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Noise and hearing conservation
Korean Journal of Audiology 2009;13(1):12-16.
Change in Thresholds of Auditory Brain Stem Response in the Group of CBA Mice after Noise Exposure; Comparative Analysis with Age Induced Hearing Loss Group of DBA Mice
Beom-Cho Jun1, Ki-Hong Chang1, Kyoung-Ho Park1, Sang-Won Yeo1, Paul B Manis2
1Department of Otolaryngology-HNS, Collage of Medicine, The Catholic University of Korea, Uijeongbu, Korea
2Department of Otolaryngology-HNS, University of North Carolina, at Chapel Hill, USA
소음자극 후 CBA Mice의 청성뇌간유발반응의 역치변화; 노인성 난청이 유발된 DBA Mice와의 비교
전범조1, 장기홍1, 박경호1, 여상원1, Manis P.B2
1가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실
2노스캐롤라이나대학교 의과대학 이비인후과학교실
Abstract

Background and Objectives
Noise-induced hearing loss and age-related hearing impairment have different pathophysiologic and clinical features. The purpose of this experiment is to compare the audiologic features of noise-induced hearing loss in CBA mice and early-onset age-related hearing impairment in DBA mice. 



Materials and Methods
Six CBA mice were used for the noise exposure test. A tone pip sound of 115 dB, 8-16 kHz was delivered to a noise box for 2 hours and ABR using a tone burst was carried out for those mice 2 weeks later. ABR of four untreated CBA mice was carried out for the control group. The same method of ABR in seven old DBA mice (p60-p70) were carried out for the study of age-related hearing impairment (ARHI) and it was compared with the data on young DBA mice (p21-p28). 



Results
In the group that underwent noise exposure, the mean threshold increased compared with the data of the control group, and it showed a notched pattern of minimal response threshold of ABR especially in the frequency between 16 kHz and 24 kHz. In the group of young DBA mice (p21-p28), the mean minimal response threshold of ABR generally increased compared with the CBA mice of the control group. The high frequency threshold of ABR in old DBA mice (p60-p70) severely increased above the frequency of 8 kHz. 



Conclusions
The shifting pattern of the response threshold of ABR differs between the noise induced hearing loss model and age-related hearing impairment model. This might be caused by different functional or morphologic changes in the level of the peripheral cochlear organ or central auditory pathway.

Keywords: Noise;Auditory brain stem response;Mouse.

Address for correspondence : Beom-Cho Jun, MD, PhD Department of Otolaryngology-HNS, Collage of Medicine, The Catholic University of Korea, 65-1 Geumo-dong, Uijeongbu 480-821, Korea
Tel : +82-31-820-3657, Fax : +82-31-847-0038, E-mail : otojun@catholic.ac.kr

서     론

현대문명의 발달로 인해 과도한 소음에 노출될 기회가 많아지고 의약의 발달로 고령화 사회가 됨에 따라 이로 인한 소음성 난청과 노인성 난청은 사회적, 환경적 문대로 대두되고 있다. 소음성 난청 및 노인성 난청은 알려진대로 각각 다른 병태생리학적 원인으로 발생하며 임상경과 및 청력변화는 다른 형태를 보여준다. 소음성 난청은 소음폭로 후 급격히 일어나고 더 이상 크게 증가하지 않는 감속과정을 취하는 반면, 노인성 난청은 처음에는 서서히 증가하지만 나이가 많아질수록 급격히 증가하는 가속과정을 밟는다.1) 이러한 난청에 대한 연구는 그 특성상 동물연구가 주를 이루고 있다. 본 연구에서는 소음성 난청 연구 모델에서 많이 이용되는 CBA mice군에서의 정상 청력 역치와 소음 노출군에서의 역치변화를 주파수별로 auditory brainstem reflex(ABR)을 이용하여 측정하고 조기 난청이 유발되는 DBA mice군에서 연령에 따른 청력 역치의 변화를 측정하여 소음성 난청 및 노인성 난청 두 질환군의 청력 역치의 변화의 차이를 비교하여 향후 이를 이용한 난청 연구의 기본 자료를 얻고자 하였다. 

재료 및 방법

CBA mice의 소음 노출군 
태생 30일에서 45일까지의 CBA mice 6마리를 사용하였다. 실험전 preyer's reflex를 통해 청력상태를 확인하였다. 8
~16 kHz의 tonepip 음을 사용하여 115 dB의 강도로 2시간 동안 noise box 안에 마취 없이 mice를 노출시켰다. 노출 후 실험동물을 사육실로 운반하여 2주 동안 안정된 상태로 사육시켰다. 2주 후 실험동물을 ketamine hydrochloride(30 mg/kg)와 xylazine(2 mg/kg)의 근육주사하여 충분한 마취가 된 후 ABR을 시행하였다. ABR은 click음과 tone burst를 이용하여 시행하였고 청력역치의 측정은 40 dB에서 시작하여 100 dB까지 5 dB 간격으로 시행하였다. Stimulus trial은 50회, interpulse interval은 25 ms로 하였다. ABR의 반응 역치는 Matlab을 이용한 ABR acquisition program을 이용하여 detectable wave form이 보이는 최저 자극치로 결정하였다(Fig. 1).
대조군으로는 소음에 노출되지 않은 정상 CBA mice 4마리를 사용하였으며 ABR 측정을 위한 마취 및 실험은 위와 동일한 방법으로 시행하였다.

DBA mice를 이용한 조기 노인성 난청군
태생 25일에서 30일까지의 DBA mice 9마리를 실험에 이용하였다. 실험은 소음에 노출하지 않는 CBA mice와 동일한 방법의 마취와 ABR을 이용하여 측정하였고 태생 65
~70일의 DBA mice 7마리의 ABR을 측정하여 노화에 따른 DBA mice의 청력 역치 변화의 pattern도 함께 비교하였다.

결     과

CBA mice control group 
   ABR상 평균 최소반응 역치는 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48 kHz에서 각각 69, 56, 45, 41, 41, 48, 60 dB이었고 16
~24 kHz에서 최저 역치소견을 보였고 이들 주파수보다 저주파와 고주파로일수록 역치 상승 소견을 보였다(Fig. 2A).

CBA noise exposure group
   ABR상 평균 최소반응 역치는 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48 kHz에서 85, 58, 70, 78, 68, 68 dB이었고 대조군에 비하여 전반적인 역치 상승과 16
~24 kHz에서 현저한 상승으로 notch 형태의 청력 역치 반응을 보였다(Fig. 2B).

Young DBA mice group
   ABR상 평균 최소반응 역치는 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48 kHz에서 80, 60, 53, 50, 57, 67, 86 dB이었고 16 kHz에서 최저 역치소견을 보이며 CBA mice control group과 비교하여 그 선형 pattern은 유사하였으나 전반적인 청력 역치의 상승소견을 보였다(Fig. 2C).

Old DBA mice group
   ABR상 평균 최소반응 역치는 4, 8, 12, 16, 24, 32, 48 kHz에서 75, 58, 68, 77, 87, not available(NA, 측정불가), NA dB과 같았으며 young DBA mice group과 비교하여 8 kHz 이상의 주파수 대역에서 고도의 청력 역치 상승 소견을 보였다(Fig. 2D).

고     찰

조기 노인성 난청연구의 모델에 주로 사용되는 DBA/2J mice군은 10번 염색체에 다양한 주된 열성인자인 Cdh23ahl을 지니고 있어 코티관에 영향을 미치는 진행성의 와우병변을 유발하는 것으로 알려져 있다.2) 코티관에서의 병변으로는 와우세포의 부동모가 중요 단백질인 cadherin-23의 변이로 파괴되고,3) 구심성 청신경의 자발활동전위를 감소시키고 중추청각계인 복측와우핵에서 시냅스 전의 신경전달물질과 시냅스 후에서의 반응에도 영향을 미치는 것으로 전기생리학적 측정을 통해 보고되었다.4) DBA mice는 청력이 발생되는 2
~3주에는 정상 청력을 보이다가 점차 고주파수 영역에서 난청이 시작되어 5주에는 8 kHz 이상에서는 30 dB의 청력 역치 상승을 보이고 2~3개월이 되면 심각한 고주파수 영역에서의 난청 소견을 보이는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서도 태생 3~4주에서도 고주파수 영역에서의 난청이 시작됨을 알 수 있었고 태생 2개월에 급격히 진행한 양상을 볼 수 있었다. 이는 국내에서 Ahn 등이 DBA mice에서 lipoic acid의 난청예방효과를 설명한 실험에서의 대조군 결과와도 일치한다.5)
소음이 청력에 미치는 영향은 음향외상, 일시 역치 변동, 영구 역치 변동으로 분류할 수 있으며 영구 역치 변동은 장기간의 소음 노출 후 회복되지 않는 비가역적 감각신경성 난청을 말하며 소음성 난청이라고 한다.1) CBA mice를 이용한 본 모델을 2시간 동안 115 dB의 8
~16 kHz의 구간잡음의 노출시킨 후 2주 후에 측정한 결과로 난청이 지속되어 영구 역치 변동을 유발했다고 판단된다. 소음성 난청 실험은 주로 동물에 의존하게 되는데, 실험에 사용하는 동물 중 마우스 혹은 흰쥐 등은 인간에 비해 광역 주파수대(0.10~100.0 kHz)에 반응하며 인간에 비해 4~48 kHz 고주파수대의 청력 평가가 필요하다. 따라서 이 주파수대를 충분히 반영할 수 있는 동물실험용 ABR을 통해 평가해야 한다. 
실험 결과에서 보듯이 소음에 노출된 CBA mice에서 청력 역치의 상승과 16
~24 kHz의 소음성 난청의 특징적인 notch 형태의 pattern을 관찰할 수 있었다. 이는 인체에서 소음성 난청이 4 kHz 주위에서 시작되는 초기 소견인 C5dip의 notch와 형태가 유사하였으며 소음강도를 증가시키면 점차 주변 주파수대로 청력손실이 파급되리라 생각된다. 특정주파수가 인체처럼 특징적으로 먼저 청력이 떨어지는 이유는 외이도 공명의 특성,6,7) 중이구조의 특정 주파수의 투과, 등골반사에 의한 특정 주파수 이하음의 희석, 기저막의 비대칭적 진동,8) 와우혈관 분포상 특정 주파수 부위가 손상받기 쉬운 구조9,10) 등으로 설명할 수 있다. 소음자극에 의해 와우의 감각세포가 파괴되는 기전으로는 여러 가설이 제기되었으나 음 자극에 의한 기계적 손상이 내, 외 림프액의 화학적 불균형을 초래하고 그 결과 세포손상이 일어난다는 복합적 기전이 유력하다.1) 과도한 소음 자극으로 인한 소음성 난청은 말초 와우관의 병리학적 변화뿐만 아니라 중추 청각계에도 영향을 미쳐 배측 와우핵의 자발활동(spontaneous activity)을 증가시키고 이와 관련한 중추성의 이명과도 연관이 있는 것으로 연구되고 있다.11,12)
따라서 notch pattern과 같은 특정 주파수대의 청력 역치 상승이 와우관의 병리학적 변화 외에도 소음자극으로 인해 주파수 특이적으로 배열된 배측 와우핵의 특정부위의 감수성 증가에 의한 형태학적 기능적 손상인지 연구도 필요하리라 생각된다. 

결     론

본 연구를 통해 각 CBA 대조군 mice의 최저 역치의 주파수대가 16
~24 kHz였다는 것을 통해 실험 연구에 사용되는 mice군의 청력 평가에 있어 8 kHz 이상의 고주파수 가청 청력대를 충분히 평가할 수 있는 실험용 ABR의 사용이 필요하다는 것을 다시 확인할 수 있었다. 또한 인간에서와 같이 소음성 난청 유발군에서의 CBA mice는 notch 형태의 청력도가 발생하는 것을 알 수 있었고 조기 노인성 난청이 오는 DBA mice군은 고주파수 영역에서 청력저하가 3~4주 내에 시작함을 알 수 있었고 노화에 따라 고주파수 영역대의 급격한 난청이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 이용하여 향후 소음 자극 혹은 노인성 난청의 실험연구나 약물 효과 판단의 자료로 사용할 수 있을 것이다. 


REFERENCES
  1. Kim HJ. Noise induced hearing loss. In: Kim CS, editors. Otolaryngology-Head and Neck Surgery. 1st ed. Seoul: ilchokak;2002. p.690-7.

  2. Noben-Trauth K, Zheng QY, Johnson KR. Association of cadherin 23 with polygenic inheritance and genetic modification of sensorineural hearing loss. Nat Genet 2003;35:21-3.

  3. Seidman MD, Ahmad N, Bai U. Molecular mechanisms of age-related hearing loss. Ageing Res Rev 2002;1:331-43.

  4. Wang Y, Manis PB. Synaptic transmission at the cochlear nucleus endbulb synapse during age-related hearing loss in mice. J Neurophysiol 2005;94:1814-24.

  5. Ahn JH, Kang HH, Kim TY, Shin JE, Chung JW. Lipoic acid rescues DBA mice from early-onset age-related hearing impairment. Neuroreport 2008;19:1265-9.

  6. Caiazzo AJ, Tonndorf J. Ear canal resonance and temporary threshold shift. Otolaryngology 1978;86:ORL-820.

  7. Wiener FM, Ross DA. The pressure distribution in the auditory canal in a progressive sound field. J Acoust Soc Am 1946;18:401-8.

  8. Kelemen G. The 4000-dip: Anatomic considerations. Acta Otolaryngol 1962;55:365-76.

  9. Bohnne BA, Rabbitt KD. Holes in the reticular lamina after noise exposure: Implication of for continuing damage in the organ of Corti. Hear Res 1983;11:41-53.

  10. Schuknecht HF. Pathology of the ear. Cambridge, Mass: Harvard University Press;1974.

  11. Brozoski TJ, Bauer CA, Caspary DM. Elevated fusiform cell activity in the dorsal cochlear nucleus of chinchillas with psychophysical evidence of tinnitus. J Neurosci 2002;22:2383-90.

  12. Chang H, Chen K, Kaltenbach JA, Zhang J, Godfrey DA. Effects of acoustic trauma on dorsal cochlear nucleus neuron activity in slices. Hear Res 2002;164:59-68.



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