A protocol to synthesize peptoids with mixed cationic functionality in the same sequence is presented (lysine- and arginine-type monomers). Subsequent testing of these compounds against Leishmania mexicana, the protozoan parasites that cause cutaneous leishmaniasis, is also described.
This protocol describes the manual solid-phase synthesis of linear peptoids that contain two differently functionalized cationic monomers. In this procedure amino functionalized ‘lysine’ and guanido functionalized ‘arginine’ peptoid monomers can be included within the same peptoid sequence. This procedure uses on-resin (N-(1-(4,4-dimethyl-2,6-dioxocyclohexylidene)ethyl) or Dde protection, orthogonal conditions to the Boc protection of lysine monomers. Subsequent deprotection allows an efficient on-resin guanidinylation reaction to form the arginine residues. The procedure is compatible with the commonly used submonomer method of peptoid synthesis, allowing simple peptoids to be made using common laboratory equipment and commercially available reagents. The representative synthesis, purification and characterization of two mixed peptoids is described. The evaluation of these compounds as potential anti-infectives in screening assays against Leishmania mexicana is also described. The protozoan parasite L. mexicana is a causative agent of cutaneous leishmaniasis, a neglected tropical disease that affects up to 12 million people worldwide.
Peptoïden (of poly-N-gesubstitueerde glycines) zijn een klasse van peptide-nabootsingen die soortgelijke eigenschappen als peptiden bieden en als zodanig steeds onderzocht voor medicinale toepassingen en materialen. In peptiden, wordt de zijketen van elk aminozuur verbonden met de α-koolstof van de amide ruggengraat; peptoïden in de zijketens worden afgewenteld op het stikstofatoom van de hoofdketen. Cruciaal, dit geeft peptoids grotere weerstand tegen proteolyse.
Peptoïden worden gewoonlijk gesynthetiseerd met de submonomer methode ontwikkeld door Zuckermann et al., Waarbij peptoïde monomeren kunnen worden opgebouwd door opeenvolgende haloacetylation een aminefunctionaliteit gehecht aan een vaste drager en daaropvolgende verplaatsing van het halogeen met een primair amine. 1 Onze fractie heeft onlangs een aanpassing aan deze submonomer methode om lysine en arginine-type peptoïde residuen worden opgenomen in dezelfde peptoïde sequentie voor het first tijd. 2 Deze handleiding benadering vaste-fase synthese peptoïde gebruikt handel verkrijgbare middelen en gemeenschappelijke laboratoriumapparatuur, toegankelijk te maken voor de meeste laboratoria. Peptoïden is aangetoond veelbelovende activiteiten tegen een groot aantal gramnegatieve bacteriën, grampositieve bacteriën en schimmels soorten die vergelijkbaar met vele bekende antimicrobiële peptiden. 3-9
In ons werk hebben peptoids gebruikt als nieuwe anti-infectieuze verbindingen voor behandeling van verwaarloosde tropische ziekte leishmaniasis. 5,10 Leishmaniasis endemisch in meer dan 80 landen en er wordt geschat dat meer dan 12 miljoen mensen wereldwijd geïnfecteerd. 11 De ziekte wordt veroorzaakt door protozoaire parasieten die door de beet van een zandvlieg overgedragen. Leishmania soort kan cutane leishmaniasis, een aandoening die leidt tot littekenvorming en schade aan de slijmvliezen, of levensbedreigende viscerale toeg veroorzakenhmaniasis, die fataal orgaanschade veroorzaakt. Geen vaccin beschikbaar voor deze ziekte en bestaande behandelingen beroep op een beperkt aantal geneesmiddelen die ernstige bijwerkingen hebben. Bovendien resistentie tegen bestaande geneesmiddelen is een opkomende en ernstig probleem dat nieuwe behandelingen zijn hard nodig om effectieve behandeling van leishmaniasis in de toekomst. 12-16
In deze antimicrobiële toepassingen worden vaak ontworpen peptoids amfipathische met een mengsel van kationische en hydrofobe monomeren zijn. 3,4 Dit kan peptoïden een zekere mate van selectiviteit voor bacteriecellen, verminderen toxiciteit voor zoogdiercellen, en hun activiteit als moleculaire transporteurs verbeteren . 17-20 de meerderheid van de anti-infectieuze peptoïden in de literatuur bevatten kationische zij ketens die uitsluitend bestaan uit ofwel amino gefunctionaliseerde lysine-type monomeren of arginine-type residu. Peptide-peptoïde chimeren, waarbij de kationische ketens bestaan van eenmino lysine of arginine, werden ook gesynthetiseerd om het effect van kationische groepen de activiteit of toxiciteit te onderzoeken. 21-25
Polylysine peptoïden kan eenvoudig worden gesynthetiseerd onder toepassing van in de handel verkrijgbare Boc-beschermde aminen. De poly-arginine peptoïden gerapporteerd kan worden uitgevoerd met een werkwijze die pyrazool-1-carboxamidine als guanidinylation hulpstof. 18 Dit kan echter alleen plaatsvinden nadat de peptoïde werd gesplitst van de hars en Boc bescherming aan zijketens verwijderd, zodat elke lysine-type resten in de sequentie wordt omgezet in een argininerest. In een poging selecteerbaar om chemische en biologische eigenschappen van de verbindingen, ontwikkelden we een methode die dubbele kationische functionaliteit (bijvoorbeeld N Lys en Arg N) op te nemen in een bepaalde peptoïde sequentie voor het eerst mogelijk maakt. 2
Hierin beschrijven we de synthese, zuivering en karakterisering van two nieuwe peptoïden die zowel lysine en arginine-type residuen in dezelfde volgorde bevatten. De werkwijze maakt gebruik van orthogonale N en N-Boc -Dde beveiliging op hars met pyrazool-1-carboxamidine als guanidinylation reagens. De biologische evaluatie van deze peptoids wordt ook beschreven in cytotoxiciteit bepalingen tegen Leishmania mexicana, de verwekker van cutane leishmaniasis. Dit verschaft een praktische methode om peptoïden met dubbele kationische functionaliteit en de biologische activiteit te beoordelen. Verwacht wordt dat deze werkwijze de synthese van amfipathische peptoids zal bevorderen via de peptoïde gemeenschap in de toekomst.
Peptoïden steeds bestudeerd in de chemische biologie en medicinale chemie velden in toepassingen zoals nieuwe therapieën 3-5, mobiele bemiddelaars 18,20 en diagnostische gereedschappen. 29 Gewoonlijk zijn sequenties kationisch een zekere selectiviteit op voor de pathogeen zoogdiercellen, het vermogen om te penetreren door celmembranen en ook steun oplosbaarheid in waterige systemen. Er zijn talloze voorbeelden van kationische peptoids die uitsluitend lysine of arginine-nabootser residuen in de literatuur bevatten. Tot op heden, de synthese van peptoïden die beide kationische resten in dezelfde volgorde bevatten, is belemmerd door gebrek aan een geschikte syntheseprocedure. De hier beschreven protocol kan gemengd kationogene peptoïden worden gesynthetiseerd op een efficiënte wijze en is zeer gewenst omdat daarmee een route naar de biologische en chemische eigenschappen van amfipathische peptoids moduleren.
nt "> Onze methode wordt een aanpassing aan de gebruikte submonomer peptoïde synthese en maakt de toevoeging van zowel lysine en arginine-type monomeren in dezelfde volgorde. Het gebruikt kamertemperatuur koppelingen en gevestigde beschermende groep chemie zodat verwacht wordt dat deze werkwijze nuttig voor de meeste onderzoeksgroepen. Om orthogonale bescherming van het arginine-type residu toe te voegen, wordt een onbeschermde diamine toegevoegd onder standaard verplaatsing omstandigheden en beschermd in een 60 minuten koppeling met Dde-OH. verschillende diamines kunnen gebruikt die zijketens mogelijk maakt van 2 koolstofatomen tot 6 koolstofatomen lang te worden geïnstalleerd, dat wil zeggen 1,2-diamino tot 1,6 diaminohexaan respectievelijk. De beschermende Dde-OH goed oplost in DMF en is een zeer efficiënte en selectieve beschermende groep voor primaire aminen. de Dde-beschermingsgroep bladeren secundaire aminen beïnvloed, bijvoorbeeld de onbeschermde N-terminus van peptoïde keten. 30 Een beperking is dat alle van de syn-thesis werd met de hand gedaan; Echter wordt verwacht dat de ontwikkelde koppelingsomstandigheden maken de werkwijze vatbaar voor gebruik met geautomatiseerde peptide / peptoïde synthesizers.De aan hars ontscherming van de Dde-groepen wordt uitgevoerd met behulp van 2% hydrazine in DMF oplossing om vrije amines die kunnen worden guanidinylated op hars met behulp pyrazool-1-carboxamidine verlaten. Zes equivalenten van het pyrazol-1-carboxamidine en zes equivalenten DIPEA gebruikt per vrije amine op het hars (bijv zes equivalenten per N Arg monomeertype worden geïnstalleerd). Nogmaals, deze reactie is ook efficiënt en het pyrazol-1-carboxamidine reagens goede oplosbaarheid in DMF. Voltooiing van de reactie wordt typisch gezien via LC-MS na 60 minuten bij kamertemperatuur.
Door de veelzijdigheid van de werkwijze submonomer, diverse primaire aminen kunnen worden toegepast bij de verdringingsstap dus voorwaarden moet worden geoptimaliseerd om koppeling effi vergrotenefficiëntie en de algehele product opbrengst of zuiverheid. 31 Voor de sequenties hierboven besproken, geen speciale voorwaarden waren nodig voor een succesvolle koppelingen. Er kon echter langere verplaatsing maal of hoger amine concentraties worden gebruikt voor problematische verplaatsingen (dat wil zeggen, voor slecht nucleofiele of sterisch volumineuze aminen). Sommige aminen kunnen niet volledig oplosbaar in DMF, in welk geval wordt aanbevolen om deze in N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), of andere geschikte oplosmiddelen voor vaste-fase-reacties lossen plaats als in een eerder uitgebreide werkwijze voor synthese submonomer van peptoids. 32 monomeren die onbeschermd heteroatomen in de zijketens bevatten, acetylering met behulp chloorazijnzuur is effectief gebleken door andere groepen. 33 Daarnaast kunnen andere harsen worden gebruikt met deze methode peptoïden met verschillende C-terminale functionalisering verkregen. Wang harsen en 2-chloortritylchloride harsen worden gewoonlijk tersubmonomer synthese van peptoids. Zo is deze werkwijze met succes gebruikt met 2-chloortritylchloridehars in onze groep. 2 verschillende vaste dragers een ander laadprocedure eisen Rink Amide besproken (afhankelijk van de specifieke gebruikte hars), zodat dit moet worden gecontroleerd met de literatuur voorafgaand aan synthese.
Soortgelijke peptidesynthese, kunnen de voorwaarden voor uiteindelijke splitsing van de peptoïde uit hars worden geoptimaliseerd voor de specifieke sequentie. In dit protocol werd een TFA splitsing cocktail gebruikt (met triisopropylsilaan en water als aaseters). De peptoïden hier gepresenteerde bevatte slechts Boc bescherming die is een redelijk zuur labiele groep. Om volledige ontscherming van sequenties garanderen met een groter deel van beschermde residuen of minder zuur-labiele beschermende groepen, langere tijden splitsing noodzakelijk zijn (dwz splitsing tijden dan 2 uur worden aanbevolen voor sequenties die Pbf of tertiaire-bu bevattenTyl ester beschermde groepen). Alternatief scavengers kunnen ook worden gebruikt voor specifieke zijketens (bijvoorbeeld ethaandithiol of 2-mercaptoethanol worden vaak gebruikt in peptiden die zwavel bevattende zijketens zoals cysteine en methionine hebben).
De biologische bepaling is voorgesteld een standaard cytotoxiciteit test die kan worden aangepast aan verschillende cellijnen te passen. Het is belangrijk op te merken dat elke 96-well plaat voldoende controles moeten bevatten om het vertrouwen in de bereikte resultaten mogelijk te maken. In dit geval wordt amfotericine B toegepast als een positieve controle omdat het een bekend geneesmiddel tegen de ziekte en DMSO wordt gebruikt als een negatieve controle aangezien dit het oplosmiddel waardoor verbinding voorraden maken voor de test. Als er andere cellijnen worden gebruikt, moeten alternatieve, passende controles worden verkregen en gevalideerd voor gebruik. L. mexicana wordt geïncubeerd met het peptoïde bij concentraties van 100 en 2 uM gedurende één uur, waarna de parasiet / peptoïde verdunning dooreen factor tien voor incubatie gedurende de nacht (bijv putjes aanvankelijk met 100 pM peptoïde voorraad worden verdund tot 10 uM).
De cellevensvatbaarheid reagens wordt aan elk putje toegevoegd (10% van de totale wellvolume) aan het einde van de test. Een zichtbare kleurverandering wordt gezien tussen de putten met levensvatbare parasieten (roze), controleputjes zonder levensvatbare parasieten (blauw) en een spectrum tussen met tussentijdse aantallen levensvatbare parasieten. De fluorescentie is evenredig met het aantal levende cellen en komt overeen met de metabole activiteit van de cellen; Resazurin kleurstof (niet fluorescerende) omgezet in de fluorescerende resorufine door reductie reacties in metabolisch actieve cellen. 34 Bij deze assay is de incubatietijd met de cellevensvatbaarheid reagens geoptimaliseerd voor L. mexicana. Incubatietijden met de levensvatbaarheid reagens varieert van platen gezaaid bij verschillende celconcentraties of met verschillende cellijnen (bijvoorbeeld kan deze methode ook worden gebruiktmet zoogdiercellen). Afhankelijk van de exacte plaatlezer gebruikt, moeten overwegingen worden gemaakt voordat fluorescentie metingen verricht. Eventuele luchtbellen in putjes verwijderd om nauwkeurige metingen kunnen worden genomen. Sommige plaatlezers lezen van de bodem van platen, waarbij platte bodem 96-putjesplaten worden gebruikt. Andere machines kan lezen uit de bovenkant van de plaat, zodat het deksel van de plaat moet worden verwijderd voordat de meting.
Tenslotte, in de toekomst dit protocol verenigbaar met geautomatiseerde synthesizers die in staat is om vele sequenties parallel bent. Bovendien is de synthese van cyclische peptoids is ook mogelijk met deze methode. Dit protocol dient onderzoekers met praktische synthetische procedure die kan worden gebruikt om nieuwe peptoïde scaffolds met zowel lysine en arginine-type monomeren, die van nut kan zijn in vele toepassingen, waaronder materialen of medicinale velden verschaffen.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken de Raad voor Onderzoek Techniek en Exacte Wetenschappen (EPSRC) voor financiële steun (HLB). We danken ook Sridevi Maalika Ramanoudjame voor haar hulp tijdens het filmen van deze procedure.
Polypropylene solid phase extraction cartridges with two frits | Crawford Scientific | 12131017 and 12131015 | 20 mL and 6 mL cartridges used in this preparation |
Trifluoroacetic acid | Tokyo Chemical Industry (Europe) | T0431-100g | >98%; CAUTION can cause severe burns and respiratory irritation |
N-N'-diisopropylcarbodiimide | Sigma Aldrich | 38370-100ML | >98%; CAUTION hazardous to eyes, skin and via respiratory inhalation, may also cause sensitisation |
Dimethylformamide | Fischer Scientific | 10346180 | HPLC grade; CAUTION suspected teratogen |
Acetonitrile | Fischer Scientific | 10407440 | HPLC grade |
Dichloromethane | Fischer Scientific | 10354263 | 99.8%; CAUTION suspected carcinogen |
Bromacetic acid | Sigma Aldrich | 17000-100G | >99%; ; CAUTION causes burns and hazardous to skin, eyes and respiratory tract |
(S)-(-)-alpha methylbenzylamine | Sigma Aldrich | 115568-100G | 98%; CAUTION harmful if swallowed, toxic in contact with skin, causes severe skin burns and eye damage, used to synthesise the Nspe monomer |
N-Boc 1,4 diaminobutane | Tokyo Chemical Industry (Europe) | A1373-25g | >98%; CAUTION causes severe skin burns and eye damage, used to synthesise the NLys monomer |
N-Boc 1,2 diaminoethane | Tokyo Chemical Industry (Europe) | A1371-25g | >97%; CAUTION causes severe skin burns and eye damage, used to synthesise the Nae monomer |
1,2 diaminobutane | Sigma Aldrich | D13208-100G | 99%; CAUTION flammable liquid and vapour, harmful if swallowed or inhaled, toxic in contact with skin, causes severe skin burns and eye damage, used in the synthesis of the NhArg monomer |
1,4 diaminoethane | Sigma Aldrich | 03550-250ML | >99.5%; CAUTION flammable liquid and vapour, harmful if swallowed or inhaled, toxic in contact with skin, causes severe skin burns and eye damage, used in the synthesis of the NnArg monomer |
1H-pyrazole-1-carboxamidine HCl | Sigma Aldrich | 402516-10G | as HCl salt; CAUTION harmful if swallowed and may cause an allergic skin reaction, causes serious eye damage |
Hydrazine monohydrate | Sigma Aldrich | 207942-5G | reagent grade; CAUTION suspected carcinogen, fatal if inhaled and causes severe burns to skin and eyes |
2-acetyl dimedone | Novabiochem | 8510150005 | Dde-OH |
Rink Amide resin | Novabiochem | 8551190005 | 100-200 mesh, high loading |
Piperidine | Sigma Aldrich | 411027-1L | >99.5%, a controlled substance, so adequate permission must be obtained before purchase; CAUTION highly flammable liquid and vapour, harmful if swallowed and toxic in contact with skin or if inhaled, causes severe skin burns and eye damage, harmful to aquatic life with long lasting effects |
Triisopropylsilane | Sigma Aldrich | 233781-50G | 98%; CAUTION flammable liquid and vapour, causes skin irritation and serious eye irritation |
alamarBlue | ThermoFischer | DAL1025 | Not classified as hazardous |
Schneider's Insect Medium | Sigma Aldrich | S9895-1L | Powdered, medium must be made prior to use following manafacturers instructions; allow to warm to room temperature before use in biological assays |
96 well plates | VWR | 734-1793 | Flat bottom (to allow fluorescence measurement from the bottom), tissue-culture treated |
Solvent reservoirs | VWR | 613-1182 | Used with multi channel pipette |
Multi channel pipette | Eppendorf | 3122000043 | |
Pipette tips | Starlab Group | S1111-3810, S1113-1810, S1111-6810 | Volume of tip dependent on pipette used. 10 µL, 10 – 200 µL and 1000 µL recommended for assays |
25 cm3 cell culture flasks | VWR | 734-2312 | |
50 mL centrifuge tubes | VWR | 525-0791 | |
dimethylsulphoxide (molecular biology grade) | Sigma Aldrich | D8418-50ML | Not classified as hazardous |
Heat Inactivated Fetal Bovine Serum | ThermoFischer | 10082139-100mL | Gibco |
Penicillin/Streptomycin | ThermoFischer | 15140148-20mL | Abbreviation: P/S |
Amphotericin B | Sigma Aldrich | 46006-100mg | Amphotericin B trihydrate, VetranalTM analytical standard |