ABSTRACT Although many studies have explored the depletion of tumour-associated macrophages (TAMs) as a therapeutic strategy for solid tumours, currently available compounds suffer from poor efficacy and dose-limiting side effects. Here, we developed a novel TAM-depleting agent (“OximUNO”) that specifically targets CD206 + TAMs and demonstrated efficacy in triple negative breast cancer (TNBC) mouse models. OximUNO comprises a star-shaped polyglutamate (St-PGA) decorated with the CD206-targeting peptide mUNO that carries the chemotherapeutic drug doxorubicin (DOX). In TNBC models, a fluorescently labelled mUNO-decorated St-PGA homed to CD206 + TAMs within primary lesions and metastases. OximUNO exhibited no acute liver or kidney toxicity in vivo. Treatment with OximUNO reduced the progression of primary tumour lesions and pulmonary metastases, significantly diminished the number of CD206 + TAMs and increased the CD8/FOXP3 expression ratio (demonstrating immunostimulation). Our findings suggest the potential benefit of OximUNO as a TAM-depleting agent for TNBC treatment. Importantly, our studies also represent the first report of a peptide-targeted St-PGA as a targeted therapeutic nanoconjugate.

Abstract Tumor extracellular matrix (ECM) is a high-capacity and genetically stable target for the precision delivery of affinity ligand-guided drugs and imaging agents. Recently, we developed a PL1 peptide (sequence: PPRRGLIKLKTS) for systemic targeting of malignant ECM. Here we map the dynamics of PL1 binding to its receptors Fibronectin Extra Domain B (FN-EDB) and Tenascin C C-isoform (TNC-C) by computational modeling and cell-free binding studies on mutated receptor proteins, and study cellular binding and internalization of PL1 nanoparticles in cultured cells. Molecular dynamics simulation and docking analysis suggested that the engagement of PL1 peptide with both receptors is primarily driven by electrostatic interactions. Substituting acidic amino acid residues with neutral amino acids at predicted PL1 binding sites in FN-EDB (D52N-D49N-D12N) and TNC-C (D39N-D45N) resulted in the loss of binding of PL1 nanoparticles. Remarkably, PL1-functionalized nanoparticles (NPs) were not only deposited on the target ECM but bound the cells and initiated a robust cellular uptake via a pathway resembling macropinocytosis. Our studies establish the mode of engagement of the PL1 peptide with its receptors and suggest applications for intracellular delivery of nanoscale payloads. The outcomes of this work can be used for the development of PL1-derived peptides with improved stability, affinity and specificity for precision targeting of the tumor ECM and malignant cells. One Sentence Summary PL1 peptide is recruited to the acidic surfaces on oncofetal fibronectin EDB and tenascin C-C isoform, triggering cellular uptake of PL1-functionalized nanoparticles.

ABSTRACT In triple negative breast cancer (TNBC), pro-tumoral macrophages promote metastasis and suppress the immune response. To target these cells, we engineered a previously identified CD206 (mannose receptor)-binding peptide, mUNO, to enhance its affinity and proteolytic stability. The new rationally designed peptide, MACTIDE, includes a trypsin inhibitor loop, from the Sunflower Trypsin Inhibitor-I. Binding studies to recombinant CD206 revealed a 15-fold lower K D for MACTIDE compared to parental mUNO. Additionally, mass spectrometry showed a 5-fold increase in half-life in tumor lysate for MACTIDE compared to mUNO. Homing studies in TNBC-bearing mice showed that fluorescein (FAM)-MACTIDE precisely targeted CD206 + tumor-associated macrophages (TAMs) upon intravenous, intraperitoneal and even oral administration, with no significant accumulation in liver. We coupled MACTIDE to the FDA-approved drug Verteporfin, an established photosensitizer for photodynamic therapy and inhibitor of the YAP/TAZ pathway, to generate a conjugate here referred to as MACTIDE-V. In the orthotopic 4T1 TNBC mouse model, non-irradiated MACTIDE-V-treated mice unexpectedly showed a similar anti-tumoral effect and fewer signs of toxicity as irradiated MACTIDE-V-treated mice, leading to subsequent studies on the laser-independent activity of this conjugate. In vitro studies using bone-marrow derived mouse macrophages showed that MACTIDE-V excluded YAP from the nucleus, increased the phagocytic activity and upregulated several genes associated with cytotoxic anti-tumoral macrophages. In mouse models of TNBC, MACTIDE-V slowed primary tumor growth, suppressed lung metastases, increased markers of phagocytosis and antigen presentation in TAMs and monocytes, increasing the tumor infiltration of several lymphocyte subsets. We therefore propose MACTIDE-V as a useful peptide-drug conjugate to modulate macrophage function in the context of breast tumor immunotherapy.

CaMKII is a protein kinase whose function is regulated by the binding of the Calcium/Calmodulin complex (Ca2+/CaM). It is a major player in the Long Term Potentiation process where it acts as a molecular switch, oscillating between inhibited and active conformations. The mechanism for the switching is thought to be initiated by Ca2+/CaM binding, which allows the trans-phosphorylation of a subunit of CaMKII by a neighboring kinase, leading to the active state of the system. A combination of all-atom and coarse-grained MD simulations with free energy calculations, led us to reveal an interplay of electrostatic forces exerted by Ca2+/CaM on CaMKII, which initiate the activation process. The highly electrically charged Ca2+/CaM neutralizes basic regions in the linker domain of CaMKII, facilitating its opening and consequent activation. The emerging picture of CaMKII's behavior highlights the preponderance of electrostatic interactions, which are modulated by the presence of Ca2+/CaM and the phosphorylation of key sites.