Comparative Analysis of Neurogenesis and Cerebral Angiogenesis in the Hippocampal Neurogenic Niche in Animals with Two Experimental Models of Alzheimer’s Disease

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Various animal models are employed to uncover the mechanisms of Alzheimer’s disease (AD) pathogenesis. Understanding brain damage pathogenesis in animal models of neurodegenerative diseases and identifying common patterns inherent to all relevant models is essential for adequate interpretation of findings, development of new models, as well as prevention and therapy strategies.

The study aimed to assess neurogenesis and remodeling of the microvasculature in the subgranular zone (SGZ) of the hippocampal dentate gyrus in mice with two AD models.

Materials and methods. The study employed two in vivo Alzheimer’s disease models: 1) animals with intrahippocampal administration of amyloid-β protein fragment Aβ25–35; 2) 5xFAD transgenic mice. Cognitive functions were evaluated using a passive avoidance test. On days 7 and 28 post-training, we assessed vascular network branching and density in the hippocampus using Evans Blue with subsequent software-based analysis of skeletonized images, analyzed proliferative activity of neuronal and endothelial cells, and their subpopulation composition using BrdU assay and multiparameter immunostaining of brain thin sections.

Results. Animals following intrahippocampal Aβ25 -35 administration demonstrated enhanced neurogenesis and neoangiogenesis over 28 days post-training, unlike 5xFAD mice which showed delayed and less pronounced proliferation of neuronal cells in the SGZ alongside transient increases in proliferating endothelial cells. Both AD models exhibited divergent changes in tip and stalk cell counts within the hippocampal SGZ, indicating non-productive neoangiogenesis confirmed by reduced vascular branching and density in the SGZ of animals from both models.

Conclusion. Cognitive deficits associated with experience-induced neurogenesis and cerebral angiogenesis mechanisms in the hippocampal neurogenic niche differ between AD models representing sporadic and familial variants, highlighting the need for fundamentally different approaches to pathogenetic therapy targeting non-productive angiogenesis and aberrant brain plasticity in various Alzheimer’s type neurodegeneration scenarios.

About the authors

Anton S. Averchuk

Russian Center of Neurology and Neurosciences

Author for correspondence.
Email: antonaverchuk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1284-6711

Cand. Sci. (Biol.), Associated Professor, senior researcher, Laboratory of neurobiology and tissue engineering, Brain Institute

Russian Federation, 5, per. Obukha, Moscow, 105064

Maria V. Kukla

Russian Center of Neurology and Neurosciences

Email: antonaverchuk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0700-4912

research assistant, Laboratory of neurobiology and tissue engineering, Brain Institute

Russian Federation, 5, per. Obukha, Moscow, 105064

Natalia A. Rozanova

Russian Center of Neurology and Neurosciences

Email: antonaverchuk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9619-4679

postgraduate student, research assistant, Laboratory of neurobiology and tissue engineering, Brain Institute

Russian Federation, 5, per. Obukha, Moscow, 105064

Alla V. Stavrovskaya

Russian Center of Neurology and Neurosciences

Email: antonaverchuk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8689-0934

Cand. Sci. (Biol.), leading researcher, Laboratory of experimental pathology of the nervous system and neuropharmacology, Brain Institute

Russian Federation, 5, per. Obukha, Moscow, 105064

Alla B. Salmina

Russian Center of Neurology and Neurosciences

Email: antonaverchuk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4012-6348

D. Sci. (Med.), Prof., chief researcher, Head, Laboratory of neurobiology and tissue engineering, Brain Institute

Russian Federation, 5, per. Obukha, Moscow, 105064

References

  1. Cramer SC, Sur M, Dobkin BH, et al. Harnessing neuroplasticity for clinical applications. Brain. 2011;134(Pt 6):1591–1609. doi: 10.1093/brain/awr039
  2. Popugaeva E, Pchitskaya E, Bezprozvanny I. Dysregulation of neuronal calcium homeostasis in Alzheimer’s disease — a therapeutic opportunity? Biochem Biophys Res Commun. 2017;483(4):998–1004. doi: 10.1016/j.bbrc.2016.09.053
  3. Akhtar A, Gupta SM, Dwivedi S, et al. Preclinical models for Alzheimer’s disease: past, present, and future approaches. ACS Omega. 2022;7(51):47504–47517. doi: 10.1021/acsomega.2c05609
  4. Yokoyama M, Kobayashi H, Tatsumi L, et al. Mouse models of Alzheimer’s disease. Front Mol Neurosci. 2022;15:912995. doi: 10.3389/fnmol.2022.912995
  5. Горина Я.В., Власова О.Л., Большакова А.В. и др. Болезнь Альцгеймера: поиск лучших экспериментальных моделей для расшифровки клеточно-молекулярных механизмов развития заболевания. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2023;109(1):18–33. Gorina YаV, Vlasova OL, Bolshakova AV, et al. Alzheimer’s disease: a search for the best experimental models for the decoding of the cellular and molecular mechanisms of the development of the disease. Russian Physiological Journal named after I.M. Sechenov. 2023;109(1):18–33. doi: 10.31857/S0869813923010065
  6. Jankowsky JL, Zheng H. Practical considerations for choosing a mouse model of Alzheimer’s disease. Mol Neurodegener. 2017;12(1):89. doi: 10.1186/s13024-017-0231-7
  7. Guzmán CB, Chaffey ET, Palpagama HT, et al. The Interplay between beta-amyloid 1-42 (Aβ1-42)-induced hippocampal inflammatory response, p-tau, vascular pathology, and their synergistic contributions to neuronal death and behavioral deficits. Front Mol Neurosci. 2020;13:522073. doi: 10.3389/fnmol.2020.552073
  8. Forner S, Kawauchi S, Balderrama-Gutierrez G, et al. Systematic phenotyping and characterization of the 5xFAD mouse model of Alzheimer’s disease. Sci Data. 2021;8(1):270. doi: 10.1038/s41597-021-01054-y
  9. Babcock KR, Page JS, Fallon JR, et al. Adult hippocampal neurogenesis in aging and Alzheimer’s disease. Stem Cell Reports. 2021;16(4):681–693. doi: 10.1016/j.stemcr.2021.01.019
  10. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Розанова Н.А. и др. Нейрогенез в нейрогенных нишах головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера на досимптоматической стадии развития нейродегенерации. Цитология. 2023;65(4):339–347. Averchuk AS, Ryazanova MV, Rozanova NA, et al. Neurogenesis in brain neurogenic niches in experimental Alzheimer’s disease at the presymptomatic stage of neurodegeneration. Tsytologiya. 2023;65(4):339–347. doi: 10.31857/S004137712304003X
  11. Salmin VV, Komleva YK, Kuvacheva NV, et al. Differential roles of environmental enrichment in Alzheimer’s type of neurodegeneration and physiological aging. Front Aging Neurosci. 2017;9:245. doi: 10.3389/fnagi.2017.00245
  12. Komleva YK, Lopatina OL, Gorina YV, et al. Expression of nlrp3 inflammasomes in neurogenic niche contributes to the effect of spatial learning in physiological conditions but not in Alzheimer’s type neurodegeneration. Cell Mol Neurobiol. 2022;42(5):1355–1371. doi: 10.1007/s10571-020-01021-y
  13. Hollands C, Tobin MK, Hsu M, et al. Depletion of adult neurogenesis exacerbates cognitive deficits in Alzheimer’s disease by compromising hippocampal inhibition. Mol Neurodegener. 2017;12(1):64. doi: 10.1186/s13024-017-0207-7
  14. Pan YW, Storm DR, Xia Z. Role of adult neurogenesis in hippocampus-dependent memory, contextual fear extinction and remote contextual memory: new insights from ERK5 MAP kinase. Neurobiol Learn Mem. 2013;105:81–92. doi: 10.1016/j.nlm.2013.07.011
  15. Pozhilenkova EA, Lopatina OL, Komleva YK, et al. Blood-brain barrier-supported neurogenesis in healthy and diseased brain. Rev Neurosci. 2017;28(4):397–415. doi: 10.1515/revneuro-2016-0071
  16. Karakatsani A, Álvarez-Vergara MI, Ruiz de Almodóvar C. The vasculature of neurogenic niches: properties and function. Cells Dev. 2023;174:203841. doi: 10.1016/j.cdev.2023.203841
  17. Gonçalves JT, Schafer ST, Gage FH. Adult neurogenesis in the hippocampus: from stem cells to behavior. Cell. 2016;167(4):897–914. doi: 10.1016/j.cell.2016.10.021.021
  18. Fu S, Jiang W, Gao X, et al. Aberrant adult neurogenesis in the subventricular zone-rostral migratory stream-olfactory bulb system following subchronic manganese exposure. Toxicol Sci. 2016;150(2):347–368. doi: 10.1093/toxsci/kfw007
  19. Zeng A, Wang SR, He YX, et al. Progress in understanding of the stalk and tip cells formation involvement in angiogenesis mechanisms. Tissue Cell. 2021;73:101626. doi: 10.1016/j.tice.2021.101626
  20. Kania BF, Wrońska-Fortuna D, Zięba D. Introduction to neural plasticity mechanism. Journal of Behavioral and Brain Science. 2017;7(2):41–49. doi: 10.4236/jbbs.2017.72005
  21. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Баранич Т.И. и др. Нейротоксическое действие бета-амилоида сопровождается изменением митохондриальной динамики и аутофагии нейронов и клеток церебрального эндотелия в экспериментальной модели болезни Альцгеймера. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2023;175(3):315–320. doi: 10.47056/0365-9615-2023-175-3-291-297. Averchuk AS, Ryazanova MV, Baranich TI, et al. The neurotoxic effect of β-amyloid is accompanied with changes in the mitochondrial dynamics and autophagy in neurons and brain endothelial cells in the experimental model of Alzheimer’s disease. Bull Exp Biol Med. 2023;175(3):315–320. doi: 10.1007/s10517-023-05859-2
  22. Lucassen PJ, Meerlo P, Naylor AS, et al. Regulation of adult neurogenesis by stress, sleep disruption, exercise and inflammation: implications for depression and antidepressant action. Eur Neuropsychopharmacol. 2020;20(1):1–17. doi: 10.1016/j.euroneuro.2009.08.003
  23. Salmina AB, Gorina YV, Komleva YK, et al. Early life stress and metabolic plasticity of brain cells: impact on neurogenesis and angiogenesis. Biomedicines. 2021;9(9):1092. doi: 10.3390/biomedicines9091092
  24. Wiesmann M, de Leeuw F-E. Vascular reserve in brain resilience: pipes or perfusion? Brain. 2020; 143(2):390–392. doi: 10.1093/brain/awz408
  25. Malinovskaya NA, Komleva YK, Salmin VV, et al. endothelial progenitor cells physiology and metabolic plasticity in brain angiogenesis and blood-brain barrier modeling. Front Physiol. 2016;7:599. doi: 10.3389/fphys.2016.00599
  26. Naito H, Iba T, Takakura N. Mechanisms of new blood-vessel formation and proliferative heterogeneity of endothelial cells. Int Immunol. 2020;32(5):295–305. doi: 10.1093/intimm/dxaa008
  27. Chen W, Xia P, Wang H, et al. The endothelial tip-stalk cell selection and shuffling during angiogenesis. J Cell Commun Signal. 2019;13(3):291–301. doi: 10.1007/s12079-019-00511-z
  28. Иптышев А.М., Горина Я.В., Лопатина О.Л. и др. Экспериментальные модели болезни Альцгеймера: преимущества и недостатки. Сибирское медицинское обозрение. 2016;(4):5–21. Iptyshev AM, Gorina YaV, Lopatina OL, et al. Experimental models of Alzheimer’s disease: advantages and disadvantages. Siberian Medical Review. 2016;(4):5–21.
  29. Рязанова М.В., Аверчук А.С., Ставровская А.В. и др. Особенности экспрессии Arc/Arg3.1 в ткани головного мозга при обучении животных с экспериментальной болезнью Альцгеймера. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2023;17(3):49–56. Ryazanova MV, Averchuk AS, Stavrovskaya AV, et al. Arc/Arg3.1 expression in the brain tissues during the learning process in Alzheimer’s disease animal models. Annals of Clinical and Experimental Neurology. 2023;17(3):49–56. doi: 10.54101/ACEN.2023.3.6
  30. Rodríguez JJ, Verkhratsky A. Neurogenesis in Alzheimer’s disease. J Anat. 2011;219(1):78–89. doi: 10.1111/j.1469-7580.2011.01343.x
  31. Salta E, Lazarov O, Fitzsimons CP, et al. Adult hippocampal neurogenesis in Alzheimer’s disease: a roadmap to clinical relevance. Cell Stem Cell. 2023;30(2):120–136. doi: 10.1016/j.stem.2023.01.002
  32. Ermini FV, Grathwohl S, Radde R, et al. Neurogenesis and alterations of neural stem cells in mouse models of cerebral amyloidosis. Am J Pathol. 2008:172(6):1520–1528. doi: 10.2353/ajpath.2008.060520
  33. Jin K, Peel AL, Mao XO, et al. Increased hippocampal neurogenesis in Alzheimer’s disease. Proc Natl Acad Sci USA. 2004;101(1):343–347. doi: 10.1073/pnas.2634794100
  34. Liu Y, Bilen M, McNicoll MM, et al. Early postnatal defects in neurogenesis in the 3xTg mouse model of Alzheimer’s disease. Cell Death Dis. 2023;14(2):138. doi: 10.1038/s41419-023-05650-1
  35. Kerr AL, Steuer EL, Pochtarev V, et al. Angiogenesis but not neurogenesis is critical for normal learning and memory acquisition. Neuroscience. 2010;171(1):214–226. doi: 10.1016/j.neuroscience.2010.08.008
  36. Hecht M, Krämer LM, von Arnim CAF, et al. Capillary cerebral amyloid angiopathy in Alzheimer’s disease: association with allocortical/hippocampal microinfarcts and cognitive decline. Acta Neuropathol. 2018;135(5):681–694. doi: 10.1007/s00401-018-1834-y
  37. Carrano A, Hoozemans JJ, van der Vies SM, et al. Neuroinflammation and blood-brain barrier changes in capillary amyloid angiopathy. Neurodegener Dis. 2012;10(1-4):329–331. doi: 10.1159/000334916
  38. Аверчук А.С., Рязанова М.В., Ставровская А.В. и др. Оценка ангиогенеза и ремоделирования микрососудов в субвентрикулярной зоне головного мозга мышей при экспериментальной болезни Альцгеймера. Казанский медицинский журнал. 2024;105(2):231–239. Averchuk AS, Ryazanova MV, Stavrovskaya AV, et al. Evaluation of angiogenesis and microvascular remodeling in the subventricular zone of the brain of mice with experimental Alzheimer’s disease. Kazan Medical Journal. 2024;105(2):231–239. doi: 10.17816/KMJ501749
  39. Averchuk AS, Ryazanova MV, Baranich TI, et al. The neurotoxic effect of β-amyloid is accompanied by changes in the mitochondrial dynamics and autophagy in neurons and brain endothelial cells in the experimental model of Alzheimer’s disease. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2023;175(3):315–320. doi: 10.1007/s10517-023-05859-2
  40. Кукла М.В., Аверчук А.С., Ставровская А.В. и др. Изменение экспрессии VEGFR1 и VEGFR2 и зрелости клеток эндотелия у экспериментальных животных с моделью болезни Альцгеймера. Бюллетень сибирской медицины. 2024;23(4):47–54. Kukla M.V., Averchuk A.S., Stavrovskaya A.V. et al. Changes in VEGFR1 and VEGFR2 expression and endothelial cell maturity in laboratory animals with a model of Alzheimer’s disease. Bulletin of Siberian Medicine. 2024;23(4):47–54. doi: 10.20538/1682-0363-2024-4-47-54
  41. Баранич Т.И., Аверчук А.С., Кукла М.В. и др. Субпопуляционные изменения клеток эндотелия сосудов коры головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2024;178(9):365–370. Baranich TI, Averchuk AS, Kukla MV, et al. Subpopulation alterations in endothelial cells of cerebral cortex vessels in the experimental model of Alzheimer’s disease. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2024;178(9):365–370. doi: 10.47056/0365-9615-2024-178-9-365-370
  42. Горина Я.В., Осипова Е.Д., Моргун А.В. и др. Аберрантный ангиогенез в ткани головного мозга при экспериментальной болезни Альцгеймера. Бюллетень сибирской медицины. 2020;19(4):46–52. Gorina YaV, Komleva YuK, Osipova ED, et al. Aberrant angiogenesis in brain tissue in experimental Alzheimer’s disease. Bulletin of Siberian Medicine. 2020;19(4):46–52. doi: 10.20538/1682-0363-2020-4-46-52
  43. Biron KE, Dickstein DL, Gopaul R, et al. Amyloid triggers extensive cerebral angiogenesis causing blood brain barrier permeability and hypervascularity in Alzheimer’s disease. PLoS One. 2011;6(8):e23789. doi: 10.1371/journal.pone.0023789
  44. Georgieva I, Tchekalarova J, Iliev D, et al. Endothelial senescence and its impact on angiogenesis in Alzheimer’s disease. Int J Mol Sci. 2023;24(14):11344. doi: 10.3390/ijms241411344

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 6. Vascular network in the hippocampal SGZ on day 28 after training. A — vascular network of the SGZ of the LO; B — vascular network of the SGZ of an animal with intrahippocampal administration of Aβ25–35. Scale bar — 65 μm.

Download (173KB)
3. Fig. 1. General design of in vivo experiments using two AD models. Model 1 — animals with intrahippocampal Aβ25-35 injection (control — sham-operated animals injected with 0.9% NaCl solution); Model 2 — 5xFAD mice (control — intact C57BL/6 mice).

Download (146KB)
4. Fig. 2. Results of neurobehavioral PA testing in SO animals and animals with intrahippocampal Aβ25–35 injection (A), intact animals and transgenic 5xFAD animals (B) on days 7 and 28 post-training, p < 0.05.

Download (82KB)
5. Fig. 3. Changes in the count of BrdU⁺ neurons (NeuN⁺) in the SGZ of SO animals and animals with intrahippocampal Aβ25–35 injection (A), intact and transgenic 5xFAD animals (B) on days 7 and 28 post-training. Data are normalized to 100 DAPI+-cells and are presented as mean and standard deviation, p < 0.05.

Download (92KB)
6. Fig. 4. Changes in the count of BrdU⁺-endothelial cells (CD31⁺) in the SGZ of SO and animals with intrahippocampal injection of Aβ25–35 (A), intact and transgenic 5xFAD animals (B) on days 7 and 28 post-training. Data are normalized to 100 DAPI+-cells and are presented as mean and standard deviation, p < 0.05.

Download (100KB)
7. Fig. 5. Changes in the number of CXCR4/DLL4/VEGFR2-immunopositive (tip-) and TIE1/Ki-67/NOTCH-immunopositive (stalk-) endothelial cells in the SGZ of SO animals and animals with intrahippocampal injection of Aβ25–35 (A, C), intact and transgenic 5xFAD animals (B, D) on days 7 and 28 post-training. Data are normalized to 100 DAPI-positive cells and are presented as mean and standard deviation, p < 0.05.

Download (187KB)
8. Fig. 7. Branching and density of the vasculature in the SGZ of SO animals and animals with intrahippocampal injection of Aβ25–35 (A, C), intact and transgenic 5xFAD animals (B, D) on days 7 and 28 post-training, p < 0.05.

Download (181KB)

Copyright (c) 2025 Averchuk A.S., Kukla M.V., Rozanova N.A., Stavrovskaya A.V., Salmina A.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».