Lentiviral delivery of glial cell line–derived neurotrophic factor (lenti-GDNF) was tested for its trophic effects upon degenerating nigrostriatal neurons in nonhuman primate models of Parkinson's disease (PD). We injected lenti-GDNF into the striatum and substantia nigra of nonlesioned aged rhesus monkeys or young adult rhesus monkeys treated 1 week prior with 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP). Extensive GDNF expression with anterograde and retrograde transport was seen in all animals. In aged monkeys, lenti-GDNF augmented dopaminergic function. In MPTP-treated monkeys, lenti-GDNF reversed functional deficits and completely prevented nigrostriatal degeneration. Additionally, lenti-GDNF injections to intact rhesus monkeys revealed long-term gene expression (8 months). In MPTP-treated monkeys, lenti-GDNF treatment reversed motor deficits in a hand-reach task. These data indicate that GDNF delivery using a lentiviral vector system can prevent nigrostriatal degeneration and induce regeneration in primate models of PD and might be a viable therapeutic strategy for PD patients.

The pace of nigrostriatal degeneration, both with regards to striatal denervation and loss of melanin and tyrosine hydroxylase-positive neurons, is poorly understood especially early in the Parkinson's disease process. This study investigated the extent of nigrostriatal degeneration in patients with Parkinson's disease at different disease durations from time of diagnosis. Brains of patients with Parkinson's disease (n=28) with post-diagnostic intervals of 1-27 years and normal elderly control subjects (n=9) were examined. Sections of the post-commissural putamen and substantia nigra pars compacta were processed for tyrosine hydroxylase and dopamine transporter immunohistochemistry. The post-commissural putamen was selected due to tissue availability and the fact that dopamine loss in this region is associated with motor disability in Parkinson's disease. Quantitative assessments of putaminal dopaminergic fibre density and stereological estimates of the number of melanin-containing and tyrosine hydroxylase-immunoreactive neurons in the substantia nigra pars compacta (both in total and in subregions) were performed by blinded investigators in cases where suitable material was available (n=17). Dopaminergic markers in the dorsal putamen showed a modest loss at 1 year after diagnosis in the single case available for study. There was variable (moderate to marked) loss, at 3 years. At 4 years post-diagnosis and thereafter, there was virtually complete loss of staining in the dorsal putamen with only an occasional abnormal dopaminergic fibre detected. In the substantia nigra pars compacta, there was a 50-90% loss of tyrosine hydroxylase-positive neurons from the earliest time points studied with only marginal additional loss thereafter. There was only a ∼10% loss of melanized neurons in the one case evaluated 1 year post-diagnosis, and variable (30 to 60%) loss during the first several years post-diagnosis with more gradual and subtle loss in the second decade. At all time points, there were more melanin-containing than tyrosine hydroxylase-positive cells. Loss of dopaminergic markers in the dorsal putamen occurs rapidly and is virtually complete by 4 years post-diagnosis. Loss of melanized nigral neurons lags behind the loss of dopamine markers. These findings have important implications for understanding the nature of Parkinson's disease neurodegeneration and for studies of putative neuroprotective/restorative therapies.

Layer II of the entorhinal cortex contains the cells of origin for the perforant path, plays a critical role in memory processing, and consistently degenerates in end-stage Alzheimer's disease. The extent to which neuron loss in layer II of entorhinal cortex is related to mild cognitive impairment without dementia has not been extensively investigated. We analyzed 29 participants who came to autopsy from our ongoing longitudinal study of aging and dementia composed of religious clergy (Religious Orders Study). All individuals underwent detailed clinical evaluation within 12 months of death and were categorized as having no cognitive impairment (n = 8), mild cognitive impairment (n = 10), or mild or moderate Alzheimer's disease (n = 11). Sections through the entorhinal cortex were immunoreacted with an antibody directed against a neuron-specific nuclear protein (NeuN). Stereological counts of NeuN-immunoreactive stellate cells, their volume, and the volume of layer II entorhinal cortex were estimated. Cases exhibiting no cognitive impairment averaged 639,625 +/- 184,600 layer II stellate neurons in the right entorhinal cortex. Individuals with mild cognitive impairment (63.5%; p < 0.0003) and mild or moderate Alzheimer's disease (46.06%; p < 0.0017) displayed significant losses of layer II entorhinal cortex neurons relative to those with no cognitive impairment but not relative to each other (p > 0.33). There was also significant atrophy of layer II entorhinal cortex neurons in individuals with mild cognitive impairment (24.1%) and Alzheimer's disease (25.1%). The volume of layer II was also reduced in individuals with mild cognitive impairment (26.5%), with a further reduction in those with Alzheimer's disease (46.4%). The loss and atrophy of layer II entorhinal cortex neurons significantly correlated with performance on clinical tests of declarative memory. Atrophy of layer II entorhinal cortex and the neurons within this layer significantly correlated with performance on the Mini Mental Status Examination. These data indicate that atrophy and loss of layer II entorhinal cortex neurons occur in elderly subjects with mild cognitive impairment prior to the onset of dementia and suggests that these changes are not exacerbated in early Alzheimer's disease.

We explored the relationship between ubiquitin proteasome system (UPS) and lysosomal markers and the formation of alpha-synuclein (alpha-syn) inclusions in nigral neurons in Parkinson disease (PD). Lysosome Associated Membrane Protein 1(LAMP1), Cathepsin D (CatD), and Heat Shock Protein73 (HSP73) immunoreactivity were significantly decreased within PD nigral neurons when compared to age-matched controls. This decrease was significantly greater in nigral neurons that contained alpha-syn inclusions. Immunoreactivity for 20S proteasome was similarly reduced in PD nigral neurons, but only in cells that contained inclusions. In aged control brains, there is staining for alpha-syn protein, but it is non-aggregated and there is no difference in LAMP1, CatD, HSP73 or 20S proteasome immunoreactivity between alpha-syn positive or negative neuromelanin-laden nigral neurons. Targeting over-expression of mutant human alpha-syn in the rat substantia nigra using viral vectors revealed that lysosomal and proteasomal markers were significantly decreased in the neurons that displayed alpha-syn-ir inclusions. These findings suggest that alpha-syn aggregation is a key feature associated with decline of proteasome and lysosome and support the hypothesis that cell degeneration in PD involves proteosomal and lysosomal dysfunction, impaired protein clearance, and protein accumulation and aggregation leading to cell death.

alpha-Synuclein is a synaptic protein that has been directly linked to both the etiology and pathogenesis of Parkinson's disease. We have previously shown that only nigral neurons in PD expressing alpha-synuclein inclusions display a loss dopaminergic phenotype. The present study tested the hypothesis that normal aging contributes to this effect. The relative abundance of alpha-synuclein protein within individual nigral neurons was quantified in eighteen normal humans between the age of 18 and 102 and twenty four rhesus monkeys between the age of 2 and 34. Optical densitometry revealed a robust age-related increase in alpha-synuclein protein within individual nigral neurons in both species. This effect was specific for nigral alpha-synuclein as no age-related changes were found in the ventral tegmental area nor were there changes in the nigra for non-pathogenic beta-synuclein. The age-related increases in nigral alpha-synuclein were non-aggregated and strongly associated with age-related decreases in tyrosine hydroxylase (TH), the rate limiting enzyme for dopamine production. In fact, only cells expressing alpha-synuclein displayed reductions in TH. We hypothesize that age-related increases in alpha-synuclein result in a subthreshold degeneration of nigrostriatal dopamine which, in PD, becomes symptomatic due to lysosomal failure resulting in protein misfolding and inclusion formation. We further hypothesize that preventing the age-related accumulation of non-aggregated alpha-synuclein might be a simple and potent therapeutic target for patients with PD.

The progressive loss of the nigrostriatal pathway is a distinguishing feature of Parkinson's disease. As terminal field loss seems to precede cell body loss, we tested whether alterations of axonal transport motor proteins would be early features in Parkinson's disease. There was a decline in axonal transport motor proteins in sporadic Parkinson's disease that preceded other well-known nigral cell-related pathology such as phenotypic downregulation of dopamine. Reductions in conventional kinesin levels precede the alterations in dopaminergic phenotypic markers (tyrosine hydroxylase) in the early stages of Parkinson's disease. This reduction was significantly greater in nigral neurons containing α-synuclein inclusions. Unlike conventional kinesin, reductions in the levels of the cytoplasmic dynein light chain Tctex type 3 subunit were only observed at late Parkinson's disease stages. Reductions in levels of conventional kinesin and cytoplasmic dynein subunits were recapitulated in a rat genetic Parkinson's disease model based on over-expression of human mutant α-synuclein (A30P). Together, our data suggest that α-synuclein aggregation is a key feature associated with reductions of axonal transport motor proteins in Parkinson's disease and support the hypothesis that dopaminergic neurodegeneration following a 'dying-back' pattern involving axonal transport disruption.

Abstract This report describes pathological changes within the grafted neurons of another patient with Parkinson's disease (PD) who died 14 years posttransplantation. Although numerous healthy appearing grafted neurons were present at this long‐term time point, some displayed Lewy bodies as evidenced by alpha‐synuclein, ubiquitin, and thioflavin‐S staining. Additionally, there was a general loss of dopamine transporter‐immunoreactivity in grafted neurons. Some grafted cell displayed a loss of tyrosine hydroxylase. These data support the emerging concept that PD‐like pathology is seen in young grafted neurons when they survive long term. © 2008 Movement Disorder Society

Abstract Background Nerve growth factor (NGF) is an endogenous neurotrophic‐factor protein with the potential to restore function and to protect degenerating cholinergic neurons in Alzheimer's disease (AD), but safe and effective delivery has proved unsuccessful. Methods Gene transfer, combined with stereotactic surgery, offers a potential means to solve the long‐standing delivery obstacles. An open‐label clinical trial evaluated the safety and tolerability, and initial efficacy of three ascending doses of the genetically engineered gene‐therapy vector adeno‐associated virus serotype 2 delivering NGF (AAV2‐NGF [CERE‐110]). Ten subjects with AD received bilateral AAV2‐NGF stereotactically into the nucleus basalis of Meynert. Results AAV2‐NGF was safe and well‐tolerated for 2 years. Positron emission tomographic imaging and neuropsychological testing showed no evidence of accelerated decline. Brain autopsy tissue confirmed long‐term, targeted, gene‐mediated NGF expression and bioactivity. Conclusions This trial provides important evidence that bilateral stereotactic administration of AAV2‐NGF to the nucleus basalis of Meynert is feasible, well‐tolerated, and able to produce long‐term, biologically active NGF expression, supporting the initiation of an ongoing multicenter, double‐blind, sham‐surgery‐controlled trial.