Background Exenatide, a glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor agonist, has neuroprotective effects in preclinical models of Parkinson's disease. We investigated whether these effects would be apparent in a clinical trial. Methods In this single-centre, randomised, double-blind, placebo-controlled trial, patients with moderate Parkinson's disease were randomly assigned (1:1) to receive subcutaneous injections of exenatide 2 mg or placebo once weekly for 48 weeks in addition to their regular medication, followed by a 12-week washout period. Eligible patients were aged 25–75 years, had idiopathic Parkinson's disease as measured by Queen Square Brain Bank criteria, were on dopaminergic treatment with wearing-off effects, and were at Hoehn and Yahr stage 2·5 or less when on treatment. Randomisation was by web-based randomisation with a two strata block design according to disease severity. Patients and investigators were masked to treatment allocation. The primary outcome was the adjusted difference in the Movement Disorders Society Unified Parkinson's Disease Rating Scale (MDS-UPDRS) motor subscale (part 3) in the practically defined off-medication state at 60 weeks. All efficacy analyses were based on a modified intention-to-treat principle, which included all patients who completed any post-randomisation follow-up assessments. The study is registered at ClinicalTrials.gov (NCT01971242) and is completed. Findings Between June 18, 2014, and March 13, 2015, 62 patients were enrolled and randomly assigned, 32 to exenatide and 30 to placebo. Our primary analysis included 31 patients in the exenatide group and 29 patients in the placebo group. At 60 weeks, off-medication scores on part 3 of the MDS-UPDRS had improved by 1·0 points (95% CI −2·6 to 0·7) in the exenatide group and worsened by 2·1 points (−0·6 to 4·8) in the placebo group, an adjusted mean difference of −3·5 points (−6·7 to −0·3; p=0·0318). Injection site reactions and gastrointestinal symptoms were common adverse events in both groups. Six serious adverse events occurred in the exenatide group and two in the placebo group, although none in either group were judged to be related to the study interventions. Interpretation Exenatide had positive effects on practically defined off-medication motor scores in Parkinson's disease, which were sustained beyond the period of exposure. Whether exenatide affects the underlying disease pathophysiology or simply induces long-lasting symptomatic effects is uncertain. Exenatide represents a major new avenue for investigation in Parkinson's disease, and effects on everyday symptoms should be examined in longer-term trials. Funding Michael J Fox Foundation for Parkinson's Research.

Importance

 Exenatide, a glucagon-like peptide 1 agonist used in type 2 diabetes, was recently found to have beneficial effects on motor function in a randomized, placebo-controlled trial in Parkinson disease (PD). Accumulating evidence suggests that impaired brain insulin and protein kinase B (Akt) signaling play a role in PD pathogenesis; however, exploring the extent to which drugs engage with putative mechnisms in vivo remains a challenge. 

Objective

 To assess whether participants in the Exenatide-PD trial have augmented activity in brain insulin and Akt signaling pathways. 

Design, Setting, and Participants

 Serum samples were collected from 60 participants in the single-center Exenatide-PD trial (June 18, 2014, to June 16, 2016), which compared patients with moderate PD randomized to 2 mg of exenatide once weekly or placebo for 48 weeks followed by a 12-week washout period. Serum extracellular vesicles, including exosomes, were extracted, precipitated, and enriched for neuronal source by anti–L1 cell adhesion molecule antibody absorption, and proteins of interest were evaluated using electrochemiluminescence assays. Statistical analysis was performed from May 1, 2017, to August 31, 2017. 

Main Outcomes and Measures

 The main outcome was augmented brain insulin signaling that manifested as a change in tyrosine phosphorylated insulin receptor substrate 1 within neuronal extracellular vesicles at the end of 48 weeks of exenatide treatment. Additional outcome measures were changes in other insulin receptor substrate proteins and effects on protein expression in the Akt and mitogen-activated protein kinase pathways. 

Results

 Sixty patients (mean [SD] age, 59.9 [8.4] years; 43 [72%] male) participated in the study: 31 in the exenatide group and 29 in the placebo group (data from 1 patient in the exenatide group were excluded). Patients treated with exenatide had augmented tyrosine phosphorylation of insulin receptor substrate 1 at 48 weeks (0.27 absorbance units [AU]; 95% CI, 0.09-0.44 AU;P = .003) and 60 weeks (0.23 AU; 95% CI, 0.05-0.41 AU;P = .01) compared with patients receiving placebo. Exenatide-treated patients had elevated expression of downstream substrates, including total Akt (0.35 U/mL; 95% CI, 0.16-0.53 U/mL;P < .001) and phosphorylated mechanistic target of rapamycin (mTOR) (0.22 AU; 95% CI, 0.04-0.40 AU;P = .02). Improvements in Movement Disorders Society Unified Parkinson's Disease Rating Scale part 3 off-medication scores were associated with levels of total mTOR (F_4,50 = 5.343,P = .001) and phosphorylated mTOR (F_4,50 = 4.384,P = .04). 

Conclusions and Relevance

 The results of this study are consistent with target engagement of brain insulin, Akt, and mTOR signaling pathways by exenatide and provide a mechanistic context for the clinical findings of the Exenatide-PD trial. This study suggests the potential of using exosome-based biomarkers as objective measures of target engagement in clinical trials using drugs that target neuronal pathways.

ABSTRACT Parkinson’s disease (PD) is a common, devastating, and incurable neurodegenerative disorder. Several molecular mechanisms have been proposed to drive PD, with genetic and pathological evidence pointing towards aberrant protein homeostasis and mitochondrial dysfunction. PD is clinically highly heterogeneous, it is likely that different mechanisms underlie the pathology in different individuals, each requiring a specific targeted treatment. Recent advances in stem cell technology and fluorescent live-cell imaging have enabled the generation of patient-derived neurons with different mechanistic subtypes of PD. Here, we performed multi-dimensional fluorescent labelling of organelles in iPSC-derived neurons, in healthy control cells, and in four different disease subclasses. We generated a machine learning-based model that can simultaneously predict the presence of disease, and its primary mechanistic subtype. We independently trained a series of classifiers using both quantitative single-cell fluorescence variables and images to build deep neural networks. Quantitative cellular profile-based classifiers achieve an accuracy of 82%, whilst image based deep neural networks predict control, and four distinct disease subtypes with an accuracy of 95%. The classifiers achieve their accuracy across all subtypes primarily utilizing the organellar features of the mitochondria, with additional contribution of the lysosomes, confirming their biological importance in PD. Taken together, we show that machine learning approaches applied to patient-derived cells are able to predict disease subtypes, demonstrating that this approach may be used to guide personalized treatment approaches in the future.

Abstract Parkinson’s disease is a neurodegenerative disease characterised by a proteinopathy with marked astrogliosis. To investigate how a proteinopathy may induce a reactive astrocyte state, and the consequence of reactive astrocytic states on neurons, we generated hiPSC-derived astrocytes, neurons and co-cultures and exposed them to small soluble alpha-synuclein aggregates. Oligomeric alpha-synuclein triggered an inflammatory state associated with TLR activation, viral responses and cytokine secretion. This reactive state resulted in loss of neurosupportive functions, and the induction of neuronal toxicity. Notably, interferon response pathways were activated leading to upregulation, and isoform switching of the RNA deaminase enzyme, ADAR1. ADAR1 mediates A-to-I RNA editing, and increases in RNA editing were observed in inflammatory pathways in cells, as well as in post-mortem human PD brain. Aberrant, or dysregulated, ADAR1 responses and RNA editing may lead to sustained inflammatory reactive states in astrocytes triggered by alpha-synuclein aggregation, and this may drive the neuroinflammatory cascade in Parkinson’s.

Abstract Neuronal insulin resistance is linked to the pathogenesis of Parkinson’s disease through unclear, but potentially targetable, mechanisms. We delineated neuronal and glial mechanisms of insulin resistance and glucagon-like 1 peptide (GLP-1) receptor agonism in human iPSC models of synucleinopathy, and corroborated our findings in patient samples from a Phase 2 trial of a GLP-1R agonist in Parkinson’s ( NCT01971242 ). Human iPSC models of synucleinopathy exhibit neuronal insulin resistance and dysfunctional insulin signalling, which is associated with inhibition of the neuroprotective Akt pathways, and increased expression of the MAPK-associated p38 and JNK stress pathways. Ultimately, this imbalance is associated with cellular stress, impaired proteostasis, accumulation of α-synuclein, and neuronal loss. The GLP-1R agonist exenatide led to restoration of insulin signalling, associated with restoration of Akt signalling and suppression of the MAPK pathways in neurons. GLP-1R agonism reverses the neuronal toxicity associated with the synucleinopathy, through reduction of oxidative stress, improved mitochondrial and lysosomal function, reduced aggregation of α-synuclein, and enhanced neuronal viability. GLP-1R agonism further suppresses synuclein induced inflammatory states in glia, leading to neuroprotection through non cell autonomous effects. In the exenatide-PD2 clinical trial, exenatide treatment was associated with clinical improvement in individuals with higher baseline MAPK expression (and thus insulin resistance). Exenatide treatment led to a reduction of α-synuclein aggregates, and a reduction in inflammatory cytokine IL-6. Taken together, our patient platform defines the mechanisms of GLP-1R action in neurons and astrocytes, identifies the population likely to benefit from GLP-1R agonism, and highlights the utility of GLP-1R agonism as a disease modifying strategy in synucleinopathies.

Abstract Mutations in the SNCA gene cause autosomal dominant Parkinson’s disease (PD), with progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra, and accumulation of aggregates of α-synuclein. However, the sequence of molecular events that proceed from the SNCA mutation during development, to its end stage pathology is unknown. Utilising human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) with SNCA mutations, we resolved the temporal sequence of pathophysiological events that occur during neuronal differentiation in order to discover the early, and likely causative, events in synucleinopathies. We adapted a small molecule-based protocol that generates highly enriched midbrain dopaminergic (mDA) neurons (>80%). We characterised their molecular identity using single-cell RNA sequencing and their functional identity through the synthesis and secretion of dopamine, the ability to generate action potentials, and form functional synapses and networks. RNA velocity analyses confirmed the developmental transcriptomic trajectory of midbrain neural precursors into mDA neurons using our approach, and identified key driver genes in mDA neuronal development. To characterise the synucleinopathy, we adopted super-resolution methods to determine the number, size and structure of aggregates in SNCA -mutant mDA neurons. At one week of differentiation, prior to maturation to mDA neurons of molecular and functional identity, we demonstrate the formation of small aggregates; specifically, β-sheet rich oligomeric aggregates, in SNCA -mutant midbrain immature neurons. The aggregation progresses over time to accumulate phosphorylated aggregates, and later fibrillar aggregates. When the midbrain neurons were functional, we observed evidence of impaired physiological calcium signalling, with raised basal calcium, and impairments in cytosolic and mitochondrial calcium efflux. Once midbrain identity fully developed, SNCA -mutant neurons exhibited bioenergetic impairments, mitochondrial dysfunction and oxidative stress. During the maturation of mDA neurons, upregulation of mitophagy and autophagy occured, and ultimately these multiple cellular stresses lead to an increase in cell death by six weeks post-differentiation. Our differentiation paradigm generates an efficient model for studying disease mechanisms in PD, and highlights that protein misfolding to generate intraneuronal oligomers is one of the earliest critical events driving disease in human neurons, rather than a late-stage hallmark of the disease.

Abstract The development of human induced pluripotent stem cells (hiPSC) has greatly aided our ability to model neurodegenerative diseases. However, generation of midbrain dopaminergic (mDA) neurons is a major challenge and protocols are variable. Here, we developed a method to differentiate hiPSCs into enriched populations (>80%) of mDA neurons using only small molecules. We confirmed the identity of the mDA neurons using single-cell RNA-sequencing and detection of classical markers. Single-cell live imaging demonstrated neuronal calcium signalling and functional dopamine transport. Electrophysiology measures highlighted the ability to form synapses and networks in culture. Patient-specific hiPSC lines differentiated to produce functional mDA neurons that exhibit the hallmarks of synucleinopathy including: aggregate formation, oxidative stress as well as mitochondrial dysfunction and impaired lysosomal dynamics. In summary, we establish a robust differentiation paradigm to generate enriched mDA neurons from hiPSCs, which can be used to faithfully model key aspects of Parkinson’s disease (PD), providing the potential to further elucidate molecular mechanisms contributing to disease development.

Abstract Aggregation of α-Synuclein (α-Syn) drives Parkinson’s disease, although the initial stages of self-assembly and structural conversion have not been captured inside neurons. We track the intracellular conformational states of α-Syn utilizing a single-molecule FRET biosensor, and show that α-Syn converts from its monomeric state to form two distinct oligomeric states in neurons in a concentration dependent, and sequence specific manner. 3D FRET-CLEM reveals the structural organization, and location of aggregation hotspots inside the cell. Notably multiple intracellular seeding events occur preferentially on membrane surfaces, especially mitochondrial membranes. The mitochondrial lipid, cardiolipin triggers rapid oligomerization of A53T α-Syn, and cardiolipin is sequestered within aggregating lipid-protein complexes. Mitochondrial aggregates impair complex I activity and increase mitochondrial ROS generation, which accelerates the oligomerization of A53T α-Syn, and ultimately causes permeabilization of mitochondrial membranes, and cell death. Patient iPSC derived neurons harboring A53T mutations exhibit accelerated oligomerization that is dependent on mitochondrial ROS, early mitochondrial permeabilization and neuronal death. Our study highlights a mechanism of de novo oligomerization at the mitochondria and its induction of neuronal toxicity.

Background: The BRAIN tap test is an online keyboard tapping task that has been previously validated to assess upper limb motor function in Parkinson's disease (PD). Objectives: To develop a new parameter which detects a sequence effect and to reliably distinguish between PD patients on and off medication. Alongside, we sought to validate a mobile version of the test for use on smartphones and tablet devices. Methods: BRAIN test scores in 61 patients with PD and 93 healthy controls were compared. A range of established parameters captured speed and accuracy of alternate taps. The new VS (Velocity Score) recorded the inter-tap speed. Decrement in the VS was used as a marker for the sequence effect. In the validation phase, 19 PD patients and 19 controls were tested using multiple types of hardware platforms including smart devices. Results: Quantified slopes from the VS demonstrated bradykinesia (sequence effect) in PD patients (slope cut-off -0.002) with sensitivity of 58% and specificity of 81% (discovery phase of the study) and sensitivity of 65% and specificity of 88% (validation phase). All BRAIN test parameters differentiated between on medication and off medication states in PD. Most BRAIN tap test parameters had high test-retest reliability values (ICC>0.75). Differentiation between PD patients and controls was possible on all hardware versions of the test. Conclusion: The BRAIN tap test is a simple, user-friendly and free-to-use tool for assessment of upper limb motor dysfunction in PD, which now includes a measure of bradykinesia.

Abstract Background The dopamine transporter striatal binding ratio (DAT SBR) has been used as an outcome measure in Parkinson's disease (PD) trials of potential disease‐modifying therapies; however, both patient characteristics and analysis approach potentially complicate its interpretation. Objective The aim was to explore how well DAT SBR reflects PD motor severity across different striatal subregions and the relationship to disease duration, and side of onset. Methods DAT SBR for the anterior and posterior putamen and caudate in both hemispheres was obtained using validated automated quantitative software on baseline scans of 132 patients recruited for the Exenatide PD2 and PD3 trials. Associations between mean and lateralized SBR subregions (posterior and anterior putamen and caudate) and summed and lateralized motor characteristics were explored using regression analysis. Analyses were repeated considering disease duration and limiting analysis to the less‐affected hemisphere. Results Lateralized bradykinesia was most consistently associated with the loss of DAT uptake in the contralateral anterior putamen. There was much higher variance in the posterior putamen, and in all regions in those with longer duration disease, although bradykinesia remained robustly associated with anterior putaminal DAT uptake even in longer‐duration patients. Restricting analyses to the less‐affected side did not usefully reduce the variance compared to the overall cohort. Conclusion These data suggest that DAT SBR could be a useful biomarker in disease‐modifying trials, but a focus on anterior striatal subregions and incorporating disease duration into analyses may improve its utility.