萬良財(cái)
南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院耳鼻咽喉科(廣州 510282)
上世紀(jì)80年代,Cruz等為研究氨基糖苷類抗生素的耳毒性,以雞耳蝸為研究對(duì)象,研究發(fā)現(xiàn)雞耳蝸毛細(xì)胞在損傷后,具有較強(qiáng)自發(fā)再生能力,并因此開創(chuàng)了內(nèi)耳毛細(xì)胞再生的新紀(jì)元[1]。此后,耳蝸毛細(xì)胞再生研究一直是耳科學(xué)界的熱點(diǎn)。雞作為鳥綱類動(dòng)物的代表,因具有易于繁殖、胚胎期短、耳蝸取材方便及毛細(xì)胞再生能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),一直是研究?jī)?nèi)耳毛細(xì)胞再生的理想動(dòng)物之一。本文對(duì)雞耳蝸模型用于內(nèi)耳毛細(xì)胞再生領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展綜述如下。
雞耳蝸與哺乳動(dòng)物耳蝸的外形大不相同,但功能相似,它是一條短而彎曲呈香蕉狀的管,由三部分組成:聽壺,屬前庭器官,與位覺斑相似;血管蓋,構(gòu)成蝸管上壁及部分側(cè)壁,其間富含血管;聽覺感受器又稱基底乳頭(basilar papilla,BP),呈鐮刀狀,位于上、下軟骨板之間,由基底膜、毛細(xì)胞、支持細(xì)胞構(gòu)成。BP由近端向遠(yuǎn)端逐漸增寬,近端尖銳,遠(yuǎn)端圓鈍,凸側(cè)為神經(jīng)緣,凹側(cè)稱非神經(jīng)緣。其表面的毛細(xì)胞呈馬賽克圖案樣排列,毛細(xì)胞分為兩種類型,即高毛細(xì)胞與矮毛細(xì)胞。靠近神經(jīng)部的毛細(xì)胞稱為高毛細(xì)胞,呈柱狀??拷巧窠?jīng)部的毛細(xì)胞稱為矮毛細(xì)胞。高毛細(xì)胞類似于哺乳動(dòng)物耳蝸的內(nèi)毛細(xì)胞,而矮毛細(xì)胞則類似于哺乳動(dòng)物耳蝸的外毛細(xì)胞,支持細(xì)胞有助于保持基底乳頭結(jié)構(gòu)的完整性,維持網(wǎng)狀層離子屏障,以及新毛細(xì)胞的產(chǎn)生[2]。
2.1.1 噪聲性聾模型
Cotanche等最早利用10日大的雛雞暴露于聲壓級(jí)120 dB SPL的1500 Hz純音環(huán)境48小時(shí)構(gòu)建噪聲性聾模型,在暴露后0 h,24 h,48 h,4 d,6 d和10d對(duì)其耳蝸進(jìn)行透射和光學(xué)顯微鏡處理。研究發(fā)現(xiàn)毛細(xì)胞損傷呈現(xiàn)出兩種類型,第一種損傷毛細(xì)胞完全喪失,第二種毛細(xì)胞存活但表現(xiàn)出不同程度的靜纖毛損傷。噪聲暴露48小時(shí)后,在毛細(xì)胞喪失區(qū)域即出現(xiàn)新的毛細(xì)胞。暴露后10天,損傷毛細(xì)胞基本恢復(fù)[3]。此后,根據(jù)不同試驗(yàn)需求,Co?tanche又將噪聲性聾毛細(xì)胞損傷分為中等程度與嚴(yán)重程度。以1500 Hz,120 dB SPL噪聲暴露24小時(shí)或以900 Hz,120 dB SPL噪聲暴露48小時(shí)可引起毛細(xì)胞中等程度損傷,即毛細(xì)胞損傷而不造成支持細(xì)胞損傷;而以1500 Hz,123 dB SPL噪聲暴露24小時(shí)或900 Hz 124 dB SPL噪聲暴露24小時(shí)不僅造成毛細(xì)胞嚴(yán)重?fù)p傷,同時(shí)也可造成支持細(xì)胞嚴(yán)重受損,即嚴(yán)重噪聲性損傷[4]。Kurian等利用噪聲暴露模型來研究毛細(xì)胞噪聲刺激后靜纖毛尖端連接改變,實(shí)驗(yàn)時(shí)雛雞予0.9 kHz,120 dB SPL純音噪聲分別暴露4小時(shí),24小時(shí)或48小時(shí)。研究發(fā)現(xiàn)矮毛細(xì)胞上靜纖毛尖端連接損失分別為30.3、40.6和35.5%。暴露48小時(shí)的雛雞予恢復(fù)24、96或288小時(shí)后,尖端連接可恢復(fù)至對(duì)照水平。高毛細(xì)胞尖端連接喪失與恢復(fù)與矮毛細(xì)胞類似[5]。Sliwinska-Kowalska等予120 dB SPL,每天暴露8小時(shí),連續(xù)五天,或120 dB SPL連續(xù)暴露72小時(shí)成功構(gòu)建了雞耳蝸毛細(xì)胞損害模型。研究發(fā)現(xiàn),高強(qiáng)度噪音暴露可造成基底乳頭中部及近端毛細(xì)胞損壞,在基底乳頭中部毛細(xì)胞胞漿,支持細(xì)胞胞核和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞胞漿中均免疫表達(dá)生長(zhǎng)因子bFGF及NGF[6]。
2.1.2 氨基糖甙類耳毒性模型
雖然氨基糖甙類藥物耳毒性機(jī)制目前尚不清楚,但予其制作耳毒性模型已廣泛應(yīng)用于聽力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。Xiang等為了探討新生毛細(xì)胞有抗硫酸卡那霉素耳毒性作用,對(duì)3日大小雛雞每天肌注硫酸卡那霉素(200 mg/kg),連續(xù)10-30日構(gòu)建體外耳蝸毛細(xì)胞損傷模型,予掃描電子顯微鏡檢查基底乳頭。研究發(fā)現(xiàn),基底乳頭新再生的不成熟的毛細(xì)胞具有一定的抗耳毒性能力,但隨著毛細(xì)胞的發(fā)育成熟則逐漸喪失了這種能力[7]。Shang等為了研究在耳蝸毛細(xì)胞損傷后,支持細(xì)胞是如何轉(zhuǎn)化為新生毛細(xì)胞的,體內(nèi)試驗(yàn)通過對(duì)5~10日大小的雛雞連續(xù)兩日皮下注射慶大霉素(250 mg/kg);而體外試驗(yàn),以含78 μM鏈霉素DMEM或BME/EBSS培養(yǎng)基培養(yǎng)基底乳頭1~12日構(gòu)建毛細(xì)胞損傷模型。研究表明,體內(nèi)體外試驗(yàn),支持細(xì)胞有絲分裂和毛細(xì)胞分化的時(shí)間進(jìn)程是類似的,支持細(xì)胞直接分化成毛細(xì)胞是毛細(xì)胞再生的一重要機(jī)制[8]。為了探討B(tài)MP4在內(nèi)耳毛細(xì)胞再生中的作用,Lewis對(duì)7~10日大小的雛雞基底乳頭予含鏈霉素(172μM)DMEM體外培養(yǎng),成功構(gòu)建毛細(xì)胞損傷模型。研究發(fā)現(xiàn),在毛細(xì)胞受損基底乳頭,BMP4可以抑制毛細(xì)胞再生,其原因可能是由于BMP4可以阻止ATOH1在支持細(xì)胞的聚集[9]。Jiang為研究毛細(xì)胞再生所涉及的候選基因和信號(hào)通路提供一個(gè)相對(duì)完整的數(shù)據(jù)庫,通過對(duì)6至8天大小的雛雞連續(xù)皮下注射慶大霉素(0.25 mg/g)兩天,造耳蝸毛細(xì)胞受損模型,通過RNA-Seq數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組耳蝸,共發(fā)現(xiàn)有16588個(gè)基因表達(dá),在注射后第3日,發(fā)現(xiàn)有805個(gè)差異表達(dá)基因[10]。最近,Wan等為了研究VEGF在耳蝸毛細(xì)胞再生中的作用,依據(jù)實(shí)驗(yàn)不同,予含鏈霉素(172μM或1mM)兩種濃度DMEM培養(yǎng)4~11日大小的雛雞基底乳頭1~2天成功構(gòu)建毛細(xì)胞喪失體外模型,研究表明,這兩種濃度在1~2日均幾乎可破壞全部毛細(xì)胞。支持細(xì)胞有絲分裂大多發(fā)生在開始給藥后的2~4日,少量新生毛細(xì)胞在開始給藥后的3~4日,至給藥后第8日,約有1/3再生毛細(xì)胞出現(xiàn),此后,隨著時(shí)間延長(zhǎng),再生毛細(xì)胞數(shù)量可恢復(fù)至正常水平[11]。
2.1.3 鉑類藥物耳毒性模型研究
眾所周知,鉑類藥物具有耳毒性,予鉑類藥物制作耳毒性模型已用于鼠類及斑馬魚內(nèi)耳毛細(xì)胞再生研究[12-14]。能否用順鉑來構(gòu)建雞耳蝸毛細(xì)胞再生研究模型呢?Eric等予含10-20 μM順鉑培養(yǎng)基來孵育基底乳頭24小時(shí),予3 μg/ml BrdU來監(jiān)測(cè)支持細(xì)胞有絲分裂,發(fā)現(xiàn)基底乳頭毛細(xì)胞損害最早發(fā)生在遠(yuǎn)端低頻區(qū),從近端高頻區(qū)至遠(yuǎn)端低頻區(qū)呈現(xiàn)一漸近加重獨(dú)特的調(diào)亡壞死模式。研究認(rèn)為,支持細(xì)胞因治療后發(fā)生裂解調(diào)亡,不能通過增生或直接分化的方式而再生出新的毛細(xì)胞[15]。
Cotanche早期研究發(fā)現(xiàn),在基底乳頭毛細(xì)胞受損后,支持細(xì)胞和排列在聽覺上皮非神經(jīng)緣的透明細(xì)胞可以吸收外源核苷酸并進(jìn)入S期,因此,認(rèn)為這兩種細(xì)胞有可能是再生毛細(xì)胞的前體細(xì)胞。但隨后又排除了透明細(xì)胞作為再生毛細(xì)胞前體細(xì)胞的可能,因?yàn)橥该骷?xì)胞增殖和遷移到毛細(xì)胞受損區(qū)域后并不會(huì)形成新的毛細(xì)胞[4]。此后越來越多的研究者認(rèn)為,在雞等鳥綱類動(dòng)物,正常組織更新或毛細(xì)胞損害后產(chǎn)生新毛細(xì)胞的祖細(xì)胞是支持細(xì)胞[16]。Roberson在毛細(xì)胞再生的整個(gè)過程中加入3H-胸苷或溴脫氧尿苷,大量新再生的毛細(xì)胞并未標(biāo)記3H-胸苷或溴脫氧尿苷,這說明這些未標(biāo)記3H-胸苷或溴脫氧尿苷新再生的毛細(xì)胞并不是通過有絲分裂的方式轉(zhuǎn)化而來的[17]。此后,Stone課題組研究亦發(fā)現(xiàn),正常情況下,基底乳頭不會(huì)出現(xiàn)增殖,但在毛細(xì)胞損害或消失后,支持細(xì)胞會(huì)再次進(jìn)入S-階段和分裂。雞基底乳頭毛細(xì)胞再生是干細(xì)胞所驅(qū)動(dòng)的過程,毛細(xì)胞可以通過支持細(xì)胞分裂增殖產(chǎn)生,也可通過支持細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換(亦稱為“直接分化”或“非有絲分裂”)而產(chǎn)生。雖然有絲分裂和直接分化可以同時(shí)發(fā)生,但基底乳頭非神經(jīng)部區(qū)域優(yōu)先以直接分化再生新的毛細(xì)胞,在此區(qū)域約三分之一新再生的毛細(xì)胞表達(dá)溴脫氧尿苷(BrdU),亦即認(rèn)為僅三分之一新再生的毛細(xì)胞是通過支持細(xì)胞有絲分裂而來的。支持細(xì)胞直接分化成毛細(xì)胞是毛細(xì)胞再生的一重要機(jī)制[8,18]。
為了研究再生毛細(xì)胞聽功能恢復(fù)情況,不同研究者對(duì)新生毛細(xì)胞畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射(DPOAE)、聽性腦干反應(yīng)(ABR)及瞬態(tài)鈣離子電流等進(jìn)行研究。Trautwein將雛雞暴露于525Hz純音,120dB SPL,48小時(shí),比較暴露前后的DPOAE。研究表明,噪聲暴露不僅導(dǎo)致大量毛細(xì)胞喪失,還導(dǎo)致了基底乳頭神經(jīng)部從低頻至中頻區(qū)域蓋膜破壞,雖然病變范圍局限,但DPOAEs所有頻率幅值在暴露后立即明顯降低。此后,高頻DPOAE可逐漸恢復(fù)到暴露前水平[19]。李勝利等對(duì)出生后16~20日雛雞按50mg/(Kg/d)肌注慶大霉素共10日后,間隔1、3、6、9和12日對(duì)雞耳蝸電位及聽覺腦干誘發(fā)電位進(jìn)行測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn),在毛細(xì)胞損傷初期,耳蝸電位及聽覺腦干誘發(fā)電位明顯升高達(dá)80 SPL dB,但在慶大霉素注射9~12日,再生毛細(xì)胞已基本發(fā)育成熟,耳蝸電位及聽覺腦干誘發(fā)電位亦基本正常,說明毛細(xì)胞再生在聽功能恢復(fù)中起重要作用[20]。Ipakchi通過對(duì)雛雞及成年雞對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),在強(qiáng)噪聲暴露后,它們的耳蝸結(jié)構(gòu)和功能都受到嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)于雛雞,噪聲暴露雖會(huì)造成內(nèi)耳損傷,在暴露后12天DPOAE完全恢復(fù),暴露后2-4周,能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的蝸內(nèi)電位;但在成年雞,噪聲暴露對(duì)蝸內(nèi)電位幾乎沒有影響,DPOAE在暴露后12天幾乎沒有恢復(fù)。研究認(rèn)為,對(duì)于雛雞,12天足以充分修復(fù)內(nèi)耳損傷,徹底恢復(fù)正常的DPOAE[21]。Levic等認(rèn)為再生的毛細(xì)胞如要有正常毛細(xì)胞的生理功能,就必須要有正常的突觸和適度的離子電流表達(dá)。為了明確再生的毛細(xì)胞如何在成熟耳蝸中確立其功能生態(tài)位,Levic予慶大霉素治療后雞動(dòng)物模型,誘導(dǎo)基底乳頭底部約1/3毛細(xì)胞損害。研究發(fā)現(xiàn)與成熟的毛細(xì)胞相比,新再生細(xì)胞可表現(xiàn)出與正常成熟毛細(xì)胞類似的瞬態(tài)鈣離子電流,這種電流在慶大霉素治療后7天再生的毛細(xì)胞最為明顯,且這種瞬態(tài)鈣離子電流可以誘導(dǎo)自發(fā)動(dòng)作電位的產(chǎn)生[22]。
通過研究終生具有再生功能的雞聽覺毛細(xì)胞的再生機(jī)制,有助于為哺乳動(dòng)物尋找有效的干預(yù)靶點(diǎn),解除阻斷毛細(xì)胞再生的機(jī)制,為最終解決哺乳動(dòng)物內(nèi)耳毛細(xì)胞再生提供重要的借鑒意義。迄今為止,啟動(dòng)雞內(nèi)耳毛細(xì)胞再生的精確信號(hào)機(jī)制尚不清楚,研究者普遍認(rèn)為內(nèi)耳毛細(xì)胞再生是一極其復(fù)雜的過程,涉及眾多的基因和信號(hào)通路,其中,Atoh1是被研究最多的轉(zhuǎn)錄因子,而Notch、EGFR、FGF、Wnt/b-catenin等信號(hào)通路一直是研究的熱點(diǎn)。
Cafaro等研究發(fā)現(xiàn)在基底乳頭毛細(xì)胞損害后,堿性螺旋環(huán)螺旋(bHLH)轉(zhuǎn)錄因子Atoh1被激活,進(jìn)而進(jìn)一步激活支持細(xì)胞通過分化或有絲分裂再生出新的毛細(xì)胞[18]。Lewis等研究發(fā)現(xiàn),在基底乳頭毛細(xì)胞受損后,支持細(xì)胞Atoh1表達(dá)明顯上調(diào)[23]。BMP4可拮抗雞基底乳頭的毛細(xì)胞再生,其可能原因是通過阻止Atoh1在毛細(xì)胞前體細(xì)胞中的聚集[9]。Mulvaney等通過對(duì)雞Atoh1(cAtoh1)及鼠Atoh1(hAtoh1)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在克服Sox2抑制毛細(xì)胞分化方面,cAtoh1比hAtoh1更有效,cAtoh1能有效促進(jìn)雞感覺毛細(xì)胞的分化[24]。Jiang研究發(fā)現(xiàn),在基底乳頭毛細(xì)胞損害區(qū)域,支持細(xì)胞Atoh1表達(dá)上調(diào);在毛細(xì)胞再生早期,支持細(xì)胞Sox2表達(dá)上調(diào),但當(dāng)支持細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成熟的毛細(xì)胞后,這種上調(diào)便停止[25]。Daudet認(rèn)為在正常雞基底乳頭,Notch信號(hào)通路相關(guān)基因如Notch1,Notch2與Ser?rate1 呈高表達(dá),而Serrate2,Delta1,Atoh1,Hes5,Hes6,MINT和呈相對(duì)低表達(dá),但當(dāng)毛細(xì)胞喪失后,支持細(xì)胞Hes5與Delta1呈高表達(dá)。抑制γ分泌酶能促進(jìn)Atoh1與Delta1的表達(dá),降低Hes5的表達(dá),這種改變并沒有明顯直接促進(jìn)支持細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期進(jìn)行有絲分裂,但可促進(jìn)支持細(xì)胞直接分化成新的毛細(xì)胞[26]。
White予經(jīng)鏈霉素治療后的基底乳頭為研究對(duì)象,予AG1478抑制EGFR信號(hào)通路后,支持細(xì)胞有絲分裂明顯減少,且這種減少并不是因?yàn)橹С旨?xì)胞死亡而導(dǎo)致的。研究表明EGFR信號(hào)通路對(duì)促進(jìn)支持細(xì)胞再次進(jìn)入細(xì)胞周期十分重要,并有可能是通過下調(diào)p27Kip1而實(shí)現(xiàn)的[27]。Jacques以E5-E12大小基底乳頭為研究對(duì)象,研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)育中的基底乳頭,Wnt/β-catenin信號(hào)被激活,基底乳頭所有上皮細(xì)胞均表達(dá)β-catenin。予IWR-1抑制Wnt信號(hào)通路能明顯抑制細(xì)胞增殖,相反,以LiCl激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路則能顯著增加毛細(xì)胞的數(shù)量,研究表明,Wnt/β-catenin信號(hào)在內(nèi)耳毛細(xì)胞再生中起重要的作用[28]。楊思遠(yuǎn)等以7日大小雛雞為研究對(duì)象,以鏈霉素對(duì)體外培養(yǎng)的基底乳突造成毛細(xì)胞損傷。研究發(fā)現(xiàn),同時(shí)抑制Notch信號(hào)通路,激動(dòng)Wnt信號(hào)通路,可使毛細(xì)胞的再生效果達(dá)到最佳狀態(tài)[29]。
近年來,為了從生物信息學(xué)角度來闡明內(nèi)耳毛細(xì)胞再生機(jī)制,研究者應(yīng)用RNA-Seq,cDNA微陣列等不同方法,調(diào)查雞內(nèi)耳毛細(xì)胞受損后轉(zhuǎn)錄譜的改變[10,30]。Jiang通過對(duì)基底乳頭毛細(xì)胞再生過程中的基因表達(dá)進(jìn)行高通量基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄組分析,研究發(fā)現(xiàn)雞耳蝸表達(dá)16,588個(gè)基因,其中在不同組別中有1000個(gè)差異表達(dá)基因,這些基因涉及包括在胚胎發(fā)育過程中起重要作用的如Notch,MAPK(FGF),Wnt和TGF-b(BMP)等約100條信號(hào)通路,這為研究毛細(xì)胞再生所涉及的候選基因和信號(hào)通路提供一個(gè)相對(duì)完整的數(shù)據(jù)庫[10]。最近,Wan等利用RNA-Seq方法,發(fā)現(xiàn)雞基底乳頭經(jīng)鏈霉素治療后,VEGF信號(hào)通路相關(guān)基因VEGFA,VEGFC,VEG?FR1,VEGFR2,VEGFR3表達(dá)上調(diào),研究表明,在毛細(xì)胞受損后VEGF可以正向促進(jìn)毛細(xì)胞再生,但其具體機(jī)制尚不明確[11]。
HUANJU等對(duì)胚胎雞基底乳頭予鏈霉素治療后發(fā)現(xiàn),E12和E14胚胎雞基底乳頭毛細(xì)胞幾乎不受影響,E16和E18胚胎雞基底乳頭,毛細(xì)胞有中等程度的損害,神經(jīng)部的毛細(xì)胞對(duì)鏈霉素敏感,更易受到破壞。研究表明,與孵化后雞基底乳頭毛細(xì)胞不同,胚胎雞基底乳頭毛細(xì)胞對(duì)氨基糖苷類并不敏感,不易受到損害[31]。Tompkins以雞耳蝸毛細(xì)胞為研究對(duì)象,對(duì)尖端鏈接進(jìn)行了深入地研究,研究發(fā)現(xiàn)尖端鏈接是毛細(xì)胞機(jī)械電轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中必需的分子絲,尖端鏈接形成和靜纖毛長(zhǎng)度控制是相耦合的。通過觀察各個(gè)尖端鏈接分子,并觀察它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?、?dòng)態(tài)移動(dòng)及觀察纖毛長(zhǎng)度,深入地解釋了尖端鏈接的形成和異常鏈接修剪是如何發(fā)生的[32]。
雞耳蝸因取材方便且毛細(xì)胞再生能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),近40年來一直是研究?jī)?nèi)耳毛細(xì)胞再生的理想動(dòng)物之一。目前,雞耳蝸毛細(xì)胞損傷實(shí)驗(yàn)造模方法已十分成熟,通常包括噪聲暴露造模、氨基糖甙類造模。廣大研究者以雞耳蝸毛細(xì)胞損傷模型,對(duì)再生毛細(xì)胞的前體細(xì)胞,再生毛細(xì)胞的生理功能及內(nèi)耳毛細(xì)胞再生的信號(hào)機(jī)制進(jìn)行了深入地研究。自2011年以來,以美國(guó)聽力健康基金會(huì)(HHF)牽頭成立了第一個(gè)以研究?jī)?nèi)耳毛細(xì)胞再生的國(guó)際研究協(xié)會(huì)HRP(Hearing Restoration Project),研究者分別以雞、鼠、斑馬魚三類不同動(dòng)物為研究對(duì)象進(jìn)行內(nèi)耳毛細(xì)胞再生研究,比較不同物種內(nèi)耳毛細(xì)胞再生機(jī)制異同,他們分工協(xié)作,數(shù)據(jù)共享,取得了一系列的研究成果,并將內(nèi)耳毛細(xì)胞再生研究推向了一新的高度[11,33,34]。這也為雞作為研究耳聾的動(dòng)物模型奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),為豐富內(nèi)耳毛細(xì)胞再生的內(nèi)容,闡明耳蝸毛細(xì)胞再生的分子機(jī)制及今后治療因耳蝸毛細(xì)胞損傷造成的感音神經(jīng)性耳聾提供重要的理論基礎(chǔ)。