纤维可以维持对声音的正常处理,常频纯音听阈正常,但在嘈杂环境中的言语识别率下降。近年来在豚鼠、南美栗鼠、大鼠、猴子[3, 31-32, 35-36]等动物实验中,发现噪声暴露引起的HHL中,毛细胞没有受损伤,ABR阈值恢复正常,但高刺激强度均引出ABR波Ⅰ幅度明显下降,这与前面研究结果相一致,都是由于高阈值、低SR听神经纤维选择性破坏引起的。组织学检查也证实了内毛细胞带状突触及与之连接的低SR听神经纤维有不可逆性减少。在临床研究[37-39]中,HHL患者会出现ABR波I波幅下降,且HHL患者多有噪声接触史,ABR波I振幅降低与噪声接触史有显著关系[40]。有研究[41]认为,耳蜗传入突触及听神经纤维的减少,会引起ABR波I振幅和潜伏期的改变。噪声暴露后,受试者常频纯音听阈正常,但ABR I 波幅值降低、潜伏期延长[42]。常规纯音测试频率在0.25～8 kHz, 超过 8 kHz 的频率为扩展高频[43]。可应用扩展高频听阈测试评估患者听力。将研究对象根据不同的噪声暴露和听力保护情况分成低风险组和高风险组,两组常频纯音听阈正常,高风险组在9、10、11.2、12.5、14、16 kHz扩展高频听力阈值明显升高,在噪声下言语分辨能力明显降低,而且毛细胞和耳蜗神经纤维产生的波形峰值比值出现了改变[23]。其他研究也验证了过度噪声暴露时扩展高频听力阈值上升[44-45]。HHL的发病集中在高频频段,扩展高频听力损失可出现言语识别困难[46-47]。表明噪声暴露损伤了高阈值、低自发放电速率的耳蜗神经纤维,破坏声音信号的精细结构和包络的编码,从而降低嘈杂环境下对听觉刺激的理解[31]。

1.3 听神经脱髓鞘 听神经短暂性脱髓鞘是近几年发现的隐性听力损失发生的又一种可能机制。与内毛细胞形成突触连接的听神经纤维属于有髓神经纤维,听神经纤维轴突由施旺细胞包绕形成髓鞘,相邻两个施旺细胞之间形成特殊的“郎飞氏结”结构,其中含有电压门控钠和钾通道,兴奋经“郎飞氏结”呈“跳跃式”传导,会加速电信号在神经传导中的速度。内毛细胞将声信号转化为电化学信号,动作电位经髓鞘结构产生,电信号快速同步传导。施旺细胞对于听神经髓鞘完整性不可缺少,对维持听觉处理的准确性至关重要[48]。施旺细胞的暂时性损伤,会使听神经纤维快速脱髓鞘,神经元轴突被绝缘,从而出现HHL。急性脱髓鞘并不引起突触丢失和听觉阈值的改变,但也会导致ABR波Ⅰ振幅明显下降以及ABR波Ⅰ潜伏期延长[49]。有TTS和PTS的动物中出现了脱髓鞘和对阈上声刺激反应降低等现象[50]。噪声可引起髓鞘功能异常。经强噪声暴露后,大鼠的听神经周围髓鞘变薄,郎飞氏结旁髓鞘区域也有异常改变。阈值偏移增加,并且 ABR 峰值降低和 I 波潜伏期延长[51]。过度暴露噪声使听神经发生短暂性脱髓鞘病变,动作电位传导和突触传递出现障碍,减慢电信号传递速度,延缓听觉感知,从而造成嘈杂环境下言语识别能力下降。患有听神经脱髓鞘病变的小鼠,暴露于可引起突触病变的噪声后,会使脱髓鞘产生的 ABR 波Ⅰ幅值进一步降低,产生相加效应。说明听神经脱髓鞘和耳蜗突触病变的HHL,在同一个体中可以独立共同存在,并呈叠加效应。

2 总结

噪声暴露时,谷氨酸兴奋性中毒引起耳蜗带状突触损伤,突触损伤选择性引起高阈值、低SR神经纤维的损伤,而对低阈值、高SR神经纤维没有影响,从而引起HHL。短暂的施旺细胞损伤,使听神经脱髓鞘,电信号传导减缓,造成嘈杂环境下言语识别能力下降,这也是噪声致HHL的可能机制。这些致病机制研究着重在听觉传入通路的损伤,噪声可能也对传出通路造成了损伤,但目前证据和研究较少。在动物实验中,可以采取多种病理学方法对损伤情况进行定量研究,但这些方法很难应用于人,这就使发病机制多集中在动物模型的基础研究上,还需要临床听力学研究和流行病学调查来进一步探讨。当下HHL人群不断增加,如果人类HHL发生状态与动物实验所发现的相类,那么HHL将成为当今社会重大的潜在健康问题。噪声致HHL发病机制研究将对临床HHL的早期发现、诊断和预防治疗提供理论参考依据。