ALUMINUM CHLORIDE AS AN INDUCER OF AN EXPERIMENTAL MODEL OF ALZHEIMER-TYPE COGNITIVE IMPAIRMENT

УДК 616.894-092.9:615.916

Аннотация

Целью настоящего исследования явилось создание экспериментальной модели когнитивной дисфункции альцгеймеровского типа, индуцированной хлоридом алюминия, у лабораторных животных. Исследование проведено на белых лабораторных крысах, которым внутрижелудочно вводили хлорид алюминия в дозе 35 мг/кг массы тела в сутки. Оценку когнитивных функций осуществляли с использованием водного лабиринта Морриса, позволяющего определить состояние пространственной памяти и способности к обучению.

В ходе эксперимента у животных опытной группы выявлено прогрессирующее ухудшение когнитивных функций по сравнению с интактными животными. Нарушения проявлялись достоверным увеличением латентного времени поиска скрытой платформы в водном лабиринте Морриса (р<0,05), что свидетельствует о снижении способности к пространственному обучению и запоминанию. Полученные данные указывают на развитие выраженных когнитивных расстройств под воздействием хлорида алюминия и воспроизведение нейродегенеративных изменений, характерных для болезни Альцгеймера.

Таким образом, разработанная экспериментальная модель является воспроизводимой и информативной для изучения патогенетических механизмов когнитивной дисфункции, а также может быть использована при доклинической оценке потенциальных нейропротекторных и фармакологических средств, направленных на коррекцию нейродегенеративных нарушений.

Abstract

The aim of the present study was to develop an experimental model of Alzheimer-type cognitive dysfunction induced by aluminum chloride in laboratory animals. The study was conducted on white laboratory rats that received intragastric administration of aluminum chloride at a dose of 35 mg/kg body weight per day. Cognitive functions were assessed using the Morris water maze test, which allows evaluation of spatial memory and learning ability.

During the experiment, animals in the experimental group demonstrated a progressive deterioration of cognitive functions compared with intact controls. The impairments were manifested by a significant increase in the latency to locate the hidden platform in the Morris water maze (p<0.05), indicating reduced spatial learning and memory performance. The obtained findings indicate the development of pronounced cognitive deficits under the influence of aluminum chloride and the reproduction of neurodegenerative changes characteristic of Alzheimer's disease.

Thus, the developed experimental model is reproducible and informative for studying the pathogenetic mechanisms of cognitive dysfunction. Furthermore, it can be used for the preclinical evaluation of potential neuroprotective and pharmacological agents aimed at correcting neurodegenerative disorders.

Ключевые слова: когнитивная дисфункция, хлорид алюминия, нейродегенерация, водный лабиринт Морриса, пространственная память, нейротоксичность, лабораторные крысы, болезнь Альцгеймера.

Keywords: cognitive dysfunction, aluminum chloride, neurodegeneration, Morris water maze, spatial memory, neurotoxicity, laboratory rats, Alzheimer's disease.

Введение

В последние десятилетия во всем мире наблюдается устойчивое увеличение продолжительности жизни населения, что сопровождается ростом распространенности возраст-ассоциированных заболеваний, в том числе нейродегенеративной патологии. Согласно данным международных исследований, деменция относится к числу наиболее значимых медико-социальных проблем современности и характеризуется неуклонным ростом заболеваемости во многих странах мира [1,2]. Среди различных форм деменции наиболее распространенной является болезнь Альцгеймера, на долю которой приходится до 60–70 % всех случаев когнитивных расстройств [3].

Болезнь Альцгеймера представляет собой прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, сопровождающееся нарушением памяти, снижением когнитивных функций и постепенной утратой способности к самостоятельной жизнедеятельности [4,5]. Несмотря на значительный прогресс в изучении молекулярных и клеточных механизмов нейродегенерации, патогенез заболевания остается окончательно не выясненным, а существующие методы терапии в основном направлены на симптоматическую коррекцию нарушений и не обеспечивают полного предотвращения прогрессирования патологического процесса [6,7].

По данным Всемирной организации здравоохранения, число пациентов с деменцией продолжает увеличиваться, а болезнь Альцгеймера остается одной из ведущих причин инвалидизации и смертности среди лиц пожилого возраста [8]. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, направленные на изучение механизмов развития когнитивных нарушений и поиск новых подходов к их профилактике и лечению.

Важным инструментом изучения нейродегенеративных процессов являются экспериментальные модели. В настоящее время для воспроизведения когнитивной дисфункции используются генетические, хирургические, фармакологические и токсикологические методы моделирования [9,10]. Однако многие существующие модели характеризуются высокой стоимостью, технической сложностью выполнения либо ограниченной воспроизводимостью результатов, что затрудняет их широкое применение в доклинических исследованиях [11].

В последние годы особое внимание исследователей привлекают модели, основанные на использовании нейротоксических веществ, способных индуцировать изменения, сходные с проявлениями болезни Альцгеймера. Одним из наиболее изученных нейротоксикантов является хлорид алюминия (AlCl₃), который способен вызывать нарушение когнитивных функций, развитие оксидативного стресса, нейровоспаления, митохондриальной дисфункции и повреждение нейронов гиппокампа, играющего ключевую роль в процессах памяти и обучения [12–14]. Вместе с тем в литературе сохраняются дискуссии относительно оптимальных режимов применения хлорида алюминия и воспроизводимости вызываемых им нейродегенеративных изменений, что требует дальнейшего совершенствования экспериментальных подходов и стандартизации моделей [15].

Таким образом, разработка доступной, воспроизводимой и информативной экспериментальной модели когнитивной дисфункции альцгеймеровского типа остается актуальной задачей современной нейробиологии и фармакологии. Создание таких моделей необходимо для изучения патогенетических механизмов нейродегенерации и проведения доклинической оценки перспективных нейропротекторных средств.

Цель исследования – создание экспериментальной модели когнитивной дисфункции альцгеймеровского типа путем внутрижелудочного введения хлорида алюминия лабораторным крысам с последующей оценкой нарушений когнитивных функций и поведенческих реакций.

Материалы и методы

Экспериментальное исследование выполнено на 12 белых беспородных лабораторных крысах массой 180–250 г. Животных содержали в стандартных условиях вивария при свободном доступе к пище и воде, естественном световом режиме и контролируемых параметрах микроклимата. Перед началом эксперимента все животные проходили двухнедельный период акклиматизации.

Дизайн исследования

Животные были случайным образом распределены на две группы по 6 особей в каждой:

1. интактная (контрольная) группа;
2. экспериментальная группа (AlCl₃).

Моделирование когнитивной дисфункции осуществляли путем внутрижелудочного введения хлорида алюминия (AlCl₃) в дозе 35 мг/кг массы тела один раз в сутки в течение 15 дней с использованием желудочного зонда. Животным контрольной группы в аналогичном объеме вводили дистиллированную воду.

Исследование одобрено локальным комитетом по биоэтике Фармацевтического института образования и исследований. (протокол № 8 от 15.01.2025 г.).

Оценка когнитивных функций

Для оценки пространственного обучения и памяти использовали тест водного лабиринта Морриса. Перед началом исследования животных адаптировали к условиям эксперимента и расположению платформы в течение 5 дней.

Тестирование проводили в круглом бассейне диаметром 120 см и высотой 50 см, заполненном водой на глубину 30 см. Температуру воды поддерживали постоянной на протяжении всего эксперимента. Для маскировки платформы воду окрашивали нетоксичным красителем. Бассейн условно разделяли на четыре квадранта: северный, южный, восточный и западный. Скрытую круглую платформу диаметром 8 см размещали стационарно в центре одного из квадрантов на 1 см ниже уровня поверхности воды.

Во время тестирования каждое животное помещали в бассейн из юго-западного квадранта. Максимальное время поиска платформы составляло 60 секунд. После обнаружения платформы животному позволяли находиться на ней в течение 30 секунд. Если крыса не находила платформу за отведенное время, ее направляли к платформе вручную.

Тренировку животных проводили ежедневно в течение пяти последовательных дней. Каждый день включал три попытки с интервалом отдыха 30–45 минут. Для дальнейшего анализа использовали среднее значение латентного времени, рассчитанное по результатам трех попыток.

Основным показателем пространственного обучения и памяти служило латентное время нахождения скрытой платформы. Снижение данного показателя расценивали как признак формирования пространственной памяти и способности к обучению.

Оценку когнитивных функций проводили на 1-е, 5-е, 10-е и 15-е сутки эксперимента. Регистрацию поведенческих реакций и времени поиска платформы осуществляли с использованием системы видеонаблюдения.

Статистический анализ

Статистическую обработку выполняли с использованием программы GraphPad Prism 9.0 (GraphPad Software, США). Результаты представлены в виде среднего значения и стандартной ошибки среднего (M±m). Для оценки различий между группами и динамики показателей во времени применяли двухфакторный дисперсионный анализ с повторными измерениями (Repeated Measures ANOVA) с последующим пост-хок тестом Тьюки.. Результаты Repeated Measures ANOVA подтвердили наличие статистически значимых различий между группами в динамике формирования пространственной памяти на протяжении эксперимента (p<0,05).

Результаты и обсуждение

В ходе исследования было установлено, что у животных интактной группы наблюдалось постепенное снижение латентного времени обнаружения скрытой платформы в водном лабиринте Морриса, что свидетельствовало о формировании устойчивых навыков пространственного обучения и памяти. Так, среднее время поиска платформы уменьшилось с 59,75±0,63 с в первый день исследования до 23,75±2,83 с к 15-м суткам эксперимента.

В отличие от контрольных животных, у крыс экспериментальной группы, получавших хлорид алюминия в дозе 35 мг/кг, отмечалось прогрессирующее увеличение латентного времени обнаружения скрытой платформы. На 5-е сутки данный показатель составил 75,25±2,49 с, на 10-е сутки – 90,25±8,05 с, а к 15-м суткам достиг 93,75±19,24 с. Полученные результаты свидетельствуют о выраженном нарушении процессов пространственного обучения и памяти под воздействием AlCl₃.

Сравнительный анализ показал отсутствие статистически значимых различий между группами в первый день эксперимента. Однако уже на 5-е сутки латентное время поиска платформы у животных экспериментальной группы превышало аналогичный показатель интактных крыс на 48 %. На 10-е и 15-е сутки различия увеличивались до 257 % и 294 % соответственно. Статистически значимые различия между группами были выявлены начиная с 5-х суток исследования (р<0,05). Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1. Динамика латентного времени обнаружения скрытой платформы у крыс при моделировании когнитивной дисфункции, индуцированной AlCl₃ (M±m, n=6)

Полученные данные свидетельствуют о том, что хроническое введение хлорида алюминия приводит к развитию прогрессирующих когнитивных нарушений, проявляющихся ухудшением пространственной памяти и способности к обучению. Наблюдаемое увеличение времени поиска платформы отражает снижение эффективности формирования пространственных навыков и процессов запоминания.

Результаты настоящего исследования согласуются с данными международных исследований, демонстрирующих способность хлорида алюминия индуцировать когнитивные расстройства и нейродегенеративные изменения, сходные с проявлениями болезни Альцгеймера [9–14]. В работах показано, что длительное воздействие AlCl₃ сопровождалось выраженным ухудшением памяти и обучаемости экспериментальных животных [9]. Аналогичные результаты были получены El-Banna и соавт. [10], показавшими, что алюминий-индуцированная нейродегенерация сопровождается развитием оксидативного стресса и нарушением нейрональной передачи. Полученные в настоящем исследовании данные также согласуются с результатами современных работ, в которых модель AlCl₃-индуцированной когнитивной дисфункции использовалась для оценки потенциальных нейропротекторных средств. Так, Samman и соавт. показали улучшение когнитивных функций и снижение выраженности нейродегенеративных изменений под влиянием дапаглифлозина у животных с экспериментальной болезнью Альцгеймера [8]. В исследованиях Bhounsule и Bhatt установлено, что комбинация ресвератрола и таниновой кислоты оказывает выраженное защитное действие в условиях алюминий-индуцированной нейротоксичности [9]. Сходные результаты были получены Khan и соавт., продемонстрировавшими уменьшение когнитивного дефицита и выраженности окислительного стресса под влиянием барбалоина [11].

Кроме того, Özdemir Tozlu и соавт. выявили нейропротекторный эффект D-циклосерина и L-серина в модели болезни Альцгеймера, индуцированной хлоридом алюминия [12]. Auti и Kulkarni показали, что применение байкалеина в сочетании с мемантином способствует уменьшению выраженности поведенческих и когнитивных нарушений у животных с AlCl₃-индуцированной нейродегенерацией [14]. Совокупность этих данных подтверждает высокую воспроизводимость модели, основанной на хроническом введении хлорида алюминия, и ее широкое применение в доклинических исследованиях потенциальных нейропротекторных препаратов. Одним из возможных механизмов выявленных нарушений является токсическое воздействие AlCl₃ на гиппокамп — ключевую структуру головного мозга, участвующую в формировании памяти и пространственной ориентации. Известно, что хроническое воздействие алюминия способствует развитию оксидативного стресса, митохондриальной дисфункции, нейровоспалительных реакций и нарушению холинергической нейротрансмиссии. Совокупность этих процессов приводит к повреждению нейронов и снижению когнитивных функций [10–14]. Динамика изменений представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Динамика латентного времени обнаружения скрытой платформы

Кроме того, современные исследования указывают на способность хлорида алюминия усиливать процессы β-амилоидогенеза и способствовать формированию патологических изменений, характерных для болезни Альцгеймера [11–15]. Это позволяет рассматривать данную модель как перспективный инструмент для изучения механизмов нейродегенерации и поиска новых подходов к фармакологической коррекции когнитивных нарушений.

Следует отметить, что ограничениями настоящего исследования являются отсутствие биохимической и морфологической оценки состояния тканей головного мозга, а также относительно небольшой объем экспериментальной выборки. Тем не менее полученные результаты демонстрируют хорошую воспроизводимость модели и подтверждают возможность ее использования в доклинических исследованиях потенциальных нейропротекторных средств.

Таким образом, внутрижелудочное введение хлорида алюминия в дозе 35 мг/кг в течение 15 суток приводит к развитию выраженных нарушений пространственной памяти и обучения у лабораторных крыс. Полученные данные подтверждают эффективность предложенной модели для воспроизведения когнитивной дисфункции альцгеймеровского типа и ее перспективность для дальнейших экспериментальных исследований.

Заключение

Проведенное исследование показало, что хроническое внутрижелудочное введение хлорида алюминия в дозе 35 мг/кг в течение 15 суток приводит к развитию выраженных нарушений пространственного обучения и памяти у лабораторных крыс. У животных экспериментальной группы наблюдалось прогрессирующее увеличение латентного времени обнаружения скрытой платформы в водном лабиринте Морриса, что свидетельствует о формировании устойчивой когнитивной дисфункции.

Полученные результаты подтверждают возможность использования хлорида алюминия для воспроизведения экспериментальной модели когнитивных нарушений альцгеймеровского типа. Разработанная модель характеризуется воспроизводимостью, информативностью и позволяет объективно оценивать динамику изменений когнитивных функций в условиях экспериментального воздействия.

Практическая значимость исследования заключается в возможности применения данной модели для изучения механизмов нейродегенерации, исследования патогенеза когнитивных расстройств и проведения доклинической оценки перспективных нейропротекторных и фармакологических средств. Полученные данные создают основу для дальнейших исследований, направленных на разработку эффективных подходов к профилактике и коррекции когнитивных нарушений.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Исследование выполнено без привлечения внешнего финансирования.

Все авторы внесли равный вклад в проведение исследования, анализ результатов и подготовку рукописи.

Список литературы:

1. World Population Ageing 2023. New York: United Nations, 2023. 126 p.
2. World Health Organization. Dementia. Geneva: WHO, 2023.
3. Livingston G., Huntley J., Sommerlad A., Ames D., Ballard C., Banerjee S. et al. Dementia prevention, intervention, and care: 2020 report of the Lancet Commission // Lancet. 2020. Vol. 396. № 10248. P. 413–446. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)30367-6.
4. Cummings J., Lee G., Ritter A., Zhong K. Alzheimer's disease drug development pipeline: 2022 // Alzheimer's & Dementia: Translational Research & Clinical Interventions. 2022. Vol. 8. № 1. e12295. DOI: 10.1002/trc2.12295.
5. Dey M., Singh R.K. Chronic oral exposure of aluminum chloride in rat modulates molecular and functional neurotoxic markers relevant to Alzheimer's disease // Toxicology Mechanisms and Methods. 2022. Vol. 32. № 8. P. 616–627. DOI: 10.1080/15376516.2022.2058898.
6. Eraky S.M., Ramadan N.M., Abo El-Magd N.F. Ameliorative effects of bromelain on aluminum-induced Alzheimer's disease in rats through modulation of TXNIP pathway // International Journal of Biological Macromolecules. 2023. Vol. 227. P. 1119–1131. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.11.291.
7. Mohamed S.M., Shalaby M.A., Al-Mokaddem A.K. et al. Evaluation of anti-Alzheimer activity of Echinacea purpurea extracts in aluminum chloride-induced neurotoxicity in rat model // Journal of Chemical Neuroanatomy. 2023. Vol. 128. 102234. DOI: 10.1016/j.jchemneu.2023.102234.
8. Samman W.A., Selim S.M., El Fayoumi H.M. et al. Dapagliflozin ameliorates cognitive impairment in aluminum-chloride-induced Alzheimer’s disease via modulation of AMPK/mTOR, oxidative stress and glucose metabolism // Pharmaceuticals. 2023. Vol. 16. № 5. P. 753. DOI: 10.3390/ph16050753.
9. Bhounsule A., Bhatt L.K. Protective effect of resveratrol and tannic acid combination on aluminium chloride induced neurotoxicity in rats // Nutritional Neuroscience. 2024. Vol. 27. № 5. P. 438–450. DOI: 10.1080/1028415X.2023.2208908.
10. El-Banna A.H. et al. New bithiophene derivative attenuated Alzheimer’s disease induced by aluminum in a rat model via antioxidant activity and restoration of neuronal and synaptic transmission // Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2024. Vol. 82. 127352. DOI: 10.1016/j.jtemb.2023.127352.
11. Khan A. et al. Barbaloin’s chemical intervention in aluminum chloride induced cognitive deficits and changes in rats through modulation of oxidative stress, cytokines, and BDNF expression // ACS Omega. 2024. Vol. 9. № 6. P. 6976–6985. DOI: 10.1021/acsomega.3c08791.
12. Özdemir Tozlu Ö., Türkez H., Okkay U. et al. Assessment of the neuroprotective potential of D-cycloserine and L-serine in aluminum chloride-induced experimental models of Alzheimer’s disease: in vivo and in vitro studies // Frontiers in Nutrition. 2022. Vol. 9. Article 981889. DOI: 10.3389/fnut.2022.981889.
13. Aboulkhair M. et al. Phosphodiesterase (PDE) III inhibitor, Cilostazol, improved memory impairment in aluminum chloride-treated rats: modulation of cAMP/CREB pathway // Inflammopharmacology. 2022. Vol. 30. P. 1559–1574. DOI: 10.1007/s10787-022-01018-7.
14. Auti S.T., Kulkarni Y.A. Effects of baicalein with memantine on aluminium chloride-induced neurotoxicity in Wistar rats // Frontiers in Pharmacology. 2023. Vol. 14. Article 1034620. DOI: 10.3389/fphar.2023.1034620.
15. Behavioral Paradigms and Methodological Variability in Aluminum Chloride-Induced Rat Models of Alzheimer’s Disease: A Structured Review // Biology. 2025. Vol. 15. № 9. Article 690.