Objectives:

 This is a cross-sectional, observational study to determine the frequency and associated features of HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) in a large, diverse sample of infected individuals in the era of combination antiretroviral therapy (CART). 

Methods:

 A total of 1,555 HIV-infected adults were recruited from 6 university clinics across the United States, with minimal exclusions. We used standardized neuromedical, psychiatric, and neuropsychological (NP) examinations, and recently published criteria for diagnosing HAND and classifying 3 levels of comorbidity (minimal to severe non-HIV risks for NP impairment). 

Results:

 Fifty-two percent of the total sample had NP impairment, with higher rates in groups with greater comorbidity burden (40%, 59%, and 83%). Prevalence estimates for specific HAND diagnoses (excluding severely confounded cases) were 33% for asymptomatic neurocognitive impairment, 12% for mild neurocognitive disorder, and only 2% for HIV-associated dementia (HAD). Among participants with minimal comorbidities (n = 843), history of low nadir CD4 was a strong predictor of impairment, and the lowest impairment rate on CART occurred in the subset with suppressed plasma viral loads and nadir CD4 ≥200 cells/mm³ (30% vs 47% in remaining subgroups). 

Conclusions:

 The most severe HAND diagnosis (HAD) was rare, but milder forms of impairment remained common, even among those receiving CART who had minimal comorbidities. Future studies should clarify whether early disease events (e.g., profound CD4 decline) may trigger chronic CNS changes, and whether early CART prevents or reverses these changes.

Combination antiretroviral therapy (CART) has greatly reduced medical morbidity and mortality with HIV infection, but high rates of HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) continue to be reported. Because large HIV-infected (HIV+) and uninfected (HIV−) groups have not been studied with similar methods in the pre-CART and CART eras, it is unclear whether CART has changed the prevalence, nature, and clinical correlates of HAND. We used comparable methods of subject screening and assessments to classify neurocognitive impairment (NCI) in large groups of HIV + and HIV − participants from the pre-CART era (1988–1995; N = 857) and CART era (2000–2007; N = 937). Impairment rate increased with successive disease stages (CDC stages A, B, and C) in both eras: 25%, 42%, and 52% in pre-CART era and 36%, 40%, and 45% in CART era. In the medically asymptomatic stage (CDC-A), NCI was significantly more common in the CART era. Low nadir CD4 predicted NCI in both eras, whereas degree of current immunosuppression, estimated duration of infection, and viral suppression in CSF (on treatment) were related to impairment only pre-CART. Pattern of NCI also differed: pre-CART had more impairment in motor skills, cognitive speed, and verbal fluency, whereas CART era involved more memory (learning) and executive function impairment. High rates of mild NCI persist at all stages of HIV infection, despite improved viral suppression and immune reconstitution with CART. The consistent association of NCI with nadir CD4 across eras suggests that earlier treatment to prevent severe immunosuppression may also help prevent HAND. Clinical trials targeting HAND prevention should specifically examine timing of ART initiation.

To evaluate whether penetration of a combination regimen into the central nervous system (CNS), as estimated by the CNS Penetration-Effectiveness (CPE) rank, is associated with lower cerebrospinal fluid (CSF) viral load.Data were analyzed from 467 participants who were human immunodeficiency virus (HIV) seropositive and who reported antiretroviral (ARV) drug use. Individual ARV drugs were assigned a penetration rank of 0 (low), 0.5 (intermediate), or 1 (high) based on their chemical properties, concentrations in CSF, and/or effectiveness in the CNS in clinical studies. The CPE rank was calculated by summing the individual penetration ranks for each ARV in the regimen.The median CPE rank was 1.5 (interquartile range, 1-2). Lower CPE ranks correlated with higher CSF viral loads. Ranks less than 2 were associated with an 88% increase in the odds of detectable CSF viral load. In multivariate regression, lower CPE ranks were associated with detectable CSF viral loads even after adjusting for total number of ARV drugs, ARV drug adherence, plasma viral load, duration and type of the current regimen, and CD4 count.Poorer penetration of ARV drugs into the CNS appears to allow continued HIV replication in the CNS as indicated by higher CSF HIV viral loads. Because inhibition of HIV replication in the CNS is probably critical in treating patients who have HIV-associated neurocognitive disorders, ARV treatment strategies that account for CNS penetration should be considered in consensus treatment guidelines and validated in clinical studies.

People living with HIV (PLWH) continue to develop HIV-associated neurocognitive disorders despite combination anti-retroviral therapy. Lipocalin-2 (LCN2) is an acute phase protein that has been implicated in neurodegeneration and is upregulated in a transgenic mouse model of HIV-associated brain injury. Here we show that LCN2 is significantly upregulated in neocortex of a subset of HIV-infected individuals with brain pathology and correlates with viral load in CSF and pro-viral DNA in neocortex. However, the question if LCN2 contributes to HIV-associated neurotoxicity or is part of a protective host response required further investigation. We found that the knockout of LCN2 in transgenic mice expressing HIVgp120 in the brain (HIVgp120tg) abrogates behavioral impairment, ameliorates neuronal damage, and reduces microglial activation in association with an increase of the neuroprotective CCR5 ligand CCL4. In vitro experiments show that LCN2 neurotoxicity also depends on microglia and p38 MAPK activity. Genetic ablation of CCR5 in LCN2-deficient HIVgp120tg mice restores neuropathology, suggesting that LCN2 overrides neuroprotection mediated by CCR5 and its chemokine ligands. RNA expression of 168 genes involved in neurotransmission reveals that neuronal injury and protection are each associated with genotype- and sex-specific patterns affecting common neural gene networks. In conclusion, our study identifies LCN2 as a novel factor in HIV-associated brain injury involving CCR5, p38 MAPK and microglia. Furthermore, the mechanistic interaction between LCN2 and CCR5 may serve as a diagnostic and therapeutic target in HIV patients at risk of developing brain pathology and neurocognitive impairment.

Previous studies showed that persons living with HIV (PLWH) demonstrate higher brain prefrontal cortex neuroinflammation and immunoproteasome expression compared to HIV-negative individuals; these associate positively with HIV levels. Lower expression of the antioxidant enzyme heme oxygenase 1 (HO-1) was observed in PLWH with HIV-associated neurocognitive impairment (HIV-NCI) compared to neurocognitively normal PLWH. We hypothesized that similar expression patterns occur throughout cortical, subcortical, and brainstem regions in PLWH, and that neuroinflammation and immunoproteasome expression associate with lower expression of neuronal markers. We analyzed autopsied brains (15 regions) from 9 PLWH without HIV-NCI and 7 matched HIV-negative individuals. Using Western blot and RT-qPCR, we quantified synaptic, inflammatory, immunoproteasome, endothelial, and antioxidant biomarkers, including HO-1 and its isoform heme oxygenase 2 (HO-2). In these PLWH without HIV-NCI, we observed higher expression of neuroinflammatory, endothelial, and immunoproteasome markers in multiple cortical and subcortical regions compared to HIV-negative individuals, suggesting a global brain inflammatory response to HIV. Several regions, including posterior cingulate cortex, globus pallidus, and cerebellum, showed a distinct pattern of higher type I interferon (IFN)-stimulated gene and immunoproteasome expression. PLWH without HIV-NCI also had (i) stable or higher HO-1 expression and positive associations between (ii) HO-1 and HIV levels (CSF, plasma) and (iii) HO-1 expression and neuroinflammation, in multiple cortical, subcortical, and brainstem regions. We observed no differences in synaptic marker expression, suggesting little, if any, associated neuronal injury. We speculate that this may reflect a neuroprotective effect of a concurrent HO-1 antioxidant response despite global neuroinflammation, which will require further investigation.

ABSTRACT Pathological pain is the most common neurological disorder in people living with HIV-1/AIDS (PLWHA), and rationale-based effective treatment is not available. Multiple neuropathologies develop in the pain transmission pathways in of HIV patients, consistent with their nociceptive dysfunction 1,2 . One of the prominent neuropathologies associating with the manifestation of pain in HIV patients is astrogliosis (a.k.a. reactive astrocytes) in the spinal dorsal horn (SDH) 1 , the spinal center for the transmission of pain signals from peripheral organs to the brain. However, the pathogenic role and the activation mechanism of astrogliosis are unclear. Here, we show that the astrogliosis is crucial for the pain pathogenesis induced by HIV-1 gp120, a key etiologically relevant protein 2 , and that a neuron-to-astrocyte Wnt5a signal controls the astrogliosis. We found that ablation of astrogliosis blocked the development of gp120-induced mechanical hyperalgesia, and concomitantly the expression of neural circuit polarization (NCP) in the SDH. In addition, we demonstrated that conditional knockout (CKO) of either Wnt5a in neurons or its receptor ROR2 in astrocytes abolished not only gp120-induced astrogliosis but also the hyperalgesia and the NCP. Furthermore, we found that the astrogliosis promoted expression of the NCP and the hyperalgesia via IL-1β regulated by a Wnt5a-ROR2-MMP2 axis. Our results elucidate an important role and a novel mechanism of astrogliosis in the pathogenesis of HIV-associated pain. Targeting reactive astrocytes by manipulating the mechanistic processes identified here may lead to the development of effective therapy to treat the pain syndrome in HIV patients.