Music-induced hearing loss: development of a temporary treshold shift paradigm and role of prestin as a biomarker

Abstract

This is the dissertation of the PhD project entitled “Music Induced Hearing Loss: Development of a temporary threshold shift paradigm and role of prestin as a biomarker.” It consists of:1. A general part (Chapter I, titled “Introduction–General considerations”) 2. A specific part (Chapters II-VII)This PhD project aimed to determine the significance of a newly proposed biomarker, blood prestin, in noise-induced hearing loss (NIHL). Prestin is the 5th member of an 11-member membrane anion-transporter superfamily (solute carrier family 26 or SLC26). In the cochlea, prestin plays a crucial role in the electromotility of outer hair cells. It was recently shown that free serum prestin can be detected in the blood circulation of rodents and humans by means of Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA). This permeation of prestin to blood circulation is hypothesized to occur either directly through the blood- labyrinthine barrier or via engulfment by phagosomes. The principal motivation for conducting this study was the determination of the role of blood prestin in noise-induced hearing loss and is based on previous findings that supported that blood prestin levels may be associated with the dynamic changes that occur in the cochlea after exposure to loud noise. Blood prestin levels have shown variation after a single loud exposure, in rodents; in Parham et al. (2019), serum prestin levels increased immediately after 2 hours exposure to loud noise and then decreased to near or below baseline at 14 days. In addition to these acute changes, in a recent human study by Parker et al. (2022), blood prestin levels of adults with normal hearing also showed weak negative correlation with average daily noise exposure levels. To investigate changes in blood prestin levels in temporary noise-induced hearing loss in humans, it was decided to measure blood prestin levels in adults with normal hearing before and after exposure to loud music. Prior to this, it was essential to:1. Map the current knowledge about blood prestin in animals and humans, and standardise the process of collecting blood samples and measuring prestin by means of ELISA, as well as assessing their test-retest and intra-rater reliability. Given the limited existing knowledge on prestin blood levels in humans, a scoping review of relevant literature and an observational study on adults with normal hearing were initially conducted. This phase of the project aimed to identify regular blood prestin levels in individuals with normal hearing and their relationships with factors like age, sex, and chronic noise exposure. We showed that serum prestin levels did not differ significantly across time of day, and that our test-retest reliability between duplicates of the same sample was excellent. Neither lifetime noise exposure, age, nor sex correlated with serum prestin levels.2. Develop a music exposure paradigm to safely induce Temporary Threshold Shift (TTS).After a relevant scoping review on experimental studies on NIHL, for practical and ethical reasons, it was decided to focus on temporary rather than permanent hearing loss. A time-efficient loud music exposure paradigm, that was shown to induce substantial TTS and distortion product otoacoustic emission (DPOAE) amplitude shifts, without evidence of permanent hearing consequences, was developed. Seventeen participants with normal hearing were included in this phase of the study. All but two participants presented clinically significant TTS or decrease in their DPOAE amplitude in at least one frequency. No participant showed any permanent threshold shift. Once our methods were standardized and the reliability and safety of our paradigm were deemed satisfactory, according to the results of the abovementioned pilot study, I proceeded to assess blood prestin level in individuals with normal hearing before and after their exposure to our music paradigm. Fourteen adults with normal hearing were included in this stage. All participants presented TTS or a decrease in DPOAE amplitude in at least one frequency after music exposure. Mean serum prestin level progressively increased following music exposure, reaching a maximum at 2 h and returned to pre-exposure level at 1 week. Our findings show that blood prestin level may change after exposure to loud music and suggest that the role of serum prestin level as a proxy marker for temporary cochlear dysfunction after exposure to loud noise should be further explored.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο "Απώλεια ακοής που προκαλείται από τη μουσική: και ο ρόλος της πρεστίνης ως βιοδείκτης" αποτελείται από : 1. ένα γενικό μέρος (Κεφάλαιο Ι, με τίτλο "introduction – General considerations")2. ένα ειδικό μέρος (Κεφάλαια II-VII)Η συγκεκριμένη μελέτη είχε ως στόχο να διερευνήσει την αξία της πρεστίνης αίματος ως βιοδείκτης στην προσωρινή απώλεια ακοής που προκαλείται από θόρυβο. Η πρεστίνη είναι το 5ο μέλος μιας οικογένειας διαμεμβρανικών μεταφορέων ανιόντων (solute carrier family 26 ή SLC26). Στον κοχλία, η πρεστίνη συμμετέχει την ηλεκτροκινητικότητα των έξω τριχωτών κυττάρων. Πρόσφατα αποδείχθηκε ότι ελεύθερη πρεστίνη μπορεί να ανιχνευθεί στην κυκλοφορία του αίματος τρωκτικών και ανθρώπων με τη βοήθεια της Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA). Αυτή η διέλευση της πρεστίνης στην κυκλοφορία του αίματος φαίνεται να συμβαίνει είτε απευθείας μέσω του αίματος-λαβυρινθικού φραγμού είτε μέσω της απορρόφησης από φαγοσώματα. Οι ερευνητικές υποθέσεις στην παρούσα μελέτη βασίστηκαν σε προηγούμενα βιβλιογραφικά ευρήματα που υποστηρίζουν ότι τα επίπεδα πρεστίνης στο αίμα μπορεί να σχετίζονται με τις δυναμικές αλλαγές που συμβαίνουν στον κοχλία μετά από βραχεία ή χρόνια έκθεση σε δυνατό θόρυβο. Τα επίπεδα της πρεστίνης στο αίμα έχουν παρουσιάσει διακυμάνσεις μετά από μία και μόνο έκθεση σε δυνατό θόρυβο, σε τρωκτικά: στους Parham et al. (2019) τα επίπεδα της πρεστίνης στον ορό αυξήθηκαν αμέσως μετά από έκθεση 2 ωρών σε δυνατό θόρυβο και στη συνέχεια μειώθηκαν κοντά ή κάτω από τη βασική τιμή σε 14 ημέρες. Επιπρόσθετα, σε μια πρόσφατη μελέτη σε ανθρώπους από τους Parker et al. (2022), τα επίπεδα της πρεστίνης στο αίμα ενηλίκων με φυσιολογική ακοή έδειξαν ασθενή αρνητική συσχέτιση με τα μέσα ημερήσια επίπεδα έκθεσης τους σε θόρυβο. Για να διερευνηθούν οι αλλαγές των επιπέδων πρεστίνης στο αίμα στην περίπτωση απώλειας ακοής από δυνατό θόρυβο στον άνθρωπο, αποφασίσαμε να μετρήσουμε τα επίπεδα πρεστίνης στο αίμα σε ενήλικες με φυσιολογική ακοή πριν και μετά την έκθεση σε δυνατή μουσική.Για την επίτευξη των στόχων της μελέτης, έπρεπε: 1. Να χαρτογραφηθούν οι τρέχουσες γνώσεις σχετικά με την πρεστίνη του αίματος σε ζώα και ανθρώπους και να τυποποιηθεί η διαδικασία συλλογής δειγμάτων αίματος και μέτρησης της πρεστίνης μέσω ELISA, καθώς και να αξιολογηθεί η αξιοπιστία τους. Δεδομένης της περιορισμένης υπάρχουσας γνώσης σχετικά με τα επίπεδα της πρεστίνης στο αίμα στον άνθρωπο, έπρεπε πρώτα να διεξαχθεί μια ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας και, στη συνέχεια, μια μελέτη παρατήρησης σε ενήλικες με φυσιολογική ακοή. Αυτή η φάση αποσκοπούσε στον εντοπισμό με αξιοπιστία της πρεστίνης στο αίμα σε άτομα με φυσιολογική ακοή με τη βοήθεια της ELISA, καθώς και την αξιολόγηση της συσχέτισης των επιπέδων της πρεστίνης ορού με παράγοντες όπως η ηλικία, το φύλο και η χρόνια έκθεση σε θόρυβο. Στη φάση αυτή, σε ένα δείγμα 56 υγιών ατόμων, ταεπίπεδα πρεστίνης στον ορό δεν άλλαζαν σημαντικά κατά την διάρκεια της ημέρας ή της νύχτας, και ότι η αξιοπιστία της μεθόδου μας για την μέτρηση της πρεστίνης στο ίδιο δείγμα αίματος ήταν εξαιρετική. Τα επίπεδα της πρεστίνης στο αίμα δεν έδειξαν συσχέτιση με την χρόνια έκθεση σε θόρυβο, την ηλικία, ή το φύλο των συμμετεχόντων. 2. Να αναπτυχθεί ένα πειραματικό παράδειγμα έκθεσης σε μουσική για την ασφαλή πρόκληση προσωρινής απώλειας ακοής.Μετά από μια σχετική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας ήδη δημοσιευμένων πειραματικών μελετών για την βαρηκοΐα από θόρυβο, για πρακτικούς και δεοντολογικούς λόγους, επιλέχθηκε η επικέντρωση στην προσωρινή και όχι στη μόνιμη απώλεια ακοής από θόρυβο. Έτσι, αναπτύχθηκε ένα πειραματικό παράδειγμα έκθεσης σε δυνατή μουσική σε συνθήκες εργαστηρίου, το οποίο δοκιμάστηκε σε 17 συμμετέχοντες με φυσιολογική ακοή. Όλοι οι συμμετέχοντες πλην δύο παρουσίασαν κλινικά σημαντική αύξηση των ουδών ακοής τους ή μείωση του πλάτους των ωτοακουστικών εκπομπών τους σε τουλάχιστον μία συχνότητα. Κανένας συμμετέχων δεν παρουσίασε μόνιμη απώλεια ακοής.Αφού, λοιπόν, η διαδικασία των μετρήσεων τυποποιήθηκε και η αξιοπιστία και η ασφάλεια τους κρίθηκαν ικανοποιητικές, ακολούθησε η μέτρηση των επιπέδων πρεστίνης στο αίμα σε άτομα με φυσιολογική ακοή πριν και μετά την έκθεσή τους στο μουσικό μας πειραματικό παράδειγμα. Δεκατέσσερις ενήλικες με φυσιολογική ακοή συμπεριλήφθηκαν σε αυτό το στάδιο της μελέτης. Όλοι οι συμμετέχοντες παρουσίασαν παροδική αύξηση των ουδών του τονικού ακοογράμματος τους ή μείωση του πλάτους των DPOAE σε τουλάχιστον μία συχνότητα μετά την έκθεση στη μουσική. Τα μέσα επίπεδα πρεστίνης στον ορό αυξήθηκαν προοδευτικά μετά την έκθεση στη μουσική, φθάνοντας στην μέγιστη τιμής τους στις 2 ώρες. Επέστρεψαν στα επίπεδα που είχαν πριν από την έκθεση σε 1 εβδομάδα μετά από αυτήν. Τα αποτελέσματά αυτά δείχνουν ότι τα επίπεδα πρεστίνης στο αίμα μπορεί να μεταβληθούν μετά από έκθεση σε δυνατή μουσική και υποδεικνύουν ότι ο ρόλος των επιπέδων πρεστίνης στον ορό αίματος ως βιοδείκτης των αλλαγών που γίνονται στον κοχλία μετά την έκθεση σε δυνατή μουσική θα πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω.