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JournalofAudiologyandSpeechPathology2009.Vol17.No.5
耳蜗放大器的研究进展
赵飞帆1
综述
韩维举1
韩东一1
审校
【中图分类号】R339.16
【文献标识码】A【文章编号】1006--7299(2009)05--0510--05
Corti器被声波激发产生振动,并且形成正向反馈,使行
波得到机械放大,从而使微弱的声音刺激信号得以放大,这样可以使内耳感受到强度范围极宽的声音,这是内耳的一种主动过程,被称为“耳蜗放大器”,这种功能还有其他不同的名称:反馈马达(feedbackmotor)、逆向换能(reverse
trans’
duction)、负阻尼(negativedamping)等。经过一段时间对耳蜗放大器的作用机制的研究,目前国外逐渐形成两大观点流
派,即马达蛋白(prestin)主导学说和静纤毛主导学说,两个
观点均有一系列体内外试验佐证。为达到了解两派观点及比较两者先进性和局限性的目的,本文综述了两大观点学派的主要学术论点与最新试验进展。1耳蜗放大器的概念与特点
Thomas首次发现了活体中基底膜振动与声压级之间的非线性关系,即活体耳蜗可以产生主动运动[1]。随后Kemp提出了耳声发射的概念,即内耳内有产生声音的机械能源头㈨。Khanna和Cooper先后证明了活体耳蜗可产生被动振动之外的更为剧烈的振动,产生极其敏锐的调谐能力,1983年Davis将这种特性命名为耳蜗放大器[3]。
耳蜗放大器的特性包括耳蜗非线性响应特性、耳蜗高敏
感性和频率选择性。第一个特性是指将传人声音在物理放
大的基础上产生生物学主动放大,在基底膜响应曲线上表现
为突兀的峰值;第二个特性是指耳蜗可以感受强度范围极广
的声音,极细小的声音也可以被敏锐的感觉到;第三个特性是指并非所有频率的声音都可以得到同等的放大效果,只有特定频率才可以产生最大放大效果。2耳蜗放大器的主要作用机制
目前认为主要有两种机制参与耳蜗放大器的作用:以感
受器电位为基础的电致运动和钙离子驱动的纤毛运动。到底何种机制占主导地位,不同的学者各自依照他们的试验结果而有不同观点。2.1外毛细胞电致运动
目前较为流行的一种观点是:哺乳动物的耳蜗放大器的细胞学基础是外毛细胞的电致运动。
外毛细胞呈圆柱形,直径约9tim,胞体长度各异,位于耳蜗底端的约12弘m,顶端的约90弘m。每个区域的外毛细胞均有特殊功用,可以使不同频率的刺激在基底膜上呈音位
排列,即感受高频刺激产生的行波峰值的外毛细胞接近耳蜗
底部,感受低频刺激的接近耳蜗顶部[4]。当外毛细胞被感受器电位激活,其电压依赖性的纵向活动可以使基底膜的振动得到放大,这种运动被称为外毛细胞的电致运动。电致运动
l解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科(北京
100853)
万方数据
是毛细胞的一种特性,即胞体长度可随胞内电压变化,其发生不需要ATP和钙离子。所有哺乳动物,包括人类,其外毛细胞的电致运动都是相似的[5]。
外毛细胞电致运动的生理基础是其异于其他细胞的细
胞骨架。外毛细胞的细胞骨架位于胞浆膜中(plasmamere—brane),这样可以允许胞体发生电活动。外毛细胞外侧壁是一种独特的三层结构,由胞浆膜、细胞骨架(或叫皮质网格
cortical
lattice)和表面下池(subsurfacecisternae,一种膜性
细胞器)三层结构组成。胞浆膜为磷脂层,其内外层之间容纳了很多颗粒。细胞骨架包含由膜收缩蛋白交叉连接的平
行肌动蛋白,形成一种网状板结构[6]。表面下池是一种胞内
细胞器,类似于内质网或高尔基体,贴附于细胞骨架内面。每次外毛细胞独立的活动均通过胞浆膜和细胞骨架耦联起来形成网状运动来改变细胞长度。外毛细胞位于网状板顶
端底部接于Deiter细胞,其电致运动的形状改变可以改变耳
蜗不同部分的振动【7】。
电致运动起始于外毛细胞外膜。马达蛋白(prestin)是关键作用点。Prestin属于SLC26A家族,但表达更为保守和稳定,在四种不同的哺乳类种系(人、沙鼠、小鼠、家鼠)中具有高达92.7%的一致性表达。进化学研究显示:在进化树上当哺乳类和鸟类进化分开时,prestin的主要序列才发生了显著的变化,提示其在哺乳类动物中具有特殊意义[8]。Prestin是其家族中唯一具有电压驱动活性的蛋白成员,此
蛋白以四聚体形式在外毛细胞大量表达(每个细胞>
107)[9],与外膜中的其他蛋白和脂质一起作用形成“马达复
合体”。每一个复合体均独立感受胞内电压的变化,并改变
其表面积而产生作用力[I…。电压驱动的细胞活动是与电压依赖性的细胞轴向劲度变化相关联的,电压变化所产生的电势可影响微机械机制,使细胞劲度产生十倍以上的变化。由
于劲度在循环往复的发生变化,即使频率升高也不会明显减弱。因此有学者推测,电致运动只是改变前负荷“弹簧子”劲
度所产生的一种简单结果[】“。
非线性的电容特性是细胞活动性的直接反映,由于其易于测量且较稳定,因而作为胞致运动的测量指标。已有试验
证实替换了所有假想与膜相互作用区域的非保守区氨基酸
的各种变异型prestin仍然具有非线性的电容特性,后者是细胞活动性的有效测量指标。因此感受电压变化或许并非外毛细胞的某些蛋白成分的固有特性。而是胞内阴离子(CI一)发挥的非固有特性[1“。近年的研究发现,绝大多数感音神经聋致病突变的发生位置均位于其家族(SLC26A)最保守的C终末端序列,这个序列中包括硫酸盐转运区和反西
格马因子拮抗区(STAS)。一些试验探讨了这个序列中基因
听力学及言语疾病杂志2009年第17卷第5期
的功能和细胞表达:在异源系统中应用非线性电容测试和免疫荧光检测,发现缺失型突变体系列(Del516、Del525、
Del630、Del590、Del709、Del719)均使prestin产生了不同
程度的缺陷表达,这一系列缺失型突变体试验证实C末端
全序列在prestin的表达和功能上均发挥作用。此外基底膜
外侧的靶向性的潜在基序(Y520A/Y526A)和一些双位点突
变(V499G/Y501H)均可导致膜失去非线性电容特性[1“。实际上,N端和C端的缺失均会导致不恰当的靶向作用而
引起功能障碍,而有学者认为N端缺失21a.a.造成的影响
甚至超过C端缺失33a.a.造成的影响u“。
有体外试验证实prestin基因敲除的小鼠会发生感音神经性聋;而转染了prestin基因的非听觉细胞则具有了电致运动及电压依赖性的非线性电容特性。上述试验均证实了prestin在外毛细胞电致运动中的重要性【l“。在活体试验发
现,prestin敲除的小鼠。其脑干听觉诱发电位和复合电位的
阈值均上升了50dB以上[1“,同时,频率选择性也消失
了[1“。有学者证明了机械一电传导的前向传导通路.即外
毛细胞之后的听觉传导通路(forwardtransduction)是完整的,因此这些prestin敲除的小鼠上述生理缺陷(敏感度降
低,频率选择性消失)确实由外毛细胞处发生[1钆¨]。
还有数据显示prestin杂合子小鼠具有与野生型一样的敏感性和频率选择性,而且prestin蛋白表达量和细胞电致运动均正常[2…。
外毛细胞胞浆膜中的脂质在电致运动中也起了重要作
用。胞浆膜的流动性与其他真核细胞相同。改变跨膜电压会影响脂质在膜中的分布.可能和膜曲度改变或与马达蛋白交互作用有关。氯丙嗪影响膜中脂质成分,可以改变膜曲度,从而影响外毛细胞电活动,削弱耳蜗放大功能[2“。
以马达蛋白解释毛细胞的电致运动的局限性:因为在高
频刺激时,感受器电位的时阶性成分会随膜的时间常数衰
减。其允许通过的最大频率为1kHz。所以它可能只在由细
胞时间常数限制滤过(低通滤过特性)的低频刺激下发挥作
用。但与之相对的,马达本身反应非常快,即使超过70
kHz
也可以引出外毛细胞的运动[2“。针对这个矛盾问题.科学家们建立了许多精巧的模型来解释。如Spector解释压电特
性(piezoelectricproperties)可以补偿电压的衰减[233;Dallos
则通过新试验发现Corti器中胞外电位改变可以在高频驱动
外毛细胞活动,从而起到代偿作用[2钉;Rybalchenko等则发现胞内阴离子可以调节其作用,主要是氯离子,prestin可与局部氯化物电导体(10calizedchlorideconductances)相互作用,在高频下减小外毛细胞纵向的劲度[2“。这三种机制被认为是在高频下对电致运动放大作用的代偿。总之,耳蜗放
大器可以理解为一个负反馈调节过程,单个毛细胞虽然有低通滤过特性,当集体增益较高时,整体系统的带宽就会宽得
多E2“。
2.2纤毛运动
另外一些学者则认为耳蜗的放大作用主要由纤毛运动
实现。
静纤毛由非肌源性肌动蛋白构成,从顶端到底端其含量逐渐减少,即静纤毛上粗下细。许多纤毛成行并按照高度顺序组成束状,当机械刺激到达时,他们作为一个整体来围绕
万方数据
51l
插入点做旋转运动而不会发生弯曲。纤毛主动运动.在非哺
乳类脊椎动物研究较为彻底,因为非哺乳类动物无外毛细胞
和prestin。如蜥蜴,并不存在分化的外毛细胞,更谈不上电致运动,但仍有具有敏锐的调谐能力。已有试验证实纤毛运
动此时起到主导作用。在合适的条件下.龟和蛙的纤毛可以
发生自发摇摆,暗示其中可能存在主动过程。哺乳类动物也发现与MET通道的适应相关联的纤毛运动。然而,还没有充分的证据显示哺乳类动物中纤毛运动起耳蜗放大器的主导作用。况且,从进化学的角度来考虑,如果纤毛主动运动
起放大的关键作用,那么在进化中占到优势的哺乳类动物产
生的胞体运动就没有意义了[2“。
当刺激频率与其自发摇摆频率相符时,纤毛对刺激最敏感,这可能是耳蜗放大器频率选择性的基础[27]。与纤毛运动密切相关的是位于其顶端的蛋白质myosinl5a和whirlin,
两者协同表达,共同作用[2“。已证实在静纤毛顶端存在机械电能转导通路,可以被静纤毛特定方向的摆动开启,朝向高纤毛的运动可以开启通道,倒向矮纤毛的运动闭合通道[1”。纤毛之间有很多种连接方式,其中较短的静纤毛与
相邻的较高静纤毛外膜之间存在的尖端连接(tiplink)在机械传导(mechanotransduction)中起到关键作用。尖端连接
曾一度被认为就是门控弹簧子(elasticgatingspring)。近年的研究显示它的成分可能是cadeherin23(Cdh23),其劲度远超过门控弹簧子的劲度,因此它可能是一种能量的传递者,影响通道开放的可能性,一些蛋白(如protocadeherin一15)
等与其构成转导复合体.共同参与通路的开放[2“。这一结
果还有争议[3“。一些蛋白(如protoeadeherin一15)等与其
构成转导复合体,共同参与通路的开放[3“。静纤毛上的机械电转导通道通过使K+内流、细胞去极化而形成感受器电位,这是毛细胞完成机械一电转导过程的第一步,这种动力传导被认为是短暂感受器电位(transient
receptor
potential)
的一种,其本质有可能是TRPAl分子[3“,同时TRPAl分子的劲度符合门控弹簧子的作用范围,但还需要更明确的试验来证实∞“.第二步,感受器电位使L型电压依赖性钙通道开放.Ca2+内流。作为第二信使,引起毛细胞一系列反应,如调制依赖Ca计的钾通道(钙离子激活的钾通道、K。通
道)活性。钙依赖性递质释放,OHC主动收缩反应,毛细胞的
适应和电谐振等E“]。由于机械刺激与通道开关之间的潜伏期非常短.低于50“s,因此可以排除酶性系统的参与。从而
证明二者是直接相关的【3”。
内淋巴液中较高的阳离子浓度是去极化的基础。由于内淋巴液中的正电位(+80my),才可以使电流流入而使毛
细胞去极化。毛细胞的正常静息电位是一60mV左右,遇高
强度声音刺激时可最多相差数个毫伏[3“。去极化的毛细胞具有放大行波的功能。内淋巴液中电位低时无法引起去极化,从而无法使声音放大[3“。
机械转导(mechanotransduction)通路的一个显著特点是:即使刺激持续存在,感受器电位会出现双峰的衰减。这种现象被称为适应,因动力学机制不同,分为快适应和慢适应。慢适应的分子机制与生理意义研究较为明确。慢适应是在刺激作用十数毫秒后发生的电流衰减,慢适应与与毛束松弛同步发生.提示它可以减小门控弹簧子的张力。机械电
S12
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能通道的慢适应由位于肌动蛋白之间的非肌肉源性的肌球
蛋白调控(myocinla)。通过肌动蛋白和肌球蛋白的相互作
用。强化了榴邻静纤毛的尖端连接,使与频率相匹配的最敏感活动区域的机械电能转换通道开放口“。由于其扩大了通
道开放范围,可以对持续的刺激保持兴奋,使之不会漏掉声
音的新信息。
快适应发生于通道关闭后不到一毫秒内,其意义尚不明确,近年人们认为与耳蜗放大器有关,目前有两种快适应的
模型假说:通道再关闭模型(channel—reclosuremodel)和释放模型(releasemodel)。前者认为钙离子内流直接与开放的
转导通路结合,使其关闭且更难开启。后者认为钙离子激发了转导通道中一个机械元件的释放,从而使通道关闭。快适
应对纤毛有机械作用,因此可能与主动纤毛运动直接相关。由阳离子通过机械电能转换通道激发。静纤毛偏移一段距
离后,静纤毛内产生一种作用力使其偏移距离更大,这种作用发生于机械电能转换过程中,是一种负性劲度作用,最初
报道于非哺乳动物,被称为“通道顺应性”.即随着MET通
道的开放使静纤毛劲度减弱而利于摆动。这种作用对于哺乳类动物耳蜗放大器也很重要,即产生主动放大功能[z“,其
机制可能是当纤毛运动正向偏移时,机械电能转换通道打
开.钙离子内流增加.达一定负荷时使通道关闭,静纤毛反向
移动而对抗刺激。这种依赖听觉频率而快速发生的作用过
程称为“颤搐”或反冲力。可以将毛束想象为一把张开的弓,
本身具有静止张力(restingtension),这种张力(Fm)同时牵
拉着静纤毛(Ks)和门控弹簧子(Kg)。当刺激使静纤毛摆动
而开启转导通路时,门控弹簧子的张力消失,静止张力(rest—
ing
tension)所有的弹性势能将转移到静纤毛的尖端连接,使
纤毛发生正性前向运动,同时关闭通路。通路关闭,则门控
弹簧子静止张力恢复。使纤毛出现负性反向运动。静止张力
约为500公称压力(pN),单个尖端连接承受约60公称压
力。毛束中储藏这种静止张力的分子体可能是由PH区蛋
白PHRl连接起来的rnyo1c帮myo7a的复合体[3“。
快适应的动力学过程与钙离子在转导通道间传输的动
力学机制密切相关f与钙离子进入静纤毛的速度成正性关系,速度越快,快适应越快;还与钙离子调节点附近的脂质环境相关。钙离子进入静纤毛的速度受局部钙离子浓度影响。浓度越高,进入的速度越快。毛束胞浆膜上的ATP酶PM—
CA
2a可以提高局部钙离子浓度,沿耳蜗排列的不同PMCA
2a可使局部钙离子浓度形成阶梯排列,这可能与耳蜗调谐能力相关[3“。
认为纤毛运动是耳蜗放大器主要机制的学者包括Ken—nedy等[3”,他以校准的弹性玻璃纤维刺激新生鼠的耳蜗时。
发现兴奋性刺激导致MET通道快适应的发生.峰值电流对
纤毛运动呈“s”型曲线依赖,而且在MET通道开放期内为非线性作用,且只在快适应期内发生。经过试验观察,此种作用力的产生源可能是位于静纤毛顶端的非经典myosin家族成员a,或是影响外毛细胞适应的myosina。或者就是
MET通道本身。基于试验观察,他提出更大胆的推测是,
prestin介导的电致运动是纤毛运动的简单联动体来保证纤毛运动在其有限的活动范围内始终处于合适的位置m]。
此外还有学者¨g]也支持纤毛运动的主导地位,他们在万方数据
离体环境模拟了体内环境,建立了沙鼠耳蜗类似于体内环境的体外试验模型。在这种模型中,听觉刺激和电刺激均可诱发出耳蜗微音电位和纤毛运动。证实了耳蜗模型前向和反向
的机械转导完整性。。阿米洛利的阻滞作用可以消除非线性
放大作用,仅保留了钙离子电流时,放大作用也得到了保留。这个试验证实了钙离子电流驱动了耳蜗的主动作用过程,而非去极化引起了纤毛运动,支持了主动纤毛运动是耳蜗放大器生理基础的假说。但经皮电刺激引起的纤毛运动仍然与
电致运动部分相关。虽然由于一些限制因素未能观察到非线性放大作用,但明确了钙离子电流介导的主动静纤毛运动可以产生放大作用。由于钙离子与myosin复合体联合,且
随着肌动蛋白的摆动非常缓慢.可能与高频下放大作用相
关‘5…。
2.3协同作用
有一些试验证实电致运动和纤毛运动有相互关联作用。
Kennedyr”1在单独去极化的外毛细胞中测量了纤毛运动。当使用MET通道阻滞剂二氢链霉素时,去极化诱发的纤毛快速正向运动消失,而电致运动产生的非线性电容特性不受影响。当使用电致运动阻滞剂水杨酸钠盐时,或改变胞内阴
离子浓度来影响电致运动时,纤毛运动同样消失了。试验中更进一步的发现,去极化的外毛细胞可以引起邻近纤毛的运
动,这种现象提示细胞的网状板在整体发生振动。这些试验数据揭示了电致运动和MET通道均参与了纤毛主动运动,
去极化后的MET通道可发出信号来调整prestin介导的电
致运动H…。
耳蜗放大器作为一个整体器官的现象,而且是由生理行
波引发的,通过这些体外试验尚无法完全模拟生理状态,或
许不能将外毛细胞的电致运动与纤毛运动割裂来看,至于何者居主导地位.还需要在活体试验中更进一步的证实[9]。3耳蜗放大器的传出神经调控
耳蜗放大器似乎受到内侧橄榄耳蜗束的控制。传出纤维在耳蜗的分布密度不一致.耳娲底回OHC接收的传出纤
维较密,从耳蜗底回到顶回传出神经支配逐渐减少;越靠内排的oHC接收的传出纤维越多。传出神经纤维起自脑干,投射到外毛细胞。释放乙酰胆碱作为神经递质。外毛细胞突触柱上有特殊的a9乙酰胆碱受体,可以允许钙离子通过,进而引起钾离子通道的开放使细胞超极化,乙酰胆碱还可以
通过第二信使系统使细胞骨架改变[4“。刺激传出神经可抑
制0HC和初级传人神经。使耳蜗的频率选择性下降;内侧
橄榄耳蜗柬传出纤维抑制畸变产物耳声发射。也有观点认为:活体内刺激传出神经可以提高耳蜗阈值,减少耳蜗分区的运动.保护耳蜗免受过强声刺激的伤害[423。因此,中枢神经系统通过改变外毛细胞电活动主动影响耳蜗功能,是一种
先天保护机制。此外.传出神经系统还可以滤掉背景噪声,
提高人们在噪声环境中对语言的辨别力[4“。4临床意义4.1耳声发射
目前认为耳声发射是耳蜗放大器的一种副产物,属于神经前反应机制。由于主动系统的存在,不需要外部能量即可引起振动,这就是可以测量到的耳蜗的自发性耳声发射。此
外还有畸变产物耳声发射(DPOAE)和瞬态诱发耳声发射
听力学及言语疾病杂志2009年第17卷第5期
(TEOAE)。后两种耳声发射可以被某些声音刺激诱发,故在临床应用较广。听觉通路的大部分器官组织功能完整才
可以产生耳声发射。特殊的一点是,耳声发射的非线性特征
可以检测耳蜗放大器功能是否完好。非线性系统的特点是存在畸变,即输出部分中包含输入部分中不存在的频率。
DPOAE记录较其他OAE更为稳定和方便,故临床应用较普遍n“。因此,耳声发射已成为检测耳蜗功能的一项重要非诊断性检查,尤其是新生儿听力筛查,常用手段为TEO—AE,但其与DPOAE孰优孰劣尚无定论。4.2感音神经聋
感音神经聋是临床常见疾病,其致病机制多样,包括噪
声暴露、耳毒性药物及年龄相关性。内耳中最脆弱及常见的
病理部位是外毛细胞(OHC)。外毛细胞伸入盖膜的静纤毛
极易损害,损害之后可使正向反馈能力减弱。导致暂时的听力损失。如果发生进一步损害。静纤毛中的肌动蛋白核可能
折断。内耳感觉上皮包含不到两万个感觉细胞,即使一小部
分发生损害,也可以产生明显的听力损害‘“]。
目前的听辅助技术无法弥补耳蜗放大器的损失,因为其主要靠压缩或放大声音起作用,而无法改善高频听力损失造成的言语辨别力的损失。对感音神经性聋干预的新技术发展需要加入耳蜗放大器的特性,使耳蜗主动放大功能再生,
这可能要求植入更加微型或纳米级机械装置来予以改善。
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矗“S芒.宣E.宣E.毫Ed“S“S£.毫曼.毫E越芒.毫E.毫E.s芒.S£d£d£●SE●SE・SE●SE●S£d!dE・SE-SEdEd芒・S£d£dE・宣f・宣E.毫E砖£-SEd£・S£.毫E.sEdE商Ed£心E越芒.毫E越E越E破芒
・信息・
第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议通知
由中华医学会贵州省医学会主办的”第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议”定于2010年6月25日至28日在我国西南美丽的林城一贵阳市召开。本次会议将以知识更新讲座和学术论文报告相结合的形式进行学术交流,届时将邀请国外
和国内著名的专家、教授作精彩的专题报告。会议面向我国西部地区十二省市耳鼻咽喉头颈外科的医师、技师及护理人员,
重点进行耳鼻咽喉头颈外科诊治技术、基础研究及发病机制的新进展等内容交流。同时也欢迎全国耳鼻咽喉头颈外科及相关学科的同仁们积极参加。参会人员将授予国家级继续教育I类学分10分。征文内容包括:耳鼻咽喉头颈外科及相关颅底外科基础研究、临床研究、新技术进展、经验介绍、病例报道及其他相关领域的学术研究等。征文要求:论文必须未经正式发
表的文章,结构式摘要一份(800
1000字以内),4号字体,A4纸,文稿顺序为题目、单位、邮编、作者姓名、摘要内容。投搞方
ZHou
式:①以附件的形式发送电子邮件至:GuiMA@163.eom贵州省医学会王朝碧主任收,联系电话:0851—6827446;②书
面邮寄至:贵州省贵阳市北京路9号贵阳医学院附属医院耳鼻咽喉科龚正鹏主任收。(电话:0851—6773891手机:
13308519965
Email:gongzp818@.163.corn邮编:550004)书面邮寄须附文稿的光盘或软盘,请在信封上注明”2010贵阳西部
会议”字样。截稿日期:2010年4月30日。③凡单位或个人邀请外宾来参加会议并进行学术交流者,请通知贵阳医学院附属医院耳鼻咽喉科陈乾美主任(电话:13618577336Email:cqm@gmc.edu.cn)
贵州省医学会
第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议筹备委员会
万方数据
510
JournalofAudiologyandSpeechPathology2009.Vol17.No.5
耳蜗放大器的研究进展
赵飞帆1
综述
韩维举1
韩东一1
审校
【中图分类号】R339.16
【文献标识码】A【文章编号】1006--7299(2009)05--0510--05
Corti器被声波激发产生振动,并且形成正向反馈,使行
波得到机械放大,从而使微弱的声音刺激信号得以放大,这样可以使内耳感受到强度范围极宽的声音,这是内耳的一种主动过程,被称为“耳蜗放大器”,这种功能还有其他不同的名称:反馈马达(feedbackmotor)、逆向换能(reverse
trans’
duction)、负阻尼(negativedamping)等。经过一段时间对耳蜗放大器的作用机制的研究,目前国外逐渐形成两大观点流
派,即马达蛋白(prestin)主导学说和静纤毛主导学说,两个
观点均有一系列体内外试验佐证。为达到了解两派观点及比较两者先进性和局限性的目的,本文综述了两大观点学派的主要学术论点与最新试验进展。1耳蜗放大器的概念与特点
Thomas首次发现了活体中基底膜振动与声压级之间的非线性关系,即活体耳蜗可以产生主动运动[1]。随后Kemp提出了耳声发射的概念,即内耳内有产生声音的机械能源头㈨。Khanna和Cooper先后证明了活体耳蜗可产生被动振动之外的更为剧烈的振动,产生极其敏锐的调谐能力,1983年Davis将这种特性命名为耳蜗放大器[3]。
耳蜗放大器的特性包括耳蜗非线性响应特性、耳蜗高敏
感性和频率选择性。第一个特性是指将传人声音在物理放
大的基础上产生生物学主动放大,在基底膜响应曲线上表现
为突兀的峰值;第二个特性是指耳蜗可以感受强度范围极广
的声音,极细小的声音也可以被敏锐的感觉到;第三个特性是指并非所有频率的声音都可以得到同等的放大效果,只有特定频率才可以产生最大放大效果。2耳蜗放大器的主要作用机制
目前认为主要有两种机制参与耳蜗放大器的作用:以感
受器电位为基础的电致运动和钙离子驱动的纤毛运动。到底何种机制占主导地位,不同的学者各自依照他们的试验结果而有不同观点。2.1外毛细胞电致运动
目前较为流行的一种观点是:哺乳动物的耳蜗放大器的细胞学基础是外毛细胞的电致运动。
外毛细胞呈圆柱形,直径约9tim,胞体长度各异,位于耳蜗底端的约12弘m,顶端的约90弘m。每个区域的外毛细胞均有特殊功用,可以使不同频率的刺激在基底膜上呈音位
排列,即感受高频刺激产生的行波峰值的外毛细胞接近耳蜗
底部,感受低频刺激的接近耳蜗顶部[4]。当外毛细胞被感受器电位激活,其电压依赖性的纵向活动可以使基底膜的振动得到放大,这种运动被称为外毛细胞的电致运动。电致运动
l解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科(北京
100853)
万方数据
是毛细胞的一种特性,即胞体长度可随胞内电压变化,其发生不需要ATP和钙离子。所有哺乳动物,包括人类,其外毛细胞的电致运动都是相似的[5]。
外毛细胞电致运动的生理基础是其异于其他细胞的细
胞骨架。外毛细胞的细胞骨架位于胞浆膜中(plasmamere—brane),这样可以允许胞体发生电活动。外毛细胞外侧壁是一种独特的三层结构,由胞浆膜、细胞骨架(或叫皮质网格
cortical
lattice)和表面下池(subsurfacecisternae,一种膜性
细胞器)三层结构组成。胞浆膜为磷脂层,其内外层之间容纳了很多颗粒。细胞骨架包含由膜收缩蛋白交叉连接的平
行肌动蛋白,形成一种网状板结构[6]。表面下池是一种胞内
细胞器,类似于内质网或高尔基体,贴附于细胞骨架内面。每次外毛细胞独立的活动均通过胞浆膜和细胞骨架耦联起来形成网状运动来改变细胞长度。外毛细胞位于网状板顶
端底部接于Deiter细胞,其电致运动的形状改变可以改变耳
蜗不同部分的振动【7】。
电致运动起始于外毛细胞外膜。马达蛋白(prestin)是关键作用点。Prestin属于SLC26A家族,但表达更为保守和稳定,在四种不同的哺乳类种系(人、沙鼠、小鼠、家鼠)中具有高达92.7%的一致性表达。进化学研究显示:在进化树上当哺乳类和鸟类进化分开时,prestin的主要序列才发生了显著的变化,提示其在哺乳类动物中具有特殊意义[8]。Prestin是其家族中唯一具有电压驱动活性的蛋白成员,此
蛋白以四聚体形式在外毛细胞大量表达(每个细胞>
107)[9],与外膜中的其他蛋白和脂质一起作用形成“马达复
合体”。每一个复合体均独立感受胞内电压的变化,并改变
其表面积而产生作用力[I…。电压驱动的细胞活动是与电压依赖性的细胞轴向劲度变化相关联的,电压变化所产生的电势可影响微机械机制,使细胞劲度产生十倍以上的变化。由
于劲度在循环往复的发生变化,即使频率升高也不会明显减弱。因此有学者推测,电致运动只是改变前负荷“弹簧子”劲
度所产生的一种简单结果[】“。
非线性的电容特性是细胞活动性的直接反映,由于其易于测量且较稳定,因而作为胞致运动的测量指标。已有试验
证实替换了所有假想与膜相互作用区域的非保守区氨基酸
的各种变异型prestin仍然具有非线性的电容特性,后者是细胞活动性的有效测量指标。因此感受电压变化或许并非外毛细胞的某些蛋白成分的固有特性。而是胞内阴离子(CI一)发挥的非固有特性[1“。近年的研究发现,绝大多数感音神经聋致病突变的发生位置均位于其家族(SLC26A)最保守的C终末端序列,这个序列中包括硫酸盐转运区和反西
格马因子拮抗区(STAS)。一些试验探讨了这个序列中基因
听力学及言语疾病杂志2009年第17卷第5期
的功能和细胞表达:在异源系统中应用非线性电容测试和免疫荧光检测,发现缺失型突变体系列(Del516、Del525、
Del630、Del590、Del709、Del719)均使prestin产生了不同
程度的缺陷表达,这一系列缺失型突变体试验证实C末端
全序列在prestin的表达和功能上均发挥作用。此外基底膜
外侧的靶向性的潜在基序(Y520A/Y526A)和一些双位点突
变(V499G/Y501H)均可导致膜失去非线性电容特性[1“。实际上,N端和C端的缺失均会导致不恰当的靶向作用而
引起功能障碍,而有学者认为N端缺失21a.a.造成的影响
甚至超过C端缺失33a.a.造成的影响u“。
有体外试验证实prestin基因敲除的小鼠会发生感音神经性聋;而转染了prestin基因的非听觉细胞则具有了电致运动及电压依赖性的非线性电容特性。上述试验均证实了prestin在外毛细胞电致运动中的重要性【l“。在活体试验发
现,prestin敲除的小鼠。其脑干听觉诱发电位和复合电位的
阈值均上升了50dB以上[1“,同时,频率选择性也消失
了[1“。有学者证明了机械一电传导的前向传导通路.即外
毛细胞之后的听觉传导通路(forwardtransduction)是完整的,因此这些prestin敲除的小鼠上述生理缺陷(敏感度降
低,频率选择性消失)确实由外毛细胞处发生[1钆¨]。
还有数据显示prestin杂合子小鼠具有与野生型一样的敏感性和频率选择性,而且prestin蛋白表达量和细胞电致运动均正常[2…。
外毛细胞胞浆膜中的脂质在电致运动中也起了重要作
用。胞浆膜的流动性与其他真核细胞相同。改变跨膜电压会影响脂质在膜中的分布.可能和膜曲度改变或与马达蛋白交互作用有关。氯丙嗪影响膜中脂质成分,可以改变膜曲度,从而影响外毛细胞电活动,削弱耳蜗放大功能[2“。
以马达蛋白解释毛细胞的电致运动的局限性:因为在高
频刺激时,感受器电位的时阶性成分会随膜的时间常数衰
减。其允许通过的最大频率为1kHz。所以它可能只在由细
胞时间常数限制滤过(低通滤过特性)的低频刺激下发挥作
用。但与之相对的,马达本身反应非常快,即使超过70
kHz
也可以引出外毛细胞的运动[2“。针对这个矛盾问题.科学家们建立了许多精巧的模型来解释。如Spector解释压电特
性(piezoelectricproperties)可以补偿电压的衰减[233;Dallos
则通过新试验发现Corti器中胞外电位改变可以在高频驱动
外毛细胞活动,从而起到代偿作用[2钉;Rybalchenko等则发现胞内阴离子可以调节其作用,主要是氯离子,prestin可与局部氯化物电导体(10calizedchlorideconductances)相互作用,在高频下减小外毛细胞纵向的劲度[2“。这三种机制被认为是在高频下对电致运动放大作用的代偿。总之,耳蜗放
大器可以理解为一个负反馈调节过程,单个毛细胞虽然有低通滤过特性,当集体增益较高时,整体系统的带宽就会宽得
多E2“。
2.2纤毛运动
另外一些学者则认为耳蜗的放大作用主要由纤毛运动
实现。
静纤毛由非肌源性肌动蛋白构成,从顶端到底端其含量逐渐减少,即静纤毛上粗下细。许多纤毛成行并按照高度顺序组成束状,当机械刺激到达时,他们作为一个整体来围绕
万方数据
51l
插入点做旋转运动而不会发生弯曲。纤毛主动运动.在非哺
乳类脊椎动物研究较为彻底,因为非哺乳类动物无外毛细胞
和prestin。如蜥蜴,并不存在分化的外毛细胞,更谈不上电致运动,但仍有具有敏锐的调谐能力。已有试验证实纤毛运
动此时起到主导作用。在合适的条件下.龟和蛙的纤毛可以
发生自发摇摆,暗示其中可能存在主动过程。哺乳类动物也发现与MET通道的适应相关联的纤毛运动。然而,还没有充分的证据显示哺乳类动物中纤毛运动起耳蜗放大器的主导作用。况且,从进化学的角度来考虑,如果纤毛主动运动
起放大的关键作用,那么在进化中占到优势的哺乳类动物产
生的胞体运动就没有意义了[2“。
当刺激频率与其自发摇摆频率相符时,纤毛对刺激最敏感,这可能是耳蜗放大器频率选择性的基础[27]。与纤毛运动密切相关的是位于其顶端的蛋白质myosinl5a和whirlin,
两者协同表达,共同作用[2“。已证实在静纤毛顶端存在机械电能转导通路,可以被静纤毛特定方向的摆动开启,朝向高纤毛的运动可以开启通道,倒向矮纤毛的运动闭合通道[1”。纤毛之间有很多种连接方式,其中较短的静纤毛与
相邻的较高静纤毛外膜之间存在的尖端连接(tiplink)在机械传导(mechanotransduction)中起到关键作用。尖端连接
曾一度被认为就是门控弹簧子(elasticgatingspring)。近年的研究显示它的成分可能是cadeherin23(Cdh23),其劲度远超过门控弹簧子的劲度,因此它可能是一种能量的传递者,影响通道开放的可能性,一些蛋白(如protocadeherin一15)
等与其构成转导复合体.共同参与通路的开放[2“。这一结
果还有争议[3“。一些蛋白(如protoeadeherin一15)等与其
构成转导复合体,共同参与通路的开放[3“。静纤毛上的机械电转导通道通过使K+内流、细胞去极化而形成感受器电位,这是毛细胞完成机械一电转导过程的第一步,这种动力传导被认为是短暂感受器电位(transient
receptor
potential)
的一种,其本质有可能是TRPAl分子[3“,同时TRPAl分子的劲度符合门控弹簧子的作用范围,但还需要更明确的试验来证实∞“.第二步,感受器电位使L型电压依赖性钙通道开放.Ca2+内流。作为第二信使,引起毛细胞一系列反应,如调制依赖Ca计的钾通道(钙离子激活的钾通道、K。通
道)活性。钙依赖性递质释放,OHC主动收缩反应,毛细胞的
适应和电谐振等E“]。由于机械刺激与通道开关之间的潜伏期非常短.低于50“s,因此可以排除酶性系统的参与。从而
证明二者是直接相关的【3”。
内淋巴液中较高的阳离子浓度是去极化的基础。由于内淋巴液中的正电位(+80my),才可以使电流流入而使毛
细胞去极化。毛细胞的正常静息电位是一60mV左右,遇高
强度声音刺激时可最多相差数个毫伏[3“。去极化的毛细胞具有放大行波的功能。内淋巴液中电位低时无法引起去极化,从而无法使声音放大[3“。
机械转导(mechanotransduction)通路的一个显著特点是:即使刺激持续存在,感受器电位会出现双峰的衰减。这种现象被称为适应,因动力学机制不同,分为快适应和慢适应。慢适应的分子机制与生理意义研究较为明确。慢适应是在刺激作用十数毫秒后发生的电流衰减,慢适应与与毛束松弛同步发生.提示它可以减小门控弹簧子的张力。机械电
S12
JournalofAudiologyandSpeechPathology2009.Vol17.No.5
能通道的慢适应由位于肌动蛋白之间的非肌肉源性的肌球
蛋白调控(myocinla)。通过肌动蛋白和肌球蛋白的相互作
用。强化了榴邻静纤毛的尖端连接,使与频率相匹配的最敏感活动区域的机械电能转换通道开放口“。由于其扩大了通
道开放范围,可以对持续的刺激保持兴奋,使之不会漏掉声
音的新信息。
快适应发生于通道关闭后不到一毫秒内,其意义尚不明确,近年人们认为与耳蜗放大器有关,目前有两种快适应的
模型假说:通道再关闭模型(channel—reclosuremodel)和释放模型(releasemodel)。前者认为钙离子内流直接与开放的
转导通路结合,使其关闭且更难开启。后者认为钙离子激发了转导通道中一个机械元件的释放,从而使通道关闭。快适
应对纤毛有机械作用,因此可能与主动纤毛运动直接相关。由阳离子通过机械电能转换通道激发。静纤毛偏移一段距
离后,静纤毛内产生一种作用力使其偏移距离更大,这种作用发生于机械电能转换过程中,是一种负性劲度作用,最初
报道于非哺乳动物,被称为“通道顺应性”.即随着MET通
道的开放使静纤毛劲度减弱而利于摆动。这种作用对于哺乳类动物耳蜗放大器也很重要,即产生主动放大功能[z“,其
机制可能是当纤毛运动正向偏移时,机械电能转换通道打
开.钙离子内流增加.达一定负荷时使通道关闭,静纤毛反向
移动而对抗刺激。这种依赖听觉频率而快速发生的作用过
程称为“颤搐”或反冲力。可以将毛束想象为一把张开的弓,
本身具有静止张力(restingtension),这种张力(Fm)同时牵
拉着静纤毛(Ks)和门控弹簧子(Kg)。当刺激使静纤毛摆动
而开启转导通路时,门控弹簧子的张力消失,静止张力(rest—
ing
tension)所有的弹性势能将转移到静纤毛的尖端连接,使
纤毛发生正性前向运动,同时关闭通路。通路关闭,则门控
弹簧子静止张力恢复。使纤毛出现负性反向运动。静止张力
约为500公称压力(pN),单个尖端连接承受约60公称压
力。毛束中储藏这种静止张力的分子体可能是由PH区蛋
白PHRl连接起来的rnyo1c帮myo7a的复合体[3“。
快适应的动力学过程与钙离子在转导通道间传输的动
力学机制密切相关f与钙离子进入静纤毛的速度成正性关系,速度越快,快适应越快;还与钙离子调节点附近的脂质环境相关。钙离子进入静纤毛的速度受局部钙离子浓度影响。浓度越高,进入的速度越快。毛束胞浆膜上的ATP酶PM—
CA
2a可以提高局部钙离子浓度,沿耳蜗排列的不同PMCA
2a可使局部钙离子浓度形成阶梯排列,这可能与耳蜗调谐能力相关[3“。
认为纤毛运动是耳蜗放大器主要机制的学者包括Ken—nedy等[3”,他以校准的弹性玻璃纤维刺激新生鼠的耳蜗时。
发现兴奋性刺激导致MET通道快适应的发生.峰值电流对
纤毛运动呈“s”型曲线依赖,而且在MET通道开放期内为非线性作用,且只在快适应期内发生。经过试验观察,此种作用力的产生源可能是位于静纤毛顶端的非经典myosin家族成员a,或是影响外毛细胞适应的myosina。或者就是
MET通道本身。基于试验观察,他提出更大胆的推测是,
prestin介导的电致运动是纤毛运动的简单联动体来保证纤毛运动在其有限的活动范围内始终处于合适的位置m]。
此外还有学者¨g]也支持纤毛运动的主导地位,他们在万方数据
离体环境模拟了体内环境,建立了沙鼠耳蜗类似于体内环境的体外试验模型。在这种模型中,听觉刺激和电刺激均可诱发出耳蜗微音电位和纤毛运动。证实了耳蜗模型前向和反向
的机械转导完整性。。阿米洛利的阻滞作用可以消除非线性
放大作用,仅保留了钙离子电流时,放大作用也得到了保留。这个试验证实了钙离子电流驱动了耳蜗的主动作用过程,而非去极化引起了纤毛运动,支持了主动纤毛运动是耳蜗放大器生理基础的假说。但经皮电刺激引起的纤毛运动仍然与
电致运动部分相关。虽然由于一些限制因素未能观察到非线性放大作用,但明确了钙离子电流介导的主动静纤毛运动可以产生放大作用。由于钙离子与myosin复合体联合,且
随着肌动蛋白的摆动非常缓慢.可能与高频下放大作用相
关‘5…。
2.3协同作用
有一些试验证实电致运动和纤毛运动有相互关联作用。
Kennedyr”1在单独去极化的外毛细胞中测量了纤毛运动。当使用MET通道阻滞剂二氢链霉素时,去极化诱发的纤毛快速正向运动消失,而电致运动产生的非线性电容特性不受影响。当使用电致运动阻滞剂水杨酸钠盐时,或改变胞内阴
离子浓度来影响电致运动时,纤毛运动同样消失了。试验中更进一步的发现,去极化的外毛细胞可以引起邻近纤毛的运
动,这种现象提示细胞的网状板在整体发生振动。这些试验数据揭示了电致运动和MET通道均参与了纤毛主动运动,
去极化后的MET通道可发出信号来调整prestin介导的电
致运动H…。
耳蜗放大器作为一个整体器官的现象,而且是由生理行
波引发的,通过这些体外试验尚无法完全模拟生理状态,或
许不能将外毛细胞的电致运动与纤毛运动割裂来看,至于何者居主导地位.还需要在活体试验中更进一步的证实[9]。3耳蜗放大器的传出神经调控
耳蜗放大器似乎受到内侧橄榄耳蜗束的控制。传出纤维在耳蜗的分布密度不一致.耳娲底回OHC接收的传出纤
维较密,从耳蜗底回到顶回传出神经支配逐渐减少;越靠内排的oHC接收的传出纤维越多。传出神经纤维起自脑干,投射到外毛细胞。释放乙酰胆碱作为神经递质。外毛细胞突触柱上有特殊的a9乙酰胆碱受体,可以允许钙离子通过,进而引起钾离子通道的开放使细胞超极化,乙酰胆碱还可以
通过第二信使系统使细胞骨架改变[4“。刺激传出神经可抑
制0HC和初级传人神经。使耳蜗的频率选择性下降;内侧
橄榄耳蜗柬传出纤维抑制畸变产物耳声发射。也有观点认为:活体内刺激传出神经可以提高耳蜗阈值,减少耳蜗分区的运动.保护耳蜗免受过强声刺激的伤害[423。因此,中枢神经系统通过改变外毛细胞电活动主动影响耳蜗功能,是一种
先天保护机制。此外.传出神经系统还可以滤掉背景噪声,
提高人们在噪声环境中对语言的辨别力[4“。4临床意义4.1耳声发射
目前认为耳声发射是耳蜗放大器的一种副产物,属于神经前反应机制。由于主动系统的存在,不需要外部能量即可引起振动,这就是可以测量到的耳蜗的自发性耳声发射。此
外还有畸变产物耳声发射(DPOAE)和瞬态诱发耳声发射
听力学及言语疾病杂志2009年第17卷第5期
(TEOAE)。后两种耳声发射可以被某些声音刺激诱发,故在临床应用较广。听觉通路的大部分器官组织功能完整才
可以产生耳声发射。特殊的一点是,耳声发射的非线性特征
可以检测耳蜗放大器功能是否完好。非线性系统的特点是存在畸变,即输出部分中包含输入部分中不存在的频率。
DPOAE记录较其他OAE更为稳定和方便,故临床应用较普遍n“。因此,耳声发射已成为检测耳蜗功能的一项重要非诊断性检查,尤其是新生儿听力筛查,常用手段为TEO—AE,但其与DPOAE孰优孰劣尚无定论。4.2感音神经聋
感音神经聋是临床常见疾病,其致病机制多样,包括噪
声暴露、耳毒性药物及年龄相关性。内耳中最脆弱及常见的
病理部位是外毛细胞(OHC)。外毛细胞伸入盖膜的静纤毛
极易损害,损害之后可使正向反馈能力减弱。导致暂时的听力损失。如果发生进一步损害。静纤毛中的肌动蛋白核可能
折断。内耳感觉上皮包含不到两万个感觉细胞,即使一小部
分发生损害,也可以产生明显的听力损害‘“]。
目前的听辅助技术无法弥补耳蜗放大器的损失,因为其主要靠压缩或放大声音起作用,而无法改善高频听力损失造成的言语辨别力的损失。对感音神经性聋干预的新技术发展需要加入耳蜗放大器的特性,使耳蜗主动放大功能再生,
这可能要求植入更加微型或纳米级机械装置来予以改善。
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・信息・
第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议通知
由中华医学会贵州省医学会主办的”第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议”定于2010年6月25日至28日在我国西南美丽的林城一贵阳市召开。本次会议将以知识更新讲座和学术论文报告相结合的形式进行学术交流,届时将邀请国外
和国内著名的专家、教授作精彩的专题报告。会议面向我国西部地区十二省市耳鼻咽喉头颈外科的医师、技师及护理人员,
重点进行耳鼻咽喉头颈外科诊治技术、基础研究及发病机制的新进展等内容交流。同时也欢迎全国耳鼻咽喉头颈外科及相关学科的同仁们积极参加。参会人员将授予国家级继续教育I类学分10分。征文内容包括:耳鼻咽喉头颈外科及相关颅底外科基础研究、临床研究、新技术进展、经验介绍、病例报道及其他相关领域的学术研究等。征文要求:论文必须未经正式发
表的文章,结构式摘要一份(800
1000字以内),4号字体,A4纸,文稿顺序为题目、单位、邮编、作者姓名、摘要内容。投搞方
ZHou
式:①以附件的形式发送电子邮件至:GuiMA@163.eom贵州省医学会王朝碧主任收,联系电话:0851—6827446;②书
面邮寄至:贵州省贵阳市北京路9号贵阳医学院附属医院耳鼻咽喉科龚正鹏主任收。(电话:0851—6773891手机:
13308519965
Email:gongzp818@.163.corn邮编:550004)书面邮寄须附文稿的光盘或软盘,请在信封上注明”2010贵阳西部
会议”字样。截稿日期:2010年4月30日。③凡单位或个人邀请外宾来参加会议并进行学术交流者,请通知贵阳医学院附属医院耳鼻咽喉科陈乾美主任(电话:13618577336Email:cqm@gmc.edu.cn)
贵州省医学会
第五届中国西部耳鼻咽喉头颈外科学术会议筹备委员会
万方数据