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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1998;41(10): 1231-1234. |
| Noise Induced Expression of 72kD Heat Shock Protein in Rat Saccule. |
| Han Kyu Suh, Dong Hee Yoo, Eun Soo Lee, Jin Ho Choi, Hyun Ho Lim, Soon Jae Hwang |
| Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, College of Medicine, Korea University, Seoul, Korea. kughent@nuri.net |
| 소음에 노출된 백서 구형낭에서 72kD Heat Shock Protein의 발현 |
| 서한규 · 유동희 · 이은수 · 최진호 · 임현호 · 황순재 |
| 고려대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실 |
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| 주제어:
소음자극ㆍ백서ㆍ구형낭ㆍ72KD heat shock protein. |
| ABSTRACT |
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Heat shock protein (HSP) is an intracellular protein, expressed for cell protection under stressful condition. Expression of HSP was found in cochlear after noise stimulation. The vestibular end organs, especially saccule, have been known to be damaged by loud sound because of its anatomical and embryological vicinity with the cochlea. In this study, we observed the function of HSP72 that it is indeed expressed in rat saccule following noise stimulation.
MATERIALS AND METHODS:
Experimental animals were exposed to noisy environment at 100, 110 and 120 dB SPL for 90 minutes.
Noise stimulation was transferred through a tone hook of behind-the-ear type hearing aid. Saccule was dissected and stained immunohistochemically and examined for expression of HSP under light microscope.
RESULTS:
Strong immunoreactivities were observed at type I and II hair cells of rat saccule which received noise of 120 dB for 90 minutes. Stronger imm-unoreactivities were found along the marginal areas of the saccule.
CONCLUSION:
These findings suggest that HSP72 are expressed in rat saccule following overthreshold noise and it could be presumed that HSP72 may have a protective role against noise trauma. |
| Keywords:
Heat shock proteinㆍSacculeㆍnoise |
서론
생체에 해를 주는 스트레스가 가해지면 방어기전의 하나로 heat shock protein(HSP)이라는 단백질의 생성이 유도되거나 증가한다. 이 단백질은 스트레스 동안 손상된 단백질을 제거하거나 세포가 필요로 하는 단백질의 합성을 보호하는 조절과정에 기여하여 이후에 동일한 자극은 물론 다른 종류의 자극이 추가로 가해져도 세포를 보호하여 생존능력을 현저히 향상시키는 역할을 한다.1)2)
생체에 스트레스가 가해지면 다른 단백질의 생성은 줄어드는 반면 HSP이 새로이 생성되는데 이는 HSP이 스트레스로 부터 생체를 방어하기 위한 기능을 가지고 있다는 것을 암시하는 것이다.3)
지나친 소음은 청각기 뿐 아니라 인접한 전정기관에도 음압파(acoustic pressure wave)에 의하여 손상을 줄 수 있으며4) 이때 전정기관의 손상은 이석기관 뿐 아니라 세반규관에도 발생할 수 있으나 특히 구형낭은 와우와 근접하여 위치하고 있으며 태생학적으로 청각에 관여하기 때문에 소음에 노출될 경우 손상을 많이 받을 수 있다.5)
소음에 의한 말초전정기관의 손상에 대하여 광학, 전자현미경을 이용한 조직검사상의 변성이나 임상적 검사를 통한 증명은 여러 보고에서 알려져있으나 세포학적 측면에서 구형낭의 손상에 대한 증명은 현재까지 보고되어진 바가 없었다. 소음 자극 후 구형낭의 유모세포에서 HSP이 발현된다면 이는 유모세포가 역치 이상의 손상이나 스트레스를 받는다는 사실을 암시하는 것이므로 본 실험에서는 실험 동물의 귀에 소음자극을 준 후 구형낭에서 HSP72의 발현을 관찰하여 심한 소음에 노출된 경우 구형낭 감각세포의 손상 유무를 알아보려 하였다.
실험재료 및 방법
실험동물과 소음피폭방법
실험동물은 정상 이개반응과 고막에 이상이 없는 체중 200∼250 gm 내외의 Sprague-Dawley계의 성숙된 백서를 사용하였다. 실험동물을 방음된 소음피폭실에 넣은 후 audio signal generator를 이용하여 100, 110, 120 dB 크기의 녹음된 rock & roll 음악을 각각 10마리씩 우측 귀에 90분간 노출시키고 2시간 뒤에 희생시켰다. Audio sign-al generator는 발진 집적회로(ICM8083)와 주파수 카운터 집적회로(ICL7216D, Intersil co. Japan)를 사용하였고 여기서 나오는 소음을 실험동물의 중이강내로 직접 전도되도록 이후형(behind-the-ear) 보청기(155 AGI I Amplius, Danavox, Denmark)를 사용하여 tone hook를 실험동물의 고막 가까이에 유치시킨 후 소음을 주었다. 출력된 음의 크기는 hearing aid analyser (MS 25, Interacoustics, Denmark)를 이용하여 재검증 하였다.
구형낭의 면역화학적염색
실험동물은 우레탄(0.5 cc/100 gm, Sigma, USA)을 복강내 주사하여 전신 마취한 후 개흉하여 심장을 노출시킨 후 4% paraformaldehyde로 심내관류 고정하여 희생시키고 두개골에서 측두골을 분리하였다. 같은 고정액으로 정원창막을 통하여 전정기를 국소 고정하고 24시간동안 후고정하였다. 고정된 측두골은 실체현미경(Olymphus, Japan)하에서 미세해부하여 표층표본(surface preparation)을 만들었고 다른 측두골들은 10 μm 두께로 동결절편을 만들어 면역화학적 염색을 시행하였다.
항원-항체반응을 위하여 1차 항체(항HSP72 단일클론, 1：500, Stress Gen, Canada)와 4℃에서 20시간동안 반응시킨 후 2차 항체(biotin labeled IgG 1：400 in PBS) 용액에 2시간동안 처리하고 Vectastain ABC kit를 이용하여 항원-항체반응을 관찰하였다.
결과
소음에 노출되지 않은 좌측의 정상 구형낭과 100, 110 dB 소음에 노출되었던 실험동물의 구형낭 신경 상피층 세포에서는 HSP 72에 대한 면역반응을 관찰할 수 없었으나 120 dB 소음에 90분간 피폭된 백서 10마리 중 7마리의 구형낭에서 HSP72에 대한 면역반응을 관찰할 수 있었다. 구형낭의 표층표본 조직에서 HSP72의 발현이 구형낭 전체에 걸쳐 발현되는 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 1). HSP72이 발현된 세포가 유모세포인지 확인하기 위하여 시행한 절단조직의 면역반응 검사에서 유모세포들의 세포핵과 세포질에서 면역반응이 관찰되어 소음에 의한 구형낭의 손상이 유모세포에서 발생함을 알 수 있었다(Fig. 2).
고안
문명의 발달에 따라 현대인은 피치못하게 소음에 노출되는 시간이 늘어나고 강도가 큰 소음에 피폭되고 있다. 소음에 의한 청각기의 손상은 이미 밝혀져 있으며 청력 손실이 심할수록 전정기능의 장애도 비례하여 증가하고 있다. 소음성 전정기관의 손상은 세반규관의 손상을 초래할 수도 있지만 태생학, 해부학적 특징상 이석기관, 특히 구형낭은 두개골을 통하여 전도되는 저주파의 음을 감지하는 원시적인 청각기의 기능이 있어 소음에 의한 손상이 흔히 발생할 수 있다고 알려져 있다.5)
소음에 의한 전정기관의 손상에 대하여 많은 조직병리학적, 임상적 연구가 보고되어 있으나 대부분의 경우 전정기관의 감각신경세포 자체의 변성보다 주변의 지지세포의 변성이나 신경상피층이 하부의 결체조직과 분리되는 기계적 손상만을 관찰할 수 있었으며 실제 감각신경세포의 변성을 관찰하지는 못하였다. 그러나 저자들의 실험 결과에서는 구형낭의 유모세포에서 HSP72가 발현된 것으로 보아 소음에 의한 구형낭의 손상이 유모세포내에서도 발생함을 알 수 있었다. 소음에 의한 전정기관의 손상 원인에 대하여 Lim 등6)은 20 Hz 이하의 저주파 소음을 160 dB 강도로 친칠라에 준 결과 구형낭 벽의 파열과 수종(hydrops)을 관찰할 수 있었으나 주파수가 올라갈수록 이러한 손상이 감소한다는 보고로 보아 저주파의 소음이 고주파보다 음에너지가 크므로 과도한 음압에 의하여 전정기관의 손상이 일어날 것으로 생각된다. Eyck7)도 비둘기에 강도 높은 소음을 주고 관찰한 결과 소음에 의한 청각기관의 손상과 유사한 가역적인 변화가 전정기관에서도 발생한다고 하였다.
임상적인 측면에서도 소음성 난청을 보이는 환자의 경우 내임파수종과 비슷한 증상을 호소하는 경우가 많으며 그 정도는 청력손실에 비례하여 발생하는 것으로 알려져 있다. Manabe 등8)의 전기와우청력도를 통한 연구에서는 내임파수종의 특징적인 소견인 가중전압(summation potential)과 활동전압(action potential) 비율(Sp/Ap ratio)의 증가가 소음성난청 환자에서 유의하게 증가되어 있었으며 온도안진검사에서도 47%의 환자에서 전정기능의 저하가 관찰되었다고 보고하였으며 전기안진도검사에서도 청력손실이 심할수록 안구진탕 소견이 증가한다고 보고되어 있다.9) 그러나 소음성난청에 의한 전정기능의 장애는 다른 전정기관의 질환때보다 보상작용이 빠르게 일어난다고 알려져 있다.10)
소음성난청 환자의 체위기록검사에서도 중력선에 대한 body sway의 변화가 심하였으며 특히 4∼6 KHz에서의 청력 손실이 심한 경우 body sway가 심하다고 보고되어 있다.11)12) 이러한 임상 결과는 와우의 기저부쪽의 손상이 클수록 해부학적으로 인접한 구형낭에도 물리적 손상이 많이 작용하는 것으로 해석되며 본 실험의 결과도 과도한 음압파에 의한 물리적 손상을 받았기 때문이라 생각되며 소음에 의한 구형낭 감각세포의 손상이 음압파에 의하여 발생한다는 사실을 간접적으로 증명하는 결과라 생각된다.
HSP72은 소음자극 후 와우 유모세포와 뇌간 와우핵에서 발현되고 방어작용에 관여함이 알려져 있다.13)14) 본 실험의 결과 전정기관 중 청각기와 인접한 구형낭의 유모세포에서 소음자극 후 발현된 HSP72이 실제 소음으로부터 구형낭의 유모세포를 보호하는 역할을 하는지에 대하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
결론
실험동물에 120 dB 강도의 소음을 90분간 가한 뒤 구형낭에서 HSP72의 면역조직화학 염색을 시행한 결과 유모세포에서 HSP72의 발현이 관찰되었으며 이는 소음자극에 의하여 구형낭 유모세포가 역치 이상의 손상을 받았다는 사실을 나타내는 결과라 생각되며 발현된 HSP72이 손상받은 유모세포에서 방어작용을 하기 위함인지에 대하여 향후 계속되는 연구가 필요할 것으로 생각된다.
REFERENCES
1) Welch WJ, Feramisco JR. Nuclear and nucleolar localization of the 72,000-dalton heat shock protein in heat-shocked mammalian cells. J Biol Chemis 1984;259:4501-13.
2) Schlesinger MJ. Heat shock proteins: The search for functions. J Cell Biol 1986;103:321-5.
3) Welch WJ. The mammalian heat shock (or stress) response: A cellular defense mechanism. Adv Exp Med Biol 1987;225:287-304.
4) Ylikoski J. Impulsive noise induced damage in the vestibular end organs of the guinea pig: A light microscopic study. Acta Otolaryngol Stockh 1987;103:415-21.
5) Bucca E, Perani G. Further contributions to the knowledge of vestibular hearing. Acta Otolaryngol 1960;51:260-4.
6) Lim DJ, Dunn DE, Johnson DL, Moore TJ. Trauma of the ear from infrasound. Acta Otolaryngol Stockh 1982;94:213-31.
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8) Manabe Y, Kurokawa T, Saito T, Saito H. Vestibular dysfunction in noise induced hearing loss. Acta Otolaryngol (suppl) Stockh 1995;519:262-4.
9) Man A, Segal S, Naggan L. Vestibular involvement in acoustic trauma: An electronystagmographic study. J Laryngol Otol 1980;94:1395-400.
10) Shupak A, Bar EE, Podoshin L, Spitzer O, Gordon CR, Ben DJ. Vestibular findings associated with chronic noise induced hearing impairment. Acta Otolaryngol Stockh 1994;114:579-85.
11) Ylikoski J, Juntunen J, Matikainen E, Ylikoski M, Ojala M. Subclinical vestibular pathology in patients with noise-induced hearing loss from intense impulse noise. Acta Otolaryngol Stockh 1988;105:558-63.
12) Juntunen J, Matikainen E, Ylikoski M, Ojala M, Vaheri E. Postural body sway and exposure to highenergy impulse noise. Lancet 1987;8553:261-4.
13) Lim HH, Jenkins OH, Miller JM, Altschuler RA. Detection of HSP72 synthesis after acoustic overstimulation in rat cochlea. Hear Res 1993;69:146-50.
14) Lim HH, Altschuler RA. Expression of 72kD heat shock protein with noise induced temporary threshold shift in rat cochlea. J Korea Otolary-ngol 1994;37:1142-7.
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