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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 42(12); 1999 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1999;42(12): 1490-1496.
Histopathologic Changes of Cochlea and Hearing Threshold Changes according to Duration of Noise-Exposure in the Rat.
Bo Hyung Kim, Sung Ho Kang, Dai June Lim, Beob Yi Lee, Yong Bae Lee
1Department of Otolaryngology, College of Medicine Konkuk University, Chungju, Korea. bhkim@kcucc.cj.konkuk.ac.kr
2Department of Anatomy, College of Medicine Konkuk University, Chungju, Korea.
3Department of Otolaryngology, College of Medicine Sungkyunkwan University, Seoul, Korea.
소음폭로 시간에 따른 흰쥐 와우의 미세형태학적 변화와 청력역치의 변화
김보형1 · 강성호1 · 임대준1 · 이법이2 · 이용배3
건국대학교 의과대학 이비인후과학교실1;해부학교실2;성균관대학교 의과대학 이비인후과학교실3;
주제어: 소음폭로외유모세포신경절세포.
ABSTRACT
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
The degree of noise induced hearing loss was determined principally according to the level and duration of noise and patient's state. The purpose of this study was to investigate the cochlear histopathology and hearing threshold immediately after noise exposure according to duration of noise exposure, and finally to draw relationship between the cochlear pathology and hearing threshold.
MATERIALS AND METHOD:
Each group of animals (6 ears) has been exposed for 10 minutes, 1 hour, 2 hours, 3 hours, 4 hours, 24 hours and 48 hours to an octave band of noise with a center frequency of 4000 Hz and a sound pressure level of 110 dB. After noise exposure, the hearing thresholds of the subjects were determined with auditory brainstem response (ABR) and immediately their inner ear were fixed and observed with transmission electron microscopy (TEM).
RESULTS:
ABR thresholds were increased according to lengthening of duration of noise exposure. TEM findings of outer hair cells, Deiters' cells and ganglion cells showed more severe degeneration according to lengthening of duration of noise exposure. Damages of all kinds of cells appeared almost at the same time.
CONCLUSION:
Through the foregone study, cochlear pathology was proportioned to increased hearing threshold, and the damages of outer hair cells and ganglion cells appeared almost at the same time. It seems that not only damages of outer hair cells, but also damages of ganglion cells contribute to early hearing threshold shift during continuous intense noise exposure.
Keywords: Noise exposureOuter hair cellGanglion cell
서론 소음성 난청은 주로 피폭자의 상태와 소음의 정도 및 폭로 시간에 따라서 그 정도를 달리하는 것으로서 외유모세포의 변화가 초기의 손상상태를 알 수 있는 척도로 알려져 있다.1) 소음성 내이장애에 대한 연구는 1945년 Hamberger와 Hyden2)에 의해 시작된 이후 수많은 학자에 의해 연구가 계속되고 있으며, 소음폭로에 의해 나타나는 내이의 변화로는 감각세포에서 부동섬모의 융합, 소실 및 경직성의 변화, 외유모세포의 붕괴 및 공포형성, 외유모세포내 내형질세망의 증가와 당원 저장량의 변화 등이 보고되고 있으며, 이외에도 지지세포의 붕괴 및 변형, 모세혈관 상피세포의 부종 및 혈관수축, 신경섬유내 수초의 파괴, 수상돌기의 부종 및 Schwann cell의 기저막으로의 이주 등이 보고되고 있다.3-10) 본 연구에서는 소음폭로 시간에 따라 소음폭로 직후에 나타나는 청력역치 변화와 이에 따른 와우의 형태학적 변화의 정도를 비교 관찰함으로써 소음폭로 직후의 와우의 손상정도가 청력에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 재료 및 방법 실험동물 출생 7주령으로 체중 200 g 내외인 건강한 Sprague-Dawley계 수컷 흰쥐로서 음향성 자극이나 이독성 약물에 노출된 경력이 없으며 이개반응 및 고막소견이 정상인 흰쥐를 실험동물로 택하였다. 소음폭로 실험동물을 1개군당 3마리씩(6귀) 7개 군으로 나누어 4000 Hz, 평균 110 dBA의 강도의 음향성 자극을 각 군에 따라 각각 10분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 24시간, 48시간 동안을 무반향실에서 계속해서 노출시켰으며 자극음의 강도는 calibration된 sound level meter(Rion AA-30 W, Japan)로 조절하였다(Table 1). 청력역치의 측정 소음폭로 직후 뇌간유발청각계기(Neuropack 8, Japan)를 사용하여 4000 Hz filtered click 음을 headphone으로 초당 10회의 반복률(repetition rate)과 alternating polarity로 주었으며 반응파의 기록은 2 channel system으로 하여 양측 earlobes에 기준전극을 그리고 전두 중앙에 접지전극을 부착하고 활성전극의 위치는 변화시키며, 10 msec 내의 유발전위를 2000회 가산평균하는 과정을 거쳐 파형을 얻어 ABR(auditory brainstem response) 역치를 구하였다. 전자현미경 표본제작 실험동물에 Ketamine 50 mg /kg과 xylazine 10 mg /kg를 근육주사하여 전신마취시키고 개흉하여 심장을 노출시킨 후 인산완충식염수용액(0.1M, pH 7.4)에 용해한 4% paraformaldehyde로 심장 관류를 통해 고정하였다. 측두골을 적출하고 4% paraformaldehyde로 난원창을 통하여 고실내 관류고정을 한 후 동일 고정액으로 4℃에서 하루동안 후고정하였다. 고정된 와우를 인산완충식염수용액(0.1 M, pH 7.4)으로 세척하고 10% EDTA에서 4주동안 탈회하였다. 탈회된 와우를 인산완충식염수용액(0.1 M, pH 7.4)으로 세척한 후 에탄올로 탈수시키고 0.9% JB-4촉매 A에 함입시킨 후 촉매 A와 촉매 B의 25:1 혼합용액을 만들어 embedding capsule에 와우와 함께 삽입한 후 포매하여 1 μm 두께의 절편을 만들어 Toluidine blue로 염색하였으며 광학현미경하에 기저회전에서 코티씨 기관 및 혈관조를 확인하여 200 A° 두께로 초박절편을 만들어 uranyl acetate와 lead citrate로 염색하여 투과전자현미경(Joel 1200 EX II, Japan)으로 관찰하였다. 결과 소음폭로 시간에 따른 청력역치의 변화 4000 Hz, 평균 110 dB의 지속적 소음폭로 직후 청력역치를 측정한 결과 소음폭로전 평균 12 dB의 청력역치를 보이고 있었으나, 소음폭로 10분 후 평균 48 dB, 1시간 후 평균 73 dB, 2시간 후 평균 93 dB을 보였으며 3시간 이후에는 반응을 보이지 않는 완전농의 소견을 보여 노출시간의 증가에 따른 청력역치의 상승을 관찰할 수 있었다(Fig. 1). 투과전자현미경 소견 평균 12 dB의 청력역치를 보인 대조군에서는 정상적인 와우의 외유모세포, Deiters 세포 및 신경절세포를 관찰할 수 있었다(Fig. 2). 대조군과 비교하여 소음폭로 직후 평균 48 dB의 청력역치를 보인 소음폭로 10분군에서는 외유모세포, Deiters 세포 및 신경절세포에서 거의 변화가 없는 소견을 보였으나, 소음폭로 직후 평균 73 dB의 청력역치를 보인 소음폭로 1시간군에서는 외유모세포에서 부동섬모 소실, mitochondria와 RER 등의 세포내용물 소실 및 공포형성을 관찰할 수 있었으며, 지지세포인 Deiters 세포내 공포형성 및 신경연접부내 신경섬유 말단의 손상, 신경절세포의 신경섬유 수초의 분리 및 공포형성 등을 관찰할 수 있었다(Fig. 3). 소음폭로 직후 평균 93 dB의 청력역치를 보인 소음폭로 2시간군에서는 1시간군과 비교하여 거의 유사한 소견을 보였으나, 소음폭로 직후 완전농의 소견을 보인 소음폭로 3시간군에서는 외유모세포의 붕괴, 세포질의 소실 및 핵의 농축, Deiters 세포내 공포의 증가 및 당김원섬유의 융합, 지골형돌기의 단절, 그리고 신경절세포의 신경섬유 수초의 파괴를 관찰할 수 있었다(Fig. 4). 소음폭로 3시간 이후의 내이 조직들은 거의 파괴되어 형태를 알아보기 힘들었다. 이상의 결과로 보아 지속적 소음폭로 직후 와우의 손상정도에 비례하여 청력역치의 증가가 나타나는 것을 관찰할 수 있었으며 소음폭로 초기에 외유모세포, 지지세포와 더불어 신경절세포의 손상도 같이 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 고찰 문명이 발달함에 따라 각종 산업, 기계, 총포, 교통수단, 음악 등에 의한 소음의 증가에 의해 소음공해는 대기, 수질 다음으로 중요한 환경문제가 되고 있으며 전세계적으로 많은 수의 인구에서 소음에 의한 청력장애를 가지는 것으로 알려져 있다.11) 강력한 소음의 노출은 유모세포 뿐만 아니라 신경절세포에도 손상을 주는 것으로 알려져 있으며 이러한 손상은 적어도 60 dB이상의 청력소실을 유발시킬 수 있는 것으로 보고되고 있으며11) Suzuka와 Schuknecht12)는 신경절세포의 구심성신경섬유의 말단으로부터 역행성 변성이 나타나게 되고 결국 와우신경핵의 변성이 나타나 청력소실이 영구적으로 나타난다고 하였다. 소음노출에 의한 내이손상의 기전은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. Schuknecht와 Tonndrorf13)는 내이손상의 기전을 기계적 손상설과 물리화학적 손상설의 두 가지로 설명하였는데, 기계적 손상설에 의하면 강력한 소음에 의해 기저막의 과도한 떨림이 나타나게되고 결국 이로 인해 내이손상이 나타난다고 보고있으며, 기계적 손상은 기계적응력과 관계가 있으며 이것은 가속도에 비례하므로 고주파에 노출될수록 유모세포의 손상이 심해진다고 생각하였다. 물리화학설에 의하면 계속적인 소음에 노출되면 세포내 화학물질과 효소들의 과도한 소모가 나타나게 되고 이에 의해 이차적인 유모세포의 손상이 나타난다고 하였다. Chan 등14)은 내이손상의 기전에 대해 내이의 손상은 기계적 손상과 대사적 손상의 상호작용에 의해 나타나며, 강력한 자극에 의해서는 유모세포의 손상이 대사적 손상에서 기계적 손상으로 바뀐다고 하였고 이러한 기전의 임계점은 120 dB 내지 125 dB이라고 보고하였다. 대사적 손상에 대해서는 청력의 과도한 자극으로 유모세포내 칼슘치의 상승과 단백질 분해효소의 활성화가 나타나며 이러한 대사의 변화로 세포골격의 변화를 유발하여 세포의 손상을 초래한다고 보고하였으나, Hamernik 등15)16)은 과도한 대사작용으로 cytotoxic free radical의 생성이 유도되어 세포의 손상이 나타난다고 보고하였고, Abdulla11)는 neurotrophins, growth factors, heat shock proteins, free radical scavengers 등의 작용에 의한다고 보고하였다. Brian 등17)은 기계적 손상이나 대사적 손상 이외에 이차적으로 망상판의 손상으로 인한 고칼륨 성분의 내림프액이 코티씨 기관의 액체공간(i.e. tunnel, Nuel)으로 들어와 세포의 손상을 일으킨다고 보고하였다. 본 실험의 결과에서도 지골형돌기의 단절로 내림프액이 Nuel의 공간으로 유입되는 것이 관찰되어 내림프액에의 노출로 인한 세포손상의 가능성을 추정할 수 있었다. 소음폭로에 의한 와우의 형태학적 변화에 대해서는 유모세포의 변화로 부동섬모의 불규칙, 융합, 소실 및 경직성의 감소, 외유모세포내 내형질세망의 증가 및 당원 저장량의 변화, 유모세포의 의곡, 퇴화, 공포형성 등이 보고되고 있으며,3-6)10) 유모세포의 손상양상에 대해 Harding 등1)은 소음폭로에 의한 유모세포의 높이 변화를 통해 와우의 손상은 기저회전에서 가장 심하게 나타나며 외유모세포의 외층에서 가장 심한 변형을 나타냈다고 보고하였다. 지지세포의 변화로 Deiters 세포의 경합부 파괴, 주세포의 의곡, 붕괴 및 공포화 등이 보고되고 있으며,19)20) 이 외에도 혈관 내피세포의 부종, 내이 모세혈관의 수축 및 폐색,8) 신경수지 및 신경말단의 팽창, 신경수초의 파괴 등이 보고되고 있다.10)19) 본 연구에서는 외유모세포에서 부동섬모의 소실 및 공포형성, 세포질의 소실 및 핵의 농축, 세포형태의 붕괴 등이 관찰되었고, 지지세포인 Deiters 세포내 공포형성 및 신경접합부내 신경섬유 말단의 손상, 신경절세포의 신경섬유 수초의 분리 및 공포형성 등이 관찰되어 이전의 보고들과 유사한 결과를 보였다. 소음폭로에 의해 나타나는 시간적 경과에 따른 내이손상에 대해 Spoendlin10)은 자극음에 노출시킨 후 시간별로 와우의 변화를 조사한 결과 소음노출 후 즉시 신경수지의 팽창이 나타나고 24시간 이후에는 신경수초가 변화되기 시작하여 4일 후까지 지속되다가 그 이후부터 유모세포의 의곡이 나타난다고 하였으나, Brian 등17)이 보고한 바에 의하면 손상초기 유모세포의 변화가 가장 먼저 나타나며 그 뒤를 이어 지지세포들의 변화가 나타나고 신경손상이 가장 마지막에 나타난다고 보고하여 신경절세포의 손상은 소음에 의한 직접적인 손상보다는 코티씨 기관의 손상으로 인한 이차적인 변성으로 나타난다고 보고하였다. 본 연구의 결과에서는 유모세포의 변화와 지지세포의 변화 그리고 신경세포의 변화가 거의 동시에 나타나는 결과를 보여 이전의 보고와는 다른 결과를 보였는데 강력하고 지속적인 소음에 노출시 신경절세포의 손상은 코티씨 기관의 손상으로 인한 이차적인 변성이외에도 소음에 의해 직접적인 손상을 받을 수 있음을 추정할 수 있었다. 이러한 결과는 아마도 본 연구에서 비교적 높은 강도의 자극음을 지속적으로 주었기 때문에 나타난 것으로 생각되며, 이에 대해서는 좀 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 결론 동일 영역의 지속적 소음폭로의 시간에 따른 흰쥐의 소음폭로 직후 청력역치와 와우의 형태학적 변화에 대한 비교를 통하여 와우의 손상정도와 비례하여 청력역치의 상승을 관찰할 수 있었으며, 소음폭로 초기에 외유모세포 및 지지세포의 손상과 시기를 같이하여 신경절세포의 손상이 나타나는 것으로 보아 강력하고 지속적인 소음에 노출시 신경절세포는 코티씨 기관의 손상으로 인한 이차적인 변성이외에도 소음에 의해 직접적인 손상을 받을 수 있음을 추정할 수 있었으며, 이러한 결과로 보아 강력하고 지속적인 소음에 의한 소음폭로 직후 초기 청력의 소실은 외유모세포의 손상과 더불어 신경절세포의 손상도 기여할 수 있다고 추론할 수 있었으며, 이에 대해서는 향후 좀더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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