Alzheimer disease (AD) may be caused by the toxic accumulation of beta-amyloid (Abeta).To test this theory, we developed a clinical intervention using clioquinol, a metal-protein-attenuating compound (MPAC) that inhibits zinc and copper ions from binding to Abeta, thereby promoting Abeta dissolution and diminishing its toxic properties.A pilot phase 2 clinical trial in patients with moderately severe Alzheimer disease.Thirty-six subjects were randomized. The effect of treatment was significant in the more severely affected group (baseline cognitive subscale score of the Alzheimer's Disease Assessment Scale, >/=25), due to a substantial worsening of scores in those taking placebo compared with minimal deterioration for the clioquinol group. Plasma Abeta42 levels declined in the clioquinol group and increased in the placebo group. Plasma zinc levels rose in the clioquinol-treated group. The drug was well tolerated.Subject to the usual caveats inherent in studies with small sample size, this pilot phase 2 study supports further investigation of this novel treatment strategy using a metal-protein-attenuating compound.

Amyloid beta peptide (Abeta) is the major constituent of extracellular plaques and perivascular amyloid deposits, the pathognomonic neuropathological lesions of Alzheimer's disease. Cu(2+) and Zn(2+) bind Abeta, inducing aggregation and giving rise to reactive oxygen species. These reactions may play a deleterious role in the disease state, because high concentrations of iron, copper, and zinc have been located in amyloid in diseased brains. Here we show that coordination of metal ions to Abeta is the same in both aqueous solution and lipid environments, with His(6), His(13), and His(14) all involved. At Cu(2+)/peptide molar ratios >0.3, Abeta coordinated a second Cu(2+) atom in a highly cooperative manner. This effect was abolished if the histidine residues were methylated at N(epsilon)2, indicating the presence of bridging histidine residues, as found in the active site of superoxide dismutase. Addition of Cu(2+) or Zn(2+) to Abeta in a negatively charged lipid environment caused a conformational change from beta-sheet to alpha-helix, accompanied by peptide oligomerization and membrane penetration. These results suggest that metal binding to Abeta generated an allosterically ordered membrane-penetrating oligomer linked by superoxide dismutase-like bridging histidine residues.

Summary

 As a disease-modifying approach for Alzheimer's disease (AD), clioquinol (CQ) targets β-amyloid (Aß) reactions with synaptic Zn and Cu yet promotes metal uptake. Here we characterize the second-generation 8-hydroxy quinoline analog PBT2, which also targets metal-induced aggregation of Aß, but is more effective as a Zn/Cu ionophore and has greater blood-brain barrier permeability. Given orally to two types of amyloid-bearing transgenic mouse models of AD, PBT2 outperformed CQ by markedly decreasing soluble interstitial brain Aß within hours and improving cognitive performance to exceed that of normal littermate controls within days. Nontransgenic mice were unaffected by PBT2. The current data demonstrate that ionophore activity, inhibition of in vitro metal-mediated Aß reactions, and blood-brain barrier permeability are indices that predict a potential disease-modifying drug for AD. The speed of recovery of the animals underscores the acutely reversible nature of the cognitive deficits associated with transgenic models of AD.

Studies on postmortem brains from Parkinson's patients reveal elevated iron in the substantia nigra (SN). Selective cell death in this brain region is associated with oxidative stress, which may be exacerbated by the presence of excess iron. Whether iron plays a causative role in cell death, however, is controversial. Here, we explore the effects of iron chelation via either transgenic expression of the iron binding protein ferritin or oral administration of the bioavailable metal chelator clioquinol (CQ) on susceptibility to the Parkinson's-inducing agent 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrapyridine (MPTP). Reduction in reactive iron by either genetic or pharmacological means was found to be well tolerated in animals in our studies and to result in protection against the toxin, suggesting that iron chelation may be an effective therapy for prevention and treatment of the disease.

Age-related neurodegenerative disease has been mechanistically linked with mitochondrial dysfunction via damage from reactive oxygen species produced within the cell. We determined whether increased mitochondrial oxidative stress could modulate or regulate two of the key neurochemical hallmarks of Alzheimer's disease (AD): tau phosphorylation, and ß-amyloid deposition. Mice lacking superoxide dismutase 2 (SOD2) die within the first week of life, and develop a complex heterogeneous phenotype arising from mitochondrial dysfunction and oxidative stress. Treatment of these mice with catalytic antioxidants increases their lifespan and rescues the peripheral phenotypes, while uncovering central nervous system pathology. We examined sod2 null mice differentially treated with high and low doses of a catalytic antioxidant and observed striking elevations in the levels of tau phosphorylation (at Ser-396 and other phospho-epitopes of tau) in the low-dose antioxidant treated mice at AD-associated residues. This hyperphosphorylation of tau was prevented with an increased dose of the antioxidant, previously reported to be sufficient to prevent neuropathology. We then genetically combined a well-characterized mouse model of AD (Tg2576) with heterozygous sod2 knockout mice to study the interactions between mitochondrial oxidative stress and cerebral Aß load. We found that mitochondrial SOD2 deficiency exacerbates amyloid burden and significantly reduces metal levels in the brain, while increasing levels of Ser-396 phosphorylated tau. These findings mechanistically link mitochondrial oxidative stress with the pathological features of AD.