Exploring the Multifunctional Potential of the Cell-Penetrating Peptide sC18: Drug Delivery, Organelle Targeting, and Antimicrobial Activity

Grabeck, Joshua ORCID: 0000-0003-1126-1647 (2025). Exploring the Multifunctional Potential of the Cell-Penetrating Peptide sC18: Drug Delivery, Organelle Targeting, and Antimicrobial Activity. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

The study and application of peptides have transformed clinical research, offering innovative approaches to combat cancer, organelle-specific diseases, and bacterial antibiotic resistance. This work focuses on developing, characterizing, and designing the cell-penetrating peptide sC18 and its variants to improve drug delivery to cancer cells, achieve organelle-specific targeting, and improve antimicrobial properties. In the first study, three variants of sC18 were developed to improve its efficacy as a carrier for the anti-cancer drug Doxorubicin. By optimizing the amphipathic structure or net charge, some of them showed enhanced cytotoxicity towards cancer cells while sparing healthy cells. Peptide-drug conjugates (PDCs) containing Doxorubicin were developed, with the peptide sC18ΔE in particular proving to be the most promising candidate for future studies. Then, sC18 variants bearing peroxisomal targeting sequences were investigated regarding their ability to be transported into the peroxisome via the cellular peroxisomal import machinery. The uptake efficiency varied depending on the utilized PTS and CPP. Moreover, peptides PX1 and PX9 showed high internalization efficiency and good biocompatibility in MCF-7 cells and might enhance the level of Pex5, a major peroxisomal receptor protein. However, colocalization with peroxisomes remained limited. Thus, further optimization is needed to investigate the developed peptides' targeting efficiency and therapeutic relevance. Finally, the peptide sC18*R,L, was further developed regarding its antimicrobial potential, and several new derivatives were created and biologically tested. The chemical modification using a triazolyl bridge in the peptide RL-8 increased the activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria and improved the peptide stability against proteolytic degradation. In particular, the triazolyl-bridged peptide 8B showed significantly increased bacterial membrane disruption with low cytotoxicity in human cells, making it a potential candidate for combating resistant pathogens. This peptide was further modified in a retro-inverso manner, which increased its antimicrobial activity further. This work highlights the versatility of sC18 peptides in addressing pressing challenges in drug delivery, organelle-specific targeting, and antimicrobial resistance. Future studies could provide novel insights to improve these peptides for clinical applications.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Untersuchung des multifunktionalen Potenzials des zellpenetrierenden Peptids sC18: Wirkstofftransport, Organell-Targeting und antimikrobielle Aktivität	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die Erforschung und Anwendung von Peptiden hat die klinische Forschung verändert und bietet innovative Ansätze zur Bekämpfung von Krebs, organellenspezifischen Krankheiten und bakterieller Antibiotikaresistenz. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung, Charakterisierung und das Design des zellpenetrierenden Peptids sC18 und seiner Varianten, um die Medikamentenabgabe an Krebszellen zu verbessern, eine organellenspezifische Zielansteuerung zu erreichen und die antimikrobiellen Eigenschaften zu verbessern. In der ersten Studie wurden drei Varianten von sC18 untersucht, um deren Wirksamkeit als Träger für das Krebsmedikament Doxorubicin zu verbessern. Durch Optimierung der amphipathischen Struktur oder der Nettoladung zeigten einige von ihnen eine gesteigerte Zytotoxizität gegenüber Krebszellen, während gesunde Zellen verschont blieben. Peptid-Wirkstoff-Konjugate, die Doxorubicin enthalten, wurden entwickelt, wobei sich das PDC bestehend aus sC18ΔE , als der vielversprechendste Kandidat für künftige Studien erwies. Anschließend wurden sC18-Varianten mit peroxisomalen Zielsequenzen auf ihre Fähigkeit untersucht, über die peroxisomale Importmaschinerie in das Peroxisom transportiert zu werden. Die Aufnahmeeffizienz variierte in Abhängigkeit von den verwendeten Signalsequenzen und der Peptide. Die Peptide PX1 und PX9 zeigten eine hohe Internalisierungseffizienz und gute Biokompatibilität in MCF-7 Zellen und erhöhten das Proteinlevel von Pex5, einem wichtigen peroxisomalen Rezeptorprotein. Die Kolokalisierung der PX-Peptide mit Peroxisomen blieb jedoch gering. Weitere Optimierungen sind erforderlich, um die Zielgenauigkeit und therapeutische Relevanz der entwickelten Peptide zu steigern. Schließlich wurde das Peptid sC18*R,L hinsichtlich seines antimikrobiellen Potenzials weiterentwickelt, und es wurden neue Derivate synthetisiert und biologisch getestet. Die Modifikation mit einer Triazolylbrücke im Peptid RL-8 verbesserte die Stabilität des Peptids gegen proteolytischen Abbau und erhöhte die Aktivität gegen grampositive, sowie gramnegative Bakterien. Insbesondere das triazolylverbrückte Peptid 8B zeigte eine deutlich erhöhte Membranlysierung bei geringer Zytotoxizität in menschlichen Zellen, was es zu einem potenziellen Kandidaten für die Bekämpfung resistenter Krankheitserreger macht. Die viel versprechenden Peptide wurden in retro-inverser Weise synthetisiert, was deren antimikrobielle Aktivität weiter erhöhte. Diese Arbeit unterstreicht die Vielseitigkeit von sC18-Peptiden bei der Bewältigung von Herausforderungen im Bereich der Arzneimittelverabreichung, der organellen-spezifischen Ausrichtung und der antimikrobiellen Resistenz. Zukünftige Studien könnten neue Erkenntnisse zur weiteren Verbesserung dieser Peptide für klinische Anwendungen liefern.

German

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