Abstract Protein therapy holds great promise for treating a variety of diseases. To act on intracellular targets, therapeutic proteins must cross the plasma membrane. This has previously been achieved by covalent attachment to a variety of cell-penetrating peptides (CPPs). However, there is limited information on the relative performance of CPPs in delivering proteins to cells, specifically the cytosol and other intracellular locations. Here we use green fluorescent protein (GFP) as a model cargo to compare delivery capacity of five CPP sequences (Penetratin, R8, TAT, Transportan, Xentry) and cyclic derivatives in different human cell lines (HeLa, HEK, 10T1/2, HepG2) representing different tissues. Confocal microscopy analysis indicates that most fusion proteins when incubated with cells at 10 µM localise to endosomes. Quantification of cellular uptake by flow cytometry reveals that uptake depends on both cell type (10T1/2 > HepG2 > HeLa > HEK), and CPP sequence (Transportan > R8 > Penetratin≈TAT > Xentry). CPP sequence cyclisation or addition of a HA-sequence increased cellular uptake, but fluorescence was still contained in vesicles with no evidence of endosomal escape. Our results provide a guide to select CPP for endosomal/lysosomal delivery and a basis for developing more efficient CPPs in the future.

Abstract Acute myeloid leukemia (AML) remains difficult to treat due to its heterogeneity in molecular landscape, epigenetics and cell signaling alterations. Precision medicine is a major goal in AML therapy towards developing agents that can be used to treat patients with different ‘subtypes’ in combination with current chemotherapies. We have previously developed dextrin-colistin conjugates to combat the rise in multi-drug resistant bacterial infections and overcome dose-limiting nephrotoxicity. Recent evidence of colistin’s anticancer activity, mediated through inhibition of intracellular lysine-specific histone demethylase 1 (LSD1/KDM1A), suggests that dextrin-colistin conjugates could be used to treat cancer cells, including AML. This study aimed to evaluate whether dextrin conjugation (which reduces in vivo toxicity and prolongs plasma half-life) could enhance colistin’s cytotoxic effects in myeloid leukemia cell lines and compare the intracellular uptake and localization of the free and conjugated antibiotic. Our results identified a conjugate (containing 8,000 g/mol dextrin with 1 mol% succinoylation) that caused significantly increased toxicity in myeloid leukemia cells, compared to free colistin. Dextrin conjugation altered the mechanism of cell death by colistin, from necrosis to caspase 3/7-dependent apoptosis. In contrast, conjugation via a reversible ester linker, instead of an amide, had no effect on the mechanism of the colistin-induced cell death. Live cell confocal microscopy of fluorescently-labelled compounds showed both free and dextrin-conjugated colistin were endocytosed and co-localized in lysosomes and increasing the degree of modification by succinoylation of dextrin significantly reduced colistin internalization. Whilst clinical translation of dextrin-colistin conjugates for the treatment of AML is unlikely due to the potential to promote AMR and the relatively high colistin concentrations required for anticancer activity, the ability to potentiate the effectiveness of an anticancer drug by polymer conjugation, while reducing side effects and improving biodistribution of the drug, is very attractive, and this approach warrants further investigation. Graphical abstract

Abstract The acute kidney injury (AKI) and dose-limiting nephrotoxicity, which occurs in 20-60% of patients following systemic administration of colistin, represents a challenge in the effective treatment of multi-drug resistant gram-negative infections. To reduce clinical toxicity of colistin and improve targeting to infected /inflamed tissues, we previously developed dextrin-colistin conjugates, whereby colistin is designed to be released by amylase-triggered degradation of dextrin in infected and inflamed tissues, after passive targeting by the enhanced permeability and retention effect. Whilst it was evident in vitro that polymer conjugation can reduce toxicity and prolong plasma half-life, without significant reduction in antimicrobial activity of colistin, it was unclear how dextrin conjugation would alter cellular uptake and localisation of colistin in renal tubular cells in vivo . We discovered that dextrin conjugation effectively reduced colistin’s toxicity towards human kidney proximal tubular epithelial cells (HK-2) in vitro , which was mirrored by significantly less cellular uptake of Oregon Green (OG)-labelled dextrin-colistin conjugate, when compared to colistin. Using live-cell confocal imaging, we revealed localisation of both, free and dextrin-bound colistin in endolysosome compartments of HK-2 and NRK-52E cells. Using a murine AKI model, we demonstrated dextrin-colistin conjugation dramatically diminishes both proximal tubular injury and renal accumulation of colistin. These findings reveal new insight into the mechanism by which dextrin conjugation can overcome colistin’s renal toxicity and show the potential of polymer conjugation to improve the side effect profile of nephrotoxic drugs. Graphical abstract

Introduction: Acute myeloid leukemia (AML) remains difficult to treat due to its heterogeneity in molecular landscape, epigenetics and cell signaling alterations. Precision medicine is a major goal in AML therapy towards developing agents that can be used to treat patients with different 'subtypes' in combination with current chemotherapies. We have previously developed dextrin–colistin conjugates to combat the rise in multi-drug resistant bacterial infections and overcome dose-limiting nephrotoxicity. Recent evidence of colistin's anticancer activity, mediated through inhibition of intracellular lysine-specific histone demethylase 1 (LSD1/KDM1A), suggests that dextrin–colistin conjugates could be used to treat cancer cells, including AML. This study aimed to evaluate whether dextrin conjugation (which reduces in vivo toxicity and prolongs plasma half-life) could enhance colistin's cytotoxic effects in myeloid leukemia cell lines and compare the intracellular uptake and localization of the free and conjugated antibiotic. Results: Our results identified a conjugate (containing 8000 g/mol dextrin with 1 mol% succinoylation) that caused significantly increased toxicity in myeloid leukemia cells, compared to free colistin. Dextrin conjugation altered the mechanism of cell death by colistin, from necrosis to caspase 3/7-dependent apoptosis. In contrast, conjugation via a reversible ester linker, instead of an amide, had no effect on the mechanism of the colistin-induced cell death. Live cell confocal microscopy of fluorescently labelled compounds showed both free and dextrin-conjugated colistins were endocytosed and co-localized in lysosomes, and increasing the degree of modification by succinoylation of dextrin significantly reduced colistin internalization. Discussion: Whilst clinical translation of dextrin–colistin conjugates for the treatment of AML is unlikely due to the potential to promote antimicrobial resistance (AMR) and the relatively high colistin concentrations required for anticancer activity, the ability to potentiate the effectiveness of an anticancer drug by polymer conjugation, while reducing side effects and improving biodistribution of the drug, is very attractive, and this approach warrants further investigation. Keywords: polymer therapeutics, biodegradable, internalization, polysaccharide, antibiotic