Nonclassical Size Dependence of Permeation Defines Bounds for Passive Adsorption of Large Drug Molecules

Abstract

Macrocyclic peptides are considered large enough to inhibit “undruggable” targets, but the design of passively cell-permeable molecules in this space remains a challenge due to the poorly understood role of molecular size on passive membrane permeability. Using split-pool combinatorial synthesis, we constructed a library of cyclic, per-N-methlyated peptides spanning a wide range of calculated lipohilicities (0 < AlogP < 8) and molecular weights (~800 Da < MW < ~1200 Da). Analysis by the parallel artificial membrane permeability assay revealed a steep drop-off in apparent passive permeability with increasing size in stark disagreement with current permeation models. This observation, corroborated by a set of natural products, helps define criteria for achieving permeability in larger molecular size regimes and suggests an operational cutoff, beyond which passive permeability is constrained by a sharply increasing penalty on membrane permeation.

Second-generation DNA-templated macrocycle libraries for the discovery of bioactive small molecules

“…48 Additional limitations for the number of rotatable bonds and polar surface area were subsequently introduced 49 . Multiple examples of orally bioavailable molecules violating rule-of-5 principles, especially including macrocycles 33, 50–54 , have led researchers including Kihlberg and co-workers to develop alternative, expanded guidelines (MW ≤ 1,000 Da, # of H-bond donors below 6; # of H-bond acceptors below 15, cLogP from -2 to 10, # of rotatable bonds below 20, polar surface area below 250 Å 2 ) that are especially relevant to macrocyclic molecules such as those in our DNA-templated libraries 33, 53–57 (Table 1). …”

Leveraging chromatography based physicochemical properties for efficient drug design

“…Lokey et al investigated Ro5 and bRo5 compounds with MW > 1000 and demonstrated a sharp decline in apparent passive permeability for compounds with molecular size above 750 Å [39]. They also concluded that bulk physical properties contributing to passive permeability could be approximated by lipophilicity and molecular size (log K hydrocarbon/water and MW respectively).…”

Neue Methoden und Designprinzipien für zellgängige Peptide

“…Einer der wichtigsten Befunde dieser Arbeiten war,d ass lineare und cyclische Peptoide durchweg zellgängiger waren als Peptide mit ähnlichen Seitenketten, was sich in der Strategie wiederfindet, Rückgratamide zur Verbesserung der passiven Zellpenetration zu maskieren. [68,75,82,[134][135][136] Kürzlich verwendeten die Autoren diesen Ansatz, um eine obere Grenze fürdie passive Zellpenetration zu ermitteln, die bei einem Molekülvolumen von etwa 1500 3 liegt, entsprechend 1000-1200 Da, je nach Kompaktheit der Struktur. [131] Neuere Arbeiten mit Bibliotheken cyclischer,N -methylierter Peptide ermçglichten ein verfeinertes Verständnis der intrinsischen Grenzen der passiven Zellpenetration.…”

“…[132] Peptoide bis hin zur Grçße von Oktameren erwiesen sich als zellgängig, allerdings wurden diese meisten dieser Arbeiten an Peptiden und Peptoiden aus 4-6 Aminosäuren durchgeführt. [135] Außerdem wurde eine ungefähre untere Grenze fürd ie Hydrophobie passiv zellgängiger Moleküle bestimmt, die bei (logK hc/w ) > À2liegt, wobei K hc/w der experimentell ermittelte Kohlenwasserstoff/Wasser-Verteilungskoeffizient ist;d ie obere Grenze wird im Wesentlichen durch die Lçslichkeit bestimmt. Lokey und Mitarbeiter identifizierten in diesen Studien dutzende Beispiele von cyclischen, N-methylierten Peptiden mit internen wasserstoffverbrückten Strukturen und stellten systematische Struktur-Aktivitäts-Beziehungen auf,d ie aufzeigen, welche Eigenschaften die passive Zellpenetration fçrdern.…”