Дендримеры – это наноразмерные молекулы, которые состоят из центрального ядра, разветвленных повторяющихся блоков и концевых групп. Дендримеры высоких поколений токсичны для биомедицинских приложений из-за большого количества заряженных концевых групп. Эта проблема может быть преодолена пептидными дендримерами более низких поколений и их модификацией аминокислотными вставками между всеми точками ветвления [1-3]. В настоящей работе была изучена возможность использования лизинового дендримера Lys2Leu с дипептидными спейсерами из аминокислоты лейцина в качестве носителей лекарственных средств для доставки 16-ти биологически активных тетрапептидов, таких как Ala-Glu-Asp-Gly (AEDG), Ala-Gly-Ala-Gly (AGAG), Ala-Leu-Leu-Gly (ALLG). Молекулярно-динамическое моделирование взаимодействия между дендримером и пептидами проводилось в водном растворе с явным учетом контрионов при температуре T=310 K и давлении P=1 атм с использованием пакета программ Gromacs 4.5.6. Было получено, что отрицательно заряженные пептиды AEDG (8 из 16 пептидов) образуют наиболее стабильные и компактные комплексы с дендримером Lys-2Leu. Формы распределений по радиусам инерции для систем с пептидами AEDG и ALLG выглядят схожим образом, распределение для первого пептида смещено в сторону меньших значений радиусов инерции. Пептиды AEDG образуют примерно в два раза больше водородных связей с дендримером Lys2Leu по сравнению с пептидом ALLG. Наиболее гидрофобный пептид ALLG образует комплекс с 6 из 16 пептидов, в то время как пептид AGAG только с 2 из 16. Также была изучена внутренняя структура образовавшихся комплексов, получены функции радиального распределения плотности групп атомов. Радиальное распределение плотности атомов дендримера Lys2Leu в системе с пептидами ALLG имеет характерные минимумы, соответствующие проникновению пептидов во внутреннее пространство дендримера за счет гидрофобных взаимодействий. Таким образом наибольший вклад в образование комплексов вносит электростатическое взаимодействие между концевыми положительно заряженными группами дендримера и отрицательно заряженными группами пептидов, однако гидрофобных взаимодействий также оказывается достаточно для переноса гидрофобных молекул дендримером с гидрофобными вставками.

Работа была поддержана грантом РФФИ 20-53-12036.

1. Sommerfeld, N., Hejl, M., Klose, M., Schreiber-Brynzak, E., Bileck, A., Meier, S., Gerner, C., Jakupec, M., Galanski, M., Keppler, B. Low-Generation Polyamidoamine Dendrimers as Drug Carriers for Platinum(IV) Complexes. Eur. J. Inorg. Chem. 2017, 2017, 1713–1720.

2. Shah, N., Steptoe, R., Parekh, H. Low-generation asymmetric dendrimers exhibit minimal toxicity and effectively complex DNA. J. Pept. Sci. 2011, 17, 470–478.

3. Gorzkiewicz, M., Konopka, M., Janaszewska, A., Tarasenko, I., Sheveleva, N., Gajek, A., Neelov, I., Klajnert-Maculewicz, B. Application of new lysine-based peptide dendrimers D3K2 and D3G2 for gene delivery: Specific cytotoxicity to cancer cells and transfection in vitro. Bioorg. Chem. 2020, 95, 103504

4.N.N. Sheveleva, D.A. Markelov, M.A. Vovk, M.E. Mikhailova, I.I. Tarasenko, I.M. Neelov,Lysine-based dendrimer with double arginine residues, RSC advances, 2019, 9 (31), 18018-18026

5.N.N. Sheveleva, D.A. Markelov, M.A. Vovk, I.I. Tarasenko, M.E. Mikhailova, I.M. Neelov, Stable deuterium labeling of histidine-rich lysine-based dendrimers

, Molecules, 2019, 24(13), 2481

6.B. Okrugin, M. Ilyash, D. Markelov, I. Neelov, Lysine dendrigraft nanocontainers. influence of topology on their size and internal structure, Pharmaceutics, 2018, 10 (3), 129

Dendrimers are nanoscale molecules that consist of a central core, branched repetitive blocks, and end groups. High-generation dendrimers are toxic for biomedical applications because of the large number of charged end groups. This problem can be overcome by lower-generation peptide dendrimers and their modification with amino acid inserts between all branching points [1-3]. In the present work, we studied the possibility of using the lysine dendrimer Lys2Leu with leucine amino acid dipeptide spacers as drug carriers for the delivery of 16 biologically active tetrapeptides, such as Ala-Glu-Asp-Gly (AEDG), Ala-Gly-Ala-Gly (AGAG), Ala-Leu-Leu-Gly (ALLG). Molecular dynamics simulations of the interaction between the dendrimer and peptides were performed in an aqueous solution with explicit consideration of counterions at temperature T=310 K and pressure P=1 atm using the Gromacs 4.5.6 software package. It was found that negatively charged AEDG peptides (8 of 16 peptides) form the most stable and compact complexes with dendrimer Lys-2Leu. The shapes of the distributions of the radii of inertia for the systems with AEDG and ALLG peptides look similar; the distribution for the first peptide is shifted toward lower values of the radii of inertia. The AEDG peptides form approximately twice as many hydrogen bonds with the Lys2Leu dendrimer compared to the ALLG peptide. The most hydrophobic peptide ALLG forms a complex with 6 of 16 peptides, whereas the peptide AGAG forms a complex with only 2 of 16. The internal structure of the formed complexes was also studied, and the radial atom group density distribution functions were obtained. The radial distribution of the density of Lys2Leu dendrimer atoms in the system with ALLG peptides has characteristic minima corresponding to the penetration of peptides into the inner space of the dendrimer due to hydrophobic interactions. Thus, the greatest contribution to the formation of complexes is made by the electrostatic interaction between the positively charged end groups of the dendrimer and the negatively charged groups of the peptides, but hydrophobic interactions are also sufficient for the transfer of hydrophobic molecules by the dendrimer with hydrophobic inserts.

This work was supported by RFBR grant 20-53-12036.

1. Sommerfeld, N., Hejl, M., Klose, M., Schreiber-Brynzak, E., Bileck, A., Meier, S., Gerner, C., Jakupec, M., Galanski, M., Keppler, B. Low-Generation Polyamidoamine Dendrimers as Drug Carriers for Platinum(IV) Complexes. Eur. J. Inorg. Chem. 2017, 2017, 1713–1720.

2. Shah, N., Steptoe, R., Parekh, H. Low-generation asymmetric dendrimers exhibit minimal toxicity and effectively complex DNA. J. Pept. Sci. 2011, 17, 470–478.

3. Gorzkiewicz, M., Konopka, M., Janaszewska, A., Tarasenko, I., Sheveleva, N., Gajek, A., Neelov, I., Klajnert-Maculewicz, B. Application of new lysine-based peptide dendrimers D3K2 and D3G2 for gene delivery: Specific cytotoxicity to cancer cells and transfection in vitro. Bioorg. Chem. 2020, 95, 103504

4.N.N. Sheveleva, D.A. Markelov, M.A. Vovk, M.E. Mikhailova, I.I. Tarasenko, I.M. Neelov,Lysine-based dendrimer with double arginine residues, RSC advances, 2019, 9 (31), 18018-18026.

5.N.N. Sheveleva, D.A. Markelov, M.A. Vovk, I.I. Tarasenko, M.E. Mikhailova, I.M. Neelov, Stable deuterium labeling of histidine-rich lysine-based dendrimers

, Molecules, 2019, 24(13), 2481.

6.B. Okrugin, M. Ilyash, D. Markelov, I. Neelov, Lysine dendrigraft nanocontainers. influence of topology on their size and internal structure, Pharmaceutics, 2018, 10 (3), 129.