| Changes of Cochlea Hair Cell and Hearing Threshold in the Rats with Experimental Noise Induced Hearing Loss |
|
Ki-Hong Chang, Sang-Won Yeo, Eun-Ju Jeon, Yong-Soo Park, Byung-Do Suh |
|
Department of Otolaryngology-Head Neck Surgery, The Catholic University of Korea, College of Medicine, Seoul, Korea |
| 실험적 소음성 난청 동물에서 와우 유모세포의 변성 및 청력 역치의 변화 |
|
장기홍, 여상원, 전은주, 박용수, 서병도 |
|
가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실 |
|
|
|
|
| Abstract |
|
It has been believed that exposure to loud noise may cause a temporary or permanent hearing loss in human and animals. Even though there are many investigations regarding to functional and morphological changes of cochlea, the pathogenesis of hearing loss is still unclear. In clinical trials noise exposure is limited to cause only temporary threshold shift and it is very difficult to demonstrate the morphological changes of cochlea against the noise exposure. Therefore many investigators have used rat or mouse as a model of hearing loss because a pattern of hearing loss following noise exposure in rats is similar to human. We exposed 10 days old rat to narrow band noise, of which peak energy is 120 dB SPL (sound pressure level) at 4 KHz for 2 hours and monitored auditory brainstem response (ABR) threshold shift until 4 weeks at maximum following noise exposure. In addition we examined the morphologic changes of cochlear hair cells with scanning electron microscope. The level of early hearing loss following noise exposure is 45 dB to 70 dB. Hearing loss began to be recovered from 3 weeks and it was stablized to 30 dB to 35 dB at 4 weeks following noise exposure. On scanning electron microscopic examination focal loss of cochlear hair cells was shown in basal turn of cochlea. Morphologic changes of cochlear hair cells including loss and fusion of stereocilia were observed in basal turn of cochlea on scanning electron microscope and there was no significant difference through 4 weeks after noise exposure.
|
| Keywords:
Cochlea;Noise induced hearing loss;Auditory brainstem response;Scanning electron microscope. |
서론
사람이나 동물에서 과도한 소음에 노출될 경우 일시적 또는 영구적인 청력장애를 일으키는 것으로 알려져 왔다. 이러한 소음에 의한 기능적이고 형태적인 변화에 대한 연구는 다양하나 소음으로 인한 와우의 형태적 변화와 그 기전에 대해서는 아직도 많은 연구가 필요하다. 사람을 대상으로 한 연구는 일시역치변동(Temporary Threshold Shift)만을 일으킬 정도의 소음폭로로 제한되며 와우의 변화를 확인하는 데에는 많은 어려움이 있다. 그러나 동물에서는 그 해부학적 구조가 잘 밝혀져 있으며 소음폭로 후에 청력손실의 양상이 사람과 비슷하고 소음의 양을 조절할수 있으므로 흰쥐,1)2) 생쥐,3) 기니픽,4) 토끼5) 및 친칠라6)등이 동물모델로 많이 사용되어 왔지만 난청을 일으키는 소음의 정도와 종류 그리고 소음폭로의 기간은 보고자나 사용된 동물에 따라 다르며 소음폭로후 기간에 따른 난청의 정도와 와우변화의 상관관계에 대한 연구 또한 드물다.
이에 저자들은 어린 흰쥐에서 뇌간유발반응 청력검사와 주사전자현미경을 이용하여 소음폭로후 기간에 따른 난청의 정도와 와우변화의 상관관계를 알아보고 또한 와우 유모세포의 재생 여부를 알아 보고자 본 연구를 시행 하였다.
재료 및 방법
동물
실험동물은 이개반사가 정상이고 정상고막 및 청력소견을 보이는 생후 10일된 흰쥐 12마리를 사용하였다. 소음에 노출되지 않은 흰쥐 2마리를 정상 대조군으로 하였으며 소음노출후 3, 7, 14, 21, 28일이 경과한 흰쥐 각각 2마리씩 총 10마리를 실험군으로 하였다.
소음자극
소음원은 자체 제작한 noise generator, equalizer와 amplifier로 구성되었으며 실험동물을 4 KHz에서 peak energy가 120 dB 음압수준, 2 KHz와 8 KHz에서 각각 90 dB 음압수준인 narrow band white noise에 2시간 동안 노출시켰다. 소음의 노출방법은 방음된 booth 안에서 시행 하였으며 흰쥐는 25×20×15 cm의 wire mesh cage속에 넣어 소음노출중 자유로이 움직이게 하였다. RION sound level meter NA-23(Japan)으로 측정한 결과 동물우리의 각 모서리에서 소음의 크기는 0.5 dB 이내의 차이를 보였다.
뇌간유발반응 청력검사
실험시 마취는 Ketamine(30 mg/kg)과 xylazine(6 mg/kg)을 근육주사 하였으며 필요에 따라 유지량으로 최초 용량의 반을 추가 주사하였다. 청력검사기기는 Bio-Logic Nevigator SE(USA)를 사용하였으며 검사방법은 Nakai등과7) 같이 침전극을 활성전극은 두정부에, 기준전극은 검사측 이개부착부 하부에, 접지전극은 반대측 이개부착부 하부에 부착하였다. 음자극은 insert phone을 통하여 300 Hz에서 3000 Hz까지 filtering한 click음을 자극율 12.5회/초, 자극횟수 1024회로 주어 90 dB에서 10 dB 간격으로 역치까지의 뇌간유발반응을 구하였으며 역치 근처에서는 5 dB간격으로 구하였다. 청력역치의 측정은 소음노출전과 소음노출후 3, 7, 14, 21, 28일째에 시행하였다.
주사전자현미경 표본제작
소음노출전과 소음노출후 3, 7, 14, 21, 28일째에 청력검사를 한 후에 흰쥐 각각 2마리씩을 헤파린으로 처리한 생리 식염수와 4% paraformaldehyde(pH 7.4)로 심장관류를 통해 고정한 후 측두골을 절취하여 2.5% glutaraldehyde(pH 7.2)에 3시간 내지 4시간 추가 고정하였으며 1% osmium tetroxide로 90분간 후고정 하였다. 수술 현미경 하에서 미세한 hook를 사용하여 와우의 첨단회전부부터 골와우각, 혈관조, 전정막, 개막의 순서로 제거한 후 탈수과정을 거쳐서 isoamyl acetate로 치환시켜 CO2를 이용한 임계점 건조기(Polaron E 3000, USA)로 건조시켰고 이온도금기(JFC 1100, Japan)로 금을 입힌후 주사전자현미경(JSM 5410-LV, JEOL, Japan)으로 유모세포 표면을 관찰하였다.
통계학적 검정
통계학적 검정은 SPSS Ver 7.25를 사용하여 independent sample t-test를 하였다.
결과
뇌간유발반응 청력검사
소음충격을 주기전의 청력역치는 3.00 dB±4.70였으며 소음충격후 청력변화는 30 dB에서 75 dB까지 관찰되었다. 소음충격후 기간에 따른 청력변화는 3일째 60.25 dB±8.03, 7일째 54.38 dB±8.34, 14일째 51.67 dB±7.18, 21일째 36.88 dB±5.30, 28일째 32.50 dB±2.89였으며 청력소실은 3일째 가장 심하였고 21일째부터 청력이 회복되는 양상을 보여 28일째에는 30 dB 내지 35 dB의 영구청력손실(Permanent Treshold Shift)을 보였다(Fig. 1 and Table 1). 소음폭로전과 소음폭로후 3일째, 소음폭로후 14일째와 소음폭로후 21일째의 청력사이에는 통계학적 유의한 차이를 보였다(p<0.05).
와우의 주사전자현미경적 소견
주사전자현미경으로 관찰한 와우 유모세포의 변화로는 내유모세포에는 특이한 소견은 없었으나 기저회전부 외유모세포의 간헐적인 소실 및 stereocilia의 융합이 관찰되었으며 열에 따른 특이성은 없었다. 소음노출후 최장 28일째까지 와우 유모세포를 주사전자현미경으로 관찰한 결과 시간경과에 따른 유모세포의 형태학적 변화에는 큰 차이가 없었으며 소실된 유모세포의 재생에 대한 소견은 보이지 않았다(Fig. 2).
고찰
과도한 소음에 노출되었을 경우 난청이 생기는 원인에 대해서 과거 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 사람에서의 연구는 많은 제약이 있으므로 주로 동물에서의 연구에 국한되어 왔으나 동물에 따라 소음의 강도, 기간 및 그에 따른 난청의 정도는 각기 다른 것으로 알려져 있다. Clark는6) 소음성 난청의 연구에 친칠라가 가장 적합하다고 하였으나 이외에도 많은 다른 연구자들에 의해 rat,1)2) mouse,3) rabbit,5) gerbil8) 및 chick9)등의 동물이 사용되어 왔다. 또한 Dayal등은10) 어린 동물에서 소음에 의한 난청이 더 심하게 온다고 하였으며 Roberson등은8) 어린 동물에서 제한적이기는 하지만 변성된 와우 유모세포가 재생된다고 하였다. 본 실험에서는 insert phone을 이용한 뇌간유발반응 청력검사가 가능한 생후 10일된 흰쥐를 이용하여 소음에 의한 난청의 정도와 와우 유모세포의 변성 및 재생을 조사해 보고자 하였다.
소음에 의해 난청이 생기는 기전에는 Bohne에11) 의하면 소음으로 인하여 와우기저막에 심한 운동이 일어나 이로 인한 기계적인 손상 때문에 감각세포의 변성이 일어난다는 기계적 손상설, 소음으로 인하여 자극된 활성화된 세포들의 metabolic exhaustion으로 감각세포의 변성이 생긴다는 신진대사설, 소음으로 혈관폐색이 생겨 와우의 국소 빈혈에 의해 감각세포가 변성이 생긴다는 혈관 폐쇄설, 그리고 내이 내에서 chemical gradient가 손상 받음으로써 이온 중독이 생겨 일어난다는 화학적 손상설이 있다고 하였으나 아직도 많은 연구가 진행중이다.
쥐에서 소음에 의한 난청은 소음의 강도와 기간에 따라 좌우되는데 Sun등은2) 110 dB 음압수준의 white noise를 30분간 주었을 때 일시역치변동이 72시간 이내에 소실되며 영구청력손실은 없었다고 하였으며 Sohmer등은12) 115 dB 음압수준의 narrow band noise를 2시간동안 주었을 때 1주 후에는 소음에 의한 난청이 정상으로 돌아 왔다고 하였고 Attias등은1) 115 dB 음압수준의 narrow band noise를 2시간 동안 주었을 때 2주 후에는 청력이 정상으로 돌아왔다고 하였다. 본 실험에서는 이보다 강한 120 dB 음압수준의 narrow band noise를 2시간 동안 주어 일시역치변동 및 영구청력손실을 유발하고자 하였다.
동물의 청력측정 방법에는 과거에는 이개반사나 행동관찰청력검사등이 사용되었으나 그 객관성이 결여되어 현재에는 뇌간유발반응검사 및 이음향방사등이5) 이용되고 있으며 본 실험에서는 Nakai등의7) 방법대로 뇌간유발반응 청력검사를 이용하였다. 기존의 실험에서는 소음폭로후 일정기간 후에 청력검사와 와우의 조직학적 검사를 시행함으로써 동물간의 청력손실의 변화와 와우의 형태학적 상관관계를 비교하기 어려웠으나 본 실험에서는 소음폭로후 기간에 따른 연속적인 뇌간유발반응 청력검사와 이에 상응하는 와우의 주사전자현미경적 관찰을 병행하여 이러한 문제점을 극복하려고 하였다. 소음에 의한 청력역치의 변화로는 소음폭로후 3일째에 60.25 dB±8.02로써 Attias등의1) 23.8 dB±8.3, Sohmer등의 37.9 dB±9.7보다 심한 청력손실을 보였는데 이는 본 실험에서 사용한 소음의 강도가 더 강했기 때문이라 생각된다.
소음에 의한 청력손실이 일시역치변동인지 또는 영구청력손실을 일으키는지 그리고 언제 청력이 회복되는지에 대해서는 사용된 소음의 종류, 강도 및 폭로기간에 따라 다르다. Attias등이나1) Sohmer등은12) 115 dB 음압수준의 소음을 준후 약 1주 내지 2주 후에는 청력회복이 완전히 된다고 하였으나 이들보다 조금 강한 강도의 소음을 준 본 실험에서는 소음폭로후 3주경부터 청력회복이 시작되어 소음폭로후 4주경에는 30 dB 내지 35 dB의 영구청력손실을 보였다. 따라서 어린 흰쥐에서 소음에 의한 영구청력손실을 일으키는 narrow band noise의 임계강도는 115 dB 음압수준과 120 dB 음압수준 사이일 것으로 추정된다.
소음폭로후 와우의 주된 변화로는 와우 유모세포의 변성 및 이에 따른 신경변성이다. 와우 유모세포의 변화로는 주로 외유모세포의 소실, 감각모의 배열교란 및 융합 등이 있으며 특히 가장 바깥쪽의 외유모세포가 취약하다. 신경변성의 경우 이독성 약물에 의해서는 일차적으로 나선 신경절 세포의 변성을 일으키나 소음에 의한 경우는 유모세포의 변성에 이차적으로 나선신경절 세포의 변성이 오는 것으로 알려져 있으며 이때에는 주로 구심성 신경이 영향을 받는다고 하였다.13)14) 본 실험에서 주사전자현미경으로 관찰한 와우의 유모세포는 내유모세포에는 특이한 변화는 관찰되지 않았으나 기저회전부 외유모세포의 간헐적인 소실 및 stereocilia의 융합을 보였으며 외유모세포의 열에 따른 차이는 관찰되지 않았다. 이러한 소견은 소음폭로후 최장 28일까지 큰 변화를 보이지 않았으며 이는 소음폭로 직후에 생긴 일시역치변동에 대한 와우 유모세포의 형태학적 변화가 관찰되지 않았다는 Spoendlin의15) 소견과 일치한다. 그러나 소음폭로후 28일째 영구청력손실의 정도가 와우 유모세포의 변성에 비해 심한 것은 본 실험에서는 확인하지 않았지만 아마도 유모세포의 변성에 의해 이차적으로 나선신경절세포의 변성때문이라고 추측되며 추후 이부분에 대한 연구도 계속되어야 한다고 생각된다.
소음에 의해 변성된 와우 유모세포는 포유류에서는 재생이 안되는 것으로 알려져 있으나 조류에서 변성된 유모세포는 지주세포가 새로 분화되어 새로운 유모세포로 대치된다고 하였다.16) 소음폭로후 최장 28일까지 유모세포를 관찰한 본 실험에서 변성된 유모세포가 지주세포에 의해 대치되는 소견은 관찰되지 않았다.
결론
생후 10일된 어린 흰쥐에서 4 KHz에서 peak energy를 보이는 narrow band noise를 120 dB 음압수준의 강도로 2시간 동안 자극후 기간에 따른 뇌간유발반응 청력검사 및 와우의 주사전자현미경적 관찰을 하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
1) 소음노출후 3일째 청력역치는 60.25 dB±8.03였으며 소음노출후 21일째에 청력회복이 시작되어 소음노출후 28일째에는 32.5 dB±2.89로 고정되었다.
2) 주사전자현미경으로 관찰한 와우 유모세포의 변화로는 기저회전부 유모세포의 간헐적인 소실 및 stereocilia의 융합이었으며 소음노출후 시간경과에 따른 유모세포의 변화는 관찰되지 않았다.
3) 소음노출후에 생긴 일시역치변동에 대한 와우유모세포의 형태학적 변화는 관찰되지 않았다.
4) 소음노출후 최장 28일까지 와우유모세포를 주사전자현미경으로 관찰한 결과 소실된 유모세포의 재생에 대한 소견은 보이지 않았다.
5) 어린 흰쥐에서 소음에 의한 영구청력손실을 일으키는 narrow band noise의 임계강도는 115 dB 음압수준과 120 dB 음압수준 사이일 것으로 추정된다.
REFERENCES
1) Attias J, Sohmer H, Gold S, Haran I, Shahar A. Noise and hypoxia induced temporary threshold shifts in rats studied by ABR. Hearing Research 1990;45:247-52.
2) Sun AH, Wang ZM, Xia SZ, Li ZJ, Lin DY, Liang ZF, et al. Noise-induced hearing loss in iron-deficient rats. Acta Otolaryngol (Stockl) 1991;111:684-90.
3) Yanz JL, Abbas PJ. Age effects in susceptibility to noise-induced hearing loss. J Acoust Soc Am 1982;72:1450-5.
4) Cody AR, Johnson BM. Reduced temporary and permanent hearing llosses withmultiple tone exposures. Hear Res 1982;6:291-309.
5) Ohlms LA, Lonsbury-Martin BL, Martin GK. Acoustic-distortion products: Separation of sensory from neural dysfunction in sensorineural hearing loss in human beings and rabbits. Otolaryngol Head Neck Surg 1991;104:159-74.
6) Clark WW. Recent studies of temporary threshold shift (TTS) and permanent threshold shift (PTS) in animals. J Acoust Soc Am 1991;90:155-63.
7) Nakai Y, Zushi K, Chang KC, Yagi H. An experimental study on the progresiveness of cochlear damage by aminoglycoside drug. Arch Otolaryngol 1981;91:199-206.
8) Roberson DW, Rubel EW. Cell division in the gerbil cochlea after acoustic trauma. Am J Otol 1994;15:28-34.
9) Saunders J, Adler HJ, Pugliano FA. The structural and functional apects of hair cell regeneration in the chick as a results of exposure to intense sound. Exp Neurol 1992;115:13-7.
10) Dayal VS, Bhattacharyya TK. Cochlear hair cell damage from intermittent noise exposure in young and adult giunea pigs. Am J Otolaryngol 1986;7:294-7.
11) Bohne BA. Mechanisms of noise change in the inner ear. In: Effects of Noise on Hearing, New York: Raven, 1976;44:68.
12) Sohmer H, Freeman S, Friedman I, Lidan D. Auditory brainstem response (ABR) latency shifts in animal models of various types of conductive and sensorineural hearing loss. Acta Otolaryngol (Stockl) 1991;111:206-11.
13) Lim DJ. Ultrastructural cochlear changes following acoustic hyperstimulation and ototoxicity. Ann Otol 1976;85:740-51.
14) Lim DJ, Melnick WM. Acoustic damage of the cochlea: A scanning and transmission electron microscopic observation. Arch Otolaryngol 1971;94:294-305.
15) Spoendlin H. Primary structural changes in the organ of corti after acoustic overstimulation. Acta Otolaryngol (Stockl) 1971;71:166-76.
16) Chen L, Trautwein P, Shero M, Salvi RJ. Correlation of hair cell regeneration with physiology and psychophysics in adult chickens following acoustic trauma. In: Auditory System Plasticity and Regeneration, New York: Thieme, 1996;43:61(4)
|
|
PDF Links
Full text via DOI
Download Citation
