Macrocyclic Peptide–Peptoid Hybrids: From Structural Design and Bioactivity to Materials Science Applications = Makrozyklische Peptid–Peptoid-Hybride: Von der strukturellen Gestaltung und Bioaktivität bis hin zu Anwendungen in den Materialwissenschaften

Peptidbasiere Stoffe sind hochselektive, vielversprechende Werkzeuge zur Adressierung biologischer Zielstrukturen. Ihre Anwendung wird jedoch häufig durch ihre begrenzte chemische und enzymatische Stabilität und geringe Membranpermeabilität eingeschränkt. Zyklische Peptid-Peptoid-Hybride vereinen die Leistungsfähigkeit makrozyklischer Peptide mit der chemischen Stabilität und Seitenketten-Programmierbarkeit von Peptoiden. So entsteht eine neue Klasse von Verbindungen, deren Eigenschaften sich präzise steuern lassen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Anwendungen zyklischer Peptid-Peptoid Hybride untersucht und ist in vier Hauptbereiche gegliedert:
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Im ersten Abschnitt wurden Apicidin-inspirierte zyklische Tetramere aus linearen Peptid-Peptoid-Vorstufen synthetisiert und strukturell aufgeklärt. Einkristall-Röntgenstrukturanalyse (XRD) zeigte eine konsistente cis-trans-cis-trans Amidgeometrie für alle Tetramere, im Gegensatz zur für Apicidin berichteten trans-trans-cis-trans Geometrie im Kristallgitter. Die aus den Kristallstrukturen berechneten hydrodynamischen Radien wurden mit experimentellen DOSY-NMR-Messungen mihilfe der Stokes-Einstein-Gleichung verglichen.
Zweitens wurde eine Bibliothek zyklischer Hexamere mit zwei orthogonalen Linkern entwickelt, die mit einer primären freien Aminogruppe für Amidkupplungen und einem terminalen Alkin für Click-Konjugationen funktionalisiert wurde. Die neu synthetisierte „dual-linker“ Gerüste wurden an Rhodamin B gekuppelt und anschließend biologisch evaluiert. Die Konjugate zeigten dabei effiziente zelluläre Aufnahme und überwiegend mitochondriale Lokalisierung in HeLa-Zellen. In intestinalen Organoiden und Caco-2 Sphäroiden zeigte sich ein strukturabhängiges Verhalten. So drangen nicht halogenierte Analoga effektiver in Caco-2-Sphäroide und intestinale Organoide ein als ihre halogenierten Derivate, welche überwiegend in den Lumen lokalisiert verblieben. Die Bibliothek wurde außerdem durch ausschließlich Tryptophan-, ausschließlich Valin- und ausschließlich Phenylalanin-Substitutionen innerhalb des Hybrids erweitert, um Effekte erhöhter bzw. verringerter Aromatizität zu untersuchen. Zusätzlich wurde ein „dual-linker“ Hybrid photochemisch bei 470 nm an einen neuen Emitter DBZ12SQ (41) des Kooperationspartners A. JUNG sowie an Rhodamin B gekoppelt, um zelluläre Aufnahme, Toxizität, Fluoreszenz, Lokalisation und chemische Ausbeute innerhalb der Emitter zu evaluieren und zu vergleichen.
Im dritten Teil wurde der biologische Anwendungsbereich von Peptoiden in Zusammenarbeit mit B. L. FIEBICH auf neuroinflammatorische Modelle zur Evaluierung proinflammatorischer Mediatoren, mikrogliale Aktivierung und Zellviabilität ausgeweitet. Hybrid 42 reduzierte die Freisetzung LPS-induzierter Zytokine und Chemokine, ohne die Zellviabilität relevant zu beeinträchtigen. Zusätzlich zeigten zwei neue lineare Hybride 46 und 47 ähnlich vielversprechende Effekte. Daraus wurde eine zusätzliche Bibliothek verwandter linearer Hybride entwickelt, mit variierter Halogensubstitution, Kettenlänge und Peptoiden ohne verbleibende Peptidbausteine.
Im vierten Teil wurde das neu synthetisierte Peptoid Nbrpe6Nce6 materialwissenschaftlich untersucht. Es bildete durch Selbstorganisation „ultradünne“ 2D-Nanoschichten von etwa 3 nm Dicke. Die Verbindung wurde mit dem Schwermetall-Chelator 1,2-HOPO funktionalisiert. Die Leistungsfähigkeit des Materials wurde anschließend mittels UV/Vis-Spektroskopie evaluiert.
Teile der biologischen Untersuchungen (z.B. MTT-Assays, Zellbildgebung, Arbeiten an Sphäroiden/Organoiden sowie BV2-Mikroglia-Assays) wurden in Zusammenarbeit mit den Kollegen S. KUNZ und A. FEßENBECKER durchgeführt.

Peptide-based scaffolds hold great promise as highly selective tools for biological targets, but are often hampered by their limited robustness and poor membrane permeability. Cyclic peptide-peptoid hybrids unite the effectiveness of macrocyclic peptides with the chemical robustness and side-chain programmability of peptoids. This offers a new class of novel, precisely tunable compounds. In this work, different applications of cyclic peptide-peptoid hybrids were explored, covering four main areas. First, apicidin-inspired cyclic tetramers were synthesized from linear peptide-peptoid precursors and structurally elucidated. ... mehrSingle-crystal X-ray diffraction showed a consistent cis-trans-cis-trans amide geometry, in contrast to apicidin’s reported trans-trans-cis-trans geometry. Hydrodynamic radii calculated from the crystal structures were compared with experimental measurements from DOSY NMR using the Stokes-Einstein equation.
Second, a dual-orthogonal-linker cyclic hexamer library was developed, functionalized with a primary free amine for amide coupling and a terminal alkyne for click conjugation. The dual-linker library was labeled with rhodamine B and tested biologically. The conjugates showed good cellular uptake and mainly mitochondrial localization in HeLa cells. They showed structure-dependent behavior in intestinal organoids. Non-halogenated analogues penetrated Caco-2 spheroids and intestinal organoids more effectively than their halogenated counterparts, which stayed mainly in the lumen. The library was further extended by tryptophan-only, valine-only, and phenylalanine-only substitutions of amino acids within the hybrid to examine increased and decreased aromaticity effects. One dual-linker hybrid was photochemically attached at 470 nm to a new emitter DBZ12SQ (41) obtained from collaboration partner A. JUNG and to rhodamine to evaluate and compare cellular uptake, toxicity, fluorescence, and localization and chemical yield.
Third, the biological scope was broadened to neuroinflammation in collaboration with B.L. FIEBICH. A cyclic hybrid 42 showed a reduction of LPS-induced cytokines and chemokines with low cytotoxicity. Two new linear compounds, 46 and 47, showed similar effects. An additional library related to these linear hybrids was developed with varied halogen substitution, chain length, and including peptoid-only derivatives.
In the fourth part, from a material-science perspective, the newly synthesized peptoid Nbrpe6Nce6 self-assembled into ultrathin, around 3 nm thick nanosheets. The compound was further functionalized with 1,2-HOPO, a heavy-metal chelator. Its performance was subsequently evaluated by UV-Vis spectroscopy. The goal was to develop a membrane capable of reliably binding heavy metals from water.
Parts of the biological investigations (e.g., MTT assays, cell imaging, work on spheroids/organoids, and BV2 microglia assays) were conducted in collaboration with colleagues S. KUNZ and A. FEßENBECKER.