Evaluation of Antimicrobial Peptides as Anti-Cancer Agents against Equine Sarcoid and Human Prostate Adenocarcinoma Cells

Abstract

Cancer is a frequently occurring disease in humans causing over seven million deaths per year worldwide and showing increasing morbidity. Therapy is challenging, as the disease is not curable in its advanced stages, and, in addition, medication causes severe side effects or becomes ineffective due to an increase of drug-resistant cancer types. Antimicrobial peptides (AMPs) became the focus of research, as the search of new and effective anti-cancer agents intensified. These peptides are part of the innate immune system of mammals, some showing anti-cancer activity besides targeting pathogens. To investigate the potential of AMPs as anti-cancer drugs, the present study aimed at determining the activity of a selection of natural AMPs and fragments thereof against an equine sarcoid and a human prostate cancer cell line, and to elucidate the mode of action of the selected peptides. Cytotoxicity assays and sensor-chip-based real-time measurements made evident a potent activity of the tested AMPs against both cancer cell lines. Derivates of peptide NK-2 were documented to exhibit improved anti-cancer potency, thus becoming promising candidates for future drug development. Peptides’ mode of action was investigated with respect to killing kinetics, peptide-to-peptide-interaction, target structures on cell surfaces, and cancer cell selectivity. The cationic AMPs are believed to target cells via an anionic membrane surface, which several cancer cells have. The AMPs mainly inflict cell death via direct membrane destruction. It is suggested that AMPs might aggregate, especially during membrane interaction, and gel electrophoresis performed in this study supports this assumption. Cytotoxicity assays, fluorescent microscopy, and sensor-chip-based real-time measurements showed a fast cell-killing process by the tested peptides. Inhibition tests and enzymatic treatment of the cell surface evidenced that AMPs can distinguish different anionic cell surface structures. They bind sulfated carbohydrates rather than sialic acids or sialylated proteins. The anionic membrane lipid PS interacts in varying degrees with individual AMPs, pointing to different target preferences. While peptides exhibit selectivity for the prostate cancer cell line over a healthy cell line, no selectivity was seen for the equine sarcoid cell line over its healthy counterpart. This difference could be explained by a lack of anionic surface in the latter cancer cells.

Mit über sieben Millionen Toten pro Jahr und weiter steigender Morbidität zählt Krebs zu den häufigen Erkrankungen beim Menschen. Die Therapie mit klassischen Medikamenten geht mit deutlichen Nebenwirkungen einher, wobei fortgeschrittene Krankheitsstadien meist nicht heilbar sind. Zusätzlich erschwerend ist die steigende Zahl medikamenten-resistenter Krebszellen. Auf der Suche nach neuen effektiven Krebstherapeutika rückten auch sogenannte Antimikrobielle Peptide (AMPs) in den Focus der Wissenschaft. Einige dieser Peptide besitzen neben einer Wirksamkeit gegen verschiedene Pathogene auch eine Wirkung gegen Krebszellen. In dieser Studie wurde die Aktivität ausgewählter natürlicher Peptide und Peptidfragmente gegen eine equine Sarkoid- und eine humane Prostatakrebs-Zellline untersucht. Zytotoxizitätstests und Messungen mit einem metabolischen Biosensorchip belegten eine hohe Aktivität der Peptide gegen beide Krebszelllinien. Neu designte Abkömmlinge des Peptids NK-2 zeigten dabei eine verbesserte Effektivität gegenüber ihrer Muttersubstanz, wodurch sie für zukünftige Medikamentenentwicklung interessant sind. Desweiteren wurde hier der Wirkmechanismus der AMPs untersucht bezüglich Wirkgeschwindigkeit, bevorzugten Bindungsstrukturen, Peptid-Peptid-Interaktion und Selektivität für Krebszellen. Es wird angenommen, dass die kationischen AMPs Zielzellen anhand derer negativ geladener Membranoberfläche, wie sie auch für einige Krebszellen gezeigt wurde, erkennen und diese durch Membranpermeabilisierung abtöten. Eine vermutete Aggregatbildung der Peptide bei diesem Vorgang wurde hier durch Ergebnisse einer Aggregationsstudie mittels Gelelektrophorese gestützt. Zytotoxizitätstests, Echtzeitmessungen mittels eines Sensorchips und Fluoreszenztests konnten einen sehr schnellen Wirkungseintritt der getesteten Peptide zeigen. Inhibitionsversuche und enzymatische Zelloberflächen- behandlungen zeigten, dass sulfatierte Kohlenhydrate bevorzugt gegenüber carboxy-lierten Kohlenhydraten gebunden wurden. Das anionische Membranlipid Phosphatidyl-serine interagierte in unterschiedlichem Umfang mit den einzelnen Peptiden, was auf unterschiedliche Zielstrukturen für verschiedene Peptide hinweist. Während eine Selektivität für die Prostatakrebszellen gezeigt werden konnte, bestand aufgrund fehlender anionischer Oberfläche keine Selektivität für die equine Sarkoidzelllinie.