Abstract Introduction MsDef1, a 45-amino acid cysteine-rich peptide from the seed of Medicago sativa is an antifungal defensin small protein. It exhibits broad-spectrum antifungal activity against fungal pathogens of plants at low micromolar concentrations. The common vulnerability of fungal and cancer cells determines the utility of MsDef1 as a potential anti-tumor agent. Results The solution dynamics of 15 N-labeled MsDef1, 15 N longitudinal relaxation (T1) and 15 N- 1 H Nuclear Overhauser Effect (NOE) shows that GlcCer binds at two sites on the peptide molecule, i.e., Asp36-Cys39 and amino acids between 12-20 and 33-40. MsDef1 interacts with drug resistant breast cancer MCF-7R cells, permeates GlcCer-rich plasma membrane and releases apoptotic ceramide. This results in the activation of ceramide pathway involving interaction of the peptide with intracellular thioredoxin (Trx), another tumor specific biomarker. MsDef1 oxidizes Trx through four S-S bonds and in the process, gets reduced to thiols. Oxidation of Trx is correlated with the activation of Apoptosis Stimulating Kinase 1 (ASK1) which is known to sensitize cancer cells to chemotherapeutics including front-line drug Doxorubicin. A combination of MsDef1 and Doxorubicin exhibits 5-10-fold greater apoptosis in vitro in MDR triple negative breast cancer (TNBC) cells compared to either MsDef1 or Doxorubicin alone. Conclusion An antifungal plant defensin MsDef1 is shown to be a cell permeating peptide (CPP) for MDR cancer cells targeted to two tumor specific targets activating two cell death pathways. That makes MsDef1, potentially a tumor targeted sensitizer neoadjuvant to cancer therapy.

Abstract Both innate and adaptive immunity are the important components of the human defense system against various diseases including cancer. Human Beta Defensin (hBD-1) is one such immunomodulatory peptide which is lost at high frequencies in malignant cancers, while high levels of expression are maintained in benign regions making it a potential biomarker for the onset and metastasis of the disease. Loss of putative function of hBD-1 as a tumor suppressor gene combined with the defects in apoptosis pathways (CD95, ASK1) make tumor cells insensitive to chemotherapy and render it ineffective. Triple negative breast cancer (TNBC) is an aggressive form of breast cancer for which no targeted therapy works due to lack of biomarkers (ER, PR and HER2 negative). That makes chemotherapy as a first line of treatment despite high side effects. TNBC is known for avoiding immunosurveillance and desensitizing themselves to intervention by dysregulating cell death pathways (CD95 & ASK1) and developing resistance to chemotherapy A priori Activation of Apoptosis Pathways of Tumor often referred to as AAAPT is a novel targeted tumor sensitizing technology which sensitizes low responsive and resistant tumor cells to evoke a better response from the current treatments for TNBC. Here, we show that hBD-1 is shown to target tumor specific biomarker Trx, activates dual cell death pathways CD95 and ASK1 (apoptosis stimulating kinase) to sensitize TNBC cells to chemotherapy drug Doxorubicin. As far as we know, this is the first-time injection of hBD-1 in TNBC mouse model to prove the restoration of hBD-1 back to the basal level can sensitize cancer cells which resulted in significant reduction of tumor volume in TNBC mouse model‘ in vivo. Sensitizing the low or non-responsive tumor cells by AAAPT and making chemotherapy work at lower doses may lead to the significant reduction of dose related side effects and may expand the therapeutic index of the current treatments.

Traditional drug design focus on specific target (s) expressed by cancer cells. However, cancer cells outsmart the interventions by activating survival pathways and/or downregulating cell death pathways. As the research in molecular biology of cancer grows exponentially, new methods of drug designs are needed to target multiple pathways/targets which are involved in survival of cancer cells. Vitamin E analogues including a-tocopheryl succinate (TOS) is a well-known anti-tumoregenic agent which is well studied both in vitro and in vivo tumor models. However, lack of targeting cancer cells and unexpected toxicity along with the poor water solubility of TOS compelled a rational drug design using both targeting and cleavable technologies incorporated in the new drug design. A plethora of Vitamin E derivatives (AMP-001, 002 and 003) were synthesized, characterized and studied for the improved efficacy and lowered toxicity in various cancer cells in vitro. Preliminary studies revealed AAAPT leading candidates reduced the invasive potential of brain tumor stem cells, synergized with different drugs and different treatments. AAAPT leading drug AMP-001 enhanced the therapeutic index of front-line drug Doxorubicin in triple negative breast cancer (TNBC) tumor rat model preserving the ventricular function when used as a neoadjuvant to Doxorubicin. These results may pave the way for reducing the cardiotoxicity of chemotherapy in clinical settings.

Cancer cells develop tactics to circumvent the interventions by desensitizing themselves to interventions. The principle route of desensitization includes activation of survival pathways (e.g. NF-kB, PARP) and downregulation of cell death pathways (e.g. CD95, ASK1). As a result, it requires high dose of therapy to induce cell death which, in turn damages normal cells through the collateral effects. Methods are needed to sensitize the low and non-responsive resistant tumor cells in order to evoke a better response from the current treatments. Current treatments including chemotherapy can induce cell death only in bulk cancer cells sparing low-responsive and resistant tumor cells. Here we report a novel tumor sensitizer derived from the natural Vitamin E analogue (AMP-001). The drug design is based on a novel “A priori activation of apoptosis pathways of tumor technology (AAAPT) which is designed to activate cell death pathways and inhibit survival pathways simultaneously. It involves an inbuilt targeting vector which targets tumor specific Cathepsin B, overexpressed by many cancers including gastric cancer. Our results indicate that AMP-001 sensitizes gastric cancer cells which resulted in expanding the therapeutic index of front-line chemotherapy doxorubicin both in vitro and in vivo nude mouse model. The synergy between AMP-001 and doxorubicin could pave a new pathway to use AMP-001 as a neoadjuvant to chemotherapy to achieve a better efficacy and reduced off-target toxicity.

Cancer cells develop tactics to circumvent the interventions by desensitizing themselves to interventions. The principle routes of desensitization include a) activation of survival pathways (e.g. NF-kB, PARP) and b) downregulation of cell death pathways (e.g. CD95/CD95L) making the current treatments ineffective. Methods are needed to sensitize the low and non-responsive resistant tumor cells to evoke a better response from the current treatments. Here, we report several novel tumor targeted sensitizers derived from the natural Vitamin E analogue (AMP-001-003).

Cancer cells develop tactics to circumvent the interventions by desensitizing themselves to interventions. The principle routes of desensitization include a) activation of survival pathways (e.g. NF-kB, PARP) and b) downregulation of cell death pathways (e.g. CD95/CD95L). As a result, it requires high therapeutic dose to achieve tumor regression which, in turn damages normal cells through the collateral damaging effects. Methods are needed to sensitize the low and non-responsive resistant tumor cells including cancer stem cells (CSCs) in order to evoke a better response from the current treatments. Current treatments including chemotherapy can induce cell death only in bulk cancer cells sparing CSCs and cancer resistant cells (CRCs) which are shown to be responsible for high recurrence of disease and low patient survival. Here, we report several novel tumor targeted sensitizers derived from the natural Vitamin E analogue (AMP-001-003). The drug design is based on a novel concept “A priori activation of apoptosis pathways of tumor technology (AAAPT) which is designed to activate specific cell death pathways and inhibit survival pathways simultaneously. Our results indicate that AMP-001-003 sensitize various types of cancer cells including MDA-MB-231 (triple negative breast cancer), PC3 (prostate cancer) and A543 (ling cancer) cells resulting in reducing the IC-50 of doxorubicin in vitro. At higher dose, AMP-001 acts as an anti-tumor agent on its own. The synergy between AMP-001 and doxorubicin could pave a new pathway to use AMP-001 as a neoadjuvant to chemotherapy to achieve a better efficacy and reduced off-target toxicity by the current treatments.