The effect of KCNQ4 activator on acute vestibular dysfunction in mouse

Abstract

Acute unilateral vestibulopathy induces vertigo, spontaneous nystagmus, and postural instability. So far, there is no treatment method to recover the vestibule function, instead, visual and postural stability accomplished by central vestibular compensation. KCNQ4 is a voltage-gated K+ channel distributed over afferent nerve of vestibular hair cells. The role of KCNQ4 in the vestibular system is not fully understood. We tried to investigate the role of KCNQ4 in the acute vestibular loss in mouse model. Labyrinthectomy was performed in C57BL/6 mouse with the intraperitoneal application of retigabine (a KCNQ4 activator) or DMSO immediate and 12 hours after the surgery. Vestibular function changes after the labyrinthectomy in each mouse group was examined by measuring the average slow velocity of spontaneous nystagmus and vestibulo-ocular reflex(VOR) in slow harmonic acceleration (SHA). They were measured before the surgery, immediately after the surgery, 1, 12, 48 hours, and 7 days after the injection of each reagent. The same tests were also performed at Kcnq4p.W277S/p.W277S mouse to confirm the effect of retigabine on KCNQ4. The average slow phase velocity of spontaneous nystagmus after the surgery decreased with time in both groups, but the average velocity was significantly decreased more in the mice with retigabine injection. There was no significant difference in SHA test gain until 48 hours after the injection between both groups. However, the retigabine-injected group showed significantly increased gain at 1.28Hz on 7 days after the injection. In contrast, there was no statistically significant difference in the parameters of VOR measurement in the same experiment using Kcnq4p.W277S/p.W277S mouse. To investigate the role of KCNQ4 in the central vestibular system, immunohistochemistry of c-fos in medial vestibular nucleus (MVE) was performed and the expression of c-fos and KCNQ4 was more increased in retigabine-injected mice when compared to DMSO-injected group. The findings suggested that vestibular compensation could be induced more rapidly by the stimulation of KCNQ4 in the central vestibular system.

급성전정기능 저하는 현기증, 자발 안진 및 자세의 불안정을 유발한다. 현제까지는 뇌간의 전정보상으로 달성되는 시각적, 자세적 안정성 대신 전정기능회복을 위한 마땅한 치료법은 존재하지 않는다. KCNQ4는 전정유모세포의 구심성 신경에 분포하는 K+전압계폐 이온 채널이다. 전정계에서 KCNQ4의 역할은 아직 완전히 이해되지 않았다. 우리는 마우스 모델에서 급성 전정 손상에 대한 KCNQ4의 역할을 알아보고자 하였다. 우리는 일측성 미로 절제술로 전정기관이 손상된 마우스 모델을 이용하여, 수술 직후와 12시간 후 KCNQ4활성제인 retigabine과, 그 용매인 DMSO를 복강 내 주사하였다. 각 마우스 그룹에서 일측성 미로 절제술을 받은 후 전정기능의 변화는 정현파회전검사 및 전정안반사의 자발안진의 평균속도 검사를 이용하여 평가된다. 수술 직전, 각 약물을 주사한 후 1시간, 12시간(두번째 주사), 48시간 및 7일 후 시간에 따른 약물에 의한 전정보상 과정을 기록하였다. 이러한 과정을 Kcnq4p.W277S/p.W277S 마우스에서도 수행하며, KCNQ4 채널에 의한 retigabine의 특이적 효과를 확인하였다. Kcnq4+/+ 마우스 그룹에선 48시간까지 정현파회전검사의 이득 값에 유의한 차이가 없었다. 그러나 retigabine을 주사한 그룹은 주사 후 7일째 1.28Hz의 고주파에서 유의하게 증가한 이득값을 보였다. 이와는 대조적으로 Kcnq4p.W277S/p.W277S를 사용한 동일한 실험에서는 전정안반사에서 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 정현파회전검사의 증가된 이득 값은 중추전정기관에서 KCNQ4의 활성화에 의해 유도된 중추전정보상작용의 증가일 가능성이 높을 것으로 예상된다. 중추전정기관의 역할을 확립하기위해, 우리는 c-fos를 사용했다. 뇌간에서 DNA 결합 인자인 c-fos의 발현 수준을 비교하여 DMSO와 retigabine 그룹의 차이를 발견할 수 있었다. 주사 후 3시간째, 우리는 마우스의 전정 기관을 고정하고 마우스의 뇌는 연수부위에 위치한 내측 전정 핵 주위를 동결절편했다. 림프액이 일측성 미로 절제술에 의해 제거되었기 때문에, 오른쪽 전정 기관의 유모세포는 죽고 KCNQ4 채널은 약하게 발현되었다. 따라서 우리는 retigabine이 전정 기관에서 작용을 할 수 없고, 뇌간에서 작용한다는 결론을 내렸다. 우리는 내측 전정 핵에서 KCNQ4의 발현을 발견했고, retigabine 그룹은 DMSO 그룹보다 c-fos의 발현이 더 많았다. 결론적으로 retigabine은 내측 전정 핵의 KCNQ4 채널에 작용하여 일측성미로절제술로 인한 전정기능 장애 마우스 모델에서의 전정 보상수준을 증가시켰다.