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.
Peptoids (eller poly- N-substituerte glycines) er en klasse av peptid-etterligninger som tilbyr tilsvarende egenskaper til peptider og som sådan er i økende grad undersøkt for legemidler og materialer applikasjoner. I peptider, er sidekjeden av hver aminosyre koblet til α-karbonet av amidet ryggraden; i peptoids sidekjedene er forskjøvet inn på nitrogenatom i ryggraden. Avgjørende, gir dette peptoids større motstand mot proteolyse.
Peptoids er vanligvis syntetisert ved hjelp av submonomer metode utviklet av Zuckermann et al., Hvor peptoid monomerer kan bygges ved sekvensiell haloacetylation av et amin-funksjonalitet festet til en fast bærer, og etterfølgende fortrengning av halogenet ved hjelp av et primært amin. 1 Vår gruppe har nylig utviklet en tilpasning til denne submonomer metoden for å tillate lysin og arginin-type peptoid rester å være innbefattet innenfor de samme peptoid sekvensen for first tid. 2 Denne håndboken fast-fase tilnærming til peptoid syntese bruker kommersielt tilgjengelige reagenser og felles laboratorieutstyr, som gjør den tilgjengelig for de fleste laboratorier. Peptoids har vist seg å ha lovende aktivitet mot et bredt spekter av Gram-negative bakterier, Gram-positive bakterier og sopp-arter som er sammenlignbare med mange kjente antimikrobielle peptider. 3-9
I vårt arbeid, har peptoids blitt brukt som nye anti-infeksiøse forbindelser for behandling av forsømte tropiske sykdommen leishmaniasis. 5,10 Leishmaniasis er endemisk i mer enn 80 land over hele verden, og det er anslått at over 12 millioner mennesker er smittet på verdensbasis. 11 sykdommen er forårsaket av protozo parasitter som overføres ved bitt av en sandfly. Leishmania arter kan forårsake kutan leishmaniasis, en tilstand som fører til arrdannelse og skade på slimhinner, eller livstruende visceral leishmaniasis, noe som fører til fatale organskade. Ingen vaksine er tilgjengelig for denne sykdommen og eksisterende behandlinger stole på et lite antall legemidler som har alvorlige bivirkninger. I tillegg er motstand mot eksisterende legemidler en ny og alvorlig problem så nye behandlinger er desperat behov for å effektivt behandle leishmaniasis i fremtiden. 12-16
I disse antimikrobielle anvendelser er peptoids ofte utformet for å være amfipatisk med en blanding av kationisk og hydrofobe monomerer. 3,4 Dette kan gi peptoids en grad av selektivitet mot bakterieceller, redusere toksisitet overfor pattedyrceller, og for å forbedre deres aktivitet som molekylære transportører . 17-20 flertallet av antiinfektive peptoids i litteraturen inneholde kationiske sidekjeder som utelukkende består av enten aminofunksjonalisert lysin-type monomerer eller arginin-type rester. Peptid-peptoid kimærer, hvor de kationiske kjedene er omfattet av enmino syrer lysin eller arginin, er også blitt syntetisert for å undersøke effekten av kationiske grupper på aktivitet og toksisitet. 21-25
Poly-lysin peptoids kan lett syntetiseres ved hjelp av kommersielt tilgjengelige Boc-beskyttede aminer. De poly-arginin peptoids rapporterte kan gjøres ved hjelp av en metode som benytter pyrazol-1-karboksamidin som et guanidinylation middel. 18 Dette kan imidlertid bare foretas etter at peptoid er blitt spaltet fra harpiksen og Boc-beskyttelse av sidekjeder fjernes, så hver lysin-type rester innenfor sekvensen er forvandlet til en argininrest. I et forsøk på å finjustere de kjemiske og biologiske egenskapene til forbindelsene, har vi utviklet en metode som gjør det mulig med to kationiske funksjonalitet (for eksempel N-Lys og Arg N) som skal inngå i en hvilken som helst gitt peptoid sekvens for første gang. 2
Heri beskriver vi syntese, rensing og karakterisering av two nye peptoids som inneholder både lysin og arginin-type rester i den samme sekvens. Metoden bruker ortogonale N-Boc og N -Dde beskyttelse på harpiks med pyrazol-1-carboxamidine som guanidinylation reagens. Den biologiske evaluering av disse peptoids er også beskrevet i cytotoksisitetsassayer mot Leishmania mexicana, den utløsende agent for kutan leishmaniasis. Dette tilveiebringer en praktisk fremgangsmåte for å få tilgang til peptoids med dobbelt kationisk funksjonalitet og for å vurdere deres biologiske aktivitet. Det er forventet at denne metoden vil hjelpe syntesen av amphipathic peptoids av peptoid samfunnet i fremtiden.
Peptoids økende grad studert innenfor kjemisk biologi og medisinsk kjemi felt i applikasjoner som for eksempel nye therapeutics 3-5, celleleveringsmidler 18,20 og diagnostiske verktøy. 29 Vanligvis er disse sekvensene er kationiske å gi en grad av selektivitet for patogenet i løpet pattedyrceller, evnen til å trenge gjennom cellemembraner og også hjelpe oppløselighet i vandige systemer. Det finnes mange eksempler på kationiske peptoids som inneholder utelukkende lysin eller arginin-etterligning rester i litteraturen. Men til dags dato, syntesen av peptoids som inneholder begge disse kationiske rester i den samme sekvens er blitt hindret av mangel på en egnet syntetisk prosedyre. Protokollen er beskrevet her gjør det mulig for blandede kationiske peptoids å bli syntetisert på en effektiv måte og er meget ønskelig da det gir en rute for å modulere de biologiske og kjemiske egenskaper av amfipatiske peptoids.
nt "> Vår metode benytter en tilpasning til den brukte submonomer peptoid syntese og tillater tilsetning av både lysin og arginin-type monomerer innenfor den samme sekvens. Den bruker romtemperatur koplinger og etablert beskyttelsesgruppekjemien slik at det er forventet at denne metoden vil være nyttig for de fleste av forskningsgrupper. for å legge ortogonal beskyttelse for arginin-type rester, er en ubeskyttet diamin tilsatt under standardfortrengningsbetingelser, og deretter beskyttet i en 60-minutters kopling med Dde-OH. en rekke diaminer kan være brukes som tillater sidekjeder fra to karbonatomer til 6 karbonatomer lang, for å bli installert, dvs. 1,2-diaminoetan til 1,6-diaminoheksan henholdsvis. Den beskyttende Dde-OH oppløses godt i DMF, og er en meget effektiv og selektiv beskyttende gruppe for primære aminer. DDE-beskyttelse gruppe forlater sekundære aminer upåvirket, f.eks ubeskyttet N endestasjonen peptoid kjeden. 30 en begrensning er at alle synOppgaven ble gjennomført manuelt; imidlertid, er det forventet at koblingsbetingelsene utviklet gjøre fremgangsmåten anvendelig for bruk med automatiske peptid / peptoid synthesizere.Den på harpiks avbeskyttelse av DDE-gruppene er foretatt ved bruk av en 2% hydrazin-oppløsning i DMF til å forlate frie aminer som kan guanidinylated på resin ved bruk av pyrazol-1-karboksamidin. Seks ekvivalenter av pyrazol-1-karboksamidin og seks ekvivalenter DIPEA benyttes pr frie amin på harpiksen (dvs. seks ekvivalenter for hver N Arg typen monomer som skal installeres). Igjen, er denne reaksjonen også effektiv og pyrazol-1-karboksamidin-reagenset har god løselighet i DMF. Fullføring av reaksjonen blir vanligvis sett via LC-MS etter 60 minutter ved romtemperatur.
På grunn av allsidigheten av submonomer metoden, kan en lang rekke primære aminer anvendes i fortrengningstrinnet slik at forholdene kan trenge å bli optimalisert for å øke koplings effeffektivitet og totale produktutbytte eller renhet. 31 For de sekvensene som er omtalt ovenfor, ingen spesielle forholdene var nødvendig for vellykkede koblinger. Imidlertid kan lengre fortrengning ganger eller høyere amin konsentrasjoner brukes til problematiske forskyvninger (dvs. for dårlig nukleofile eller sterisk voluminøse aminer). Noen aminer kan ikke være fullstendig oppløselig i DMF, i hvilket tilfelle anbefales det å oppløse disse i N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), eller andre egnede oppløsningsmidler for fast-fase reaksjoner i stedet som i en foregående omfattende metode for syntese submonomer av peptoids. 32 for å innlemme monomerer som inneholder ubeskyttet heteroatomer i sidekjedene, acetylering ved hjelp av klorsyre er blitt vist å være effektive ved andre grupper. 33 i tillegg kan andre harpikser brukes med denne metoden for å gi peptoids med forskjellige C-terminale funksjonalisering. Wang harpiks og 2-chlorotrityl klorid-harpikser blir rutinemessig brukt isubmonomer syntese av peptoids. For eksempel har denne metoden vært brukt med hell med 2-klortrityl-klorid harpiks i vår gruppe. 2 Forskjellige faste bærere vil kreve en annen laste fremgangsmåte til Rink Amid omtalt her (avhengig av den spesifikke harpiks som brukes), slik dette skal kontrolleres med litteraturen før syntesen.
I likhet med peptidsyntese, kan betingelsene for endelig spaltning av peptoid av harpiksen også være optimalisert for den spesifikke sekvens. I denne protokollen, ble en cocktail TFA-spaltning som brukes (med triisopropylsilan og vann som scavengers). De peptoids som presenteres her, inneholdt bare Boc-beskyttelse som er et rimelig syrelabil gruppe. For å sikre fullstendig avbeskyttelse av sekvenser med en større andel av beskyttede rester eller mindre syrelabile beskyttelsesgrupper, lengre spaltningsseter tider kan være nødvendig (dvs. spaltningsseter ganger i overkant av 2 timer anbefales for sekvenser som inneholder Pbf eller tertiær-buTyl ester beskyttede grupper). Alternative passiveringsmidler kan også brukes for spesialiserte sidekjeder (for eksempel etanditiol eller 2-merkaptoetanol blir ofte brukt i peptider som har svovelholdige sidekjeder som cystein eller metionin).
Den biologisk analyse som presenteres er en standard cytotoksisk test som kan endres for å passe til forskjellige cellelinjer. Det er viktig å merke seg at hver 96-brønns plate bør inneholde tilstrekkelig kontroller for å tillate tillit til de oppnådde resultater. I dette tilfellet er amfotericin B anvendt som en positiv kontroll som det er et kjent stoff som brukes til å behandle sykdommen og DMSO blir benyttet som en negativ kontroll, da dette er det løsningsmiddel som anvendes til å lage sammensatte lager for analysen. Hvis andre cellelinjer blir brukt, bør alternative, egnede kontroller oppnås og valideres før bruk. L. mexicana inkuberes med peptoid ved konsentrasjoner mellom 100 og 2 uM i en time, og deretter parasitten / peptoid oppløsningen blir fortynnet veden faktor på ti for inkubering over natten (dvs. brønner først med 100 uM peptoid lager blir fortynnet til 10 uM).
Den cellelevedyktighet reagens blir tilsatt til hver brønn (10% av totalbrønnvolum) ved slutten av analysen. En synlig fargeendring er sett mellom brønner med levedyktige parasitter (rosa), kontrollbrønner uten levedyktige parasitter (blå) og et spektrum mellom med middels antall levedyktige parasitter. Fluorescens er proporsjonal med antallet levende celler og tilsvarer den metabolske aktivitet av cellene; Resazurin fargestoff (ikke fluorescerende) omdannes til den fluorescerende resorufin ved reduksjonsreaksjoner i metabolsk aktive celler. 34 I denne analysen har inkubasjonstiden med cellenes levedyktighet reagenset blitt optimalisert for L. mexicana. Inkubasjonstidene med levedyktigheten reagens vil variere for plater podet ved forskjellige cellekonsentrasjoner eller med forskjellige cellelinjer (for eksempel denne metoden kan også benyttesmed pattedyrceller). Avhengig av den eksakte plateleser som brukes, betraktninger må gjøres før fluorescens-målingene foretas. Eventuelle luftbobler i brønnene bør fjernes for å sikre nøyaktige målinger kan tas. Noen lesere plate leses fra bunnen av plater, i hvilket tilfelle flatbunnet 96-brønners plater bør ikke brukes. Andre maskiner kan leses fra toppen av platen, slik at lokket på platen bør fjernes før måling.
Til slutt, i fremtiden, kan denne protokollen være kompatibel med automatiserte synthesizere som er i stand til å gjøre mange sekvenser parallelt. I tillegg er syntesen av cykliske peptoids er også mulig ved hjelp av denne metoden. Denne protokollen bør gi forskere med en praktisk syntetisk prosedyre som kan brukes for å få tilgang til nye peptoid stillas med både lysin og arginin-type monomerer som kan være nyttige i mange anvendelser, inkludert materialer eller medisinske felt.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Engineering og Fysisk Sciences Research Council (EPSRC) for økonomisk støtte (HLB). Vi takker også Sridevi Maalika Ramanoudjame for hennes assistanse under filmingen av denne prosedyren.
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 |