여기에서는 레이저 유도 충격파(LISW)를 사용하여 폭발로 인한 달팽이관 손상의 동물 모델을 만들기 위한 실험 프로토콜에 대해 설명합니다. 측두골이 LISW에 노출되면 폭발에 의한 달팽이관 병태생리학이 재현될 수 있습니다. 이 동물 모델은 달팽이관 병리학을 밝히고 폭발 부상에 대한 잠재적 치료법을 탐색하기 위한 플랫폼이 될 수 있습니다.
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여기에서는 레이저 유도 충격파(LISW)를 사용하여 폭발로 인한 달팽이관 손상의 동물 모델을 만들기 위한 실험 프로토콜에 대해 설명합니다. 측두골이 LISW에 노출되면 폭발에 의한 달팽이관 병태생리학이 재현될 수 있습니다. 이 동물 모델은 달팽이관 병리학을 밝히고 폭발 부상에 대한 잠재적 치료법을 탐색하기 위한 플랫폼이 될 수 있습니다.
귀는 폭발 과압에 가장 취약한 기관이며, 폭발 노출 후 달팽이관 손상이 자주 발생합니다. 폭발에 노출되면 삶의 질에 부정적인 영향을 미치는 돌이킬 수 없는 난청인 감각신경성 난청(SNHL)이 발생할 수 있습니다. 유모 세포의 손실, 나선형 신경절 뉴런, 달팽이관 시냅스, 입체섬모의 파괴와 같은 폭발로 인한 달팽이관 병리에 대한 자세한 설명이 이전에 문서화되었습니다. 그러나 폭발 부상 후 달팽이관 감각 신경 저하를 결정하는 것은 어려운 일인데, 폭발 과압에 노출된 동물은 일반적으로 고막 천공(TMP)을 경험하여 동시 전음성 난청을 유발하기 때문입니다. 순수 감각신경성 달팽이관 기능 장애를 평가하기 위해 레이저 유도 충격파를 사용하여 폭발로 인한 달팽이관 손상의 실험 동물 모델을 개발했습니다. 이 방법은 TMP 및 수반되는 전신 손상을 피하고 LISW 노출 후 에너지 의존적 방식으로 SNHL 구성 요소의 기능 저하를 재현합니다. 이 동물 모델은 병리학적 메커니즘을 규명하고 모세포로 인한 달팽이관 기능 장애에 대한 잠재적인 치료법을 탐색하기 위한 플랫폼이 될 수 있습니다.
난청과 이명은 가장 흔한 장애 중 하나이며, 재향 군인의 최대 62%가 보고하고 있습니다1. 감각신경성 난청(sensorineural hearing loss, SNHL) 및 고막천공(tympanic membrane perforation, TMP)을 포함한 여러 폭발로 인한 청각 합병증이 폭발 과압에 노출된 사람들에게서 보고되었다2. 또한, 폭발에 노출된 개인에 대한 연구에 따르면 폭발에 노출되면 청력 역치가 정상 범위 내에 있는 경우에도 청각 시간 해상도에 결함이 발생하는 경우가 많으며, 이를 "숨겨진 청력 손실(HHL)"이라고 합니다3. 모세포 관련 달팽이관 병리학에서 내부 유모세포(IHC)와 청각 뉴런(AN) 사이의 달팽이관 시냅스가 크게 소실된다는 것은 잘 알려진 사실이다4. 시냅스 퇴행은 청각 처리 장애를 초래하며 HHL5의 발병에 기여하는 주요 요인입니다. 따라서 청각 기관은 복잡하고 고도로 조직화된 구조를 포함하는 깨지기 쉬운 구성 요소입니다. 하지만 돌파가 세포 수준에서 내이에 영향을 미치는 정확한 메커니즘은 아직 불분명합니다. 이는 실험실 환경에서 폭발 부상의 정확한 임상 및 기계적 복잡성을 복제하는 데 어려움이 있고 폭발로 인한 달팽이관 병리학의 복잡성 때문입니다.
폭발 부상의 주요 구성 요소는 충격파(SW)이며, 이는최고 압력(6)의 빠르고 높은 증가를 특징으로 합니다. 폭발 부상의 복잡성은 수많은 후향적 연구에서 광범위하게 조사되었습니다 7,8,9. 압축 가스(10), 충격관(11) 및 소형 폭발물(12)과 같은 폭발 발생을 위한 다양한 장치가 서로 다른 압력 수준에서 존재한다. 최근에 개발된 장치에서 발생하는 SW의 압력 파형은 실제 폭발 때와 매우 흡사했습니다. 모세포에 의한 감각신경성 난청의 동물 모델을 확립하는 데 있어 중요한 개념은 동물의 죽음을 줄이기 위해 청각 손상 이외의 동반 부상을 최소화하는 것입니다. 따라서 폭발 부상 연구가 개발되어 충격 튜브가 소형화되고 출력을 정밀하게 제어하여 노출된 동물이 거의 죽지 않도록 할 수 있습니다. 그러나 이러한 동물모델에서는 일반적으로 TMP와 같은 합병증이 발생하지만, 동시에 발생하는 전음성 난청으로 인해 달팽이관 기능 평가가 어렵다2. 우리는 이전에 귀마개를 사용한 폭발 부상에 대한 귀 보호 동물 연구를 수행했으며 TMP13의 발생률을 발견하지 못했습니다. 귀마개는 심각한 달팽이관 손상을 부분적으로 약화시킬 수 있지만 중추 청각 신경 퇴행이나 이명 발생은 완화할 수 없습니다. 따라서 귀마개는 달팽이관과 고막을 보호합니다. 그러나 폭발 손상으로 인한 달팽이관 병태생리를 연구하기 위해서는 TMP가 없는 폭발로 인한 순수 달팽이관 손상의 동물 모델이 필요합니다.
우리는 이전에 레이저 유도 충격파(LISW)를 사용하여 쥐와 생쥐에서 내이의 국소 폭발 손상 모델을 개발했습니다14,15. 이 방법은 표준 실험실 수준에서 안전하고 쉽게 수행 할 수 있으며 폐 및 두부 폭발 손상 모델을 생성하는 데 사용되었습니다16,17. LISW의 에너지는 레이저 유형과 출력을 변경하여 조정할 수 있으므로 달팽이관 손상 정도를 제어할 수 있습니다. LISW 유발 달팽이관 손상 모델은 폭발 손상으로 인한 인공와우의 메커니즘을 연구하고 잠재적인 치료법을 조사하는 데 유용합니다. 이 연구에서는 LISW를 사용하여 폭발로 인한 달팽이관 손상의 마우스 모델을 만들기 위한 자세한 실험 프로토콜을 설명하고 LISW 노출 후 마우스에서 에너지 의존적 방식으로 유모 세포(HC), 달팽이관 시냅스 및 나선형 신경절 뉴런(SGN)의 손실을 포함한 달팽이관 퇴행을 보여줍니다.
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모든 실험 절차는 국방 의과 대학의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(승인 #18050)의 승인을 받았으며 국립 보건원과 일본 문부과학성의 지침에 따라 수행되었습니다. 동물의 수와 고통을 최소화하기 위해 모든 노력을 기울였습니다.
1. 동물
2. LISW 노출의 실험 설정
3. 인공와우 기능 검사
참고: 청각 뇌간 반응(ABR) 검사는 이전에 보고된대로 수행되었습니다 14,15.
4. 조직학적 평가
참고: 조직학적 평가는 앞서 설명한 바와 같이수행하였다 14,15.
5. 통계 분석
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LISW 파형
LISW 압력 파형의 재현성은 다음과 같이 2.0 J/cm2 에서 5배 측정하였다. 파형은 대체로 유사하고 안정적이었으며, 시간 폭, 피크 압력 및 임펄스가 0.43±0.4μs, 92.1 ± 6.8MPa, 14.1 ± 1.9 Pa∙s(중앙값 ± SD)로 급격히 증가했으며, 이는 SW 특성에 해당합니다(그림 1B). LISW는 빠른 상승 시간, 높은 피크 압력, 짧은 지속 시간 및 양압 우세가 특징입니다. 생체조직에 적용하는 경우, 타겟을 젤리를 통해 생체 조직에 직접 배치하며, SW는 측정된 SW가 조직에 적용된 것과 거의 동일한 특성을 갖는다고 볼 수 있다. LISW에 노출된 후 소형 디지털 내시경을 사용하여 TMP의 발생을 평가했습니다. LISW 에너지 그룹의 마우스 중 어느 것도 노출 후 TMP를 나타내지 않았습니다(그림 1C).
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이 연구는 LISW를 사용하여 폭발로 인한 달팽이관 손상의 마우스 모델을 검증하는 것을 목표로 했습니다. 우리의 발견은 측두골을 통해 LISW를 적용한 후 노출된 쥐의 귀가 달팽이관에서 일관된 병리학적 및 생리학적 감소를 보였으며 이는 LISW 과압의 증가를 동반했음을 보여주었습니다. 이러한 결과는 이 마우스 모델이 LISW 출력을 조정하여 다양한 달팽이관 병리학을 복제하는 데 적합하다는 것을 나타냅니다. 특히, 이 LISW 유도 달팽이관 기능 장애 마우스 모델은 통제되고, 재현 가능하고, 정량화 가능한 특성뿐만 아니라 통제된 조건에서 병태생리학적 달팽이관 감소를 재현할 수 있는 능력으로 인해 우수한 달팽이관 손상 모델이 될 수 있습니다.
이전 연구에서는 쥐 모델을 사용하여 청력 역치 상승, 시냅스 리본 손실, 입체섬모 다발 파괴를 포함한 LISW 유발 달팽이관 변성을 관찰했다14
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저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.
이 작업은 JSPS KAKENHI의 두 가지 보조금(보조금 번호 21K09573 (K.M.) 및 23K15901 (T.K.))의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 532 nm Q-스위치 Nd:YAG 레이저 | Quantel | Brilliant b | |
| ABR 피크 분석 소프트웨어 | Mass Eye and Ear | N/A | EPL Cochlear Function Test Suite |
| 아크릴 수지 용접 접착제 | Acrysunday Co., Ltd | N/A | |
| 컨포칼 형광 현미경 Leica | TCS SP8 | ||
| 동결 절제 화합물 | Sakura | Tissue-Tek O.C.T | |
| CtBP2 항체 | BD Transduction | #612044 | |
| 유전체 다층 거울 | SIGMAKOKI CO.,LTD | TFMHP-50C08-532 | M1-M3 |
| 디지털 오실로스코프 | Tektronix | DPO4104B | |
| 이어폰 | CUI | CDMG15008-03A | |
| 수중청음기 | RP 음향 | ||
| Image J 소프트웨어 플러그인 | NIH | 측정 라인 | https://myfiles.meei.harvard.edu/xythoswfs/webui/_xy-e693768_1-t_wC4oKeBD |
| 광학 현미경 | Keyence Corporation | BZ-X700 | |
| Myosin 7A 항체 | Proteus Biosciences | #25– 6790년 | |
| 신경필라멘트 항체 | Sigma | #AB5539 | |
| Plano-convex lens | SIGMAKOKI CO.,LTD | SLSQ-30-200PM | |
| 프리즘 소프트웨어 | GraphPad | N/A | ver.8.2.1 |
| 주사전자현미경 | JEOL Ltd | JSM-6340F | |
| 소형 디지털 내시경 | AVS Co. Ltd | AE-C1 | |
| 초음파 젤리 | 히타치 알로카 메디컬 | N/A | |
| 가변 감쇠기 | Showa Optronics Co. | 현재 | 사용 가능한 후계자: KYOCERA SOC Corporation, RWH-532HP II |
| 수용성 캡슐화제 | 다코 | #S1964 |
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