RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
it_IT
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo descrive la sintesi di peptidi ciclici penetranti nelle cellule con legami incrociati aromatici e la valutazione della loro permeabilità attraverso le barriere biologiche.
Il cancro è stato una grande sfida per la salute globale. Tuttavia, il complesso microambiente tumorale generalmente limita l'accesso delle terapie alle cellule tumorali più profonde, portando alla recidiva del tumore. Per superare la limitata penetrazione delle barriere biologiche, sono stati scoperti peptidi che penetrano le cellule (CPP) con un'eccellente capacità di traslocazione della membrana e sono emersi come utili trasportatori molecolari per trasportare vari carichi nelle cellule. Tuttavia, le CPP lineari convenzionali mostrano generalmente una stabilità proteolitica compromessa, che limita la loro permeabilità attraverso le barriere biologiche. Pertanto, lo sviluppo di nuovi trasportatori molecolari in grado di penetrare le barriere biologiche e mostrare una maggiore stabilità proteolitica è altamente desiderato per promuovere l'efficienza della somministrazione di farmaci nelle applicazioni biomediche. Abbiamo precedentemente sintetizzato un pannello di CPP ciclici corti con reticoli aromatici, che hanno mostrato una permeabilità superiore nelle cellule tumorali e nei tessuti rispetto alle loro controparti lineari. Qui, viene descritto un protocollo conciso per la sintesi del peptide poliarginina R8 ciclico marcato fluorescentmente e della sua controparte lineare, nonché i passaggi chiave per studiare la loro permeabilità cellulare.
Gli ultimi decenni hanno assistito a rapidi progressi nello sviluppo di peptidi che penetrano nelle cellule (CPP) per la somministrazione di farmaci. I CPP sono stati ampiamente utilizzati come trasportatori molecolari per il trattamento di una serie di malattie potenzialmente letali, tra cui disturbi neurologici1,2, malattie cardiache3, diabete4, dermatosi5 e cancro 6,7. Il cancro rimane un onere sanitario globale accompagnato da un alto tasso di morbilità e mortalità nonostante i diffusi sforzi di ricerca8. Un serio ostacolo al trattamento del cancro è l'accesso limitato delle terapie alle cellule tumorali più profonde a causa di barriere fisiologiche come la matrice extracellulare compatta (ECM), la vascolarizzazione tumorale anormale, le barriere multimembrana e l'alta pressione del liquido interstiziale (IFP)9. Pertanto, lo sviluppo di nuovi CPP con una capacità superiore di consegnare carichi attraverso le barriere biologiche è considerato una strategia essenziale per il trattamento del cancro10,11.
I CPP possono essere classificati in CPP cationici, anfipatici e idrofobici in termini di proprietà fisico-chimiche12. Tra questi, il peptide HIV-TAT caricato positivamente e la poliarginina sintetica sono di notevole importanza nella ricerca biomedica e sono stati ampiamente studiati per facilitare la somministrazione intracellulare di farmaci13. Tunnemann et al. hanno riferito che una lunghezza minima di otto arginine è essenziale per un'efficiente penetrazione cellulare dei peptidi sintetici di poliarginina, sulla base di uno studio di permeabilità cellulare condotto utilizzando i peptidi da R3 a R1214. Tuttavia, questi CPP hanno generalmente brevi emivite plasmatiche a causa della loro rapida idrolisi in vivo. Inoltre, si sa poco per quanto riguarda l'ottimizzazione della struttura chimica dei CPP per aumentare la loro capacità di trans-barriera in quanto è difficile penetrare più membrane cellulari15. Pertanto, lo sviluppo di nuovi trasportatori molecolari in grado di penetrare le barriere biologiche è fortemente desiderato per migliorare l'efficienza della somministrazione dei farmaci. Nel 2020, Komin et al.16 hanno scoperto un CPP chiamato peptide CL, che contiene un motivo elicoidale (RLLRLLR) e una coda di poliarginina (R7) per attraversare il monostrato epiteliale. Una serie di varianti peptidiche CL sono state anche sintetizzate alterando il modello elicoidale. Questa esplorazione potrebbe essere una guida significativa per lo sviluppo di nuovi CPP per la consegna di carichi attraverso barriere biologiche. Inoltre, Dietrich et al. hanno ottimizzato la permeabilità cellulare del peptide StAX, inibendo la via di segnalazione Wnt / β-catenina aumentando l'idrofobicità complessiva dei peptidi17.
La restrizione conformazionale di peptidi lineari non strutturati mediante ciclizzazione è un modo efficace per migliorare la loro stabilità proteolitica e permeabilità18,19,20. Il rinforzo strutturale aumenta la resistenza alla proteasi dei peptidi ciclici, rendendoli più stabili in vivo rispetto alle loro controparti lineari. Inoltre, la ciclizzazione dei peptidi può potenzialmente mascherare la spina dorsale del peptide polare promuovendo il legame idrogeno intramolecolare, aumentando così la permeabilità della membrana dei peptidi21. Negli ultimi due decenni, i metodi di ciclizzazione chemioselettiva sono diventati strategie efficaci per la costruzione di peptidi ciclici con architetture diverse, come tutto idrocarburi, lattamici, triazolo, m-xilene, perfluoroarile e altri legami incrociati22,23. La barriera biologica imposta dal sofisticato microambiente tumorale potrebbe ridurre la penetrazione dei farmaci nei tumori solidi24. Abbiamo precedentemente scoperto che i CPP ciclici mostravano una resistenza superiore alla digestione enzimatica rispetto alle loro controparti lineari20. Inoltre, l'idrofobicità complessiva dei peptidi è fondamentale per la loro maggiore permeabilità cellulare22. Sulla base degli studi discussi sopra, la combinazione di un modello caricato positivamente, elevata idrofobicità complessiva e maggiore stabilità della proteolisi può essere ipotizzata per aumentare la permeabilità dei CPP attraverso le barriere biologiche. In uno studio recente, abbiamo identificato due CPP ciclici con legami incrociati aromatici nelle posizioni i e i + 7 che mostrano una migliore permeabilità nelle cellule e nei tessuti tumorali rispetto alle loro controparti lineari15. Qui viene presentato un protocollo sintetico conciso per la sintesi di CPP ciclici marcati con fluorescenza e i passaggi chiave per studiarne la permeabilità.
1. Preparazione dell'attrezzatura
NOTA: Eseguire tutte le procedure in una cappa aspirante funzionante con idonei dispositivi di protezione individuale.
2. Sintesi del peptide lineare R8 marcato con FITC (FITC-R8) e del peptide R8 graffato marcato con fitc (FITC-sR8-4)
NOTA: I peptidi sono stati sintetizzati secondo un protocollo standard di sintesi peptidica in fase solida (SPPS) basato su Fmoc25. La resina 4-(2',4'-Dimethoxypheyl-Fmoc-aminomethyl)-phenoxyacetamido-norleucyl-MBHA (resina MBHA ammidica da pista, vedi Tabella dei materiali) è stata utilizzata durante lo studio.
ATTENZIONE: N, N-dimetilformammide (DMF), N, N-diisopropiletilamina (DIPEA), morfolina e diclorometano (DCM) sono tutti incolori e sono dannosi se inalati o assorbiti attraverso la pelle. L'etere è estremamente infiammabile. L'1,2-Etanditiolo (EDT) è una sostanza particolarmente odorosa. L'acido trifluoroacetico (TFA) è altamente corrosivo e la sua acidità è 105 volte quella dell'acido acetico. Di conseguenza, tutti i reagenti e le sostanze chimiche dovrebbero essere trattati utilizzando dispositivi di protezione in una cappa aspirante.
3. Quantificazione dei peptidi marcati con FITC
4. Stabilità dei peptidi nel siero fetale bovino (FBS)
5. Assorbimento cellulare dei peptidi
6. Esplorazione della penetrazione cellula-cellula dei peptidi utilizzando modelli transwell
In questo protocollo, è stata presentata una procedura sintetica per vincolare la poliarginina lineare R8 nella sua forma ciclica. L'SPPS è stato condotto manualmente utilizzando un semplice apparato (Figura 1). Il processo sintetico dettagliato di SPPS è mostrato nella Figura 2. In breve, la resina è stata sufficientemente gonfiata, seguita dalla deprotezione del gruppo protettivo N α-Fmoc. Quindi, l'amminoacido protetto da N α-Fmoc è stato ancorato sulla resina fino al completamento dell'assemblaggio peptidico (passaggi 1-4 in Figura 2). Quindi, i peptidi grezzi sono stati scissi dalla resina dal cocktail di scissione (fase 5 nella Figura 2). FITC è stato utilizzato per etichettare i peptidi per sintetizzare CPP ciclici marcati con fluorescenza e tracciare la loro permeabilità attraverso le barriere biologiche. Successivamente, i gruppi di cisteina che proteggono il tritile sono stati selettivamente deprotetti sulla resina, seguiti dalla ciclizzazione del peptide con reticolo 4,4'-bis(bromometil)bifenile (Figura 3A). Gli spettri HPLC e MS di FITC-R8 e FITC-sR8-4 sono mostrati nella Figura 3B. Il tempo di ritenzione di FITC-sR8-4 era sostanzialmente più lungo di quello dell'analogo lineare, indicando una maggiore idrofobicità complessiva del peptide dopo la ciclizzazione con il reticolo idrofobico. Inoltre, come mostrato nella Figura 3C, l'R8 ciclico è rimasto intatto al 77,3% dopo l'incubazione con il 25% di FBS per 4 ore, mentre la sua controparte lineare è stata per lo più degradata, suggerendo una maggiore stabilità proteolitica del peptide ciclico R8. Nei successivi studi basati su cellule, le cellule trattate con R8 ciclico con reticolazione aromatica hanno mostrato una fluorescenza intracellulare più elevata rispetto a quelle trattate con la sua controparte lineare, come dimostrato dall'imaging al microscopio a fluorescenza di cellule vive (Figura 4A). Risultati simili sono stati ottenuti con l'analisi della citometria a flusso (Figura 4B). Per indagare ulteriormente se l'R8 ciclico conferisce una maggiore penetrazione da cellula a cellula, sono stati utilizzati modelli transwell per simulare la permeabilità barriera dei peptidi da uno strato cellulare all'altro. L'R8 ciclico ha chiaramente mostrato una maggiore penetrazione trans-barriera rispetto al peptide lineare R8, come indicato da un significativo aumento della fluorescenza intracellulare (Figura 4C). Per riassumere, il peptide ciclico R8 ha mostrato una permeabilità superiore attraverso le barriere biologiche rispetto alla sua controparte lineare.

Figura 1: Configurazione dell'apparecchiatura per l'apparato manuale di sintesi dei peptidi. Una colonna in polipropilene da 10 mL viene installata sul collettore del vuoto utilizzando una valvola di arresto a tre vie. N2 è usato per l'agitazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Procedura generale di sintesi peptidica in fase solida Fmoc (SPPS). Un amminoacido protetto da N α-Fmoc è ancorato alla resina 4-(2',4'-Dimethoxypheyl-Fmoc-aminomethyl)-phenoxyacetamido-norleucyl-MBHA (rink amide MBHA resin) (fase 1), seguita dalla deprotezione dei gruppi protettivi Nα-Fmoc degli amminoacidi (fase 2) e dal successivo accoppiamento amminoacidico (fase 3). Il passo 2 e il passo 3 vengono ripetuti più volte per sintetizzare il peptide desiderato (fase 4). Dopo il completamento della sintesi, viene aggiunto un cocktail di scissione per rimuovere i gruppi protettivi della catena laterale e scindere il peptide desiderato dalla resina (fase 5). Abbreviazioni: DMF = N, N-dimetilformammide; DCM = diclorometano; HATU = 2-(7-azobenzotriazolo)-N, N, N', N'-tetrametiluronio esafluorofosfato; DIPEA = N, N-diisopropiletilammina; TFA = acido trifluoroacetico. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Sintesi del peptide lineare R8 marcato con FITC (FITC-R8) e del peptide R8 graffato marcato con fitc (FITC-sR8-4) utilizzando la sintesi peptidica in fase solida (SPPS). (A) Schema della sintesi di FITC-R8 e FITC-sR8-4. (B) Spettri HPLC e MS (inserto) di FITC-R8 e FITC-sR8-4. (C) Stabilità di FITC-R8 e FITC-sR8-4 in presenza del 25% di FBS. Il peptide intatto (%) si riferisce alla frazione di peptide non degradato. Questa cifra è stata modificata da Shi et al.15. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Penetrazione del peptide lineare R8 marcato con FITC (FITC-R8) e del peptide R8 graffato marcato con FITC (FITC-sR8-4). (A) Immagini al microscopio a fluorescenza di cellule HeLa e cellule 4T1 dopo 1 ora di incubazione con 3 μM FITC-R8 e FITC-sR8-4. FITC (verde), Hoechst (blu). Barra della scala = 20 μm. (B) Fluorescenza media relativa (rispetto al peptide lineare R8), media ± s.d. e n = 3; (C) Penetrazione cellula-cellula di FITC-R8 e FITC-sR8-4 in un modello transwell utilizzando celle HeLa. Immagini al microscopio a fluorescenza di cellule vive (barra di scala = 20 μm) e fluorescenza media relativa (rispetto al peptide lineare R8), media ± s.d. e n = 3. ** P < 0,01, *** P < 0,001. Questa cifra è stata modificata da Shi et al.15. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo protocollo descrive la sintesi di peptidi ciclici penetranti nelle cellule con legami incrociati aromatici e la valutazione della loro permeabilità attraverso le barriere biologiche.
Questo lavoro è supportato dalla Natural Science Foundation of China (21708031), dalla China Postdoctoral Science Foundation (BX20180264, 2018M643519) e dai fondi di ricerca fondamentale per le università centrali (2682021ZTPY075).
| 1,2-etanedithiol | Aladdin | K1722093 | puzza |
| 2-(7-Azobenzotriazolo)-N,N,N',N'-tetrametiluronio esafluorofosfato (HATU) | HEOWNS | A-0443697 | |
| 4,4'-bis(bromomethyl)biphenyl | TCI | B1921 | |
| 4T1 cells | ATCC | Le cellule 4T1 sono state coltivate in terreno DMEM integrato con il 10% di FBS (Hyclone) in un 37 ° C umidificato contenente il 5% di CO2. | |
| Acetonitrile | Adamas | 1484971 | tossicità |
| Diclorometano | Energia | W330229 | pelle dannosa |
| Etere dietilico | Aldrich | 673811 | infiammabile |
| Dimetil solfossido | Beyotime | ST038 | pelle dannosa |
| Dulbecco' s Modified Eagle Medium (DMEM) | Spettrometro di massa a ionizzazioneGibco | ||
| Electrospray | Waters | G2-S Tof | |
| Acido etilendiamminotetraacetico (EDTA) | BioFroxx | 1340 | |
| Siero bovino fetale (FBS) | Citometro a flusso HyClone | ||
| Beckman Coulter | CytoFLEX | ||
| Isotiocianato di fluoresceina ( FITC) | Microscopio | a fluorescenza per E0801812500 | |
| Carl Zeiss | Axio Observer 7 | ||
| Fmoc-Arg(Pbf)-OH | HEOWNS | F-81070 | |
| Fmoc-Cys(Trt)-OH | GL Biochem | GLS201115-35202 | |
| Fmoc-β Cellule HeLa Ala-OH | Adamas | 51341C | |
| HeLa | ATCC | sono state coltivate in DMEM integrato con il 10% di FBS (Hyclone) in un 37 ° C umidificato contenente il 5% di CO2. | |
| Cromatografia liquida ad alte prestazioni | Colonna percromatografia liquida ad alte | prestazioni Agilent | Agilent|
| Poroshell EC-C18 120, 4,6 &volte; 150 mm (dimensione dei pori 120 & Aring;, dimensione delle particelle 4 & mu; m) | |||
| Liofilizzatore | SP Scientific | Vir Tis | |
| Metanolo | Aldrich | 9758 | tossicità |
| Piastra per microtitolazione | Thermo μ piastra a goccia | N12391 | |
| Morfolina | HEOWNS | M99040 | irritante |
| Lettore di micropiastre multitecnologico | Thermo | VARIOSKAN LUX | |
| N,N-Diisopropiletilammina | HEOWNS | E-81416 | irritante |
| N,N-Dimetil formammide | Energia | B020051 | dannoso per la pelle |
| Colonna Poly-Prep | Bio-Rad | 7321010 | colonne per cromatografia in polipropilene |
| Rink Amide Resina MBHA (0,572 mmol/g) | GL Biochem | GLS180301-49101 | |
| Rubinetti a tre vie | Bio-Rad | 7328107 | |
| Inserto per piastra per coltura tissutale | LABSELECT | 14211 | |
| Acido trifluoroacetico | HEOWNS | T63278 | corrosivo |
| Triisopropilsilano | HEOWNS | T-0284475 | |
| Tripsina | BioFroxx | 1004 | |
| Collettore per vuoto | Promega | A7231 |