Metal-Dependent Coordination Geometry Controls Autolytic Amide Bond Cleavage to Enable Prodrug Activation

化学 前药 肽键 酰胺 肽 螯合作用 立体化学 键裂 劈理(地质) 水解 二肽 赫拉 金属 水溶液中的金属离子 组合化学 体外 氨基酸 肽合成 配体(生物化学) 体内 寡肽 化学合成 配位几何学 分子
作者
Zhuoran Zhong,Dariusz Śmiłowicz,M. Andrey Joaqui‐Joaqui,Phuong Nguyen Tran,Leah C. Garman,Ilia A. Guzei,Eszter Boros
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (38): 41603-41611
标识
DOI:10.1021/jacs.6c15432
摘要

We introduce a peptide prodrug activation strategy that employs the trivalent Lewis-acidic metal ions Ga3+, Fe3+, In3+, and Co3+, chelated by triazacyclononanediacetic acid monoamides. The metal chelates trigger rate-tunable, metal-mediated, autolytic amide bond cleavage (TMAC) adjacent to N-methylated and canonical amino acids. Our studies reveal that the four TMAC-compatible metal ions induce amide bond hydrolysis with divergent pH dependence and mechanistic pathways. We subsequently linked Ga3+, Fe3+, In3+, and Co3+ complexes to the N-terminus of a potent cytotoxic cargo, monomethyl auristatin E (MMAE), to produce the proof-of-concept prodrug PD1. In vitro toxicity studies establish IC50 values in HeLa and PC-3 cells that broadly correlate with complex cleavage rates; the metal ion-free PD1 conjugate, the Zn-PD1 complex, as well as the Ga3+, Fe3+, In3+, and Co3+ chelate hydrolysis products alone confer no toxicity. Attachment of a cancer-targeting peptide to the metal chelate, furnishing PD2, enables targeted delivery of the therapeutic payload in vivo, compatible with noninvasive nuclear imaging using positron emission tomography with 68Ga or single-photon computed tomography with 111In. The corresponding natGa-PD2 complex selectively suppressed tumor growth in vivo with minimal off-target toxicity. These studies establish metal identity as a general design parameter for programming amide bond cleavage and introduce TMAC as a versatile platform to engender peptide prodrugs with tunable release kinetics.
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