Построение циклических пептидов, проникающих в клетки, для усиленного проникновения через биологические барьеры
Summary
Этот протокол описывает синтез циклических пептидов, проникающих в клетки, с ароматическими поперечными связями и оценку их проницаемости через биологические барьеры.
Abstract
Рак был серьезной проблемой в глобальном здравоохранении. Однако сложное микроокружение опухоли обычно ограничивает доступ терапевтических средств к более глубоким опухолевым клеткам, что приводит к рецидиву опухоли. Чтобы преодолеть ограниченное проникновение биологических барьеров, были обнаружены проникающие в клетки пептиды (CPP) с отличной способностью транслокации мембраны и стали полезными молекулярными транспортерами для доставки различных грузов в клетки. Однако обычные линейные СРР обычно демонстрируют нарушенную протеолитическую стабильность, что ограничивает их проницаемость через биологические барьеры. Таким образом, разработка новых молекулярных транспортеров, которые могут проникать через биологические барьеры и проявлять повышенную протеолитическую стабильность, крайне желательна для повышения эффективности доставки лекарств в биомедицинских приложениях. Ранее мы синтезировали панель коротких циклических CPP с ароматическими сшивками, которые показали превосходную проницаемость в раковых клетках и тканях по сравнению с их линейными аналогами. Здесь описан краткий протокол синтеза флуоресцентно меченного циклического пептида полиаргинина R8 и его линейного аналога, а также ключевые этапы исследования их клеточной проницаемости.
Introduction
За последние несколько десятилетий мы стали свидетелями быстрого прогресса в разработке пептидов, проникающих в клетки (СХТ) для доставки лекарств. СРТ широко используются в качестве молекулярных транспортеров для лечения ряда опасных для жизни заболеваний, включая неврологические расстройства1,2, болезни сердца3, диабет4, дерматоз5 и рак 6,7. Рак остается глобальным бременем здравоохранения, сопровождающимся высоким уровнем заболеваемости и смертности, несмотря на широкомасштабные исследовательские усилия8. Серьезным препятствием для лечения рака является ограниченный доступ терапевтических средств к более глубоким опухолевым клеткам из-за физиологических барьеров, таких как компактный внеклеточный матрикс (ECM), аномальная сосудистая сеть опухоли, множественные мембранные барьеры и высокое давление интерстициальной жидкости (IFP)9. Таким образом, разработка новых СРР с превосходной способностью доставлять грузы через биологические барьеры считается важной стратегией лечения рака10,11.
СРР можно разделить на катионные, амфипатические и гидрофобные СРР с точки зрения их физико-химических свойств12. Среди них положительно заряженный пептид ВИЧ-ТАТ и синтетический полиаргинин имеют большое значение в биомедицинских исследованиях и были тщательно изучены для облегчения внутриклеточной доставки лекарств13. Tunnemann et al. сообщили, что минимальная длина в восемь аргининов имеет важное значение для эффективного проникновения в клетки синтетических пептидов полиаргинина, основываясь на исследовании проницаемости клеток, проведенном с использованием пептидов от R3 до R1214. Однако эти CPP обычно имеют короткие периоды полураспада в плазме из-за их быстрого гидролиза in vivo. Кроме того, мало что известно об оптимизации химической структуры СРР для повышения их трансбарьерной способности, поскольку проникновение через несколько клеточных мембранзатруднено 15. Таким образом, разработка новых молекулярных транспортеров, способных проникать через биологические барьеры, крайне желательна для повышения эффективности доставки лекарств. В 2020 году Komin et al.16 обнаружили CPP, называемый пептидом CL, который содержит мотив спирали (RLLRLLR) и полиаргининовый хвост (R7) для пересечения эпителиального монослоя. Набор вариантов пептидов CL также был синтезирован путем изменения спирального рисунка. Это исследование может стать важным руководством для разработки новых CPP для доставки грузов через биологические барьеры. Кроме того, Dietrich et al. оптимизировали клеточную проницаемость пептида StAX, ингибируя сигнальный путь Wnt/β-катенина за счет увеличения общей гидрофобности пептидов17.
Конформационная рестрикция неструктурированных линейных пептидов циклизацией является эффективным способом повышения их протеолитической стабильности и проницаемости18,19,20. Структурное армирование повышает резистентность циклических пептидов к протеазе, делая их более стабильными in vivo по сравнению с их линейными аналогами. Кроме того, циклизация пептидов потенциально может маскировать полярную пептидную основу, способствуя внутримолекулярному образованию водородных связей, тем самым увеличивая мембранную проницаемость пептидов21. В последние два десятилетия хемослективные методы циклизации стали эффективными стратегиями построения циклических пептидов с различной архитектурой, таких как полностью углеводородные, лактамные, триазольные, м-ксилол, перфторарил и другие поперечные связи22,23. Биологический барьер, налагаемый сложным микроокружением опухоли, может снижать проникновение лекарств в солидные опухоли24. Ранее мы обнаружили, что циклические CPP проявляют превосходную устойчивость к ферментативному расщеплению по сравнению с их линейными аналогами20. Кроме того, общая гидрофобность пептидов имеет решающее значение для их повышенной проницаемостидля клеток 22. Основываясь на исследованиях, рассмотренных выше, можно предположить, что сочетание положительно заряженного паттерна, повышенной общей гидрофобности и повышенной стабильности протеолиза увеличивает проницаемость CPP через биологические барьеры. В недавнем исследовании мы идентифицировали два циклических CPP с ароматическими сшивками в положениях i и i + 7, которые демонстрируют улучшенную проницаемость в опухолевых клетках и тканях по сравнению с их линейными аналогами15. Здесь представлен краткий синтетический протокол синтеза флуоресцентно меченных циклических СРР и ключевые шаги по исследованию их проницаемости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Химическая стабилизация пептидов путем включения конформационных ограничений оказалась эффективной стратегией повышения стабильности и клеточной проницаемости пептида26. В этом протоколе описана поэтапная процедура синтеза циклических СРР с ароматическими поперечным…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддерживается Фондом естественных наук Китая (21708031), Китайским фондом постдокторантуры (BX20180264, 2018M643519) и Фондами фундаментальных исследований центральных университетов (2682021ZTPY075).
Materials
| 1,2-ethanedithiol | Aladdin | K1722093 | stench |
| 2-(7-Azobenzotriazole)-N,N,N',N'-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HATU) | HEOWNS | A-0443697 | |
| 4,4'-bis(bromomethyl)biphenyl | TCI | B1921 | |
| 4T1 cells | ATCC | 4T1 cells were cultured in DMEM medium supplemented with 10% FBS (Hyclone) in a 37 °C humidified incubator containing 5% CO2. | |
| Acetonitrile | Adamas | 1484971 | toxicity |
| Dichloromethane | Energy | W330229 | skin harmful |
| Diethyl ether | Aldrich | 673811 | flammable |
| Dimethyl sulfoxide | Beyotime | ST038 | skin harmful |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | ||
| Electrospray Ionization Mass Spectrometer | Waters | G2-S Tof | |
| Ethylene Diamine Tetraacetic Acid (EDTA) | BioFroxx | 1340 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | HyClone | ||
| Flow cytometer | Beckman Coulter | CytoFLEX | |
| Fluorescein isothiocyanate isomer (FITC) | Energy | E0801812500 | |
| Fluorescent microscope | Carl Zeiss | Axio Observer 7 | |
| Fmoc-Arg(Pbf)-OH | HEOWNS | F-81070 | |
| Fmoc-Cys(Trt)-OH | GL Biochem | GLS201115-35202 | |
| Fmoc-βAla-OH | Adamas | 51341C | |
| HeLa cells | ATCC | HeLa cells were cultured in DMEM supplemented with 10% FBS (Hyclone) in a 37 °C humidified incubator containing 5% CO2. | |
| High-Performance Liquid Chromatography | Agilent | Agilent 1260 | |
| High-Performance Liquid Chromatography column | Agilent | Poroshell EC-C18 120, 4.6 × 150 mm (pore size 120 Å, particle size 4 μm) | |
| Lyophilizer | SP Scientific | Vir Tis | |
| Methanol | Aldrich | 9758 | toxicity |
| Microtiter plate | Thermo μdrop plate | N12391 | |
| Morpholine | HEOWNS | M99040 | irritant |
| Multi-technology microplate reader | Thermo | VARIOSKAN LUX | |
| N,N-Diisopropylethylamine | HEOWNS | E-81416 | irritant |
| N,N-Dimethyl formamide | Energy | B020051 | harmful to skin |
| Poly-Prep column | Bio-Rad | 7321010 | polypropylene chromatography columns |
| Rink Amide MBHA resin (0.572 mmol/g) | GL Biochem | GLS180301-49101 | |
| Three-way stopcocks | Bio-Rad | 7328107 | |
| Tissue culture plate insert | LABSELECT | 14211 | |
| Trifluoroacetic acid | HEOWNS | T63278 | corrosive |
| Triisopropylsilane | HEOWNS | T-0284475 | |
| Trypsin | BioFroxx | 1004 | |
| Vacuum manifold | Promega | A7231 |
References
- Zhang, L., et al. Brain-targeted dual site-selective functionalized poly(β-amino esters) delivery platform for nerve regeneration. Nano Letters. 21 (7), 3007-3015 (2021).
- Park, T. E., et al. Enhanced BBB permeability of osmotically active poly(mannitol-co-PEI) modified with rabies virus glycoprotein via selective stimulation of caveolar endocytosis for RNAi therapeutics in Alzheimer’s disease. Biomaterials. 38, 61-71 (2015).
- Bian, J., et al. Effect of cell-based intercellular delivery of transcription factor GATA4 on ischemic cardiomyopathy. Circulation Research. 100 (11), 1626-1633 (2007).
- He, H., et al. The use of low molecular weight protamine chemical chimera to enhance monomeric insulin intestinal absorption. Biomaterials. 34 (31), 7733-7743 (2013).
- Kim, D., et al. A specific STAT3-binding peptide exerts antiproliferative effects and antitumor activity by inhibiting STAT3 phosphorylation and signaling. Cancer Research. 74 (8), 2144-2151 (2014).
- Yang, Y., et al. PEGylated liposomes with NGR ligand and heat-activable cell-penetrating peptide-doxorubicin conjugate for tumor-specific therapy. Biomaterials. 35 (14), 4368-4381 (2014).
- Wei, Y., et al. Intracellular paclitaxel delivery facilitated by a dual-functional CPP with a hydrophobic hairpin tail. ACS Applied Materials and Interfaces. 13 (4), 4853-4860 (2021).
- Vasan, N., Baselga, J., Hyman, D. M. A view on drug resistance in cancer. Nature. 575 (7782), 299-309 (2019).
- Cong, Y., et al. Microenvironment-induced in situ self-assembly of polymer-peptide conjugates that attack solid tumors deeply. Angewandte Chemie International Edition. 131 (14), 4680-4685 (2019).
- Blanco, E., Shen, H., Ferrari, M. Principles of nanoparticle design for overcoming biological barriers to drug delivery. Nature Biotechnology. 33 (9), 941-951 (2015).
- Tian, Y., Zhou, S. Advances in cell-penetrating peptides and their functionalization of polymeric nanoplatforms for drug delivery. Wiley Interdisciplinary Reviews. Nanomedicine and Nanobiotechnology. 13 (2), 1-12 (2021).
- Milletti, F. Cell-penetrating peptides: Classes, origin, and current landscape. Drug Discovery Today. 17 (15-16), 850-860 (2012).
- Turner, J. J., et al. Cell-penetrating peptide conjugates of peptide nucleic acids (PNA) as inhibitors of HIV-1 Tat-dependent trans-activation in cells. Nucleic Acids Research. 33 (21), 6837-6849 (2005).
- Tunnemann, G., et al. Live-cell analysis of cell penetration ability and toxicity of oligo-arginines. Journal of Peptide Science. 14 (4), 469-476 (2008).
- Shi, M., et al. Stapling of short cell-penetrating peptides for enhanced tumor cell-and-tissue dual-penetration. Chemical Communications. 58 (14), 2299-2302 (2022).
- Komin, A., et al. A peptide for transcellular cargo delivery: Structure-function relationship and mechanism of action. Journal of Controlled Release. 324, 633-643 (2020).
- Dietrich, L., et al. Cell permeable stapled peptide inhibitor of Wnt signaling that targets β-catenin protein-protein interactions. Cell Chemical Biology. 24 (8), 958-968 (2017).
- Tian, Y., et al. Stapling of unprotected helical peptides via photo-induced intramolecular thiol-yne hydrothiolation. Chemical Science. 7 (5), 3325-3330 (2016).
- De Araujo, A. D., et al. Comparative α-helicity of cyclic pentapeptides in water. Angewandte Chemie International Edition. 53 (27), 6965-6969 (2014).
- Chu, Q., et al. Towards understanding cell penetration by stapled peptides. Medicinal Chemistry Communications. 6 (1), 111-119 (2015).
- Bock, J. E., Gavenonis, J., Kritzer, J. A. Getting in shape: Controlling peptide bioactivity and bioavailability using conformational constraints. ACS Chemical Biology. 8 (3), 488-499 (2013).
- Tian, Y., et al. Effect of stapling architecture on physiochemical properties and cell permeability of stapled α-helical peptides: A comparative study. ChemBioChem. 18 (21), 2087-2093 (2017).
- White, C. J., Yudin, A. K. Contemporary strategies for peptide macrocyclization. Nature Chemistry. 3 (7), 509-524 (2011).
- Jain, R. K. Normalization of tumor vasculature: An emerging concept in antiangiogenic therapy. Science. 307 (5706), 58-62 (2005).
- Patgiri, A., Menzenski, M. Z., Mahon, A. B., Arora, P. S. Solid-phase synthesis of short α-helices stabilized by the hydrogen bond surrogate approach. Nature Protocols. 5 (11), 1857-1865 (2010).
- Baek, S., et al. Structure of the stapled p53 peptide bound to Mdm2. Journal of the American Chemical Society. 134 (1), 103-106 (2012).
- Traboulsi, H., et al. Macrocyclic cell penetrating peptides: A study of structure-penetration properties. Bioconjugate Chemistry. 26 (3), 405-411 (2015).
- Tian, Y., et al. A proline-derived transannular N-cap for nucleation of short α-helical peptides. Chemical Communications. 52 (59), 9275-9278 (2016).
- Muppidi, A., et al. Rational design of proteolytically stable, cell-permeable peptide-based selective Mcl-1 inhibitors. Journal of the American Chemical Society. 134 (36), 14734-14737 (2012).
- Wiradharma, N., et al. Synthetic cationic amphiphilic α-helical peptides as antimicrobial agents. Biomaterials. 32 (8), 2204-2212 (2011).
- Jones, A. T., Sayers, E. J. Cell entry of cell penetrating peptides: Tales of tails wagging dogs. Journal of Controlled Release. 161 (2), 582-591 (2012).
