Effect of Statin on Age-related Hearing Loss via Drug Repurposing; an animal study

Abstract

Hearing loss (HL) in the elderly causes communication difficulties, decreased quality of life, isolation, loneliness and frustration. The aim of our first study was to identify the modifiable variables that may affect the progression of hearing loss in the elderly. A case‐control study was conducted using two data sets. Data were extracted from the health examination survey of Ajou University Hospital (2010‐2014) and the Korea National Health and Nutrition Examination Survey (2009‐2012) data sets. Audiometry data were evaluated according to variables such as age, sex and drug use for underlying diseases. Logistic regression analysis was performed on the entire study population, and middle‐aged and elderly groups using odds ratios (ORs). Factors including older age, female gender and diabetes mellitus were significantly associated with hearing levels in all age groups (OR [95% confidence interval, 95% CI], 0.375 [0.388‐0.415], 1.202 [1.195‐1.208], and 1.427 [1.183‐1.721], respectively). However, when the results from the middle‐aged and elderly groups were compared, medication for hyperlipidemia had a significantly positive effect on the preservation of hearing in the elderly group (OR [95% CI], 0.713 [0.567‐0.897]), but not in the middle‐aged group (OR [95% CI], 0.967 [0.791‐ 1.183]). People, especially those in the elderly group, exposed to medication for hyperlipidemia were likely to have better hearing than those not exposed to such drugs. Thus, drugs prescribed for hyperlipidemia may maintain hearing in the elderly. To confirm our hypothesis of the first study, animal studies were done with age-matched male C57BL/6N mice. Candidate drugs for ARHL were selected including atorvastatin (AS), N-acetylcysteine (NAC), and sarpogrelate. Monotherapy or fixed dose combination (FDC) products were administered via oral gavage for 6 consecutive months. Auditory outcomes measured by auditory brainstem response showed significant hearing preservation in atorvastatin-treated aging mice compared to aging control, especially in the early stages of age-related hearing loss (ARHL) in both 8 and 16 kHz frequencies. Hearing was also preserved with N-acetylcysteine in the later years of ARHL, however, the overall outcomes were not as effective as AS. None of the fixed dose combination products were able to prevent ARHL regardless of AS involvement. In aging mice, damage and dysfunction of mitochondria was noted as well as reactive oxygen species (ROS) overproduction leading to oxidative stress and intrinsic apoptosis. However, these processes of ARHL were significantly prevented with administration of AS. Normal structures of mitochondria were maintained, and antioxidant activity were proceeded by activation of HSF1/Sirt1 pathway by AS. Thus, AS is a promising drug repurposed candidate to delay the process of aging and prevent ARHL.

노화성 난청(age-related hearing loss, ARHL)은 대화 및 의사소통을 힘들게 하며 심리적인 소외감, 우울증 및 불안감을 야기하고 삶의 질을 떨어뜨리게 한다. 그러나 현재까지 알려진 노화성 난청을 치료 또는 예방 가능한 약물은 없으며 유일한 치료법은 보청기 착용 또는 인공와우 수술이다. 본 연구는 신약 재창출 기법을 이용하여 노화성 난청을 치료 또는 예방할 수 있는 약물을 탐색 및 선정하고 동물 모델에서 이를 증명하고자 하였다. 첫번째 연구에서는 아주대병원 건강검진자료 (2010-2014)와 한국 건강영양조사 (2009-2012) 두개의 다른 데이터 세트를 이용하여 노화성 난청의 발병 및 진행 정도에 영향을 미치는 조절 가능한 요인들을 찾고자 하였다. 환자-대조군 연구로 진행하였으며 나이, 성별, 복용 중인 약물 등의 다양한 변수에 따른 청력검사 결과를 분석하였다. 교차비 (odds ratio, OR)를 이용해 전체 연구 집단과 중년층 집단 (30-60세) 및 노년층 (> 60세) 집단으로 구분하여 로지스틱 희귀 분석을 시행하였다. 전체 연구 집단에서는 여러 변수 중 연령의 증가 (교차비 [95% 신뢰구간], 0.375 [0.388‐0.415]), 남성 (교차비 [95% 신뢰구간] 1.202 [1.195‐1.208]), 당뇨 (교차비 [95% 신뢰구간] 1.427 [1.183‐ 1.721])가 청력상태와 유의미한 상관관계가 있음을 검증하였다. 그러나 중년층 집단과 노년층 집단을 구분하여 분석한 결과 중년층 집단 (교차비 [95% 신뢰구간], 0.967 [0.791‐ 1.183]) 과는 달리 노년층 집단 (교차비 [95% 신뢰구간], 0.713 [0.567‐0.897])에서 고지혈증 약물의 복용 여부가 청력과 상관관계가 있음을 확인하였다. 즉, 노년층 집단에서 고지혈증약을 복용하지 않은 군보다 복용하는 군에서 유의미한 청력보존 효과를 보였다. 첫번째 연구결과를 증명하기 위해 6개월 연령 C57BL/6N 실험 쥐를 이용하여 노화성 동물 모델을 제작하였다. 노화성 난청 치료제로 아트로바스타틴 (atorvastatin, AS), 아세틸시스테인 (N-acetylcysteine, NAC), 사포그릴레이트 (Sarpogrelate)를 후보약물로 선정하였다. 노화동물 대조군과 약물복용 실험군으로 나누어 6개월간 후보약물 단독 또는 복합제 형태로 경구 투여를 하였다. 12개월 연령 노화 동물 모델에서 대조군과 비교한 결과 아트로바스사틴 1.2m/kg 단독을 투여한 군에서 유의미한 청력보존을 확인하였으며, 특히 8kHz, 16kHz의 저주파수와 중주파수에서 복용 첫 3개월부터 청력이 보존되었다. 아세틸시스테인을 단독으로 복용한 군에서도 약물 복용 3~6개월 사이 청력 보존의 효과가 나타났으나 전체적으로 아트로바스타틴의 청력보존 효과를 미치지는 못하였다. 복합제 복용 군에서는 아트로바스타틴의 유무와 관계없이 대조군과 유사한 청력 손실이 발생하였다. 12개월 연령 노화성 동물 모델에서 미토콘드리아가 손상되었고 활성산소 (reactive oxygen species, ROS)가 과다하게 축적되었으며 이로 인한 산화성 스트레스 (oxidative stress)와 내인적 세포자멸 (intrinsic apoptosis)이 발생하였다. 즉, 이러한 일련의 과정들로 인하여 노화성 난청이 진행하는 것으로 확인되었다. 또한, 아트로바스타틴을 복용한 노화성 동물 모델에서는 미토콘드리아의 구조가 비교적 잘 유지되었으며 HSF/Sirt1 기전을 통해 항산화작용이 활성화하였다. 데이터 분석을 이용한 신약 재창출 기법으로 노화성 난청을 치료 또는 예방할 수 있는 후보 약물을 탐색하여 최종적으로 아트로바스타틴을 선정하였다. 나아가 노화성 동물 모델에서 아트로바스타틴의 청력 보존 효과를 볼 수 있었으며 이와 관련된 기전들을 확인하였다. 즉, 아트로바스타틴은 콜레스테롤을 낮추는 기존의 적응증 뿐만 아니라 노화성 난청을 예방하고 진행정도를 늦출 수 있는 새로운 적응증으로도 사용할 수 있을 것이다.