A prevailing dogma is that effective inhibition of vascular thrombosis by therapeutic targeting of platelet integrin αIIbβ3 cannot be achieved without compromising hemostasis. The resulting serious bleeding and increased morbidity and mortality have limited use of current anti-αIIbβ3 drugs to high-risk cardiac patients. It is speculated that these adverse outcomes result from drug-induced conformational changes in αIIbβ3 but direct proof is lacking. We used structure-guided design to generate the ligand-mimetic peptide Hr10 and a modified form of the partial agonist drug Tirofiban that now act as “pure” orthosteric antagonists of αIIbβ3, i.e. they no longer induce the conformational changes in αIIbβ3 and also suppress these changes in presence of agonists. Both agents inhibited human platelet aggregation effectively but without interfering with clot retraction. When tested in a humanized mouse model of thrombosis predictive of clinical efficacy, Hr10 was as effective as the αIIbβ3 partial agonist peptide drug Eptifibatide in inhibiting arteriolar thrombosis, but in sharp contrast to Eptifibatide, Hr10 did not cause serious bleeding, establishing a causal link between partial agonism and impaired hemostasis. Pure orthosteric inhibitors of αIIbβ3 may thus offer safer alternatives for human therapy. Our structure-guided approach may also find utility in designing similar drug candidates targeting other integrins and in providing vital tools for further probing structure-activity relationships in integrins.

Targeting both integrins αVβ3 and α5β1 simultaneously appears to be more effective in cancer therapy than targeting each one alone. The structural requirements for bispecific binding of ligand to integrins has not been fully elucidated. RGD-containing knottin 2.5F binds selectively to αVβ3 and α5β1, whereas knottin 2.5D is αVβ3-specific. To elucidate the structural basis of this selectivity, we determined the structures of 2.5F and 2.5D as apo-proteins and in complex with αVβ3, and compared their interactions with integrins using molecular dynamics simulations. These studies show that 2.5D engages αVβ3 by an induced fit, but conformational selection of a flexible RGD loop accounts for high affinity selective binding of 2.5F to both integrins. The contrasting binding of the highly flexible low affinity linear RGD peptides to multiple integrins, suggests that a “Goldilocks zone” of conformational flexibility of the RGD loop in 2.5F underlies its selective binding promiscuity to integrins.