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.
Peptoider (eller poly- N-substituerede glyciner) er en klasse af peptid-mimetika, der tilbyder lignende egenskaber til peptider og som sådan er i stigende grad undersøgt for lægemidler og materialer applikationer. I peptider, er sidekæden af hver aminosyre forbundet til α-carbonatomet af amidrygraden; i peptoider sidekæderne forskydes på nitrogenatomet i rygraden. Afgørende, dette giver peptoider større resistens over for proteolyse.
Peptoider almindeligvis syntetiseret under anvendelse af submonomer metode udviklet af Zuckermann et al., Hvor peptoid monomerer kan bygges ved sekventiel haloacetylation af en aminfunktionalitet bundet til en fast bærer og efterfølgende forskydning af halogen ved anvendelse af en primær amin. 1 Vores gruppe har for nylig udviklet en tilpasning til denne submonomer metode til at tillade lysin- og arginin-type peptoid rester til at være indbefattet inden for samme peptoid sekvens for fFØRSTE tid. 2 Denne manual fastfase-tilgang til peptoid syntese anvender kommercielt tilgængelige reagenser og Almindeligt laboratorieudstyr, hvilket gør det tilgængeligt for de fleste laboratorier. Peptoider er blevet vist at have lovende aktivitet over for et bredt spektrum af Gram-negative bakterier, gram-positive bakterielle og fungale arter, som er sammenlignelig med mange kendte antimikrobielle peptider. 3-9
I vores arbejde har peptoider blevet brugt som nye anti-infektiøse forbindelser til behandling af den oversete tropesygdom leishmaniasis. 5,10 leishmaniasis er endemisk i mere end 80 lande verden over, og det anslås, at over 12 millioner mennesker er smittet på verdensplan. 11 sygdom er forårsaget af parasitiske protozoer, der transmitteres ved bid af en sandfly. Leishmania arter kan forårsage kutan leishmaniasis, en tilstand, der fører til ardannelse og skader på slimhinder, eller livstruende visceral Leishmaniasis, som forårsager fatal organskade. Ingen vaccine er i øjeblikket tilgængelig for denne sygdom og eksisterende behandlinger er afhængige af et lille antal lægemidler, der har alvorlige bivirkninger. Desuden resistens over for eksisterende lægemidler er en ny og alvorligt problem så nye behandlinger desperat nødvendig for effektivt at behandle leishmaniasis i fremtiden. 12-16
I disse antimikrobielle anvendelser peptoider ofte designet til at være amfipatisk med en blanding af kationiske og hydrofobe monomerer. 3,4 Dette kan give peptoider en grad af selektivitet over bakterieceller, reducere toksiciteten overfor pattedyrsceller, og forbedre deres aktivitet som molekylære transportører . 17-20 størstedelen af den anti-infektive peptoider i litteraturen indeholde kationiske sidekæder, der udelukkende består af enten amino funktionaliseret lysin-type monomerer eller rester arginin-typen. Peptid-peptoid kimærer, hvor de kationiske kæder er sammensat af enmino syrer lysin eller arginin, er også blevet syntetiseret til at undersøge effekten af kationiske grupper på aktivitet og toksicitet. 21-25
Poly-lysin peptoider kan let syntetiseres under anvendelse af kommercielt tilgængelige Boc-beskyttede aminer. De poly-arginin peptoider rapporterede kan fremstilles ved anvendelse af en metode, som anvender pyrazol-1-carboxamidin som et guanidinylation middel. 18. Dette kan imidlertid kun foretages, efter peptoidet er blevet spaltet fra harpiksen og Boc-beskyttelse på sidekæder fjernet, så hver lysin-typen rest i sekvensen er omdannet til en argininrest. I et forsøg på at finjustere de kemiske og biologiske egenskaber af forbindelserne, vi udviklet en fremgangsmåde, som tillader dobbelt kationisk funktionalitet (f.eks, N Lys og N Arg), der skal indgå i et givet peptoid sekvens for første gang. 2
Heri beskriver vi syntesen, oprensning og karakterisering af two hidtil ukendte peptoider, der indeholder både lysin- og arginin-type rester i den samme sekvens. Fremgangsmåden anvender ortogonal N-Boc og N -Dde beskyttelse på harpiks med pyrazol-1-carboxamidin som et guanidinylation reagens. Den biologiske vurdering af disse peptoider er også beskrevet i cytotoksicitetsassays mod Leishmania mexicana, det agens af kutan leishmaniasis. Dette giver en praktisk metode til at få adgang peptoids med dual kationisk funktionalitet og vurdere deres biologiske aktivitet. Det forventes, at denne metode vil hjælpe syntesen af amfipatiske peptoider som peptoide samfund i fremtiden.
Peptoider i stigende grad undersøges inden for den kemiske biologi og medicinske kemi felter i applikationer såsom nye lægemidler 3-5, celle levering agenter 18,20 og diagnostiske værktøjer. 29 Typisk er disse sekvenser er kationiske at give en grad af selektivitet for patogenet i pattedyrceller, evnen til at trænge gennem cellemembraner og også hjælpe opløselighed i vandige systemer. Der er talrige eksempler på kationiske peptoider, der indeholder udelukkende lysin- eller arginin-mimetiske rester i litteraturen. Men til dato, syntesen af peptoider, som indeholder begge disse kationiske rester i den samme sekvens er blevet hæmmet af manglen på en egnet syntesefremgangsmåde. Protokollen beskrevet her tillader blandede kationiske peptoider at blive syntetiseret på en effektiv måde og er meget ønskeligt, da det giver en rute til at modulere de biologiske og kemiske egenskaber amfipatiske peptoids.
nt "> Vores metode anvender en tilpasning til den almindeligt anvendte submonomer peptoid syntese og muliggør tilføjelse af både lysin- og arginin-type monomerer inden for samme sekvens. Det bruger stuetemperatur koblinger og etableret beskyttelsesgruppe kemi så det forventes, at denne metode vil være nyttig for størstedelen af forskningsgrupper. for at tilføje ortogonal beskyttelse af arginin-typen rest, tilsættes en ubeskyttet diamin under standard forskydning betingelser og beskyttes derefter i en 60-minutters kobling med Dde-OH. en række diaminer kan være anvendes der tillader sidekæder fra 2 carbonatomer til 6 carbonatomer lang til at blive installeret, dvs. 1,2-diaminoethan til 1,6-diaminohexan henholdsvis. Den beskyttende Dde-OH opløses godt i DMF og er en meget effektiv og selektiv beskyttelsesgruppe for primære aminer. DDE-beskyttelsesgruppe blade sekundære aminer upåvirket, f.eks den ubeskyttede N-terminalen af peptoid kæde. 30 En begrænsning er, at alle synafhandling blev foretaget manuelt; imidlertid forventes det, at de koblingsbetingelser udviklede gøre metoden medgørlige til anvendelse med automatiserede peptid / peptoid synthesizere.Den på harpiks afbeskyttelse af Dde-grupper udføres ved anvendelse af en 2% hydrazin-opløsning i DMF at efterlade frie aminer, der kan guanidinylated på harpiksen ved anvendelse af pyrazol-1-carboxamidin. Seks ækvivalenter af pyrazol-1-carboxamidin og seks ækvivalenter DIPEA anvendes per fri amin på harpiksen (dvs. seks ækvivalenter for hver N Arg typen monomer, der skal installeres). Igen, denne reaktion er også effektiv og pyrazol-1-carboxamidin reagens har god opløselighed i DMF. Færdiggørelse af reaktionen typisk ses via LC-MS efter 60 minutter ved stuetemperatur.
På grund af den alsidighed submonomer fremgangsmåde kan en lang række primære aminer anvendes i fortrængningstrinet så betingelser kan skal optimeres for at forøge koblingen effeffektivitet og overordnede produkt udbytter eller renhed. 31 For sekvenserne beskrevet ovenfor, var det ikke nødvendigt med særlige betingelser for succesfulde koblinger. Imidlertid kunne længere forskydning gange eller højere koncentrationer amin anvendes til problematiske forskydninger (dvs. for dårligt nukleofile eller sterisk voluminøse aminer). Nogle aminer kan ikke fuldt opløselige i DMF, i hvilket tilfælde det anbefales at opløse disse i N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), eller andre egnede opløsningsmidler til fastfase-reaktioner i stedet som i en tidligere samlet fremgangsmåde til submonomer syntese af peptoider. 32 til at optage monomerer, der indeholder ubeskyttede heteroatomer i sidekæderne, acetylering under anvendelse chloreddikesyre har vist sig at være effektiv ved andre grupper. 33 Endvidere kan andre harpikser anvendes med denne metode til opnåelse af peptoider med forskellige C-terminal funktionalisering. Wang-harpikser og 2-chlortritylchlorid harpikser anvendes rutinemæssigt isubmonomer syntese af peptoider. For eksempel har denne metode været brugt med held med 2-chlortritylchloridharpiks i vores gruppe. 2 forskellige faste bærere vil kræve en anden loading procedure til Rink amid diskuteret her (afhænger af den specifikke anvendte harpiks), så dette bør kontrolleres med litteraturen før syntese.
Svarende til peptidsyntese, kan betingelserne for den endelige spaltning af peptoidet off harpiks også optimeres for den specifikke sekvens. I denne protokol, blev en TFA spaltning cocktail bruges (med triisopropylsilan og vand som skraldemanden). De peptoider præsenteres her kun indeholdt Boc beskyttelse, der er et rimeligt syrelabil gruppe. For at sikre fuldstændig afbeskyttelse af sekvenser med en større andel af beskyttede rester eller mindre syrelabile beskyttelsesgrupper, længere spaltningsprodukter kan være nødvendigt (dvs. spaltnings gange på over 2 timer anbefales til sekvenser, som indeholder Pbf eller tertiær-buTyl ester beskyttede grupper). Alternative scavengers kan også anvendes til specialiserede sidekæder (fx ethandithiol eller 2-mercaptoethanol ofte anvendes i peptider, der har svovlholdige sidekæder såsom cystein eller methionin).
Den biologiske assay præsenteret er en standard cytotoksicitet test, som kan ændres til at passe til forskellige cellelinier. Det er vigtigt at bemærke, at hver plade med 96 brønde bør indeholde tilstrækkelig kontrol til at tillade tillid i de opnåede resultater. I dette tilfælde er amphotericin B anvendt som en positiv kontrol, da det er et kendt lægemiddel til behandling af sygdommen og DMSO anvendes som en negativ kontrol, da dette er det opløsningsmiddel, der anvendes til at gøre sammensatte lagre til assayet. Hvis der bruges andre cellelinjer, bør indhentes alternative, passende kontrol og valideres før brug. L. mexicana inkuberes med peptoidet ved koncentrationer mellem 100 og 2 uM i en time, og derefter parasitten / peptoide opløsning fortyndes meden faktor ti for inkubering natten over (dvs. brønde i første omgang med 100 pM peptoid lager fortyndes til 10 uM).
Den cellelevedygtigheden reagens tilsættes til hver brønd (10% af total brønd volumen) ved slutningen af assayet. En synlig farveændring ses mellem brønde med levedygtige parasitter (pink), kontrol brønde uden levedygtige parasitter (blå) og et spektrum mellem med mellemliggende antal levedygtige parasitter. Fluorescensen er proportional med antallet af levende celler og svarer til den metaboliske aktivitet af cellerne; Resazurinfarvestof (ikke-fluorescerende) omdannes til den fluorescerende resorufin ved reduktionsreaktioner i metabolisk aktive celler. 34. I dette assay har inkubationstiden med cellelevedygtigheden reagens er optimeret til L. mexicana. Inkubationstider med levedygtigheden reagens vil variere for plader podet ved forskellige cellekoncentrationer eller med forskellige cellelinjer (fx også kan bruges denne metodemed pattedyrsceller). Afhængig af den nøjagtige pladelæser anvendes, skal foretages, inden fluorescensmålinger tages hensyn. Eventuelle luftbobler i brønde skal fjernes for at sikre, kan tages nøjagtige målinger. Nogle pladeaflæsere læse fra bunden af plader, i hvilket tilfælde fladbundede plader med 96 brønde bør anvendes. Andre maskiner kan læses fra toppen af pladen, så låget af pladen skal fjernes før måling.
Endelig i fremtiden, kan denne protokol være forenelig med automatiserede synthesizere, der er i stand til at gøre mange sekvenser parallelt. Derudover syntesen af cykliske peptoider er også muligt ved hjælp af denne metode. Denne protokol skal give forskere med en praktisk syntetisk procedure, der kan bruges til at få adgang nye peptoid stilladser med både lysin- og arginin-type monomerer, som kan være til nytte i mange applikationer, herunder materialer eller medicinske områder.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Engineering og Physical Sciences Research Council (EPSRC) om økonomisk støtte (HLB). Vi takker også Sridevi Maalika Ramanoudjame for hendes hjælp under indspilningen af denne 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 |