ssmuБюллетень сибирской медициныBulletin of Siberian Medicine1682-03631819-3684Siberian State Medical University, the Ministry of Healthcare of the Russian Federation10.20538/1682-0363-2016-5-56-65ssmu-734Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL PAPERSОсобенности пролиферации и миграции клеток головного мозга при когнитивном тренинге животных с экспериментальной болезнью АльцгеймераCharacteristics of brain cell proliferation and migration in animals with experimental Alzheimer’s disease undergoing cognitive trainingКомлеваЮ. К.KomlevaYu. K.

канд. мед. наук, доцент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

PhD, Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

ГоринаЯ. В.GorinaYa. V.

канд. фарм. наук, доцент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

yana_20@bk.ruЧерныхА. И.ChernykhA. I.

врач-хирург,

660123, г. Красноярск, Инструментальная ул., 12a

Surgeon,

12a, Instrumentalnay Str., 660123, Krasnoyarsk

ЛопатинаО. Л.LopatinaO. L.

канд. биол. наук, доцент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

PhD, Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

ШабаловаА. А.ShabalovaA. A.

ассистент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

Assistant of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

ТруфановаЛ. В.TrufanovaL. V.

канд. биол. наук, доцент, декан фармацевтического факультета,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

PhD, Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

ОловянниковаР. Я.OlovyannikovaR. Ya.

канд. биол. наук, доцент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

PhD, Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

Ендржеевская-ШурыгинаВ. Ю.Endrzheevskaya-ShuryginaV. Yu.

канд. хим. наук, доцент кафедры биохимии с курсами медицинской, фармацевтической и токсикологической химии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

PhD, Assistant Professor of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

СалминаА. Б.SalminaA. B.

д-р мед. наук, профессор, зав. кафедрой биохимии с курсами медицинской, фармацевтиче- ской и токсикологической химии, руководитель НИИ молекулярной медицины и патобиохимии,

660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

DM, Professor, Head of Department of Biological Chemistry with Courses of Medical, Pharmaceutical and Toxicological Chemistry, Head of the Research Institute of Molecular Medicine and Pathological Biochemistry,

1, Partizana Geleznuyka Str., 660022, Krasnoyarsk

Красноярский государственный медицинский университет (КГМУ) имени профессора В.Ф. Войно-ЯсенецкогоРоссияKrasnoyarsk State Medical University named after Prof. V.F. Voino-YasenetskyRussian FederationКрасноярская межрайонная клиническая больница (КМКБ) № 20 им. И.С. БерзонаРоссияKrasnoyarsk Inter-regional Clinical Hospital № 20 named after I.S. BerzonaRussian Federation2016310120171555665Copyright © Комлева Ю.К., Горина Я.В., Черных А.И., Лопатина О.Л., Шабалова А.А., Труфанова Л.В., Оловянникова Р.Я., Ендржеевская-Шурыгина В.Ю., Салмина А.Б., 20172017Комлева Ю.К., Горина Я.В., Черных А.И., Лопатина О.Л., Шабалова А.А., Труфанова Л.В., Оловянникова Р.Я., Ендржеевская-Шурыгина В.Ю., Салмина А.Б.Komleva Y.K., Gorina Y.V., Chernykh A.I., Lopatina O.L., Shabalova A.A., Trufanova L.V., Olovyannikova R.Y., Endrzheevskaya-Shurygina V.Y., Salmina A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://bulletin.ssmu.ru/jour/article/view/734

Болезнь Альцгеймера является многофакторным нейродегенеративным заболеванием, характеризующимся наличием бета-амилоидных бляшек и нейрофибриллярных клубков. Бета-амилоид является важным фактором риска и играет центральную роль в возникновении и прогрессировании болезни Альцгеймера. Однако вопрос о влиянии бета-амилоида на гиппокампальный нейрогенез во взрослом мозге остается открытым.

Цель исследования – изучение влияния процесса обучения на нейрогенез, пролиферацию, выживаемость и миграцию клеток в норме и при экспериментальной болезни Альцгеймера.

Материал и методы

Материал и методы. Исследование выполнено на самцах зрелых крыс линии Wistar в возрасте 7 мес. Опытная группа – животные с экспериментальной болезнью Альцгеймера после введения бета-амилоида 1-42 в CA1 зону гиппокампа билатерально по 5 мкл. Контрольная группа – ложно-оперированные животные, которым вводили растворитель для бета-амилоида – фосфатно-солевого буфера – в CA1 зону билатерально по 5 мкл. Для оценки рабочей памяти, а также консолидации памяти использовали нейроповеденческое тестирование в водном лабиринте Морриса. Изучение миграции клеток осуществляли путем введения бромдезоксиуридина (50 мг/кг). Экспрессию молекул-маркеров нейрогенеза (Ki-67, PSA-NCAM, PCNA) в гиппокампе исследовали методом иммуногистохимии с последующей конфокальной микроскопией.

Результаты

Результаты. Показано, что моделирование болезни Альцгеймера приводит к нарушениям когнитивных функций и запоминания у животных. В группе с экспериментальной болезнью Альцгеймера выявлено снижение уровня пролиферации клеток (р = 0,043), нарушение миграции (р = 0,031), но не выживаемости клеток (р = 0,985) по сравнению с контрольной группой. Обучение в водном лабиринте Морриса животных с экспериментальной болезнью Альцгеймера способствует миграции клеток-предшественников по ростральному миграционному пути (р = 0,011). Количество нейробластов (р = 0,809) и пролиферация клеток-предшественников нейронов (р = 0,083) значимо не меняется по сравнению с группой без обучения.

Заключение

Заключение. При моделировании болезни Альцгеймера у животных наблюдается когнитивная дисфункция, снижение уровня пролиферации и миграции клеток, что свидетельствует о нарушении нейрогенеза за счет токсического действия амилоида. Обсуждается связь полученных результатов с механизмами развития локальной инсулинорезистентности.

Aims

Aims. Alzheimer’s disease is a multifactorial neurodegenerative disease characterized by the presence of amyloid beta peptide containing plaques, and neurofibrillary tangles. Beta-amyloid is a major risk factor and it plays a central role in the onset and progression of Alzheimer’s disease. However, question of the influence of beta-amyloid on neurogenesis in the hippocampus in the adult brain is still open. The purpose of this paper is to study cognitive functions and their association with proliferation, survival and migration of newly-formed cells in normal adult rat brain and in the experimental Alzheimer’s disease.

Materials and methods

Materials and methods. Rats (Wistar, males, 7 months) were used. Experimental group (Alzheimer’s disease model with the intrahippocampal administration of beta-amyloid 1-42 (5 µl) bilaterally in the CA1 area) and a control group (sham-operated animals with the intrahippocampal administration of Phosphate buffered salin (5 µl) bilaterally in the CA1) have been tested. The study was conducted from February to July. Neurobehavioral test (Morris water maze) was used to assess working memory and memory consolidation. The study of cell migration was performed by introducing bromodeoxyuridine (50 mg/kg). Expression of neurogenesis markers in the subgranular zone of the dentate gyrus of the hippocampus was studied has been studied with indirect immunohistochemistry for free-floating sections followed by the confocal microscopy.

Results

Results. Modelling of Alzheimer’s disease leads to impaired cognitive function and memory in animals. We found that these events were associated with the suppression of proliferative (р = 0,043) and migratory activity of brain cells (р = 0,031), but not survival of cells (p = 0,985) compared to the control group.Training in Morris water maze of animals with experimental Alzheimer’s disease promotes migration of progenitor cells along the rostral migration way (р = 0,011) compared with the group without training. However, the number of neuroblasts (р = 0,809) and proliferation of neuronal progenitor cells (p = 0,083) were not significantly affected compared with the group without training.

Conclusions

Conclusions. Decreased level of brain cells proliferation, alterations in their migration and development of cognitive dysfunction have been found in the rat model of Alzheimer’s disease, thus suggesting impairment of neurogenesis induced by amyloid. Possible involvement of local insulin resistance into the development of neurogenesis alterations is discussed.

PCNAKi-67BrdUмиграция клетокболезнь АльцгеймераинсулинорезистентностьPCNAKi-67BrdUcell migrationAlzheimer’s diseaseinsulin resistanceВ.В.Волкова (педиатрический факультет КГМУ им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого)ReferencesKhorrami A., Ghanbarzadeh S., Mahmoudi J., Nayebi A.M., Maleki-Dizaji N., Garjani A. Investigation of the memory impairment in rats fed with oxidized-cholesterol-rich dietemploying passive avoidance test // Drug Res (Stuttg) 2015;. 65 (5): 231–237. doi: 10.1055/s-0034-1370950. Epub. 2014. Mar. 25.Khorrami A., Ghanbarzadeh S., Mahmoudi J., Nayebi A.M., Maleki-Dizaji N., Garjani A. Investigation of the memory impairment in rats fed with oxidized-cholesterol-rich dietemploying passive avoidance test // Drug Res (Stuttg). 2015;. 65 (5): 231–237. doi: 10.1055/s-0034-1370950. Epub. 2014. Mar. 25.Cai Y., An S.S., Kim S. Mutations in presenilin 2 and its implications in Alzheimer’s disease and other dementia-associated disorders // Clin Interv Aging. 2014. 10 (6): 1163–1172. doi: 10.2147/CIA.S85808. eCollection 2015.Cai Y., An S.S., Kim S. Mutations in presenilin 2 and its implications in Alzheimer’s disease and other dementia-associated disorders // Clin Interv Aging. 2014. 10 (6): 1163–1172. doi: 10.2147/CIA.S85808. eCollection 2015.Guerrero-Muñoz M.J., Gerson J., Castillo-Carranza D.L. Tau Oligomers: The Toxic Player at Synapses in Alzheimer’s Disease // Front Cell Neurosci. 2015; 9: 464. doi: 10.3389/fncel.2015.00464. eCollection 2015.Guerrero-Muñoz M.J., Gerson J., Castillo-Carranza D.L. Tau Oligomers: The Toxic Player at Synapses in Alzheimer’s Disease // Front Cell Neurosci. 2015; 9: 464. doi: 10.3389/fncel.2015.00464. eCollection 2015.Li Y., Wang X., Li Y., Sun Y., Sheng C., Li H., Li X., Yu Y., Chen G., Hu X., Jing B., Wang D., Li K., Jessen F., Xia M., Han Y. Abnormal Resting-State Functional Connectivity Strength in Mild Cognitive Impairment and Its Conversion to Alzheimer’s Disease // Neural Plast. 2016: /4680972. doi: 10.1155/2016/4680972. Epub. 2015. Dec. 30.Li Y., Wang X., Li Y., Sun Y., Sheng C., Li H., Li X., Yu Y., Chen G., Hu X., Jing B., Wang D., Li K., Jessen F., Xia M., Han Y. Abnormal Resting-State Functional Connectivity Strength in Mild Cognitive Impairment and Its Conversion to Alzheimer’s Disease // Neural Plast. 2016: 4680972. doi: 10.1155/2016/4680972. Epub. 2015. Dec. 30.Rudolph S., Klein A.N., Tusche M., Schlosser C., Elfgen A., Brener O., Teunissen C., Gremer L., Funke S.A., Kutzsche J., Willbold D. Competitive Mirror Image Phage Display Derived Peptide Modulates Amyloid Beta Aggregation and Toxicity // PLoS One. 2016; 11 (2): e0147470. doi: 10.1371/journal.pone.014747. eCollection 2016.Rudolph S., Klein A.N., Tusche M., Schlosser C., Elfgen A., Brener O., Teunissen C., Gremer L., Funke S.A., Kutzsche J., Willbold D. Competitive Mirror Image Phage Display Derived Peptide Modulates Amyloid Beta Aggregation and Toxicity // PLoS One. 2016; 11 (2): e0147470. doi: 10.1371/journal.pone.014747. eCollection 2016.Esparza T.J., Zhao H., Cirrito J.R., Cairns N.J., Bateman R.J., Holtzman D.M., Brody D.L. Amyloidbeta oligomerization in Alzheimer dementia versus highpathology controls // Ann Neurol. 2013; 73 (1): 104–119. doi: 10.1002/ana.23748. Epub. 2012. Dec. 7.Esparza T.J., Zhao H., Cirrito J.R., Cairns N.J., Bateman R.J., Holtzman D.M., Brody D.L. Amyloid-beta oligomerization in Alzheimer dementia versus highpathology controls // Ann Neurol. 2013; 73 (1): 104–119. doi: 10.1002/ana.23748. Epub. 2012. Dec. 7.Горина Я.В., Салмина А.Б., Кувачева Н.В., Комлева Ю.К., Федюкович Л.В., Успенская Ю.А., Морозова Г.А., Демко И.В., Петрова М.М. Нейровоспаление и инсулинорезистентность при болезни Альцгеймера // Сибирское медицинское обозрение. 2014; 4: 11–19.Gorina Ja.V., Salmina A.B., Kuvacheva N.V., Komleva Ju.K., Fedjukovich L.V., Uspenskaja Ju.A., Morozova G.A., Demko I.V., Petrova M.M. Nejrovospalenie i insulinorezistentnost’ pri bolezni Al’cgejmera [Neuroinflammation and insulin resistance in Alzheimer’s disease] // Sibirskoe medicinskoe obozrenie – Siberian Medical Review. 2014; 4: 11–19 (in Russian).Комлева Ю.А., Малиновская Н.А., Горина Я.В., Лопатина О.Л., Волкова В.В., Салмина А.Б. Экспрессия молекул CD38 и CD157 в ольфакторных луковицах головного мозга при ýкспериментальной болезни Альцгеймера // Сибирское медицинское обозрение. 2015; 5: 45–49.Komleva Ju.K., Malinovskaia N.A., Gorina Ja.V., Lopatina O.L., Volkova V. V., Salmina A.B. Ehkspressiya molekul CD38 i CD157 v ol’faktornyh lukovicah golovnogo mozga pri ehksperimental’noj bolezni Al’cgejmera [Expression of CD38 and CD157 molecules in the olfactory bulb of the brain in experimental Alzheimer’s disease] // Sibirskoe medicinskoe obozrenie – Siberian Medical Review. 2015; 5: 45–49 (in Russian).Vorhees C.V., Williams M.T. Morris water maze: procedures for assessing spatial and related forms of learning and memory // Nat Protoc. 2006; 1 (2): 848–858. doi:10.1038/nprot.2006.116.Vorhees C.V., Williams M.T. Morris water maze: procedures for assessing spatial and related forms of learning and memory // Nat Protoc. 2006; 1 (2): 848–858. doi:10.1038/nprot.2006.116.Sipos E., Kurunczi A., Kasza A., Horvath J., Felszeghy K., Laroche S., Toldi J., Parducz A., Penke B., Penke Z. Betaamyloid pathology in the entorhinal cortex of rats induces memory deficits: implications for Alzheimer’s disease // Neuroscience. 2007; 147 (1): 28–36. Epub. 2007. May. 17.Sipos E., Kurunczi A., Kasza A., Horvath J., Felszeghy K., Laroche S., Toldi J., Parducz A., Penke B., Penke Z. Beta-amyloid pathology in the entorhinal cortex of rats induces memory deficits: implications for Alzheimer’s disease // Neuroscience. 2007; 147 (1): 28–36. Epub. 2007. May. 17.Encinas J.M., Enikolopov G. Identifying and Quantitating Neural Stem and Progenitor Cells in the Adult Brain // Methods Cell Biol. 2008; 85: 243–272.Encinas J.M., Enikolopov G. Identifying and Quantitating Neural Stem and Progenitor Cells in the Adult Brain // Methods Cell Biol. 2008; 85: 243–272.Tarczyluk M.A., Nagel D.A., Rhein Parri H., Tse E.H., Brown J.E., Coleman M.D., Hill E.J. Amyloid β 1–42 induces hypometabolism in human stem cell-derived neuron and astrocyte networks // J. Cereb. Blood. Flow. Metab. 2015; 35 (8): 1348–1357. doi: 10.1038/jcbfm.2015.58. Epub. 2015. Apr. 8.Tarczyluk M.A., Nagel D.A., Rhein Parri H., Tse E.H., Brown J.E., Coleman M.D., Hill E.J. Amyloid β 1–42 induces hypometabolism in human stem cell-derived neuron and astrocyte networks // J. Cereb. Blood. Flow. Metab. 2015; 35 (8): 1348–1357. doi: 10.1038/jcbfm.2015.58. Epub. 2015. Apr. 8.Ming G.L., Song H. Adult neurogenesis in the mammalian brain: significant answers and significant questions // Neuron. 2011; 70 (4): 687–702. doi: 10.1016/j.neuron.2011.05.001.Ming G.L., Song H. Adult neurogenesis in the mammalian brain: significant answers and significant questions // Neuron. 2011; 70 (4): 687–702. doi: 10.1016/j.neuron.2011.05.001.Brinton R.D., Wang J.M. Therapeutic potential of neurogenesis for prevention and recovery from Alzheimer’s disease: allopregnanolone as a proof of concept neurogenic agent // Curr. Alzheimer Res. 2006; 3 (3): 185–190.Brinton R.D., Wang J.M. Therapeutic potential of neurogenesis for prevention and recovery from Alzheimer’s disease: allopregnanolone as a proof of concept neurogenic agent // Curr. Alzheimer Res. 2006; 3 (3): 185–190.Donovan M.H., Yazdani U., Norris R.D., Games D., German D.C., Eisch A.J. Decreased adult hippocampal neurogenesis in the PDAPP mouse model of Alzheimer’s disease // J. Comp. Neurol. 2006; 495 (1): 70–83.Donovan M.H., Yazdani U., Norris R.D., Games D., German D.C., Eisch A.J. Decreased adult hippocampal neurogenesis in the PDAPP mouse model of Alzheimer’s disease // J. Comp. Neurol. 2006; 495 (1): 70–83.Lazarov O., Marr R.A. Neurogenesis and Alzheimer’s disease: at the crossroads // Exp. Neurol. 2010; Jun. 223 (2): 267–281. doi: 10.1016/j.expneurol.2009.08.009. Epub. 2009. Aug. 19.Lazarov O., Marr R.A. Neurogenesis and Alzheimer’s disease: at the crossroads // Exp. Neurol. 2010; Jun. 223 (2): 267–281. doi: 10.1016/j.expneurol.2009.08.009. Epub. 2009. Aug. 19.Haughey N.J., Liu D., Nath A., Borchard A.C., Mattson M.P. Disruption of neurogenesis in the subventricular zone of adult mice, and in human cortical neuronal precursor cells in culture, by amyloid beta-peptide: implications for the pathogenesis of Alzheimer’s disease // Neuromolecular Med. 2002; 1 (2): 125–135.Haughey N.J., Liu D., Nath A., Borchard A.C., Mattson M.P. Disruption of neurogenesis in the subventricular zone of adult mice, and in human cortical neuronal precursor cells in culture, by amyloid beta-peptide: implications for the pathogenesis of Alzheimer’s disease // Neuromolecular Med. 2002; 1 (2): 125–135.Mirochnic S., Wolf S., Staufenbiel M.,Kempermann G. Age effects on the regulation of adult hippocampal neurogenesis by physical activity and environmental enrichment in the APP23 mouse model of Alzheimer disease // Hippocampus. 2009; Oct. 19 (10): 1008–1018. doi: 10.1002/hipo.20560.Mirochnic S., Wolf S., Staufenbiel M.,Kempermann G. Age effects on the regulation of adult hippocampal neurogenesis by physical activity and environmental enrichment in the APP23 mouse model of Alzheimer disease // Hippocampus. 2009; Oct. 19 (10): 1008–1018. doi: 10.1002/hipo.20560.Ziegler A.N., Levison S.W., Wood T.L. Insulin and IGF receptor signalling in neural-stem-cell homeostasis // Nat. Rev. Endocrinol. 2015; Mar. 11 (3): 161–170. doi: 10.1038/nrendo.2014.208. Epub. 2014. Dec 2.Ziegler A.N., Levison S.W., Wood T.L. Insulin and IGF receptor signalling in neural-stem-cell homeostasis // Nat. Rev. Endocrinol. 2015; Mar. 11 (3): 161–170. doi: 10.1038/nrendo.2014.208. Epub. 2014. Dec 2.Горина Я.В., Комлева Ю.К., Лопатина О.Л., Волкова В.В., Герцог Г.Е., Попова Н.Н., Салмина А.Б. Особенности ýкспрессии молекул-маркеров инсулинорезистентности при ýкспериментальной болезни Альцгеймера // Проблемы эндокринологии. 2015; 4: 43–48.Горина Я.В., Комлева Ю.К., Лопатина О.Л., Волкова В.В., Герцог Г.Е., Попова Н.Н., Салмина А.Б. Особенности ýкспрессии молекул-маркеров инсулинорезистентности при ýкспериментальной болезни Альцгеймера // Проблемы эндокринологии. 2015; 4: 43–48.Gontier G., George C., Chaker Z., Holzenberger M., Aïd S. Blocking IGF Signaling in Adult Neurons Alleviates Alzheimer’s Disease Pathology through Amyloid-β Clearance // J. Neurosci. 2015; Aug 19. 35 (33): 11500-11513. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0343-15.2015.Gontier G., George C., Chaker Z., Holzenberger M., Aïd S. Blocking IGF Signaling in Adult Neurons Alleviates Alzheimer’s Disease Pathology through Amyloid-β Clearance // J. Neurosci. 2015; Aug 19. 35 (33): 11500-11513. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0343-15.2015.Madathil S.K., Saatman K.E. IGF-1/IGF-R Signaling in Traumatic Brain Injury: Impact on Cell Survival, Neurogenesis, and Behavioral Outcome // Source Brain Neurotrauma: Molecular, Neuropsychological, and Rehabilitation Aspects / Kobeissy FH, editor. Boca Raton (FL): CRC Press/Taylor & Francis, 2015. Chapter 7.Madathil S.K., Saatman K.E. IGF-1/IGF-R Signaling in Traumatic Brain Injury: Impact on Cell Survival, Neurogenesis, and Behavioral Outcome // Source Brain Neurotrauma: Molecular, Neuropsychological, and Rehabilitation Aspects / Kobeissy FH, editor. Boca Raton (FL): CRC Press/Taylor & Francis, 2015. Chapter 7.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.