mgr inż. Joanna Wójcik Naukowe Centrum Obrazowania Biomedycznego Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu

Transkrypt

1 mgr inż. Joanna Wójcik Naukowe Centrum Obrazowania Biomedycznego Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu ROZPRAWA DOKTORSKA na stopień doktora nauk o zdrowiu ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII REZONANSU MAGNETYCZNEGO W ANALIZIE SKŁADU BIOCHEMICZNEGO PŁATÓW SKRONIOWYCH I CZOŁOWYCH U OSÓB Z SZUMEM USZNYM ANALYSIS OF BIOCHEMICAL COMPOSITION OF TEMPORAL AND FRONTAL LOBES IN PATIENTS WITH TINNITUS USING PROTON MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY Promotor: dr hab. n. med. mgr zarz. Piotr H. Skarżyński prof. nadzw. IFPS Promotor pomocniczy: dr nauk o zdrowiu Katarzyna Cieśla Naukowe Centrum Obrazowania Biomedycznego Instytut Fizjologii i Patologii Słuchu II WYDZIAŁ LEKARSKI WARSZAWSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY Warszawa, 2018

2 STRESZCZENIE Prawidłowe funkcjonowanie ośrodkowego układu nerwowego, w tym układu słuchowego, nie byłoby możliwe bez przekazywania informacji neuronalnej. Aby realizacja tego procesu przebiegała w sposób niezakłócony niezbędne jest zachowanie równowagi neuro-metabolicznej. Do najważniejszych neuroprzekaźników w mózgowiu należą kwas gamma-aminomasłowy oraz glutamina i glutaminian, pozwalające na zachowanie równowagi pobudzająco-hamującej. Szumy uszne to subiektywnie odbierane wrażenia słuchowe, doświadczane przy braku zewnętrznego źródła dźwięku. Sam mechanizm generowania szumów usznych nie został do końca wyjaśniony, jednakże szumom usznym mogą towarzyszyć strukturalne, a także czynnościowe zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym. Badania z udziałem ludzi oraz zwierząt wskazują, że metabolity takie jak kwas gamma-aminomasłowy oraz glutamina i glutaminian, mogą być bezpośrednio związane z szumami usznymi. Metoda protonowej spektroskopii rezonansu magnetycznego ( 1 HMRS) służy do bezinwazyjnej oceny stężenia metabolitów w organiźmie człowieka. Najbardziej rozpowszechnione jest jej zastosowanie w badaniach mózgu, aczkolwiek ograniczenia związane z tą lokalizacją oraz długość i specyfika badania (pacjent leży bez ruchu), stanowi wyzwanie dla badacza. Dodatkowo trudność interpretacji otrzymanych wyników oraz duża liczba zmiennych mająca wpływ na uzyskiwane stężenia powoduje, że nie jest to metoda używana powszechnie w badaniach klinicznych. Celem przeprowadzonych badań była ocena przy użyciu metody protonowej spektroskopii rezonansu magnetycznego ( 1 HMRS), poziomu względnych stosunków stężeń metabolitów mózgowych oraz ocena funkcjonowania psychologicznego osób z szumami usznymi. W szczególności badania miały na celu: a) ocenę za pomocą metody 1 HMRS stężeń kwasu gamma-aminomasłowego (GABA) oraz grupy glutaminowej (Glx) w płatach skroniowym i czołowym, w prawej i w lewej półkuli mózgowej, u osób z jednostronnymi i obustronnymi szumami usznymi oraz w grupie kontrolnej osób bez szumów usznych; b) określenie różnicy w zakresie stężeń metabolitów między półkulami mózgu, w obrębie płata skroniowego oraz płata czołowego, we wszystkich grupach badanych; 2

3 c) sprawdzenie, czy istnieje związek między stężeniem wybranych metabolitów z uporczywością szumów usznych u pacjentów z obustronnymi szumami usznymi i niedosłuchem; d) sprawdzenie, czy pacjenci z szumami usznymi odczuwają problemy natury psychologicznej, ze szczególnym uwzględnieniem depresji oraz lęku; e) sprawdzenie czy istnieje związek między wynikami badań audiologicznych i psychologicznych oraz subiektywną oceną szumów usznych. Materiał i metoda Grupę badawczą stanowiło 89 osób, w tym 10 osób bez szumów usznych oraz niedosłuchu. Wśród pacjentów z szumami usznymi, 26 osób miało słuch prawidłowy (wynik badania audiometrii tonalnej na poziomie < 20 db dla zakresu częstotliwości 0,125-4 khz oraz < 35 db dla 8 khz w obu uszach) oraz jednostronne (N=12) lub obustronne szumy uszne (N=14). W grupie badanej 49 pacjentów miało obustronne szumy uszne oraz symetryczny niedosłuch na różnym poziomie. W tej grupie było 20 kobiet i 29 mężczyzn, a średnia wieku wynosiła 53,5 +/- 13,3 lat. Pozostałe 4 osoby to pacjenci z jednostronnymi szumami usznymi oraz jednostronnym niedosłuchem po tej same stronie. Wszyscy uczestnicy mieli wykonane badanie metodą HMRS dla czterech lokalizacji w mózgu: prawej okolicy czołowej, lewej okolicy czołowej, prawej okolicy skroniowej oraz lewej okolicy skroniowej. Względne poziomy stężeń sumy glutaminy i glutaminianu do kreatyny oraz kwasu gamma-aminomasłowego do kreatyny zostały wyliczone za pomocą programu LCModel. Wszystkie osoby badane wypełniły kwestionariusze psychologiczne: Kwestionariusz do Pomiaru Depresji (KPD) oraz Inwentarz Stanu i Cechy Lęku (ang. State-Trait Anxiety Inventory STAI). Pacjenci z szumami usznymi dodatkowo wypełniali 3 ankiety dotyczące szumów usznych: Inwentarz Trudności Wywołanych Szumami Usznymi (ang. Tinnitus Handicap Inventory, THI), Współczynnik Czynnościowy Szumu Usznego (ang. Tinnitus Functional Index, TFI) oraz Kwestionariusz charakterystyki szumów usznych kwestionariusz opracowany przez specjalistów Instytutu Fizjologii i Patologii Słuchu w ramach realizacji grantu NCN 2011/03/D/N24/ Ze względu na ograniczone liczebności grup, porównania między grupami przeprowadzono z wykorzystaniem testu nieparametrycznego dla zmiennych niezależnych testu U Manna-Whitney a, a porównania wewnątrzgrupowe z wykorzystaniem testu 3

4 nieparametrycznego dla zmiennych zależnych testu znaków rangowych Wilcoxona. Analizę korelacji między czynnikami demograficznymi, audiologicznymi oraz wynikami kwestionariuszy przeprowadzono za pomocą metody r-pearsona. We wszystkich pomiarach przyjęto poziom istotności statystycznej p<0,05. Wszystkie analizy wykonano w programie IBM SPSS Statistics 20. Wyniki i wnioski Na podstawie wykonanej analizy piśmiennictwa stwierdza się, iż przeprowadzone badanie własne z wykorzystaniem techniki 1 HMRS w celu wyznaczenia stężeń metabolitów kwasu gamma-aminomasłowego (GABA) oraz grupy glutaminowej (Glx) w mózgu jest pierwszym na świecie z udziałem tak dużej grupy pacjentów z szumami usznymi. Wyniki uzyskane w pracy doktorskiej pozwalają sformułować następujące wnioski: 1. W grupie osób zdrowych względny poziom metabolitu GABA był wyższy niż w grupach pacjentów z szumami jednostronnymi oraz obustronnymi ze słuchem prawidłowym, we wszystkich ocenianych lokalizacjach w mózgu. Świadczy to o obniżonym hamowaniu w płatach skroniowym i czołowym w przypadku szumów usznych. 2. Dla wszystkich osób ze słuchem prawidłowym stężenie GABA było wyższe w obrębie prawego niż lewego płata czołowego. W grupie pacjentów z szumami jednostronnymi ( lewostronnym ), poziom Glx był wyższy w lewej niż w prawej okolicy czołowej, a poziom GABA w płacie skroniowym w lewej półkuli mózgowej niższy w porównaniu z grupą pacjentów z szumami obustronnymi (oraz słuchem prawidłowym). W grupie pacjentów z obustronnymi szumami usznymi oraz różnym stopniem niedosłuchu nie stwierdzono różnic między prawą a lewą półkulą mózgową w odniesieniu do względnych stężeń GABA oraz Glx. Wyniki świadczą o różnych mechanizmach neuronalnych w przypadku jedno- i obustronnych szumów usznych, jak również o wpływie niedosłuchu na lateralizację mózgową metabolitów. 3. W grupie pacjentów z obustronnymi szumami usznymi oraz różnym stopniem niedosłuchu stężenie metabolitów z grupy glutaminowej było wyższe w obszarze lewego płata skroniowego u osób z raportowaną mniejszą uporczywością szumów usznych, co świadczy o bardziej skutecznym pobudzeniu kory słuchowej w tej grupie. 4. Nie stwierdzono różnic między pacjentami z jednostronnymi/obustronnymi szumami usznymi i słuchem prawidłowym oraz grupą zdrową w poziome raportowanych 4

5 objawów depresyjnych i lękowych. Jedynie u osób z obustronnymi szumami usznymi i różnym stopniem niedosłuchu poziom lęku, jako stanu w momencie badania, był podwyższy w stosunku do wyników ogółu populacji polskiej. 5. Nie odkryto różnic między pacjentami ze słuchem prawidłowym oraz jednostronnymi lub obustronnymi szumami usznymi w ocenianym subiektywnie wpływie choroby na codzienne funkcjonowanie. Zarówno u osób z jednostronnymi i obustronnymi szumami usznymi wpływ szumów usznych na życie codzienne był łagodny, szumy były dla tych pacjentów pomiędzy małym a umiarkowanym problemem. Jednocześnie, pacjenci z obustronnymi szumami usznymi oraz różnym stopniem niedosłuchu, określali szumy uszne jako bardzo uporczywe, poważnie utrudniające odpoczynek i wpływające na samoregulację. Wpływ szumów usznych w pozostałych aspektach życia codziennego był opisywany jako umiarkowany lub łagodny. Ponadto osoby starsze, bardziej niż osoby młodsze były świadome w ciągu dnia swoich szumów usznych oraz oceniały je jako bardziej uporczywe. Jednocześnie głębszy stopień niedosłuchu wiązał się z większymi trudnościami psychologicznymi. 5

6 SUMMARY Proper functioning of the central nervous system, including the auditory pathway, requires transfer of neuronal information. In order to do so, neuro-metabolic homeostasis has to be maintained. The most crucial neurotransmitters in the brain are gamma-aminobutyric acid, glutamate, and glutamine, all of which keep an excitatory-inhibitory balance. Tinnitus is the subjective perception of auditory sensations in the absence of an external sound source. The mechanism of tinnitus generation has not been clearly elucidated but it is known that it is accompanied by structural and functional changes in the central nervous system. Human and animal studies indicate that metabolites, including gammaaminobutyric acid, glutamate, and glutamine, might be directly involved in tinnitus. Hydrogen magnetic resonance spectroscopy ( 1 HMRS) has been used to non-invasively measure metabolites within the human body. It is most frequently applied to study the brain, although this organ poses a challenge in terms of the specificity of the technique and the long duration for which the subject has to remain still. In addition, the interpretation of the results is not easy and there are many variables that can affect the recorded data, so the method is not frequently used in clinical research. This study used hydrogen magnetic resonance spectroscopy in an attempt to measure the relative levels of brain metabolites and psychological functioning in patients with tinnitus. The objectives were: a) to assess the relative levels of gamma-aminobutyric acid, glutamate, and glutamine in the temporal and frontal lobes of the right and left brain hemispheres in patients with unilateral and bilateral tinnitus and to compare these measures with levels in subjects with no tinnitus; b) to determine within the temporal and frontal lobes of all tested groups the differences in relative levels of metabolites between the hemispheres; c) to examine the relationship between the relative levels of selected metabolites and the intrusiveness of tinnitus in patients with both bilateral tinnitus and hearing loss; d) to evaluate psychopathological symptoms in patients with tinnitus, depressive and anxiety indicators; 6

7 e) to measure the relationship between the outcomes of audiological and psychological tests and the subjective level of the tinnitus percept. Material and method Eighty-nine subjects participated in the study, including 10 without tinnitus or hearing loss. Among patients with tinnitus, 26 had normal hearing (pure tone audiometry < 20 db for Khz and <35 db for 8 khz, in both ears) and unilateral (N=12) or bilateral tinnitus (N=14). Forty-nine participants reported bilateral tinnitus and symmetrical hearing loss of various severity. This group included 20 women and 29 men, with an avarage age of / years. The remaining 4 patients had unilateral tinnitus and hearing loss in the same ear. All subjects participated in an 1 HMRS scan for 4 brain locations: right frontal area, left frontal area, right temporal area, left temporal area. Względne poziomy stężeń sumy glutaminy i glutaminianu do kreatyny oraz kwasu gamma-aminomasłowego do kreatyny zostały wyliczone za pomocą programu LCModel. All participants completed psychological questionnaires: State-Trait Anxiety Inventory and Polish Depression Assessment Questionnaire. Patients with tinnitus, in addition, filled in 3 questionnaires about tinnitus: Tinnitus Handicap Inventory (THI), Tinnitus Functional Index (TFI) and Kwestionariusz charakterystyki szumów usznych [Polish Tinnitus Characteristics Inventory] an in-house instrument developed by specialists of the Institute of Physiology and Pathology of Hearing. Due to the limited sizes of the study groups, groups were compared using the nonparametric U Manna-Whitney test for independent samples, and for within-group comparisons the Wilcoxon signed-rank test for dependent samples was applied. The Pearson s r method served to perform analyses of correlation between demographic and audiological measures as well as outcomes of psychological questionnaires. All test results were deemed statistically significant at p<0.05. Statistical analyses were done in IBM SPSS Statistics 20. Results and conclusions Based on literature review it can be said that the presented study applying the 1 HMRS method to evaluate levels of Gamma-aminobutter acid, Glutamate and Glutamine (Glx) in the brain is the first one in the world involving such a sizable population of patients with tinnitus. 7

8 The obtained outcomes lead to the following conclusions: 1. Healthy subjects presented with higher levels of GABA, as compared to patients with unilateral and bilateral tinnitus and normal hearing, in all examined brain sites. This indicates decreased inhibition in temporal and frontal lobes in tinnitus. 2. In all participants with normal hearing GABA concentrations were higher in the right, as compared to the left frontal lobe. Patients with unilateral ( left-sided ) tinnitus demonstrated higher Glx levels in the left and not the right frontal area, as well as lower GABA levels in the left temporal lobe as compared to patients with bilateral tinnitus (and normal hearing). In patients with bilateral tinnitus and various levels of hearing loss, there were no differences found in GABA and Glx levels between hemispheres. The outcomes show different neuronal mechanism of bi- ani unilateral tinnitus, as well as the effects of hearing loss on laterality of metabolite concentrations in the brain. 3. Among subjects with bilateral tinnitus and various severities of hearing loss, those assessing their tinnitus as less intrusive demonstrated higher levels of in the left temporal area, suggesting more efficient excitation of the auditory cortex in this subgroup. 4. Patients with uni-/bilateral tinnitus and normal hearing reported similar levels of depressive and anxiety symptoms ad healthy participants. Only in patients with bilateral tinnitus and various severities of hearing loss scores of the anxiety as state subscale wereincreased, as compared to the general Polish population. 5. A comparison between patients with normal hearing and uni or bilateral tinnitus revealed no differences in terms of the influence tinnitus has on their daily life. At the same time, patients with bilateral tinnitus and various levels of hearing loss, described their tinnitus as very intrusive and debilitating rest. In the remaining aspects of functioning, tinnitus was described to exept a relaxation and intrusive effect. Furthermore, older participants, more than the younger, were more aware of their tinnitus during the day and experienced them as more intrusive. At the same time, more severe hearing loss was associated with more psychological problems. 8