Elucidating pathological mechanisms of hearing loss induced by hypothyroidism using Duox2 mutant mice and rescuing with exogenous thyroid hormones

Abstract

Background, Developmental thyroid disorders can lead to hearing loss. Previous studies showed that the tectorial membrane, middle ears, and otic capsule were defective in various mouse models of hypothyroidism. However, it is still unclear how the lack of thyroid hormones leads to such defects in the inner and middle ear structures, which may be responsible for the hypothyroidism-induced hearing loss. In this study, pathological mechanisms of hypothyroidism- induced hearing loss in Duox2 mutant mice was elucidated, and exogenous thyroid hormones were supplied to rescue hypothyroidism-induced hearing loss. Material and methods, To investigate the pathological mechanisms of the hypothyroidism-induced hearing loss, we analyzed the inner ears of a spontaneous mutant from the Jackson Lab, which carries a mutation in dual oxidase 2 (Duox2). Duox2 is an essential enzyme in thyroid hormone synthesis, and mutations in the DUOX2 gene in humans have been shown to cause typical phenotypes of congenital hypothyroidism. We evaluated serum levels of T4, hearing function by ABR analysis, histological phenotypes by H&E staining, and gene expression patterns by in situ hybridization. Results, Duox2 mutant mice suffered from hypothyroidism and growth retardation and severe hearing loss, and their tectorial membrane is severely thickened. To understand the molecular mechanisms of thickening of the tectorial membrane, we examined expression patterns of receptors for thyroid hormones. Size of round window is decreased and middle ear ossicles were enlarged. To rescue hearing loss of Duox2 mutants, we supplied exogenous thyroid hormones and growth was recovered and hearing ability was significantly improved. Tectorial membrane, middle ears and round window developed normally. Conclusion, Hypothyroidism-induced hearing loss in Duox2 mutants is resulted from abnormally thickened tectorial membrane in the inner ear and enlarged middle ear ossicles. Exogenous thyroid hormone treatment during neonatal stages can rescue structural defects of the inner and middle ears and significantly improve hearing ability in Duox2 mutant mice 발달 과정에서의 갑상선 질환은 청력 손실로 이어질 수 있다. 이전의 연구들은 갑상선 기능저하증의 다양한 마우스 모델에서 개막, 중이, 미로골낭에 결함이 있다는 것을 밝힌 바 있다. 그러나 갑상선 호르몬의 부족이 어떻게 내이와 중이의 결함으로 이어져 청력 손실의 원인이 될 수 있을지는 아직 불분명하다. 본 연구에서는 Duox2 돌연변이 쥐의 갑상선 기능 저하로 인한 청력 손실의 병리학적 기전을 설명하고, 갑상선 기능 저하로 인한 청력 손실을 정상화하기 위해 외부에서 갑상선 호르몬을 공급하였다. 갑상선 기능 저하로 인한 청력 손실의 병리학적 기전을 조사하기 위해 이중 산화효소 2(Duox2)의 돌연변이를 가진 자발적 돌연변이 쥐의 내이를 분석하였다. Duox2는 갑상선 호르몬 합성에 필수적인 효소로, 인간의 Duox2 유전자의 돌연변이는 선천성 갑상선 기능저하증의 대표적인 표현형을 유발하는 것으로 나타났다. 혈청 T4의 수치, ABR 분석에 의한 청력 역치, 조직학적 표현 형태, 현장 혼성 기법을 이용하여 유전자 발현 패턴을 평가했다. Duox2 돌연변이 생쥐는 갑상선 기능저하증과 성장지체, 심한 청력손실을 보였고 내이 개막이 심하게 두꺼워졌다. 개막이 두꺼워지는 기전을 이해하기 위해 갑상선 호르몬에 대한 수용체의 표현 패턴을 조사하였다. 또한 중이를 관찰하였을 때 이소골의 크기가 증가하고 정원창의 크기가 감소한 소견이 보였다. Duox2 돌연변이의 청력 손실을 구제하기 위해 외부 갑상선 호르몬을 공급하여 성장이 회복되고 청각 능력이 크게 향상되었으며 개막, 중이, 정원창이 정상적으로 발달함을 확인하였다.