Auswirkungen von Schalltraumata unterschiedlicher Intensität auf das Phänomen der cochleären Synaptopathie am C57BL/6N-Mausstamm

Abstract

Die lärminduzierte cochleäre Synaptopathie ist durch einen teilweisen Verlust von Synapsen zwischen den inneren Haarzellen und den Spiralganglion-Neuronen des Innenohres gekennzeichnet, ohne jedoch eine dauerhafte Erhöhung der Hörschwelle zu verursachen. Dieses Phänomen wurde erstmals an der Mauslinie CBA/CaJ nach einer zweistündigen Schallexposition mit 100 dB SPL im Frequenzbereich 8 – 16 Hz beschrieben. Es kam im mittel- bis hochfrequenten Bereich zu einer Erhöhung der Hörschwellen um bis zu 40 dB, die sich nach 2 Wochen zurückbildete, jedoch zu einem permanenten Verlust von bis zur Hälfte der präsynaptischen Ribbons (Kujawa & Liberman, 2009). In dieser Studie wurde die cochleäre Synaptopathie bei Mäusen der C57BL/6N-Linie vier Wochen nach einem Schalltrauma untersucht. Die Tiere waren in Narkose für 2 h einem weißen Rauschen von 8 – 16 kHz mit Schalldruckpegeln von 100 dB SPL, 106 dB SPL oder 112 dB SPL ausgesetzt worden. Gleichaltrige Kontrolltiere hatten kein Schalltrauma erhalten. Ableitungen vom auditorischen Hirnstamm (ABR-Ableitungen) dienten der Bestimmung der Hörschwelle vor, direkt nach und zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Trauma (Blum et al., 2024; Derleder, eingereicht). Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der immunhistochemischen Charakterisierung der Synapsen der inneren Haarzellen 4 Wochen nach dem Trauma in whole-mount-Präparaten der fixierten, unentkalkten Cochlea mit allen cochleären Abschnitten (apikal, medial, midbasal, basal). Präsynaptische Ribbons wurden mit anti-CtBP2-Antikörpern markiert; Postsynapsen mit Antikörpern gegen Homer1, ein tertiäres Strukturprotein der postsynaptischen Glutamatrezeptoren. Mit Hilfe eines konfokalen Laserscanningmikroskops wurden Bildstapel der indirekten Immunfluoreszenzsignale im Bereich der inneren Haarzellen aufgenommen und offline verarbeitet, wobei die quantitativen Auswertungen an maximalen Intensitätsprojektionen erfolgten. Die Anzahl der Ribbons von ca. 17,5 pro innerer Haarzelle nahm durch das 100 dB SPL-Trauma midbasal um 40 % und basal um 47 % ab. Die von CBA/CaJ-Mäusen bekannten Veränderungen der Anzahl und Größe der Ribbons wurden in dieser Studie nach dem Schalltrauma von 100 dB SPL, dem niedrigsten Trauma, beobachtet. Überlebende Präsynapsen waren praktisch immer gepaart und wiesen eine Größenzunahme auf. Eine Steigerung der Traumaintensität hatte eine stärkere permanente Erhöhung der Hörschwelle und eine Erweiterung des betroffenen Frequenzbereichs, jedoch keine stärkeren präsynaptischen Veränderungen zur Folge. Die postsynaptischen Strukturen waren gegenüber den Traumata deutlich widerstandsfähiger als die Ribbons, was zu 3 – 5 ungepaarten Postsynapsen pro innerer Haarzelle führte und im Widerspruch zu den Ergebnissen an CBA/CaJ-Mäusen steht (Kujawa & Liberman, 2009). Wegen des geringeren Verlusts von Postsynapsen im Vergleich zu Ribbons im C57BL/6N-Mausmodell 6 könnte eine hypothetische Regeneration geschädigter Präsynapsen zu einer Wiederherstellung der unterbrochenen synaptischen Informationskanäle von der Cochlea ins Gehirn führen.

Noise-induced cochlear synaptopathy is characterized by partial loss of synapses between inner hair cells and spiral ganglion neurons of the inner ear without causing a permanent increase in hearing thresholds. This phenomenon was first described after exposing CBA/CaJ mice to noise of 100 dB SPL between 8 – 16 kHz for 2 hours. Hearing thresholds, which were elevated up to 40 dB in the mid-to high-frequency range, recovered within two weeks, but up to 50 % of presynaptic ribbons degenerated irreversibly (Kujawa & Liberman, 2009). In the present study, cochlear synaptopathy was assessed in mice of the C57BL/6N-line four weeks after a noise trauma. Anesthetized mice were exposed to white noise from 8 – 16 kHz with sound pressure levels of 100 dB SPL, 106 dB SPL or 112 dB SPL. Aged-matched control animals did not receive a noise trauma. Recordings from the auditory brainstem (ABR recordings) yielded hearing thresholds before, directly after and at certain time points after the trauma (Blum et al., 2024; Derleder, eingereicht). The present study focuses on the immunohistochemical characterization of inner hair cell synapses four weeks after trauma in whole-mount specimen of fixed, non-decalcified cochleae containing all cochlear regions (apical, medial, midbasal and basal). Presynaptic ribbons were labelled with anti-CtBP2 antibodies; postsynapses with antibodies against Homer1, a tertiary scaffold protein of postsynaptic glutamate receptors. Using a confocal laser scanning microscope, image stacks of indirect immunofluorescence signals were acquired and processed off-line. Quantitative analyses were carried out on maximum intensity projections. The 100 dB SPL trauma caused a reduction of the number of ribbons (~ 17,5 per inner hair cell) by 40 % in the midbasal and by 47 % in the midbasal region, respectively. Similar changes in the number and sizes of ribbons known from CBA/CaJ mice were observed in the present study after the trauma of 100 dB SPL, the lowest trauma applied. Surviving ribbons were paired and additionally enlarged. Increasing trauma intensity led to enhanced permanent increases in hearing thresholds in a wider frequency range but not to more pronounced presynaptic changes. Postsynaptic structures were more resistant to the traumata than ribbons, leading to 3 – 5 unpaired postsynapses per inner hair cell, which contrasts results in CBA/CaJ mice (Kujawa & Liberman, 2009). Because of the smaller loss of postsynapses versus ribbons in the C57BL/6N mouse model, a hypothetical regeneration of damaged ribbons might lead to the restoration of interrupted synaptic information channels from the cochlea to the brain.