Molecular Properties and Pathophysiological Relevance of the Predominant K+ Conductance in Cochlear Outer Hair Cells

Äußere Haarsinneszellen (ÄHZ) des Corti´schen Organs im Innenohr werden biophysikalisch charakterisiert durch den K+ Strom IK,n, dessen molekulare Grundlage der spannungsabhängige K+ Kanal KCNQ4 (Kv7.4) ist. IK,n/KCNQ4 dominiert die elektrischen Eigenschaften der ÄHZ Zellmembran und ist darüber hina...

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Main Author: Leitner, Michael
Contributors: Oliver, Dominik (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2012
Subjects:
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Description
Summary:Äußere Haarsinneszellen (ÄHZ) des Corti´schen Organs im Innenohr werden biophysikalisch charakterisiert durch den K+ Strom IK,n, dessen molekulare Grundlage der spannungsabhängige K+ Kanal KCNQ4 (Kv7.4) ist. IK,n/KCNQ4 dominiert die elektrischen Eigenschaften der ÄHZ Zellmembran und ist darüber hinaus essentiell für das Überleben der Zellen. Im knock-out Tiermodell führte der Verlust der KCNQ4 Kanalaktivität zum Untergang der ÄHZ und zu Taubheit. Dies ist klinisch bedeutend, da im Menschen KCNQ4 Mutationen die Ursache für die erbliche Taubheit DFNA2 sind. Der Mechanismus, der zum Haarzelluntergang führt, ist noch unklar, doch korreliert das Überleben von ÄHZ direkt mit der Funktion von KCNQ4. Obwohl der durch Giftstoffe oder Lärm bewirkte Haarzelluntergang (erworbener Hörverlust) dem KCNQ4-bedingten ÄHZ Verlust ähnelt, wurde eine Verbindung zwischen IK,n/KCNQ4 und erworbenem Hörverlust bisher noch nicht experimentell erfasst. In der vorliegenden Arbeit habe ich mich mit der pathophysiologischen Rolle von IK,n/KCNQ4 in klinisch relevantem Haarzelluntergang beschäftigt, der durch Aminoglykosid (AG) Antibiotika hervorgerufen wird. Des Weiteren wurde untersucht, ob chemische KCNQ Kanalöffner die Funktion von IK,n trotz pathophysiologisch relevanter Inhibition wiederherstellen können, um eventuell Protektion der ÄHZ zu ermöglichen. Ich konnte erstmalig zeigen, dass AG Antibiotika schnell in Haarzellen eindringen und IK,n inhibieren. Die Inhibition war darauf zurückzuführen, dass AG über elektrostatische Wechselwirkungen negativ geladene Phospholipide funktionell depletieren, die für die Funktion von IK,n essentiell sind. Verschiedene AG zeigen unterschiedliches ototoxisches Potential: Neomycin führt zum Untergang von ÄHZ, während Gentamycin vestibuläre Haarzellen schädigt. Das Ausmaß der IK,n Kanalinhibition korrelierte (Neomycin > Gentamycin) mit dem Grad der Phospholipid Bindung und mit dem ototoxischen Potential der AG. Dies legt nahe, dass die hohe Anfälligkeit der ÄHZ gegenüber Neomycin auf die Inhibition von IK,n zurückzuführen ist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Aktivität von IK,n durch chemische KCNQ Kanalöffner verstärkt wird. Die AG-induzierte Hemmung von IK,n konnte aufgehoben und die Kanalaktivität vollkommen wiederhergestellt werden. In heterozygoten DFNA2 Patienten werden IK,n Ströme durch einen dominant-negativen Effekt mutierter KCNQ4 Kanaluntereinheiten verringert, was den ÄHZ Untergang bewirkt. Es ist mir im heterologen System gelungen, mittels chemischer KCNQ Kanalöffner KCNQ4 von dieser dominant-negativen Inhibition zu befreien. Die Ströme in Gegenwart der Kanalöffner waren vergleichbar mit Strömen unter Kontrollbedingungen, was gleichbedeutend mit der vollständigen Wiederherstellung der Kanalfunktion war. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ich in dieser Arbeit erstmals eine Rolle der Kaliumleitfähigkeit IK,n in erworbenem Hörverlust demonstrieren konnte. Dies kann die verstärkte Anfälligkeit von ÄHZ gegenüber ototoxischen Einflüssen erklären. Darüber hinaus stabilisieren chemische Kanalöffner IK,n in Anwesenheit von AG und stellen die Funktion von rekombinanten KCNQ4 Kanälen trotz dominant-negativer Inhibition wieder her. Dies könnte Haarzellen vor KCNQ4-bedingtem Untergang schützen. Es bleibt allerdings offen, ob die Substanzen den Verlust der ÄHZ verzögern und Taubheit abwenden können.
DOI:10.17192/z2012.0825