Parkinson’s disease (PD) is among the most common neurodegenerative conditions, and it is characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons and a great variability in clinical expression. Despite several effective medications, it still causes disability as all patients show treatment-resistant symptoms and complications. A possible reason for this therapeutic-burden and great clinical variability lies in a probable misconception about its pathophysiology, one that focuses on neurodegeneration, while largely neglecting its functional consequences and the related compensatory changes. In this thesis, I expand on the hypothesis that some PD symptoms have a dysfunctional origin and reflect derangements of neural network dynamics, the means by which brain coordination supports any motor behaviour. In particular, I have investigated resting tremor and freezing of gait, two common symptoms with an enigmatic mechanism and suboptimal management. In the case of tremor, I predicted a pathological change in response to dopamine loss, which included the activation of noradrenergic (NA) neurons of the locus coeruleus (LC) projecting to the cerebellum. This compensatory LC activation that supports dopaminergic neurons might indeed come at the expense of tremor development. To assess the role of LC-NA in tremor development, I recorded tremor occurrence in the reserpinized rat model of PD, one of very few showing tremor, after selective lesioning (with the neurotoxin DSP-4) of the LC-NA terminal axons. DSP-4 induced a severe reduction of LC-NA terminal axons in the cerebellar cortex and this was associated with a significant reduction in tremor development. Unlike its development, tremor frequency and the akinetic rigid signs did not differ between the groups, thus suggesting a dopaminergic dependency. These findings suggest that the LC-NA innervation of the cerebellum has a critical role for PD tremor, possibly by exerting a network effect, which gates the cerebello-thalamic-cortical circuit into pathological oscillations upon a dopaminergic loss in the basal ganglia. In contrast, for the study of freezing of gait, I worked with human PD subjects and deep brain stimulation, a therapeutic neuromodulation device that in some prototypes also allows the recording of neural activity in freely-moving subjects. Gait freezing is a disabling PD symptom that suddenly impairs effective stepping, thus causing falls and disability. Also in this study, I hypothesized that the underlying pathophysiology may be represented by dysfunctional neural network dynamics that abruptly impair locomotor control by affecting the communication in the supraspinal locomotor network. To test this hypothesis, I investigated the coupling between the cortex and the subthalamic nucleus, two main nodes of the supraspinal locomotor network, in freely-moving subjects PD patients and also performed molecular brain imaging of striatal dopamine receptor density and kinematic measurements. I found that in PD patients, walking is associated with cortical-subthalamic stable coupling in a low-frequency band (i.e. θ-α rhythms). In contrast, these structures decoupled when gait freezing occurred in the brain hemisphere with less dopaminergic innervation. These findings suggest that freezing of gait is a “circuitopathy”, with dysfunctional cortical-subcortical communication. Altogether the results of my experiments support the hypothesis that the pathophysiology of PD goes beyond neurodegenerative (loss-of-function) processes and that derangement of neural network dynamics coincides with some disabling PD symptoms, thus suggesting that PD can be interpreted as the combination of multiple circuitopathies. / Die Parkinson-Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung mit einem progressiven Verlust dopaminerger Neurone, die trotz wirksamer Medikamente zur Einschränkung in der Lebensqualität führen kann. Eine mögliche Ursache für diese unzureichende Behandlung der Symptome liegt in einem möglichen Missverständnis über die Pathophysiologie der Krankheit, die sich auf die Neurodegeneration konzentriert. Bei der Parkinson-Krankheit können jedoch funktionelle Veränderungen aufgrund der Neurodegeneration sowie die damit verbundenen kompensatorischen Modifikationen sehr wichtig sein. Der Fokus meiner Dissertation liegt in der Bearbeitung der Hypothese, dass einige Symptome der Parkinson-Krankheit einen dysfunktionellen Ursprung haben können. Insbesodere habe ich den Ruhetremor und das Freezing-Phänomen, das eine Blockade des Gehens bedeutet, untersucht, um zu erklären, ob ein Störung der neuronalen Netzwerkdynamik diese Symptome verursachen kann. In dieser Arbeit wurde zuerst die Entwicklung des Ruhetremors bei der Parkinson-Krankheit untersucht. Meine Hypothese war, dass eine Aktivierung von projizierenden noradrenergen Fasern des Locus-Coeruleus zum Cerebellum das Auftreten des Tremors verursachen kann, welches durch den Verlust dopaminerger Neurone verursacht wird. Da die Aktivität des Locus-Coeruleus bei Patienten mit Parkisnon-Krankheit nicht messbar ist, wurde dies in einem Parkinson-Rattenmodell untersucht. Die Ratten wurden etweder mit Reserpin oder mit Reserpine plus eine Neurotoxin gegen noradrenerger Neuronen (DSP-4) behandelt. Diese Behandlung mit DSP-4 führte zur Degeneration noradrenerger Terminalen im Locus-Coeruleus. Das Auftreten von Tremor zwischen die beiden Gruppen von Ratten war unterschiedlich. Insbesondere entwickelten DSP-4 behandelte Ratten einen niedrigen Ruhetremor. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die noradrenerge Innervation des Cerebellums vom Locus-Ceruleus für das Auftreten des Ruhetremors eine große Rolle spielt. In der Frequenz des Tremors sowie in den akinetischen Symptomen konnte kein Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt werden. Das zeigt, dass diese akinetischen Symptome vom Dopaminverlust abhängig sind. Die Kombination von Tremor und akinetischen Symptomen kann aufgrund eines patologischen Netzwerkeffekts entstehen, welche vom Verlust dopaminerger Neurone in den Basalganglien im Zusammenspiel mit der kompensatorischen Aktivierung noradrenerger Neurone des Locus-Coeruleus verursacht werden kann. Des Weiteren wurde der Ursprung des Freezing-Phänomens bei Patienten, die an der Parkinson-Krankheit leiden und eine therapeutische Behandlung mittels Tiefer Hirnstimulation (THS) bekommen haben, untersucht. Insbesodere konnten mittels neuer THS-Prototypen Messungen neuronaler Aktivität von Bewegungen durchgeführt werden. In dieser Studie stellte ich die Hypothese auf, dass die Pathophysiologie des Freezings durch eine fehlerhafte neuronale Dynamik der Bewegungsnetzwerke erklärt werden kann. Um dies zu testen, wurde die Kommunikation zwischen den zwei Hauptknoten des Bewegungsnetzwerkes, dem Kortex und dem Nucleus Subthalamicus, bei THS behandelten Parkinson-Patienten während des Gehens und den Freezing-Episoden untersucht. Zudem wurde bei diesen Patienten eine molekulare Darstellung der dopaminergen Rezeptoren in den Basalganglien durchgeführt. Zusätzlich wurden kinematischen Messungen der Bewegungen vorgenommen, die eine präzise Beschreibung des Freezings ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei Patienten mit der Parkinson-Krankheit ein Zusammenhang von stabiler Kommunikation zwischen dem Kortex und dem Nucleus Subthalamicus bei einer bestimten Frequenz (d.h. θ-α-Rhythmen) beim Gehen besteht. Beim Auftreten des Freezing-Phänomens konnte diese Kommunikation in der Gehirnhemisphäre mit weniger dopaminerger Innervation nicht mehr nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Freezing-Phänomen eine „Circuitopathie“ ist, in der eine fehlerhafte Kommunikation zwischen kortikalen und subkortikalen Arealen zur Bewegungsblockade führen kann. Insgesamt stützen die Ergebnisse meiner Experimente die Hypothese, dass die Pathophysiologie der Parkinson-Krankheit sowohl über neurodegenerative Prozesse (Zellverlust) als auch über Störungen der neuronalen Netzwerkdynamik (Funktionsverlust) hinausgeht. Das deutet darauf hin, dass die Parkison-Krankheit als „Circuitopathie“ interpretiert werden kann.

Deterioration of gait and alterations of physiological gait initiation contribute significantly to the burden of disease in Parkinson's disease. This paper systematically investigates disease-specific alterations during the postural phases of gait initiation and demonstrates the influence of dopaminergic networks by assessing levodopa mediated improvements in motor performance and correlation of motor behavior with loss of striatal and cortical dopaminergic neurons. Particular attention is given to known confounders such as initial stance and anthropometrics. / Störungen des Gangbildes und Veränderungen der physiologischen Bewegungsabläufe während des ersten Schrittes tragen einen signifikanten Teil zur Krankheitslast der Parkinsonerkrankung bei. Diese Veröffentlichung untersucht systematisch die krankheitsspezifischen Veränderungen der posturalen Phase des ersten Schrittes und demonstriert den Einfluss dopaminerger Netzwerke durch Untersuchungen Levodopa-induzierter Verbesserungen des Bewegungsablaufs und Korrelationen des Bewegungsverhaltens mit dem Verlust striataler und kortikaler dopaminerger Neuronen. Besondere Sorgfalt wurde bekannten modifizierenden Faktoren wie initaler Standbreite und anthropometrischen Größen zu Teil.

Parkinson’s disease (PD), which is the most common motor neurodegenerative disorder has attracted a tremendous amount of research advancement amid the challenges of the lack of an appropriate model that summate all the features of the human disease. Nevertheless, an aspect of the disease that is yet to be fully elucidated is the role of the immune system particularly the adaptive arm in the pathogenesis of PD. The focus of this study therefore was to characterize the contribution of lymphocytes in PD using the AAV1/2-A53T-α-synuclein mouse model of the disease that encodes for human mutated A53T-α-synuclein. This model was suitable for this research because it reflects more faithfully the molecular pathology underlying the human disease by exhibition of insoluble α-synuclein containing Lewy-like protein aggregates as compared to the more classical toxin models used in PD research. The outcome of this study showed that stereotaxic delivery of pathogenic α-synuclein via a viral vector into the substantia nigra engender the invasion of activated CD4+ and CD8+ T lymphocytes in the brain. The invasion of activated T cells in the brain especially in the substantia nigra then results in enhanced microglial activation and the disintegration of dopaminergic neurons. In addition, it was also discovered that CD4+ T cells augmented dopaminergic cell death to a greater extent than CD8+ T cells although; axonal degeneration occurred relatively independent from T cells contribution. The ex vivo and in vitro, experiments also indicated that the T cells were not only activated but they were specific to the mutated human α-synuclein antigen. As a result, they demonstrated selectivity in inducing more cell death to primary hippocampal neurons transduced with AAV1/2-A53T-α-synuclein vector than neurons with empty viral vector infection. The mechanism of T cell induced neuronal cell loss could not be attributed to the presence of cytokines neither was it mediated through MHC I and II. On the whole, this research has established that the presence of pathogenic α-synuclein in the substantia nigra has the potential to trigger immune responses that involve the transmigration of adaptive immune cells into the brain. The infiltration of the T cells consequently has a detrimental effect on the survival of dopaminergic neurons and the progression of the disease / Der M. Parkinson (PD) ist die am häufigsten auftretende motorische neurodegenerative Erkrankung weltweit. Trotz des Fehlens eines geeigneten Tiermodells, das alle Merkmale der menschlichen Krankheit widerspiegelt, kann die Parkinsonforschung in letzter Zeit einen enormen Fortschritt verzeichnen. Dennoch ist ein Aspekt der Krankheit, der noch nicht vollständig geklärt wurde, die Rolle von Immunzellen, insbesondere des adaptiven Arms in der Pathogenese der PD. Der Fokus dieser Studie lag daher auf der Charakterisierung des Beitrags von T-Zellen in der PD unter Verwendung des humanen mutierten AAV1/2-A53T-α- Synuclein-Mausmodells der Parkinsonkrankheit. Dieses Modell war für die vorliegende Arbeit optimal geeignet, da es die molekulare Pathologie der menschlichen Krankheit im Gegensatz zu den klassischen Toxinmodellen in der PD-Forschung besser widerspiegelt. Das Ergebnis dieser Studie zeigte, dass die stereotaktische Injektion von pathogenem α-synuclein über einen viralen Vektor in die Substantia nigra die Infiltration aktivierter CD4+ - und CD8+ T-Lymphozyten im Gehirn hervorruft. Die Einwanderung aktivierter T-Zellen im Gehirn, insbesondere in der Substantia nigra, führte begleitet durch eine verstärkte Mikroglia- Aktivierung zum Verlust dopaminerger Neurone. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass CD4+ T-Zellen den Untergang von dopaminergen Neuronen in einem größeren Ausmaß als CD8+ T-Zellen verursachten. Interessanterweise trat die axonale Degeneration dopaminerger Fasern im Striatum relativ unabhängig von den T-Zellen auf. Durch ex vivo und in vitro Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die T-Zellen nicht nur aktiviert waren, sondern auch antigenspezifisch gegen das mutierte humane α-Synuclein-Antigen reagierten. Als Ergebnis zeigten sie Selektivität bei der Herbeiführung eines höheren Zelltods für Dabei zeigten AAV1/2-A53T-α-Synuclein-Vektor transduzierte primäre Hippocampus-Neurone einen verstärkten Zelltod durch Inkubation mit T-Zellen aus dem Gehirn von AAV1/2-A53T- α-Synuclein-Vektor injizierten Mäusen als Neurone nach Injektion mit leerem AAV. Der Mechanismus des durch T-Zellen induzierten neuronalen Zellverlusts konnte nicht auf das Vorhandensein von Zytokinen zurückgeführt werden. Insgesamt konnte diese Arbeit zeigen, dass das Vorhandensein von pathogenem α-synuclein in der Substantia nigra in dem AAV1/2- A53T-α-synuclein Mausmodell des PD das Potenzial hat, Immunreaktionen auszulösen, welche die Transmigration adaptiver Immunzellen in das Gehirn und einen konsekutiven Verlust dopaminerger Neurone verursachen.

Die kausalen Ursachen, die zur Auslösung der neurodegenerativen Erkrankung Morbus Parkinson führen, sind noch immer unklar. Man nimmt heute an, daß das Absterben dopaminerger Neurone im Mittelhirn von Parkinsonpatienten multifaktoriell ausgelöst wird. Genetische Prädisposition sowie endogene und exogene Umweltgifte wie etwa Substanzen, die strukturelle Ähnlichkeit mit dem bekanntesten dopaminergen Neurotoxin MPTP (1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,5-tetrahydropyridin) besitzen, werden als Hauptursachen für die Entstehung des Parkinsonsyndroms diskutiert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer neuen Klasse von neurotoxisch wirksamen Tetrahydro-b-carbolinen, die sich von Trichloracetaldehyd (Chloral) ableiten. Die wohl prominenteste Verbindung in dieser Reihe ist TaClo (1-Trichlormethyl-1,2,3,4-tetrahydro-b-carbolin), das im menschlichen Körper nach Aufnahme des Schlafmittels Chloralhydrat durch Pictet-Spengler-Kondensation mit dem endogen vorhandenen Tryptamin gebildet wird. Zusätzlich scheint die Bildung von TaClo aus dem Industrielösungsmittel TRI (Trichlorethylen), das im Organismus zu Chloral metabolisiert wird, möglich. Die über Chloral eingeführte große CCl3-Gruppe erhöht die Lipophilie von TaClo, die Passage der Blut-Hirn-Schranke ist erleichtert. In der Tat haben zahlreiche Untersuchungen in vitro und in vivo gezeigt, daß TaClo toxische Prozesse in dopaminergen und serotonergen Systemen zu induzieren vermag. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit bestand darin, die in-vivo-Entstehung und Metabolisierung von TaClo im Menschen sowie den Einfluß dieses Neurotoxins auf die DNA herauszuarbeiten und näher zu untersuchen. Im einzelnen wurden folgende Ergebnisse erzielt: TaClo schädigt die DNA, wie Versuche an zellfreier DNA und in-vitro-Experimente an PC12-Zellen belegen. Die endogene Bildung von TaClo in Chloralhydrat-behandelten Patienten und die in-vitro-Entstehung von TaClo aus Trichlorethylen wurde mittels HPLC-ESI-MS-MS-Analytik eindeutig bewiesen. Außerdem wurden erste Hinweise auf eine Anreicherung des Neurotoxins im menschlichen Körper erhalten. Stereostrukturelle Aspekte der Bildung und Verstoffwechslung von TaClo wurden aufgeklärt und TaClo-Metabolite in in-vitro- und in-vivo-Proben identifiziert. Das Tetrahydro-b-carbolin entsteht in racemischer Form, wird also nicht enzymatisch sondern spontan durch Pictet-Spengler-Reaktion gebildet. Zusätzlich wurden Hinweise auf eine enzymatische Metabolisierung von TaClo gefunden. Außerdem gelang es, eine etablierte Methode des oxidativen Abbaus zur Aufklärung der absoluten Konfiguration von Tetrahydropyridin-Heterocyclen [z.B. Eleagnin] auf Substanzen mit benzylischer Hydroxy- oder Metylether-Gruppe zu erweitern. Geringe Mengen (1-2 mg) an Substanzen, die in benzylischer Position eine chirale Sauerstoffunktion besitzen, wurden durch Ruthenium-katalysierte Oxidation zu GC-gängigen Säuren abgebaut, deren absolute Konfiguration nach Trennung an chiraler Phase durch Vergleich mit enantiomerenreinem Referenzmaterial bestimmt wurde. Diese Zuordnung erlaubte den Rückschluß auf die absolute Konfiguration einer Reihe Ausgangsverbindungen. / Causative factors responsible for nerve cell death in neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease (PD) still remain unknown. The hypothesis that PD is the result of the interaction of multiple factors causing an age-related selective loss of dopaminergic neurons in the midbrain of patients suffering from PD has recently been challenged: genetic predisposition, endogenously formed compounds or environmental toxins structurally related to the well-known dopaminergic neurotoxin MPTP (1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro-pyridine) may play an important role in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Our research efforts focus on a new class of neurotoxic tetrahydro-b-carbolines which derive from trichloroacetaldehyde (chloral). The most prominent representative of this new class of highly halogenated heterocycles is TaClo (1-trichloromethyl-1,2,3,4-tetrahydro-b-carboline), which was found to occur in the human body after application of the hypnotic chloral hydrate. TaClo is speculated to be formed spontaneously in vivo by a Pictet-Spengler-type condensation from chloral and the endogenously present tryptamine. The formation of TaClo is also assumed to take place after exposure to the industrial solvent TRI (trichloroethylene) which is metabolized to chloral in the organism. Due to the high lipophilicity of the CCl3 group, TaClo was found to easily penetrate the blood-brain barrier. Several in vivo and in vitro studies revealed TaClo to be capable to induce toxicity to dopaminergic and serotonergic neurons. Major objectives of this work dealed with investigations concerning the in vivo occurrence of TaClo in man (e.g., after intake of chloral hydrate) and its metabolism in mammalian organisms. Furthermore, for the first time, the potential of TaClo to trigger DNA damaging processes was studied more closely. The following results were obtained: TaClo is able to damage the DNA as shown in experiments with cell-free plasmid DNA and in vitro experiments using PC12-cells. It has been proven by using HPLC-ESI-MS-MS-analysis that TaClo is formed in patients after application of chloral hydrate. TaClo formation from trichloroethylene was detected in in vitro after incubation of the solvent and tryptamine with liver microsomes. Furthermore first hints of an accumulation of the lipophilic TaClo in the human body were found. First results concerning the mechanism of the spontaneous formation of TaClo in man and the participation of enzymatically mediated pathways in the metabolic degradation of TaClo in mammalian organisms were achieved. Novel TaClo metabolites were identified in in vivo and in vitro. Furthermore an established method of oxidative degradation for the elucidation of the absolute configuration of tetrahydropyridine heterocycles [e.g. eleagnine] was extended to the degradation of compounds with benzylic hydroxy, or methyl ether groups. Small amounts (1-2 mg) of compounds with an chiral oxygen function in benzylic position were degradated by Ruthenium-catalyzed oxidation to volatile acids well-suited for GC analysis. The absolute configuration of the degradation products was assigned by comparison with enantiomerically pure reference material allowing a reliable conclusion with respect to the absolute configuration of the target molecules.

Hintergrund: Die der Pathogenese von Morbus Parkinson (PD, Parkinson’s disease) zugrunde liegenden Mechanismen sind bis heute nur unvollständig verstanden. Insbesondere ist unklar, durch welche ursächlichen Faktoren Parkinson ausgelöst wird. Bei der HIV-Infektion treten bei vielen Patienten neurologische Störungen auf (HIV-Associated Neurological Disorders, HAND), die in der klinischen Symptomatik und der Lokalisation der betroffenen Gehirnareale dem Morbus Parkinson ähneln. Möglicherweise könnte eine Fehlregulation der Immunantwort eine Rolle als Auslöser beider Erkrankungen spielen. In dieser Arbeit wurde die Autoimmunantwort von PD- und HAND-Patienten und gesunden Kontrollen gegen verschiedene Gehirnhomogenate untersucht, die während der Parkinsonerkrankung in unterschiedlichem Ausmaß geschädigt werden. Das Autoimmun-Signal wurde quantifiziert und prominente Autoantigene wurden identifiziert. Methoden: In dieser Arbeit wurde ein Western-Blot-basiertes Verfahren zum Nachweis von Autoantikörpern gegen Gehirngewebe entwickelt. Dieses Verfahren wurde nach Optimierung mit Plasmaproben von gesunden Kontrollen, PD-Patienten und Patienten mit HIV-Infektion insbesondere an einer Gruppe von 40 Parkinson-Patienten (Durchschnittsalter 65 Jahre, 45 % weiblich) und 40 alters- und geschlechtsgemachten Kontrollen (Durchschnittsalter 62 Jahre, 50 % weiblich) angewendet und die humorale Autoimmunität gegen verschiedene Gehirnareale untersucht. Dazu wurden die verschiedenen Areale (dorsaler Motornucleus des Glossopharynx- und Vagusnervs (dm), Substantia nigra (SN), anteromedialer temporaler Mesocortex (MC), high order sensorische Assoziations- und präfrontale Felder (HC), first oder sensorische Assoziations- und prämotorische Felder, primäre sensorische und motorische Felder (FC)) von post-mortem Gehirnen homogenisiert, auf SDS-Gradienten-Gelen elektrophoretisch aufgetrennt und auf Nitrocellulose geblottet. Die Membranen wurden mit den Plasmen inkubiert und gebundene Autoantikörper immunologisch detektiert. Die Signale wurden qualitativ und quantitativ ausgewertet. Mit Hilfe einer zweidimensionalen Elektrophorese und anschließender Immunfärbung wurden prominente Autoantigene durch Massenspektroskopie identifiziert. Ergebnisse: Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Assay lässt sich die humorale Autoimmunantwort gegen Gehirngewebe semiquantitativ bestimmen. In allen untersuchten Proben konnten verschiedene Autoantikörper gegen unterschiedliche Antigene nachgewiesen werden. Der Gesamt-IgG-Gehalt der Plasmen unterscheidet sich weder zwischen PD-Patienten und gesunden Kontrollen, noch zwischen Männern und Frauen signifikant. Weibliche PD-Patienten zeigen signifikant stärkere Signale gegen dm als männliche (p = 0.02, Mann-Whitney-U-Test), der wiederum in jedem Patienten - unabhängig vom Geschlecht - von den untersuchten Hirnarealen signifikant stärker autoimmunologisch erkannt wird, als die übrigen Hirnareale (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). In jedem Hirnareal wurden drei Banden besonders häufig erkannt (45, 40 und 37 kDa), jede davon am stärksten im dm (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). Die Einzelanalysen der Signalintensitäten zeigt, dass PD-Patienten signifikant weniger Autoreaktivität gegen die 45 kDa-Bande in der SN (p = 0.056), im MC (p = 0.0277) und im FC (p = 0.0188) zeigen, als Kontrollen. Weitere Analysen zeigen, dass männliche PD-Patienten hochsignifikant weniger das 45 kDa-Protein im SN (p < 0.0001), MC (p = 0.0042) und FC (p = 0.0088) erkennen als Kontrollen, wohingegen bei den weiblichen Kontroll- und PD-Plasmen kein Unterschied festzustellen war. Ein weiteres Protein bei 160 kDa wird signifikant unterschiedlich stark in allen Gehirnarealen erkannt (p < 0.0001, Friedman-ANOVA), wobei die stärkste Immunreaktivität gegen FC besteht. Basierend auf dem Nachweis der 45 kDa-Bande aus der SN ergibt sich eine Odds Ratio für das Merkmal Parkinson von 3.38 (CI 1.11 – 10.30). Bei Männern ist diese Odds Ratio sogar 53.12 (CI 2.79 - 1012), bei Frauen 0.44 (CI 0.09 – 2.09). Die Sensitivität dieses Tests liegt bei Männern bei 1 (CI 0.84 – 1), die Spezifität bei 4.41 (0.31 – 0.78). Die negativ prädiktiven Werte liegen in allen Gruppen über 99.15 %. Die Identifizierung der Proteine mittels Massenspektroskopie ergab, dass es sich bei den 37 – 45 kDa Banden um Isoformen oder posttranslational modifizierte Formen des GFAP (glial fibrillary acidic protein), einem Bestandteil von Neurofilamenten v.a. in Astrozyten handelt. Außerdem wurde Fructose-Bisphosphate Aldolase A und Aspartat-Aminotransferase (mitochondriale Isoform 1 Vorläufer), beides Proteine des Kohlenhydrat-Stoffwechsels und der Glykolyse, als weitere Proteine mit ebenfalls 45 kDa identifiziert. Bei dem identifizierten Protein mit dem Molekulargewicht von 160 kDa handelt es sich wahrscheinlich um Dihydropyrimidinase-related protein 2, wie GFAP ebenfalls bei der Bildung des Zytoskeletts beteiligt. Diskussion: Autoantikörper gegen Gehirnantigene sind ein physiologisches Phänomen, das unabhängig von dem Vorliegen einer neurologischen Erkrankung besteht. Gehirnareale, die bei Parkinson besonders stark geschädigt werden, werden von dieser humoralen Autoimmunantwort besonders stark erkannt. Eine vorübergehende Permeabilisierung der Blut-Hirn-Schranke durch Infektion oder Trauma könnte den Zutritt der Autoantikörper zum Gehirn erlauben und so autoreaktive Prozesse in Gang setzen und zum Untergang dopaminerger Neuronen führen. Bei den identifizierten Proteinen handelt es sich um grundlegende Bestandteile eukaryotischer Zellen, was die Hypothese eines Art Beseitigungsmechanismus der Autoantikörper und damit die Aufgabe der Aufrechterhaltung der Homöostase darstellen könnte. Bei männlichen PD Patienten wird die 45 kDa Bande signifikant weniger stark von Auto-IgGs erkannt; dieser Mechanismus könnte somit in den männlichen PD-Patienten vermindert sein. Als Folge wäre die Ablagerung von Zelltrümmern im Gehirn vorstellbar, die dann auch langfristig eine Angriffsfläche für Autoimmunprozesse mit dem Verlust dopaminerger Neuronen bieten könnte. / Background: The pathogenic mechanisms of Parkinson’s disease (PD) are not yet fully understood. Particularly the basic cause of the disease remains unclear. In HIV-Infection many patients show neurologic impairments (HIV-associated neurological disorders, HAND), which are similar in clinic symptoms and localization of the affected brain areas to these observed in Parkinson’s disease. Possibly a dysregulation of immunologic responses might play a role as a cause for PD. In this work autoimmune processes in PD- and HAND-patients as well as in healthy controls against different brain homogenates were measured, which are damaged in variable extent during pathogenesis of PD. The autoimmune-signal was quantified and prominent autoantigens were identified. Methods: In this work we established a Western-Blot-based method to detect autoantibodies against brain homogenates. After the optimization with plasma of healthy controls, PD-patients and HIV-infected patients, the technique was used to measure the humoral autoimmunity against different brain areas in a group of 40 PD-patients (mean age 65, 45 % females), and 40 age- and sex-matched controls (mean age 62 years, 50 % female). Different brain areas (of the dorsal motor nucleus of the glossopharyngeal and vagal nerves (dm), substantia nigra (SN), anteromedial temporal mesocortex (MC), high order sensory association areas and prefrontal fields (HC), first order sensory association areas, premotor areas, as well as primary sensory and motor fields (FC)) of post-mortem brains were homogenized, separated by gel electrophoresis and blotted on a nitrocellulose membrane. The membranes were incubated with plasma and bound antibodies were detected immunologically. The signals were analyzed by quality and quantity. With a two-dimensional electrophoresis and following immune staining prominent autoantigens were identified by mass spectroscopy. Results: With the established assay, the humoral autoimmunity against brain tissue can be analyzed semi-quantitatively. In all investigated samples several autoantibodies against different antigens could be proven. The overall IgG-content did not differ significantly between PD-patients and healthy controls, nor between men and women. Female PD-patients show significant stronger signals against dm than male (p = 0.02, Mann-Whitney-U-test), which was recognized significantly stronger than the other brain areas in each patient, independently from sex (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). In each brain area 3 bands were recognized stronger than others (45, 40 and 37 kDa), each of them the strongest in dm (p < 0.0001, Friedman-ANOVA). The single analysis of the signal intensities show that PD-patients display significantly less autoreactivity against the 45 kDa-band in SN (p = 0.056), MC (p = 0.0277) and FC (p = 0.0188) than controls. Further analyses show that plasma of male PD-patients detect highly significantly less the 45 kDa-protein in SN (p < 0.0001), MC (p = 0.0042) and FC (p = 0.0088) than controls, whereas there was no difference measurable in female control- and PD-plasma. Another protein at 160 kDa is recognized at significantly different intensities in all brain areas (p < 0.0001, Friedman-ANOVA), whereas the strongest immunoreactivity is shown against FC. Based on the detection of the 45 kDa-band from the SN the odds ratio for the feature PD is 3.38 (CI 1.11 – 10.30). In men the odds ratio is even 53.12 (CI 2.79 - 1012), in female 0.44 (CI 0.09 – 2.09). The sensitivity for the test in the group of men displays 1 (CI 0.84 – 1), the specificity is 4.41 (0.31 – 0.78). The negative predictive values exceed 99.15 % in all investigated groups. The identification of the proteins by mass spectroscopy showed that the 37 – 45 kDa-bands might be isoforms of posttranslational modified forms of GFAP (glial fibrillary acidic protein), a part of neurofilaments in astrocytes. Furthermore, fructose-bisphosphate aldolase A and aspartate aminotransferase (mitochondrial isoform 1 precursor), both in the metabolism of carbon hydrates and glycolysis, have been identified for further 45 kDa-bands. The identified protein with a molecular weight of 160 kDa is probably dihydropyrimidinase-related protein 2, like GFAP involved in the formation of the cytoskeleton. Conclusion: The presence of anti-brain-autoantibodies are a physiological occurrence in human plasma, independent of the presence of neurological disease. Brain areas that are damaged prominently during the pathogenesis of PD are recognized stronger by humoral autoimmunity. A temporal permeabilization of the blood brain barrier through infection or trauma might allow autoantibodies access to the brain and initiate autoreactive processes that lead to the demise of dopaminergic neurons. The identified proteins are basic members of eukaryotic cells. This could suggest the hypothesis of sort of a cleaning mechanism of the antibodies, which might have the function of sustaining homeostasis. Male PD patients showed significantly decreased levels of autoreactive antibodies against the 45 kDa band in SN, MC and FC, which could enhance the accumulation of protein debris due to a missing removal mechanism and in long-distance might be responsible for neurodegenerative processes.

Tübingen, Univ., Diss., 2008.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg.

Beim idiopathischen Parkinson Syndrom (IPS) gewinnen nicht-motorische Symptome in Forschung und Klinik zunehmend an Bedeutung. So findet sich in der Literatur vermehrt Evidenz, dass die Propriozeption bei Patienten mit IPS (PmIPS) gestört ist. Verschiedene klinische und neuroanatomische Studien weisen darauf hin, dass es beim IPS zu einer fehlerhaften sensomotorischen Integration von propriozeptiven Informationen in den Basalganglien kommt. Zudem gibt es Hinweise, dass die passiv-sensible Wahrnehmung von Propriozeption pathologisch verändert ist. Außerdem wird vermutet, dass durch propriozeptives Training eine Verbesserung der Parkinsonsymptomatik erreicht werden kann. Ein spezielles Trainingsprogramm, die LSVT-BIG-Therapie, bei der gezielt trainiert wird, Bewegungen mit einer großen Amplitude durchzuführen, konnte motorische Symptome und Mobilität beim IPS effektiv verbessern. In der vorliegenden Arbeit stellten wir folgende Hypothesen auf: Das IPS geht mit einer fehlerhaften sensomotorischen Integration von Propriozeption einher. Die afferente propriozeptive Wahrnehmung ist ebenfalls pathologisch verändert. Eine propriozeptive Rekalibrierung ist mithilfe der LSVT-BIG-Therapie möglich. Für die Überprüfung dieser Hypothesen schlossen wir 30 PmIPS und 15 gesunde Probanden in unsere Fall-Kontroll-Studie ein und führten eine Eingangsuntersuchung durch. 11 PmIPS absolvierten anschließend eine vierwöchige LSVT-BIG-Therapie. Die Folgeuntersuchungen fanden 4 und 8 Wochen nach der Eingangsuntersuchung statt. 78 Diese beinhalteten neuropsychologische Testungen, außerdem die Bestimmung der Lebensqualität, die Erhebung des motorischen Teils der Movement Disorder Society Unified Parkinson´s Disease Rating Scale (MDS-UPDRS III), Untersuchungen zur Feinmotorik, die Durchführung einer diagnostischen Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) sowie Testverfahren zur Propriozeption, darunter sowohl Zeigeversuche, als auch die Bestimmung der Position einer Extremität, ohne visuelle Kontrolle. Die Ergebnisse zeigten, dass die IPS-Gruppe gegenüber der gesunden Kontrollgruppe signifikant größere Zeigefehler machte, wohingegen die Bestimmung der Position einer Extremität in beiden Gruppen vergleichbar präzise möglich war. Zusätzlich zeigte eine von sieben Messungen der Feinmotorik einen signifikanten Unterschied zwischen PmIPS und Kontrollen. Die Messungen der TMS erbrachten hingegen keine signifikant messbaren Unterschiede zwischen den Gruppen. In den Folgeuntersuchungen nach therapeutischer Intervention ergaben die Zeigeübungen eine signifikante Verbesserung der BIG-Gruppe im Zeitverlauf. Die Untersuchungen zu Feinmotorik und MDS-UPDRS III ergaben zwar eine tendenzielle Verbesserung durch die LSVT-BIG-Therapie, waren jedoch statistisch nicht signifikant. Die Lebensqualität der PmIPS in der BIG-Gruppe verbesserte sich signifikant nach Intervention. Die Ergebnisse sprechen für die Hypothese der fehlerhaften propriozeptiven Integration beim Morbus Parkinson. Dies zeigte sich für aktive sensomotorische Tasks, nicht hingegen in der passiv-sensiblen propriozeptiven Testung. Auch wenn weitere Studien mit größeren Kohorten benötigt werden, legt unsere Studie nahe, dass die LSVT-BIG-Therapie mit einer propriozeptiven Rekalibrierung einhergeht. Damit erklärt sich möglicherweise der nachhaltige Erfolg der Therapie. / There is growing evidence for proprioceptive dysfunction in patients with Parkinson’s disease (PD). Several clinical and neuranatomical studies conclude, that the sensorimotor integration of proprioception is impaired at the level of the basal ganglia. Moreover, passive perception of propriozeptive information has shown to be altered in PD. The Lee Silvermann Voice Treatment-BIG therapy (LSVT-BIG), a special training program aiming at an increase of movement amplitudes in persons with PD (PwPD), has shown to be effective on motor symptoms. LSVT-BIG is conceptionally based on improving bradykinesia, in particular the decrement of repetitive movements, by proprioceptive recalibration. The aim of our research was to assess proprioceptive impairment in PwPD as compared to matched controls and to probe potential recalibration effects of the LSVT-BIG therapy on proprioception. The following methods were used. Proprioceptive performance, fine motor skills and transcranial magnetic stimulation were assessed in 30 PwPD and 15 matched controls. Measurements with significant impairment in PwPD were chosen as outcome parameters for a standardized 4 weeks amplitude-based training intervention (LSVT-BIG) in 11 PwPD. Proprioceptive performance served as primary outcome measure. Secondary outcome measures included the motor part of the MDS-UPDRS, the nine-hole-peg test, and a questionnaire on quality of life. Post-interventional assessments were conducted at weeks 4 and 8. The results show, that compared to the control group, PwPD produced significantly larger pointing errors. However, PwPD and matched controls did not differ in indicating wrist position. After 4 weeks of LSVT-BIG therapy and even more so after an additional 4 weeks of continued training, proprioceptive performance improved significantly. In addition, quality of life improved as indicated by a questionnaire. Accordingly, we can conlcude that sensorimotor integration of propriozeption is altered but not passsive perception of propriozeptive information. Furthermore, LSVT-BIG training may achieve a recalibration of proprioceptive processing in PwPD. Our data indicates a probable physiological mechanism of a symptom-specific, amplitude-based behavioral intervention in PwPD.

Obwohl es keineswegs in allen empirischen Studien gelungen ist, einen Zusammenhang zur Krankheitsschwere nachzuweisen, ist die Diagnose der Fahrtauglichkeit bei M. Parkinson weitgehend auf die Schwere der motorischen Beeinträchtigung zentriert. Jüngst kam die Diskussion um „Schlafattacken“ hinzu. In diesem Problemfeld ist die vorliegende Arbeit angesiedelt. Dazu wurden zwei Studien durchgeführt: zum einen die dPV-Befragung 2000 mit über 6 000 beantworteten Fragebögen und fast 400 Telefoninterviews, zum anderen eine Fall-Kontroll-Studie im Würzburger Fahrsimulator. Bei der dPV-Befragung 2000 handelt es sich um eine deutschlandweite Fragebogen- und Interviewstudie, welche v.a. den Problemstand im Sinne eines Dilemmas zwischen Mobilitätsbedürfnis der Patienten und Sicherheitsanspruch der Gesellschaft belegte. Einerseits ließ allein die hervorragende Rücklaufquote von 63% (bei über 12 000 versandten Fragebögen) ein enormes Mobilitätsbedürfnis der Patienten erkennen, andererseits ergaben sich aber auch im Hinblick auf die Verkehrssicherheit kritische Befunde: So wurde für die Patienten ein erhöhter Verursacheranteil bei Verkehrsunfällen nachgewiesen. Zudem erwiesen sich neben der (subjektiven) Krankheitsschwere erstmalig auch Tagesmüdigkeit und plötzliche Einschlafereignisse als signifikante Risikofaktoren für ihre Unfallbelastung. Um den Einfluss von motorischen (Krankheitsschwere) und aktivationalen (Tagesmüdigkeit) Beeinträchtigungen prospektiv zu untersuchen, wurde anschließend eine Fall-Kontroll-Studie im Würzburger Fahrsimulator durchgeführt. Durch diese Studie sollte weiterhin der Einsatz und die Wirkung kompensatorischer Bemühungen untersucht werden. Insgesamt wurden dazu 24 Parkinson-Patienten mit 24 gesunden Personen verglichen (gematcht nach Alter, Geschlecht und Fahrerfahrung). Die Patientengruppe war geschichtet nach Krankheitsschwere (Hoehn&Yahr–Stadien 1-3) sowie nach Tagesmüdigkeit (ja–nein), so dass sich 3x2 Subgruppen ergaben. Jeder Proband absolvierte zwei Fahrten im Simulator. In Fahrt 1 war eine Serie von Verkehrssituationen mit variierender Schwierigkeit realisiert, Fahrt 2 stellte eine extrem monotone Nachtfahrt dar. Um den Einsatz und die Effektivität kompensatorischer Bemühungen abzuschätzen, wurde ein Teil der Fahrt 1 unter Zeitdruck wiederholt. In Fahrt 2 wurden kompensatorische Bemühungen durch die Inanspruchnahme optionaler 3-Minuten-Pausen erfasst. Zusätzlich zu den Fahrten im Simulator wurde eine ausführliche Diagnostik mit herkömmlichen Testverfahren der Fahreignungsdiagnostik am „Act-React-Testsystem“ (ART-2020) betrieben. Die Ergebnisse zeigten für Fahrt 1 eine signifikant erhöhte Fehlerzahl der Patienten. Diese war v.a. auf eine schlechte Spurführung zurückzuführen. Lediglich in den leichten Teilen der Fahrt waren diese Beeinträchtigungen signifikant mit dem Hoehn & Yahr-Stadium verknüpft. In Fahrt 2 wurden im Verlauf der Fahrt besonders starke Leistungsabfälle für Patienten des Stadiums 3 und für Patienten mit Tagesmüdigkeit nachgewiesen. Einschlafereignisse traten aber selbst bei tagesmüden Patienten nicht häufiger auf als bei den Kontrollen. Ein wesentlicher Befund war, dass sich die Patienten gegenüber den gesunden Fahrern durch deutlich stärkere Kompensationsbemühungen auszeichneten. In Fahrt 1 bewirkte der Zeitdruck bei ihnen einen höheren Zeitgewinn und einen höheren Fehlerzuwachs. Unter Monotonie nutzten sie signifikant häufiger die Möglichkeit einer Pause. Die Befunde am ART-2020 wiesen eher auf eine generelle Verlangsamung als auf qualitative kognitive Defizite hin, wobei motorische und kognitive Komponenten in einigen Tests nur unzureichend getrennt werden konnten. Insgesamt hatten aber nicht nur die Patienten, sondern auch die gesunden Probanden dieser Altersgruppe enorme Schwierigkeiten mit den Leistungstests. Nur eine Patientin und zwei gesunde Probanden erreichten in allen erhobenen Parametern einen Prozentrang von mindestens 16, was als Kriterium für das Bestehen einer solchen Testbatterie gilt. In Fahrt 1 attestierten die Testleiter jedoch nur fünf Patienten (und keinem gesunden Fahrer) so schwerwiegende Auffälligkeiten, dass ihre Fahrtauglichkeit in Frage gestellt wurde (2x Hoehn&Yahr 2, 3x Hoehn&Yahr 3). Auch diese Diskrepanz zwischen Test- und Fahrleistung spricht für eine moderierende Wirkung der Kompensationsfähigkeit. Alles in allem konnte durch die Fall-Kontroll-Studie zwar bestätigt werden, dass Krankheitsschwere und Tagesmüdigkeit auf einige Parameter der Fahrleistung einen signifikanten Einfluss haben, insgesamt konnten diese Merkmale die Fahrleistung aber nicht zufriedenstellend vorhersagen. Ab dem Hoehn & Yahr-Stadium 2 spielt die Fähigkeit, krankheitsbedingte Beeinträchtigungen zu kompensieren, eine wesentliche Rolle. Genau dies wird aber in den traditionellen Leistungstests nicht erfasst. Künftige Untersuchungen sollten sich daher auf die Diagnostik und v.a. die Trainierbarkeit von Kompensationsfähigkeit konzentrieren. / Although studies differ as to its influence, motor impairment is still the main diagnostic criterion in evaluating the driving ability of patients with Parkinson’s disease (PD). Recently, the discussion about “sleep attacks” and daytime sleepiness added a new criterion. With regard to these problems two major studies were performed: the “dPV-survey 2000” with an analysis of more than 6,000 questionnaires and almost 400 telephone interviews and a case-control study in the Wuerzburg driving simulator. The dPV-survey was a German-wide questionnaire and interview study. An excellent response rate of 63% (from about 12,000 mailed questionnaires) reflects an enormous need of PD sufferers for mobility. However, the study also yielded important results with regard to traffic safety. PD patients had a heightened culpability rate for accidents in which they were involved. In addition to disease severity, daytime sleepiness and sudden onset of sleep turned out to be risk factors for traffic accidents. The case-control study which was performed afterwards aimed at determining the impact of both motor impairment and daytime sleepiness on PD patients’ driving performance prospectively. In addition, special attention was put on the use and benefit of compensatory behavior. 24 PD patients were compared to 24 healthy controls (matched for age, sex and driving experience). PD patients were allocated to 3x2 subgroups, according to disease severity (Hoehn&Yahr stages 1-3) and daytime sleepiness (yes-no). Driving performance was measured during two trips in the simulator. Trip 1 provided a series of traffic situations with varying difficulty. Trip 2 was a monotonous night-time trip. To measure compensation in trip 1, a part of it was repeated under time pressure. In trip 2 compensation was operationalized by the option of taking breaks. In addition to these trips, a traditional battery of psychometric tests using the “Act-React-Test-System” (ART-2020) was performed to compare the results with those of the simulator. Analyses showed that PD patients committed significantly more driving errors than controls in trip 1 (with and without time pressure) - mainly due to bad lane keeping performance. However, only in easy sections of the trip were their impairments in lane keeping significantly associated with the Hoehn&Yahr stages. Under monotony an extreme decrease of lane keeping performance was evident for PD patients in the Hoehn&Yahr stage 3 and for PD patients with daytime sleepiness. Surprisingly, even patients with daytime sleepiness did not fall asleep more often than controls. A crucial result was that PD patients showed significantly more compensatory behavior than controls. In trip 1, time pressure caused the time taken to decrease and the number of mistakes to increase more for PD patients than for the control group. In trip 2, patients took advantage of the option to take a break significantly more often. In the ART-2020 tests, PD patients generally displayed lower response. However, in some of the tests it was not possible to decide whether this slowdown was due to cognitive or motor impairment. At large, patients seemed not to be cognitively impaired. Basically, the tests were much too difficult for all persons of this age group. When applying commonly used criteria as regards the failure of the battery, almost none would have passed - neither patients nor controls: Just one patient and two controls reached a percent rank of at least 16 in all parameters. By contrast, in trip 1 only five patients (two in Hoehn&Yahr stage 2, three in stage 3) and none of the controls displayed questionable driving ability. This discrepancy also indicates that the ability to compensate for impairments is an important moderator of the association between the performance in the tests and the actual driving performance. In general, both disease severity and daytime sleepiness had significant impacts on some parameters of driving performance, but were insufficient for predicting driving ability. As from Hoehn&Yahr stage 2 the ability to compensate for disease related impairments became important. Critically, this is not captured by classical psychometric tests. Therefore, future studies should put special emphasis on the diagnosis of this ability and possibilities of training it.