帶狀突觸改變相關(guān)性耳聾的研究進展

張艷芳 郭玉芬 徐百成

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科 (蘭州 730030)

在聽覺系統(tǒng)中，哺乳動物的耳蝸毛細胞將機械聲波轉(zhuǎn)換為電信號，毛細胞去極化從而釋放神經(jīng)遞質(zhì)，通過聽神經(jīng)纖維將神經(jīng)沖動傳入聽覺中樞。內(nèi)耳毛細胞（Inner Hair Cells,IHC）是真正編碼聲音信息的感覺細胞，聲音通過IHC與螺旋神經(jīng)節(jié)之間的帶狀突觸進行編碼處理，該結(jié)構(gòu)在持續(xù)高精度編碼聲音信號中起著重要作用[1]。越來越多的證據(jù)表明噪聲、耳毒性藥物及年齡會導(dǎo)致帶狀突觸相關(guān)性耳聾，是感音神經(jīng)性聾的重要機制，本文就耳聾與相關(guān)帶狀突觸的研究進展進行綜述。

1 耳蝸帶狀突觸的特征

耳蝸帶狀突觸具有獨特的形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)，其形態(tài)和功能分化是保持聽覺沖動神經(jīng)遞質(zhì)高效而精準釋放的基礎(chǔ)，是聽功能成熟最關(guān)鍵的步驟之一。

1.1 帶狀突觸的微觀結(jié)構(gòu)

帶狀突觸存在于多種類型細胞中，如前庭毛細胞、視網(wǎng)膜感光細胞和雙極細胞以及松果體細胞。不同類型的細胞、同一細胞不同發(fā)育階段的帶狀突觸的形態(tài)和功能也因空間位置和生理狀態(tài)的不同而不同[2]。帶狀突觸組成突觸前膜，其直徑在100-200nm，呈球形或卵圓形。帶狀突觸有一個大的穩(wěn)定的囊泡池，先前研究證實其中大約包括280個囊泡，該結(jié)構(gòu)的存在使得可以在短時間內(nèi)釋放大量囊泡以進行信息傳遞[3]。Liu對C57bl/6j小鼠采用免疫熒光標記結(jié)合三維重建技術(shù)證實耳蝸中每個IHC帶狀突觸的平均數(shù)量為16.10±1.03個[4]，與先前研究人員發(fā)現(xiàn)的帶狀突觸的平均值近似。

1.2 帶狀突觸的分子組成及功能

突觸帶主要由細胞基質(zhì)Ribeye蛋白組成，Ribeye蛋白是轉(zhuǎn)錄輔抑制因子Ctbp2的剪接變體，有A、B兩個結(jié)構(gòu)域，A結(jié)構(gòu)域位于帶狀突觸的內(nèi)部，形成突觸的支架，與Ctbp2結(jié)構(gòu)相同的B結(jié)構(gòu)域與其他蛋白質(zhì)結(jié)合以拴住囊泡[5]。楊樂等研究發(fā)現(xiàn)小鼠IHC突觸帶及Ctbp2信號在出生時即已存在，此后逐漸發(fā)育完善，據(jù)此作者認為IHC帶狀突觸是聽覺發(fā)生的前提條件[6]。但是也有學(xué)者認為Ribeye蛋白只是帶狀突觸功能形成的輔助成分，Becker[7]等觀察到敲除Ribeye蛋白的KO小鼠中帶狀突觸完全消失，聽力學(xué)上僅表現(xiàn)為輕微的聽力損失，進一步觀察發(fā)現(xiàn)小鼠耳蝸中鈣通道數(shù)量變化很小，這可能也說明帶狀突觸的功能變化不依賴于該蛋白。

除了Ribeye蛋白之外，Bassoon和Piccolo蛋白對維持帶狀突觸的結(jié)構(gòu)一樣重要。帶狀突觸通過Bassoon蛋白固定在IHC上，它們在突觸前結(jié)構(gòu)和功能的維持及帶狀突觸的組裝中起重要作用。研究表明，當(dāng)Bassoon蛋白被敲除后，小鼠對聽覺的敏感性無明顯變化，但對時間的分辨率下降[8]。

IHC通過帶狀突觸的Ca2+依賴性胞吐作用將聲音編碼為神經(jīng)沖動，此前類似的研究表明[9]，耳蝸中的CaV1.3通道可以被較低的電壓激活、緊密聚集在活躍區(qū)域，是介導(dǎo)快速、持續(xù)胞吐作用的理想鈣通道。在IHC中，瞬時和持續(xù)的胞吐機制由不同的CaV1.3通道亞型完成，Vincent[10]等研究發(fā)現(xiàn)IHC通過CaV1.3的長短來精細控制突觸傳遞，短C末端同工型主要編碼瞬時的胞吐成分，長的同工型主要維持持續(xù)的胞吐作用。此外在發(fā)育過程中Ca2+內(nèi)流的變化可以調(diào)節(jié)Ribeye蛋白的組裝，共同調(diào)節(jié)帶狀突觸的大小，從而發(fā)揮作用。但是目前為止，關(guān)于CaV1.3通道如何調(diào)節(jié)帶狀突觸的大小及毛細胞中Ca2+儲存是否在這一過程中發(fā)揮作用尚需進一步研究。圖1是內(nèi)毛細胞帶狀突觸相關(guān)模式圖。

圖1 內(nèi)毛細胞帶狀突觸模式圖Fig.1 Ribbon synaptic pattern of inner hair cells

1.3 帶狀突觸的可塑性

Ribeye蛋白是帶狀突觸的動態(tài)支架，在進行物質(zhì)交換過程中表現(xiàn)出高度的流動性以適應(yīng)突觸的變化。Bassoon和Piccolo蛋白可以誘導(dǎo)神經(jīng)元活性調(diào)節(jié)基因表達，誘導(dǎo)突觸前分子的重新排列[2]。多數(shù)研究認為Ca2+水平在突觸可塑性中發(fā)揮重要的作用，通過電鏡發(fā)現(xiàn)，由Ca2+內(nèi)流引起的自發(fā)放電率的增加/減少可以引起突觸小泡的大小和數(shù)量的變化[11]。先前研究發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜中帶狀突觸可以根據(jù)光線的強弱調(diào)整突觸的大小，Wong等對斑馬魚的體外研究也發(fā)現(xiàn)了耳蝸中帶狀突觸存在類似的調(diào)節(jié)，通過Ribeye蛋白與NAD+/NADH的相互作用共同調(diào)節(jié)帶狀突觸的大小[12]。噪聲及耳毒性藥物對聽力損傷可逆性的研究報道也進一步說明帶狀突觸存在一定的可塑性。

2 耳蝸帶狀突觸與耳聾的相關(guān)性

2.1 噪聲引起的突觸病變

噪聲性聽覺損傷被認為涉及多種病理生理機制，包括缺血、代謝障礙、氧化應(yīng)激導(dǎo)致的耳蝸細胞凋亡。噪聲性聽力損失導(dǎo)致的內(nèi)毛細胞突觸減少是聽覺突觸病變的一種形式。噪聲暴露后突觸間隙積累過量谷氨酸，被認為是噪聲性耳聾最主要的機制[13]。多數(shù)研究通過共聚焦顯微鏡證實了噪聲暴露后耳蝸中帶狀突觸的數(shù)量減少、體積逐漸增大，并出現(xiàn)色帶的空洞化，此外還發(fā)現(xiàn)一部分突觸向細胞核周圍移動，不再與IHC膜并列，導(dǎo)致突觸帶遠離聽神經(jīng)纖維，不再與聽神經(jīng)末梢緊密連接參與突觸傳遞，從而導(dǎo)致耳聾的發(fā)生[14,15]。近年來，通過對內(nèi)毛細胞帶狀突觸的電生理研究發(fā)現(xiàn)噪聲誘導(dǎo)的突觸病變對高閾值、低自發(fā)放電率（SR）神經(jīng)纖維具有選擇性，低SR突觸的突觸前帶往往比高SR突觸的突觸前帶體積更大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，低SR神經(jīng)纖維對噪聲環(huán)境下的聽力尤為重要，噪聲暴露后會優(yōu)先損傷低SR神經(jīng)纖維，低SR減少，使突觸囊泡釋放減少，導(dǎo)致耳聾[16]。噪聲損傷會導(dǎo)致聽力閾值的提高，多數(shù)研究證實其閾值是否可逆主要取決于噪聲暴露的時間及強度[17-19]。

噪聲暴露會導(dǎo)致聽覺過敏，是耳鳴的主要風(fēng)險因素，噪聲性聾表現(xiàn)為在相同噪聲環(huán)境下主要對耳蝸的高頻聽力損傷，通常伴有耳鳴，隨著噪聲的暴露，逐漸累及聽神經(jīng)及耳蝸全長，出現(xiàn)漸進性的不可逆性聽力損傷。目前體內(nèi)外的研究證實神經(jīng)營養(yǎng)因子（NT-3）及BDNF可以促進噪聲損傷下帶狀突觸的再生，增加突觸密度、降低聽覺閾值，是目前治療噪聲導(dǎo)致的耳聾最有效的手段。Zhao[20]等發(fā)現(xiàn)噪聲暴露下細胞外K+濃度升高會導(dǎo)致IHC帶狀突觸的變性和腫脹，應(yīng)用K+通道阻滯劑可減輕IHC帶狀突觸的變性。此外根據(jù)谷氨酸興奮機制，目前也有研究發(fā)現(xiàn)通過藥理學(xué)阻滯劑，如谷氨酸受體拮抗劑可以有效對抗噪聲引起的聽覺損傷[21]。

2.2 年齡增長導(dǎo)致的突觸病變

老年患者常伴有聲音敏感度、時間分辨率降低及背景噪聲下的交流困難等多種聽力障礙表現(xiàn)。年齡相關(guān)性聽覺損傷與突觸的丟失密切相關(guān)[22]。Xiong[23]等觀察到隨著年齡的增長，帶狀突觸在更高頻率會出現(xiàn)更明顯的丟失，同時該研究中使用免疫熒光標記發(fā)現(xiàn)小鼠帶狀突觸的胞吞功能也表現(xiàn)為降低的趨勢，說明老年性聾可能與帶狀突觸的數(shù)量和功能減退都有關(guān)。另外研究也發(fā)現(xiàn)線粒體ATP水平的下降也是老年性聽力損傷的另一個重要原因，隨著ATP水平的降低，囊泡的運輸能量不足，使帶狀突觸的數(shù)量及功能降低，衰老引起的帶狀突觸損傷減少了向上一級神經(jīng)元傳遞的神經(jīng)沖動信號，從而導(dǎo)致聽力損傷[24]。噪聲也可以加重衰老導(dǎo)致的聽力損傷，年齡增長導(dǎo)致聽力閾值增加及耳蝸基底部突觸數(shù)量減少，噪聲聯(lián)合老化時會出現(xiàn)更嚴重的損傷模式，帶狀突觸丟失逐漸由高頻區(qū)向低頻區(qū)擴展，出現(xiàn)不可逆性聽力損失[25]，且以往長期的觀察發(fā)現(xiàn)，早年有噪聲暴露的患者，其年老時聽力損失的程度更嚴重[26]。目前對年齡相關(guān)性聽覺突觸病變的治療主要也是以神經(jīng)營養(yǎng)因子為主。

2.3 耳毒性藥物對突觸的影響

耳蝸帶狀突觸是耳毒性藥物及噪聲環(huán)境暴露下優(yōu)先攻擊的靶點[2,19]。研究發(fā)現(xiàn)低劑量的慶大霉素可以引起帶狀突觸相關(guān)蛋白（如Ribeye及Otoferlin）合成障礙，影響帶狀突觸神經(jīng)遞質(zhì)的釋放造成耳聾[27]。Hong[28]等對分子水平的進一步研究發(fā)現(xiàn)：在正常的耳蝸中帶狀突觸聚集在IHC的基部并成對出現(xiàn)，氨基糖苷類藥物誘導(dǎo)后，帶狀突觸從IHC的基部移至核周圍，伴隨著突觸對的解離和數(shù)目的減少。以往的研究認為耳毒性藥物對突觸的損傷是不可逆的，但最近的研究發(fā)現(xiàn)氨基糖苷類藥物損傷可能存在代償效果[29]，因為在耳毒性藥物損傷環(huán)境中CaV1.3蛋白表現(xiàn)為先增加后減少再增加的趨勢，這可能也提示帶狀突觸對這類藥物存在一定的代償作用。但是目前關(guān)于耳毒性藥物如何引起突觸病變的具體機制尚不清楚，多數(shù)研究推測可能與氧自由基損傷、線粒體損傷有關(guān)。Li[30]等發(fā)現(xiàn)成纖維生長因子22(Fgf22）可減輕慶大霉素引起的耳毒性和聽力損害，肌細胞增強因子2C(MEF2C)是Fgf22的下游因子，上調(diào)Fgf22可以抑制MEF2C，從而導(dǎo)致IHC帶狀突觸的數(shù)量增加。此外相關(guān)研究表明煙酰胺核糖苷具有抗氧化性，可提高多種動物組織中NAD+的水平，促進突觸的恢復(fù)及內(nèi)耳形態(tài)的維護，從而保護聽力[31]。

3 聽力學(xué)診斷

耳蝸突觸病變是一種特殊類型的感音神經(jīng)性聾，主要是帶狀突觸數(shù)量或功能的改變導(dǎo)致IHC和螺旋神經(jīng)節(jié)細胞之間的突觸傳遞異常。目前突觸病變的診斷主要依靠客觀聽力學(xué)檢查。聽性腦干反應(yīng)，聽覺閾值不變，但是ABR波I振幅降低，提示可能存在突觸病變[32]；Liberman等對比了噪聲暴露高風(fēng)險和低風(fēng)險人群耳蝸功能檢查，發(fā)現(xiàn)其ECochG中SP/AP比值高風(fēng)險組較低風(fēng)險組明顯升高，由此推測SP/AP比值對耳蝸突觸病變也具有診斷價值[33]。此外言語誘發(fā)聽性腦干反應(yīng)與頻率跟隨反應(yīng)對突觸病變也具有一定的指導(dǎo)價值[34]。

4 展望

耳蝸帶狀突觸的形態(tài)和功能有著獨特的特點，針對帶狀突觸的解剖學(xué)和生理學(xué)研究仍需要繼續(xù)深入，因為這是開展突觸病變治療的基礎(chǔ)。未來，針對耳蝸帶狀突觸的病理學(xué)和由此引起的聽覺通路功能障礙應(yīng)該是聾病病因研究的重點，我們期望可以有更成熟的技術(shù)在人類耳蝸中更加深入的研究帶狀突觸，在此基礎(chǔ)上關(guān)于帶狀突觸的保護及再生機制研究可以發(fā)現(xiàn)對突觸病變更有效的治療靶點。