Péptidos miméticos con capacidad de atravesar barreras biológicas

Abstract

El estudio de los gamma-péptidos miméticos basados en cis-gamma-amino-L-prolina con capacidad de atravesar la membrana celular en diferentes organismos, constituye una temática de gran interés en el área de biomedicina para su futuro desarrollo como transportadores moleculares. Estos análisis ayudan a profundizar y entender, como las características intrínsecas de cada compuesto asociadas a su estructura, constituyen factores cruciales para su desarrollo como transportadores. Como continuación de una línea de trabajo de nuestro grupo de investigación, en esta tesis doctoral se estudió el uso de gamma-péptidos seleccionados como potenciales transportadores en distintos tipos de barreras biológicas, como la membrana citoplasmática de distintos tipos de células (HeLa y MAEC), del parásito Leishmania donovani y de la barrera hematoencefálica (BHE) utilizando Drosophila melanogaster como modelo.

Los resultados del estudio de entrada de estos péptidos a las células HeLa mediante citometría de flujo y microscopia confocal, demostraron que del conjunto de gamma-péptidos estudiados, solo tres de estos presentaron un porcentaje de entrada celular superior al 50% con respecto a CF-Tat, a las dos horas de incubación. Mientras que al aumentar el tiempo de incubación a 24 h se favoreció la entrada de cinco gamma-péptidos en comparación al control CF-Tat. Esto sugiere que la presencia de grupos alifáticos en la cadena, aunque propician una entrada más lenta al interior de la célula, favorecen su permanencia en ésta a tiempos más largos. Los gamma-péptidos probados internalizan en estas células mediante procesos endocíticos por dos o más mecanismos de entrada que incluyen la vía caveola, clatrina y macropinocitosis.

Además, se determinó la capacidad de estos compuestos de internalizar en un cultivo primario de células MAEC, las cuales constituyen el modelo in vitro para estudiar la enfermedad de Fabry. En estas células se favoreció la entrada de los gamma-péptidos que presentaban grupos guanidinios.

Por otra parte, se estudió la relación correspondiente al número de residuos guanidilados/capacidad como CPPs de la familia de gamma-péptidos frente a Leishmania donovani, determinándose que la capacidad de entrada a los promastigotes fue proporcional al número de residuos guanidilados, pero también aumenta la toxicidad de estos compuestos. El gamma-péptido con seis grupos guanidinios en su estructura, resultó el mejor candidato para su evaluación como transportador de fármacos, empleándose para formar conjugados con la doxorubicina y mitelfosina, los cuales se evaluaron frente a promastigotes de este parásito.

El conjugado con la doxorubicina mostró una marcada actividad leishmanicida a las 4 h de incubación a concentraciones inferiores a 10 milimicras (IC50= 6 milimicras). También se demostró que su internalización ocurre mediante un mecanismo dependiente de energía. El conjugado del gamma-peptido con miltefosina marcada con BODIPY frente a cepas de Leishmania donovani resistentes a miltefosina presento actividad leishmanicida a concentraciones ≤5 milimicras, mientras que frente a MT libre se observó la resistencia esperada en el mismo rango de concentración. Este hecho demostró las aptitudes del péptido como transportador de fármacos frente a la resistencia farmacológica desarrollada por el parásito.

Finalmente, se estableció una metodología para estimar la capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica (BHE), utilizando a Drosophila melanogaster como modelo in vivo, siete péptidos modelos y seis gamma-péptidos, basándonos en técnicas de microscopia de fluorescencia. Los resultados de epifluorescencia de la retina, constituyeron una primera aproximación a la capacidad de este modelo in vivo, aunque no pueden considerarse concluyentes. La microscopia confocal de barrido de laser permitió validar a Drosophila melanogaster como modelo apropiado para estudiar la permeabilidad de la BHE frente a diferentes compuestos, mediante estudios tanto cualitativos como cuantitativos.

El trabajo desarrollado permite concluir, que algunos de los gamma-péptidos seleccionados fueron capaces de atravesar la membrana plasmática de células HeLa y MAEC, de promastigotes de Leishmania donovani, así como la BHE de Drosophila melanogaster. Estos resultados, abre nuevos horizontes para la utilización de estos compuestos como transportadores de fármacos y/o nanotransportadores.

The discovery of cell-penetrating peptides (CPPs) is a promising breakthrough to achieve non-invasive delivery of non-permeable biomolecules in the intracellular compartment. Peptidomimetics with sequences that contain non-natural amino acids have been studied for diverse biological applications. One of the most explored applications of these peptidomimetics was their use as CPPs. Our group have been worked on the design and synthesis of gamma-peptide libraries based on (2S, 4S)-4-amino- L-proline. Some of these compounds showed low cytotoxicity and high capacity to cross cell membranes.

Here we have studied the capacity of selected gamma-peptides to cross cell membranes in mammalian cells and a human protozoan parasite. Moreover, we have established a methodology using fluorescence microscopy that estimates the ability of these gamma- peptides to cross the blood brain barrier (BBB) in Drosophila melanogaster as in vivo model.

Our results showed that three of these peptides are taken up in HeLa cells, with cells uptake greater than 50 % relative to Tat at 2 h. Whereas at 24 h, five of these peptides are internalized in these cells with remarkable differences relative to Tat. Flow cytometry in presence of diverse entry inhibitors and confocal microscopy studies indicated the cellular uptake mechanism of γ-peptides involves at least two endocytic pathways.

In addition, a small family of guanidinylated gamma-peptides was synthetized and its CPP capacity in Leishmania donovani determined. In this parasite the property to cross membranes was directly correlated to the number of guanidinium groups present along the peptide. Leishmania toxicity also increased with the number of residues. The hexapeptide was conjugated to doxorubicin or miltefosine, displaying its capacity to deliver these therapeutic cargos into the parasite.

Finally, we have developed a methodology using Drosophila melanogaster as in vivo model to study the ability of diverse peptides to cross the BBB by fluorescence microscopy. Using confocal microscopy with unmixing linear analysis, we validated this model allowing both, qualitative and quantitative studies. Some of the studied gamma- peptides were determined as good transporters through the BBB.

All these studies demonstrate that gamma-peptides have good potential as powerful cellular delivery vector for scientific and therapeutic purposes.