Method Article

自组装多胺基多肽 Amphiphiles (PPAs) 及相关生物材料的简易合成协议

DOI:

10.3791/57908

⸱

June 25th, 2018

 ,  ,  , 
1Department of Pharmaceutical Sciences, University of Nebraska Medical Center

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

多胺基肽 amphiphiles (PPAs) 的合成是一个重要的挑战, 由于存在多种胺氮, 这需要明智地使用保护组来掩盖这些反应功能。本文介绍了一种简便的制备这些新型自组装分子的方法。

Abstract

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多胺基多肽 Amphiphiles (PPAs) 是一种新型的自组装的两亲性生物材料-与肽 Amphiphiles (PAs) 有关。传统的 PAs 有被充电的氨基酸作为溶出的小组 (赖氨酸, 精氨酸), 直接地连接到油脂片断或可能包含由中性氨基酸制成的链接器区域。调谐肽序列的 PAs 可以产生不同的形态。同样, PPAs 具有疏水性段和中性氨基酸, 但也含有多胺分子作为溶水 (亲水性) 基团。与 PAs 的情况一样, PPAs 也可以自组装成不同的形貌, 包括小棒, 扭曲纳米带, 和熔融纳米片, 当溶解在水中。然而, 在单个多胺分子上存在主要和次要胺, 在合成 PPAs 时会带来重大挑战。在本文中, 我们展示了一个简单的协议, 基于文献先例, 以实现一个简便的合成 PPAs 使用固相肽合成 (许可证)。该议定书可扩展到考绩制度和其他类似系统的综合。我们还说明了从树脂, 鉴定和纯化所需的步骤。

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

自组装肽 amphiphiles (PAs) 是一类生物材料, 通常由以下部分组成: (a) 亲水性头, (b) 链接器区域, (c) 疏水尾。文献中描述的大多数 PAs 具有亲水性的头, 由带电或极性氨基酸残留物1,2,3,4组成。PAs 已经在生物医学中发现了广泛的应用, 包括药物传递, 疾病诊断, 再生医学等5。在氨基酸序列的基础上, PAs 可以形成各种各样的纳米结构, 包括球形胶束和纳米丝。我们最近报告了一类混合多胺基肽 amphiphiles, 称为 PPAs6。这些生物材料的形貌、自组装动力学和代谢降解都与它们的溶出头组有关。此外, 苯丙醇纳米结构并没有对哺乳动物细胞 (MiaPaCa2 和 HeLa 细胞系) 在经过测试的浓度上表现出毒性。基于苯丙醇的 nanocarriers 是有吸引力的药物运载工具, 因为: (1) 多胺的摄取和新陈代谢已被证明在癌细胞中增加, (2) 阳离子纳米结构可以实现细胞膜逃逸7,8,这导致细胞内的循环和居住更高, (3) 与 PA 相比, 它们应该具有明显的代谢剖面;例如, 它们会更稳定地朝向人体内发现的蛋白酶 (尽管它们可能对其他酶 (如胺氧化酶)9,10敏感。此外, PPAs 已经发现有不同的形态, 物理化学性质, 纳米颗粒的硬度, 和组装动力学取决于不同的长度和电荷的单个 PPA 分子6。在这里, 我们描述了一个详细的协议, 以合成, 鉴定和纯化的 PPAs, 也可以用于制备 PAs 或类似的混合肽分子。

由于多胺在其受保护的形式中通常不具有商业用途, 而且由于保护多胺的主要和次级胺对共轭氨基酸和其他分子具有极其重要的意义, 我们概述了合成步骤, 以实现其保护。该协议的总体目标是提供一种简单的方法, 共轭多胺氨基酸。多胺缺乏羧酸基团;因此, 它们不能耦合到溜冰场酰胺或王树脂。相反, 建议合成协议的树脂, 如 2-chlorotrityl 氯。苯丙醇合成的主要挑战是初级和二胺功能基团的存在。为了我们的目的, 我们保护多胺中的所有次生胺, 同时保持基胺上的主要氨基基团自由地允许偶联反应。在固体相肽合成 (许可证) 原理的基础上, 对其进行了坚实的支持, 以促进每个耦合和脱步骤后的工作。下面的协议用于 PPAs 的手动和自动合成 (尽管在自动化系统中对某些步骤的验证将具有挑战性)。这些分子的合成也可以在自动合成器上进行, 或借助微波反应器 (自动或半自动) 进行。在图 1中总结了反应方案。

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图 1:(a) 合成 PPAs 的一般反应方案。(B) 可用于合成 PPAs 的代表性多胺。请单击此处查看此图的较大版本.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. PPAs 合成通用议定书

  1. 计算合成的尺度 (通常为毫摩尔)。此刻度基于目标 PPA 金额的质量。请记住, 随着氨基酸序列的增加, 许可证的反应效率逐渐降低。因此, 准确的反应效率是难以计算的。
  2. 根据树脂的载荷计算出所用树脂的重量。装载在树脂的容器或分析协议被发现并且表达在毫摩尔/g。以下公式可用于计算树脂的重量:
  3. 仔细权衡 2-chlorotrityl 氯树脂 (在我们的情况下, 负载是 ~ 0.85 毫摩尔)
  4. 将树脂置于烧结合成容器中, 其规格如下: 容量-50 毫升, 烧结盘-25 毫米, 孔隙度-介质。
  5. 向树脂中添加15毫升二氯甲烷 (DCM)。
  6. 将合成容器粘贴到变速机械振动筛 (烧瓶式振动筛/搅拌器) 上, 并将容器转到45°角 (或水平) 以最大程度地搅拌。
  7. 允许树脂珠膨胀15分钟, 提高反应的屈服率, 因为它有利于分子扩散和可进入活性部位, 提高耦合效率。
  8. 将所需多胺 (胺、胺、Diethyelenetriamine、13丙烷等) 的8当量 (2 毫摩尔) 添加到树脂上, 并允许其对 5 h 进行反应。
    注意: 一个较小的反应期会降低产量。
  9. 做一个凯撒测试 (见材料表), 以确认多胺与树脂的成功耦合。主要胺的成功的联结产生紫罗兰色或蓝色, 对应于自由胺。
  10. 用4当量 1-(44-二甲基-26-dioxocyclohex-1-ylidene) 乙酯 (Dde), 用无水甲醇 (15 毫升) 溶解, 通过摇动反应混合物过夜11, 保护原胺组。
    注意: 较小的反应时间可以降低产量。
  11. 执行凯撒测试。树脂珠没有蓝色, 证实了成功的保护。在未成功保护主胺的情况下, 重复上一步骤。
  12. 用 dcm 和 DMF (2:1, 15 毫升) 的混合物将 dcm 排出并清洗两次树脂。
  13. 在 DCM (20 毫升) 中溶解20当量 (5 毫摩尔) 二叔丁基二碳酸酯 (中行), 并允许反应进行 3 h。
  14. 做一个四氯苯醌测试 (见材料表), 以确认对二胺的完全保护。阳性测试 (保护) 产生无色或浅黄色。游离二胺给出深绿色/蓝色, 而初级胺给出红色的颜色。
  15. 将溶剂混合物排出, 用 DCM 和 DMF (2:1, 15 毫升) 的混合物清洗两次。
  16. 加入2% 溶液的肼在 DMF (10 毫升) 和动摇1小时。
  17. 做一个凯撒测试, 以确认成功脱的主胺。
  18. 在你写/画它们的相反顺序中加入所需的氨基酸。多肽是从 N 总站到 c 终点, 但在相反的方向合成, c 到 N。例如, 对于需要以下肽芯 GLFD 的苯丙醇, 添加天门冬氨酸 (D), 其次是苯丙胺 (F)、亮氨酸 (L), 最后是甘酸 (G)。
    注: 对于大多数氨基酸, 以下偶联鸡尾酒适合于附着于多胺负载树脂。
    1. 混合4当量 (1 毫摩尔) 的芴甲氧羰基保护氨基酸, 3.95 当量 2-(1 h-benzotriazol 1 基)-11, 33-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU), 15 当量 diisopropylethyl 胺 (DIPEA)。
    2. 将它们溶解在 DCM 和 DMF (1:1, 15 毫升) 的混合物中, 并将鸡尾酒油脂实验2分钟 (直到完全溶解)。
    3. 等待额外的3–5分钟, 以确保羧酸在氨基酸上活化。
    4. 将反应混合物添加到容器中。在室温下进行2-4 小时的反应。
      注: 我们发现以下作为有效的替代 HBTU (通常需要较低数量的氨基酸和偶联剂): COMU, PyBOP, 哈图, DIC/Oxima。
    5. 做一个凯撒测试, 以确认成功的耦合。
    6. 在 DMF 中加入 4-甲基哌啶 (10 毫升) 的20% 溶液, 从氨基酸中脱去保护 n-芴甲氧羰基基团。做两次, 每次摇动反应混合物15分钟。
      注: 一种高效的替代 n-芴甲氧羰基哌嗪/DBU12。
      1. 在添加之间执行 DCM (15 毫升) 清洗。
    7. 做一个凯撒测试, 以确认成功的脱保护氨基酸。
    8. 彻底清洗树脂, 除去所有4甲基的痕迹。用 DMF (10 毫升) 清洗树脂两次, 每次洗涤持续5分钟, 最后用 DCM (10 毫升) 进行10分钟。
    9. 通过连续重复耦合和脱保护步骤, 添加所有剩余的氨基酸。
  19. 最后, 将所有必需氨基酸耦合后, 将疏水尾与多胺-肽结构的最后一个氨基酸共轭:
    1. 在 DCM 和 DMF 混合物 (1:1, 20 毫升) 中添加10个等价的所需羧酸功能到 9.5 HBTU 和12当量 DIPEA。
      注意: 记住比一些尾巴可能需要不同比例的溶剂 (通常是 larger% 的 DCM) 或添加或其他溶剂, 如 n-methylpyrrolidone (NMP)。
    2. 油脂实验鸡尾酒为5–10分钟直到溶解 (我们已经看到它需要更长的尾巴完全溶解), 并添加到容器。
      注: 对于包含多个反应性站点的尾部, 在将它们耦合之前, 需要对其进行保护。
    3. 执行这个反应 (耦合疏水尾巴) 至少5小时, 虽然它是可取的为最高的产量隔夜执行它。

2. 固体支护中的苯丙醇裂解

这一步骤的目的是从树脂裂解苯丙醇, 并从氨基酸和多胺残渣中去除中银保护基团。

  1. 用 DMF (8 毫升2分钟) 和两次与 DCM (8 毫升, 每次5分钟) 洗涤树脂。在每次添加之前, 将溶剂从容器中排出。当最后一次清洗完成后, 在真空下干燥树脂15分钟。
  2. 用以下混合物配比制备解乳液: 28:1: 1 三氟乙酸酸 (TFA): H2O: 三异丙硅烷 (小贴士)。使 15 毫升的鸡尾酒添加 14 毫升的 TFA , 0 . 5 毫升的 H2O 和 0 . 5 毫升的提示。
  3. 在树脂中加入这个解裂液, 在室温下 2–4 h。
  4. 在25或50毫升的圆底烧瓶中收集溶液。
  5. 将 TFA 集中在真空中, 使用旋转蒸发器在减压的同时加热混合物在40°c (不超过55°c, 以避免分解的苯丙胺醇)。
  6. 蒸发后, 将获得的 TFA 溶液 (滴状) 添加到含有无水冷醚 (15 毫升) 的圆底烧瓶中。这将立即沉淀苯丙醇。
  7. 另外, 将无水冷醚 (5 毫升) 添加到 TFA 集中的原烧瓶中。
  8. 油脂实验这个烧瓶, 以恢复额外的固体, 并结合以太解决方案从步骤2.6。
    注: 转移吸管可以用小体积的 DCM 洗涤。避免在过程中引入 DMF, 因为它倾向于形成一种凝胶状物质。
  9. 把烧瓶放在冰箱内, 让它过夜, 以最大限度地沉淀。
  10. 采用烧结圆盘过滤漏斗, 通过真空过滤收集沉淀材料。理想的孔径是精细的或中等的。
  11. 用冷乙醚 (5–10毫升) 冲洗两次沉淀, 以除去任何残留的有机物。

3. 使用 MALDI 干滴法鉴别原油产品

  1. 正态分析的矩阵准备:
    1. 用基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 质谱法开始分子量分析, 在离心管中加入10到20毫克的α氰基 4-肉桂酸。
    2. 添加一个溶液的水/乙腈 (1:1, 1.0 毫升) 与0.1% 三氟乙酸酸 (TFA)。彻底混合涡流。
      注: 该基质应用于正电荷肽。MALDI 负模式相似, 但需要一个含有0.1% 氨的 9-氨基吖啶的基质作为溶剂添加剂。
    3. 将样品的µL 添加到不锈钢靶板上 MALDI, 并在空气中干燥样品。添加µL 的矩阵, 并再次干燥。
      注意: 板块有圆形标记网格化沿目标板, 以帮助找到特定的地点。
  2. 分析 MALDI 仪器中的样品以验证其身份。电喷雾电离 (ESI) 是确认 PPAs 身份的有效方法。

4. 用制备反相高效液相色谱 (HPLC) 纯化 PPAs

  1. 在最小的乙腈和水中溶解苯丙醇沉淀。
    1. 作为经验法则, 在不到5毫升的乙腈和水中溶解100毫克的干粗苯丙醇。由于 PPAs 的净电荷 (表 1), 更多的疏水性 PPAs 可能需要更大比例的乙腈溶解, 而且可能还需要更大的溶剂量。
    2. 如果完全溶解不发生, 增加 1% TFA (ACN 或 H2O)。还可以添加微量的其他相容溶剂, 包括 dimethylsulfoxide, 甲醇, 或异丙醇 (限制其内容为 5%)。
溶剂正电荷 PPAs负电荷 PPAs
0.1% TFA 在水中0.1% NH3在水中
0.1% TFA 在 ACN0.1% NH3在 ACN

表 1: 溶剂系统.提出了带正电和负电荷 PPAs 的溶剂体系。

  1. 油脂实验使用一个喇叭 sonicator 20 分钟在十年代脉冲与 Amp1 48% 或2-3 小时的超声浴。
  2. 然后, 过滤器使用0.45 微米注射器过滤器, 然后过滤使用0.20 微米聚四氟乙烯 (PTFE) 注射器过滤器。苯丙醇溶液应清楚, 不含所有微粒材料。
    1. 如果过滤太难, 油脂实验长一段时间。强烈建议, 在注射器过滤后立即纯化苯丙胺醇溶液, 因为长时间贮存可能导致其聚合或 gelate, 这将需要重新超声波, 或许还要重新过滤。
  3. 在纯化过程中和之后, 使用 HPLC 级溶剂或通过0.25 微米注射器过滤器/膜过滤的一种。
    注: 净化 PPAs 最常见的溶剂条件为 H2O 和 ACN 的梯度。
  4. 使用标准的反相色谱仪对该协议。它应该包括一个洗脱梯度程序员, 二进制溶剂交付系统, 一个紫外线探测器能够检测到220和 254 nm, 和可编程分数收集器。最大流量应为50毫升/分。
  5. 使用 C-18 反相柱进行分离。以下尺寸的列可以根据固体被提纯的质量和 PPA 的净电荷 (表 2) 来使用。
苯丙醇充电粒度列大小粗苯丙醇质量
+ ve 收费5微米150 x 30 毫米170毫克
ve 收费5微米150 x 30 毫米170毫克
+ ve 收费5微米150 x 21.2 毫米90毫克
ve 收费5微米150 x 21.2 毫米90毫克

表 2: 建议的列:C18 反相色谱柱的柱尺寸、粒径和每注入最大承载能力

  1. 将该列的容量和 hplc 的注入回路体积确定的容积注入 PPA。根据表 3中所见的设置 (40 分钟的洗脱时间) 运行 HPLC 梯度法。
时间溶剂 A (乙腈)溶剂 B (水)流量 (毫升/分钟)
05%95%流速取决于柱填料及其尺寸。
25%95%
3595%5%
38100%0%
405%95%

表 3: 建议的渐变:建议的反相梯度显示了一段时间内水与乙腈的相对组成。流量将取决于列规格。

  1. 分析使用 MALDI 在各种试管中收集的分数, 并确定哪些管 (或管) 含有苯丙醇。这是通过研究每管中发现的分子量来评估的。
    1. 在分析 HPLC 上检查分数的纯度。采用高效液相色谱-梯度系统, 配以 220 nm 的紫外线探测器。
    2. 如果有杂质, 做一个额外的循环纯化的 hplc。上述梯度用于制备高效液相色谱法, 可以用柱形变换器在线软件对其进行降阶分析。每一个分数都是≥95% 纯的物理表征或生物评价。
  2. 收集在一个大的圆底瓶或蒸发瓶的分数, 并删除所有的乙腈和大部分的水。最终的 PPA 溶液不应超过10毫升。
  3. 把这个浓缩物转移到50毫升离心管上。请注意, PPAs 是洗涤剂类物质;因此, 在溶剂蒸发过程中会产生气泡。我们发现添加乙醇会减少气泡的形成。
  4. 真空浓缩精矿。在真空蒸发过程中, 大量的苯丙醇可能附着在容器的壁上。通过用高效液相色谱水反复冲洗烧瓶壁来恢复。浓缩的苯丙醇和 rinsate 的复合体积不应超过30毫升。
  5. 将水溶液放入50毫升管内。
  6. 在液氮中, 这种苯丙醇溶液的闪光冻结:
    注: 闪光冷冻会导致更小的冰晶, 在冻干机中会更快地升华。此外, 较慢的冰冻可能允许形成自组装的超分子结构。另一种选择 (但不太可取) 是逐步冻结在-80 °c 冷冻机或冻结使用干冰 + 丙酮混合物
    1. 在将离心管放置在冻干机中之前, 穿孔或松开管帽以允许湿气逸出样品并收集在制冷装置中。将冻干装置设置为-54 °c 和0.016 毫巴。
      注: 另一种选择是卸下瓶盖, 并将擦拭 (带橡皮筋) 放在开口顶部。此外, 我们发现, 冻结样品的角度或打破冰成小的部分, 可以更快, 更好地冻干, 由于增加的表面积。
    2. 如果固体开始融化, 这可能表明有机溶剂的痕迹 (通常是乙腈) 存在。重复冷冻步骤, 评估冻干的条件。
    3. 如果熔化仍然存在, 有两个潜在的解决方案:
      1. 将样品分成两部分 (放在管子里), 稀释水, 再冷冻。不要经常使用这个溶液, 因为大量的有机溶剂会损坏设备。
      2. 或者, 将样品放在烧瓶中, 在真空下进一步蒸发有机溶剂。冻干液体形式的样品通常会导致苯丙醇化合物的碰撞和损失。

5. PPAs 的储存

  1. 将 PPAs 放在-20 摄氏度, 将瓶盖拧紧, 用适当的标签将 Parafilm 密封在管子上。
  2. 使用前, 将苯丙醇恢复到真空室的室温, 以避免 PPAs 上的水蒸气凝结。

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Results

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在合成纯化后, 在理化或生物评价之前, 建议 PPAs 的质量进行重新检查, 用解析 HPLC 法确定纯度。对于材料表征或生物评价, PPAs 需要纯度 > 95%。图 2显示了 HPLC 示踪 (顶端) 和 MALDI 光谱 (底部) 确认产品的存在。高效液相色谱分析系统将整合曲线下的区域 (联合自卫队), 联合自卫 > 95% 可与产品纯度相关。在紫外基高效液相色谱系统中, 期望看到一个单一的, 尖峰。MALDI 谱应与±1中苯丙醇的计算分子量相对应 (取决于 MALDI 的分析模式)。

PPAs 的自组装可以通过多种技术进行可视化和分析, 包括透射电镜 (图 3A、B)、原子力显微镜 (AFM) (图 3C、...

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这里描述的协议可以用来合成 PPAs 作为 PAs 和相关的肽基分子 (如混合 peptoids)。虽然使用许可证合成肽是一个简单的过程, 但合成含有生物自导分子的肽尤其具有挑战性。多胺如胺、胺、diethyelenetriamine等, 可作为靶向分子定位于肿瘤细胞13。PPAs 可以自组装成具有不同形貌的纳米结构6。他们的正电荷还可以帮助更长的循环时间 (由于细胞膜逃逸) 和不同的代谢剖面 (与传统 PA 相比)。然而, 合成 PPAs 及其类似物可能是一个特殊的挑战, 因为存在的主要和次要胺。通过对正交保护群的合理使用, 提出了综合策略, 克服了这一挑战。Dde 分子有选择地仅发生反应与主要胺11。另一方面, 中行不加区别地与主要和次要胺反应, 因此, 只能添加后, 主胺被保护。我们想指出的是, 其他保护团体可以代替中银使用。例如, 与醋酸酐的反应将永久 acetylate 二胺 (这个组不会被去除在分裂期间)。同样, 使用 trifluoacetic 酸酐将提供一个基敏...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者没有利益冲突申报

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

该项目由内布拉斯加州大学医学中心 (开办基金, MC) 资助;NIH-COBRE, 5P20GM103480 (t Bronich) 和美国化学学会, PRF 57434 号-DNI7 (MC S)。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
2-氯三苯基树脂 AappTecRTZ001
SynthwareTM 合成容器 AldrichSYNP120050M
二氯甲烷AcrosAC406920250Fisher Sci. 目录 #
Wrist ShakerBoekel Scientific401000-2
Kaiser 测试套件Sigma-Aldrich60017
2-[（4,4-二甲基-2,6-二氧代环己-1-亚基）乙基氨基]-乙醇Sigma-AldrichCDS004772
无水甲醇AcrosAC610981000Fisher Sci. 目录 #
氯苯胺检测试剂盒TCITCC1771-KITVWR 目录 #
二叔丁基二碳酸酯 AcrosAC194670250Fisher Sci. 目录 #
二甲基甲酰胺Fisher ScientificBP1160-4
肼AcrosAC296815000FIsher Sci. 目录 #
（2-（1H-苯并三唑-1-基）-1,1,3,3-四甲基六氟磷酸脲）p3biosystems31001
4-甲基哌啶 AcrosAC127515000FIsher Sci. 目录 #
三氟乙酸AappTecCXZ035
三异丙基硅烷Sigma-Aldrich233781
醚Fisher ScientificE138-1
&α;-氰基-4-羟基肉桂酸Sigma-AldrichC8982
9-氨基吖啶Sigma-Aldrich92817
费舍尔品牌 针式过滤器：PTFE 膜Fisher Scientific09-730-21
9-氨基吖啶 Sigma-Aldrich C8982

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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