Investigation of Protective Mechanisms to Prevent Sensori-neural Impairments Due to Traumatic Interventions of the Cochlea

Abstract

Lärminduzierter Hörverlust (NIHL) und Restgehörverlust nach Cochlea-Implantation sind besonders mit dem Verlust der Cochlea-Haarzellen verbunden. Es gibt mehrere Ansätze, um Haarzellverlust zu hemmen wie die Verwendung von Nahinfrarotlicht (NIR). In früheren Studien wurde NIR-Licht schon nach einem Lärmtrauma effektiv eingesetzt. Trotzdem könnte der Schutz bei einer Einzel-Behandlung vor einem Innenohrtrauma eventuell höher ausfallen, da die Bestrahlung die Cytochrom-C-Oxidase aktiviert und somit vorab mehr ATP gebildet wird (Stabilisation und Schutz von Zellstrukturen). Der erste Projektabschnitt untersucht die Wirkung einer Einzel-NIR-Vorbehandlung zur NIHL-Vorbeugung. Cochleae adulter Mäuse wurden über den äußeren Gehörgang mit NIR-Licht (808 nm, 120 mW für 5, 10, 20, 30 oder 40 Minuten) vorbehandelt und mit Breitband-Rauschen (5-20 kHz) für 30 Minuten bei 115 dB SPL (Schalldruckpegel) beschallt. Eine Versuchsgruppe wurde nur beschallt. Eine weitere Gruppe diente als unbehandelte Kontrolle. Frequenzspezifische ABR (auditive Hirnstammreaktion)-Aufzeichnungen wurden vor allen Behandlungen und zwei Wochen nach den NIR- und Lärmbehandlungen durchgeführt (Bestimmung der Schwellenverschiebung). Auch der Amplitudenanstieg der Welle IV wurde bestimmt. Die Hörschwellen der mit NIR-Licht vorbehandelten Tiere waren nach Lärmexposition für drei Frequenzen der 5-minütigen Vorbehandlung und für den gesamten, in allen anderen Behandlungsgruppen getesteten Frequenzbereich im Vergleich zu den Kontrollen signifikant niedriger. Bei mehr als 10 Minuten Vorbehandlung trat eine Sättigung auf. Durch das NIR-Licht verringerte sich die Amplitude der Welle IV nach der Lärmexposition signifikant als bei der Kontrolle. Der zweite Projektabschnitt untersucht die Effektivität der NIR-Vorbehandlung an einer Cochlea-Elektrodeninsertion bei Dunkin-Hartley-Meerschweinchen. Konisch geformte Cochlea-Implantat-Elektroden-Arrays wurden bilateral in Cochleae adulter Meerschweinchen implantiert. Nur eine Seite wurde randomisiert mit NIR-Licht für 15 Minuten bestrahlt. Die andere Seite diente als intraindividuelle Kontrolle. Kurz vor und vier Wochen nach der Implantation wurden die frequenzspezifischen Hörschwellen bestimmt (Bestimmung des implantationsbedingten Hörverlusts). Auch der cochleäre Haarzellverlust wurde analysiert. Die Hörschwellen der mit NIR vorbehandelten Ohren waren verglichen zur unbehandelten Seite signifikant niedriger. Die Anzahl der fehlenden äußeren Haarzellen war nach einer einzelnen NIR-Vorbehandlung gegenüber den unbehandelten Ohren signifikant um ca. einem Drittel reduziert. Beide Seiten zeigten auch, dass basal in der Cochlea weniger Haarzellen fehlten als apikal resultierend aus einer nicht zu unterbindenden Insertionsdruckwelle. Bei beiden Projektabschnitten fehlten keine inneren Haarzellen. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass eine Einzel-NIR-Vorbehandlung von ca. 15 Minuten zur NIHL-Verringerung und zum Gehörschutz in der Otoneurochirurgie wirksam ist.

Noise-induced hearing loss (NIHL) and loss of residual hearing after cochlear implantation are particularly associated with cochlear hair cell loss. There are several approaches to inhibiting hair cell loss. These include the use of near-infrared radiation (NIR). Previous studies have already applied NIR after noise trauma was delivered and observed significantly reduced amounts of hearing loss. However, the amount of hearing protection could possibly be higher if a single NIR treatment was made before an inner ear trauma. This is because the NIR activates the cytochrome C oxidase and thus more ATP is produced in advance, hence should be better able to protect and stabilize cellular structures. The first part of the project examined the effect of a single NIR pre-treatment to prevent noise induced hearing loss (NIHL). Cochleae of one group of adult mice were pre-treated via the external auditory canal with NIR (808 nm, 120 mW for 5, 10, 20, 30, or 40 minutes). These mice were then noise-exposed with broadband noise (5-20 kHz) for 30 minutes at 115 dB SPL (sound pressure level). Another experimental group was exclusively noise-exposed with the same noise dose specified above. A further group of mice served as untreated control. Frequency-specific auditory brainstem response (ABR) recordings were performed before all treatments and two weeks later to determine the threshold shift. Furthermore, the amplitude increase of wave IV was determined. Compared to the non-NIR irradiated controls, hearing thresholds of 5-minute NIR-irradiated animals were significantly lower after noise exposure for three frequencies. The entire frequency range tested was significantly lower in all other NIR pre-treatment groups compared with the non-NIR irradiated controls. For more than 10 minutes pre-treatment, saturation occurred in hearing protection. Due to NIR light, the amplitude of wave IV deteriorated significantly less after noise exposure than in non-NIR irradiated controls. The second part of the project investigated the effectiveness of NIR pre-treatment on electrode array insertion into the cochleae of Dunkin-Hartley guinea pigs. Conically shaped, cochlear implant electrode arrays were implanted bilaterally into cochleae of adult guinea pigs. Only one side, randomly selected, was irradiated with NIR for 15 minutes. The other side served as an intra-individual control. Shortly before and four weeks after implantation, frequency-specific auditory brainstem thresholds were measured as to be able to determine the implantation related hearing loss. Furthermore, the cochlea’s hair-cell loss was analyzed. Hearing thresholds of NIR-pre-treated ears were significantly lower compared to the untreated side. The amount of missing outer hair cells was significantly reduced for the single NIR pre-treatment to about one-third compared to the untreated ears. Both sides also showed that the cochlea lacked fewer cells in basal regions than apically, potentially due to the unavoidable pressure wave produced during insertion of the electrode array. In both parts of this project, no loss of inner hair cells was found. The present results indicate that a single NIR pre-treatment of approximately 15 minutes is effective for the reduction of NIHL, as well as for the protection of hearing in otoneurosurgery.