Cell penetration: scope and limitations by the application of cell-penetrating peptides

Abstract

The penetration of polar or badly soluble compounds through a cell membrane into live cells requires mechanical support or chemical helpers. Cell-penetrating peptides (CPPs) are very promising chemical helpers. Because of their low cytotoxicity and final degradation to amino acids, they are particularly favored in in vivo studies and for clinical applications. Clearly, the future of CPP research is bright; however, the required optimization studies for each drug require considerable individualized attention. Thus, CPPs are not the philosopher's stone. As of today, a large number of such transporter peptides with very different sequences have been identified. These have different uptake mechanisms and can transport different cargos. Intracellular concentrations of cargos can reach a low micromole range and are able to influence intracellular reactions. Internalized ribonucleic acids such as small interfering RNA (siRNA) and mimics of RNA such as peptide nucleic acids, morpholino nucleic acids, and triesters of oligonucleotides can influence transcription and translation. Despite the highly efficient internalization of antibodies, enzymes, and other protein factors, as well as siRNA and RNA mimics, the uptake and stabile insertion of DNA into the genome of the host cells remain substantially challenging. This review describes a wide array of differing CPPs, cargos, cell lines, and tissues. The application of CPPs is compared with electroporation, magnetofection, lipofection, viral vectors, dendrimers, and nanoparticles, including commercially available products. The limitations of CPPs include low cell and tissue selectivity of the first generation and the necessity for formation of fusion proteins, conjugates, or noncovalent complexes to different cargos and of cargo release from intracellular vesicles. Furthermore, the noncovalent complexes require a strong molar excess of CPPs, and extensive experimentation is required to determine the most optimal CPP for any given cargo and cell type. Yet to predict which CPP is optimal for any given target remains a complex question. More recently, there have been promising developments: the enhancement of cell specificity using activatable CPPs, specific transport into cell organelles by insertion of corresponding localization sequences, and the transport of drugs through blood-brain barriers, through the conjunctiva of eyes, skin, and into nerve cells. Proteins, siRNA, and mimics of oligonucleotides can be efficiently transported into cells and have been tested for treatment of certain diseases. The recent state of the art in CPP research is discussed together with the overall scope, limitations, and some recommendations for future research directions.

Cell-penetrating peptides as a promising tool for delivery of various molecules into the cells

“…CPPs can be classified by the functions of their original proteins, their uptake mechanisms, intracellularly evoked reactions, and their chemical properties. They can also be divided according to whether they are receptor-mediated or non-receptor-mediated [9]. On the basis of their origin, CPPs can be classified into four groups: protein-derived CPPs, model peptides, chimeric CPPs, and synthetic CPPs.…”

Synthesis and cellular characterization of various nano-assemblies of cell penetrating peptide-epirubicin-polyglutamate conjugates for the enhancement of antitumor activity

“…Endocytosis is a generic term for several different processes, such as phagocytosis for large particles and pinocytosis for smaller ones, as well as receptor-mediated endocytosis in which clathrin or caveolin pits are involved [24,43,46]. Several receptors were uncovered to be involved in internalization of CPPs, such as chemokine receptors, syndecans [48,49], neuropilins [50,51], the family of integrins [52], homing sequences, and positively-charged scavenger receptors [53,54]. Micropinocytosis appears to be another pathway for some of CPPs.…”

Internalization of Antimicrobial Peptide Acipensin 1 Into Human Tumor Cells

“…18, № 6 фрагментами белков вирусов, растений, живот-ных. Примерами подобных пептидов являются: ТАТ, представляющий собой фрагмент капсид-ного белка вируса иммунодефицита человека, пептид VP22 -фрагмент белка вируса просто-го герпеса, пенетратин или pANTP -фрагмент белка, участвующего в регуляции процессов развития дрозофилы, и другие пептиды [2,6]. На основе природных структур разработаны и синтезированы химерные молекулы, облада-ющие способностью транслоцироваться через мембрану клеток млекопитающих, а также пере-носить в клетки разнообразные лекарственные препараты, имеющие внутриклеточные мише-ни: siRNA, антисмысловые олигонуклеотиды, плазмиды, наночастицы различной природы, липосомы, разнообразные противоопухоле-вые или противоинфекционные лекарственные агенты [3,4,9].…”

“…На основе природных структур разработаны и синтезированы химерные молекулы, облада-ющие способностью транслоцироваться через мембрану клеток млекопитающих, а также пере-носить в клетки разнообразные лекарственные препараты, имеющие внутриклеточные мише-ни: siRNA, антисмысловые олигонуклеотиды, плазмиды, наночастицы различной природы, липосомы, разнообразные противоопухоле-вые или противоинфекционные лекарственные агенты [3,4,9]. Однако известно, что многие СРР обладают и побочными эффектами, в част-ности могут нарушать функционирование мем-бранных белков нормальных клеток организма, вызывать аллергические реакции [6,8] и т.д. Не-которые пептиды подвергаются быстрой дегра-дации в биологических жидкостях [6].…”

“…Однако известно, что многие СРР обладают и побочными эффектами, в част-ности могут нарушать функционирование мем-бранных белков нормальных клеток организма, вызывать аллергические реакции [6,8] и т.д. Не-которые пептиды подвергаются быстрой дегра-дации в биологических жидкостях [6]. Поэтому поиск новых эффективных СРР с оптимальны-ми для практического применения свойствами в настоящее время является актуальной задачей биомедицинских исследований, Целью данной работы явилось изучение способности недавно открытого нами анти-микробного пептида системы врожденного им-мунитета -аципенсина 1 -проникать в эукари-отические клетки.…”