Biyolojik Bariyerlerin Daha İyi Penetrasyonu için Siklik Hücre Nüfuz Eden Peptitlerin Yapımı
Summary
Bu protokol, siklik hücreye nüfuz eden peptitlerin aromatik çapraz bağlarla sentezini ve biyolojik bariyerler boyunca geçirgenliklerinin değerlendirilmesini açıklar.
Abstract
Kanser, küresel sağlıkta büyük bir zorluk olmuştur. Bununla birlikte, karmaşık tümör mikroçevresi genellikle terapötiklerin daha derin tümör hücrelerine erişimini sınırlar ve tümör nüksüne yol açar. Biyolojik bariyerlerin sınırlı penetrasyonunu fethetmek için, mükemmel membran translokasyon kabiliyetine sahip hücre nüfuz eden peptitler (CPP’ler) keşfedilmiş ve çeşitli yükleri hücrelere ulaştırmak için yararlı moleküler taşıyıcılar olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, geleneksel lineer CPP’ler genellikle biyolojik bariyerler boyunca geçirgenliklerini sınırlayan tehlikeye atılmış proteolitik stabilite gösterir. Bu nedenle, biyolojik bariyerlere nüfuz edebilen ve gelişmiş proteolitik stabilite sergileyebilen yeni moleküler taşıyıcıların geliştirilmesi, biyomedikal uygulamalarda ilaç dağıtım verimliliğini artırmak için büyük ölçüde arzu edilmektedir. Daha önce, kanser hücrelerinde ve dokularında doğrusal muadillerine kıyasla üstün geçirgenlik sergileyen aromatik çapraz bağlantılara sahip kısa siklik CPP’lerden oluşan bir panel sentezlemiştik. Burada, floresan olarak etiketlenmiş siklik poliarginin R8 peptidinin ve lineer muadilinin sentezi ve hücre geçirgenliklerini araştırmak için anahtar adımlar için kısa bir protokol açıklanmaktadır.
Introduction
Son birkaç on yıl, ilaç dağıtımı için hücreye nüfuz eden peptitlerin (CPP’ler) geliştirilmesinde hızlı ilerlemelere tanık olmuştur. CPP’ler, nörolojik bozukluklar 1,2, kalp hastalıkları3, diyabet4, dermatoz5 ve kanser 6,7 dahil olmak üzere hayatı tehdit eden bir dizi hastalığın tedavisinde moleküler taşıyıcılar olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Kanser, yaygın araştırma çabalarına rağmen yüksek morbidite ve mortalite oranının eşlik ettiği küresel bir sağlık yükü olmaya devam etmektedir8. Kanser tedavisinin önündeki ciddi bir engel, kompakt hücre dışı matriks (ECM), anormal tümör vaskülatürü, çoklu membran bariyerleri ve yüksek interstisyel sıvı basıncı (IFP)9 gibi fizyolojik engeller nedeniyle terapötiklerin daha derin tümör hücrelerine sınırlı erişimidir. Bu nedenle, biyolojik engeller üzerinden kargo teslim etme konusunda üstün yeteneğe sahip yeni CPP’ler geliştirmek, kanser tedavisi için temel bir strateji olarak kabul edilir10,11.
CPP’ler fizikokimyasal özellikleri açısından katyonik, amfipatik ve hidrofobik CPP’ler olarak sınıflandırılabilir12. Bunlar arasında, pozitif yüklü HIV-TAT peptidi ve sentetik poliarginin, biyomedikal araştırmalarda büyük önem taşımaktadır ve hücre içi ilaç dağıtımını kolaylaştırmak için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir13. Tunnemann ve ark., R3 ila R12 peptitleri14 kullanılarak yapılan bir hücre geçirgenliği çalışmasına dayanarak, sentetik poliarginin peptitlerinin etkili hücre penetrasyonu için minimum sekiz arginin uzunluğunun gerekli olduğunu bildirmiştir. Bununla birlikte, bu CPP’ler genellikle in vivo hızlı hidrolizleri nedeniyle kısa plazma yarı ömrüne sahiptir. Ek olarak, birden fazla hücre zarına nüfuz etmek zor olduğu için trans-bariyer yeteneklerini arttırmak için CPP’lerin kimyasal yapısının optimizasyonu hakkında çok az şey bilinmektedir15. Bu nedenle, biyolojik engellere nüfuz edebilen yeni moleküler taşıyıcıların geliştirilmesi, ilaç dağıtım verimliliğini artırmak için şiddetle arzu edilmektedir. 2020 yılında, Komin ve ark.16 , epitel monokatmanını geçmek için bir sarmal motifi (RLLRLLR) ve bir poliarginin kuyruğu (R7) içeren CL peptid adı verilen bir CPP keşfetti. Bir dizi CL peptid varyantı da sarmal paterni değiştirerek sentezlendi. Bu keşif, biyolojik engeller boyunca kargoların teslimatı için yeni CPP’lerin geliştirilmesi için önemli bir rehber olabilir. Dahası, Dietrich ve ark. StAX peptidinin hücre geçirgenliğini optimize ederek, peptitlerin17’sinin genel hidrofobikliğini artırarak Wnt / β-katenin sinyal yolunu inhibe etti.
Yapılandırılmamış lineer peptitlerin siklizasyon ile konformasyonel kısıtlaması, proteolitik stabilitelerini ve geçirgenliklerini arttırmanın etkili bir yoludur18,19,20. Yapısal takviye, siklik peptitlerin proteaz direncini arttırır ve onları lineer muadillerine kıyasla in vivo olarak daha kararlı hale getirir. Ek olarak, peptitlerin siklizasyonu, molekül içi hidrojen bağını teşvik ederek polar peptid omurgasını potansiyel olarak maskeleyebilir, böylece peptitlerin membran geçirgenliğini artırabilir21. Son yirmi yılda, kemoselektif siklizasyon yöntemleri, tüm hidrokarbon, laktam, triazol, m-ksilen, perfloroaril ve diğer çapraz bağlar gibi farklı mimarilere sahip siklik peptitlerin yapımında etkili stratejiler haline gelmiştir22,23. Sofistike tümör mikroçevresi tarafından dayatılan biyolojik bariyer, katı tümörlerde ilaçların penetrasyonunu azaltabilir24. Daha önce siklik CPP’lerin enzimatik sindirime karşı doğrusal muadillerine göre üstün direnç gösterdiğinibulmuştuk 20. Ayrıca, peptitlerin genel hidrofobikliği, gelişmiş hücre geçirgenlikleri22 için kritik öneme sahiptir. Yukarıda tartışılan çalışmalara dayanarak, pozitif yüklü bir modelin, yüksek genel hidrofobikliğin ve gelişmiş proteoliz stabilitesinin kombinasyonunun, CPP’lerin biyolojik bariyerler boyunca geçirgenliğini arttırdığı hipotezi varsayılabilir. Yakın tarihli bir çalışmada, i ve i + 7 pozisyonlarında aromatik çapraz bağlantılara sahip iki siklik CPP tanımladık, bu da tümör hücrelerinde ve dokularında doğrusal muadillerine kıyasla daha iyi geçirgenlik sergiledi15. Burada, floresan olarak etiketlenmiş siklik CPP’lerin sentezi için kısa bir sentetik protokol ve geçirgenliklerini araştırmak için temel adımlar sunulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Konformasyonel kısıtlamalar dahil edilerek peptitlerin kimyasal stabilizasyonunun, peptid26’nın stabilitesini ve hücre geçirgenliğini arttırmak için etkili bir strateji olduğu kanıtlanmıştır. Bu protokolde, siklik CPP’lerin aromatik çapraz bağlarla sentezlenmesi ve biyolojik bariyerler boyunca geçirgenliklerinin değerlendirilmesi için adım adım bir prosedür açıklanmaktadır. Hidrofilik laktam veya triazol çapraz bağları22,27 ile karşılaştırıld…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Doğa Bilimleri Vakfı (21708031), Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı (BX20180264, 2018M643519) ve Merkezi Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları (2682021ZTPY075) tarafından desteklenmektedir.
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).
