Tumor-selective drug conjugates can potentially improve the prognosis for patients affected by glioblastoma (GBM) – the most common and malignant type of brain cancer with no effective cure. Here we evaluated a novel tumor penetrating peptide that targets cell surface p32, LinTT1 (AKRGARSTA), as a GBM targeting ligand for systemically-administered nanoparticles. LinTT1-functionalization increased tumor homing of iron oxide nanoworms (NWs) across a panel of five GBM models ranging from infiltratively-disseminating to angiogenic phenotypes. LinTT1-NWs homed to CD31-positive tumor blood vessels, including to transdifferentiated endothelial cells, and showed co-localization with tumor macrophages and lymphatic vessels. LinTT1 functionalization also resulted in increased GBM delivery of other types of systemically-administered nanoparticles: silver nanoparticles and albumin-paclitaxel nanoparticles. Finally, LinTT1-guided proapoptotic NWs exerted strong anti-glioma activity in two models of GBM, including doubling the lifespan of the mice in an aggressive orthotopic stem cell-like GBM that recapitulates the histological hallmarks of human GBM. Our study suggests that LinTT1 targeting strategy can be used to increase GBM uptake of systemic nanoparticles for improved imaging and therapy.

Abstract Extracellular matrix in solid tumors has emerged as a specific, stable, and abundant target for affinity-guided delivery of anticancer drugs. Here we describe the homing peptide that interacts with the C-isoform of Tenascin-C (TNC-C) upregulated in malignant tissues. TNC-C binding PL3 peptide (amino acid sequence: AGRGRLVR) was identified by in vitro biopanning on recombinant TNC-C. Besides TNC-C, PL3 interacts via its C-end Rule (CendR) motif with cell-and tissue penetration receptor neuropilin-1 (NRP-1). Functionalization of iron oxide nanoworms (NWs) and metallic silver nanoparticles (AgNPs) with PL3 peptide increased tropism of systemic nanoparticles towards glioblastoma (GBM) and prostate carcinoma xenograft lesions in nude mice (eight and five-fold respectively). Treatment of glioma-bearing mice with proapoptotic PL3-guided NWs improved the survival of the mice, whereas treatment with untargeted particles had no effect. PL3-coated nanoparticles were found to accumulate in TNC-C and NRP-1-positive areas in clinical tumor samples, suggesting a translational relevance. The systemic tumor-targeting properties and binding of PL3-NPs to the clinical tumor sections, suggest that the PL3 peptide may have applications as a targeting moiety for the selective delivery of imaging and therapeutic agents to solid tumors.

Oncofetal fibronectin (FN-EDB) and tenascin-C C domain (TNC-C) are nearly absent in extracellular matrix of normal adult tissues but upregulated in malignant tissues. Both FN-EDB and TNC-C are developed as targets of antibody-based therapies. Here we used peptide phage biopanning to identify a novel targeting peptide (PL1, sequence: PPRRGLIKLKTS) that interacts with both FN-EDB and TNC-C. Systemic PL1-functionalized model nanoscale payloads [iron oxide nanoworms (NWs) and metallic silver nanoparticles] homed to glioblastoma (GBM) and prostate carcinoma xenografts, and to non-malignant angiogenic neovessels induced by VEGF-overexpression. Antibody blockage experiments demonstrated that PL1 tumor homing involved interactions with both receptor proteins. Treatment of GBM mice with PL1-targeted model therapeutic nanocarrier (NWs loaded with a proapoptotic peptide) resulted in reduced tumor growth and increased survival, whereas treatment with untargeted particles had no effect. PL1 peptide may have applications as an affinity ligand for delivery of diagnostic and therapeutic compounds to microenvironment of solid tumors.

Plectin is a versatile cytolinker protein critically involved in the organization of the cytoskeletal filamentous system. The muscle-specific intermediate filament (IF) protein desmin, which progressively replaces vimentin during differentiation of myoblasts, is one of the important binding partners of plectin in mature muscle. Defects of either plectin or desmin cause muscular dystrophies. By cell transfection studies, yeast two-hybrid, overlay and pull-down assays for binding analysis, we have characterized the functionally important sequences for the interaction of plectin with desmin and vimentin. The association of plectin with both desmin and vimentin predominantly depended on its fifth plakin repeat domain and downstream linker region. Conversely, the interaction of desmin and vimentin with plectin required sequences contained within the segments 1A–2A of their central coiled-coil rod domain. This study furthers our knowledge of the interaction between plectin and IF proteins important for maintenance of cytoarchitecture in skeletal muscle. Moreover, binding of plectin to the conserved rod domain of IF proteins could well explain its broad interaction with most types of IFs.

Plectin, a cytolinker of the plakin family, anchors the intermediate filament (IF) network formed by keratins 5 and 14 (K5/K14) to hemidesmosomes, junctional adhesion complexes in basal keratinocytes. Genetic alterations of these proteins cause epidermolysis bullosa simplex (EBS) characterized by disturbed cytoarchitecture and cell fragility. The mechanisms through which mutations located after the documented plectin IF-binding site, composed of the plakin-repeat domain (PRD) B5 and the linker, as well as mutations in K5 or K14, lead to EBS remain unclear. We investigated the interaction of plectin C terminus, encompassing four domains, the PRD B5, the linker, the PRD C, and the C extremity, with K5/K14 using different approaches, including a rapid and sensitive fluorescent protein–binding assay, based on enhanced green fluorescent protein-tagged proteins (FluoBACE). Our results demonstrate that all four plectin C-terminal domains contribute to its association with K5/K14 and act synergistically to ensure efficient IF binding. The plectin C terminus predominantly interacted with the K5/K14 coil 1 domain and bound more extensively to K5/K14 filaments compared with monomeric keratins or IF assembly intermediates. These findings indicate a multimodular association of plectin with K5/K14 filaments and give insights into the molecular basis of EBS associated with pathogenic mutations in plectin, K5, or K14 genes.

Plectin is a versatile cytolinker of the plakin family conferring cell resilience to mechanical stress in stratified epithelia and muscles. It is a critical organizer of the cytoskeletal system by tethering various intermediate filament (IF) networks through its COOH-terminal IF-binding domain (IFBD). Mutations affecting the IFBD cause devastating human diseases. Here, we have found that serine 4642, located in the COOH-extremity of plectin, is phosphorylated in different cell lines. Phosphorylation of S4642 decreased the ability of plectin IFBD to associate with various IFs, as assessed by immunofluorescence microscopy and cell fractionation studies, as well as in yeast two-hybrid assays. Plectin phosphorylated at S4642 was reduced at sites of IF network anchorage along cell-substrate contacts in both skin and cultured keratinocytes. Treatment of SK-MEL-2 and HeLa cells with okadaic acid increased plectin S4642 phosphorylation suggesting that protein phosphatase 2A dephosphorylates this residue. Moreover, plectin S4642 phosphorylation was enhanced after cell treatment with EGF, phorbol ester, sorbitol, 8-bromo-cyclic AMP, as well as during wound healing and protease-mediated cell detachment. Using selective protein kinase inhibitors, we identified two different kinases modulating the phosphorylation of plectin S4642 in HeLa cells, MNK2, downstream the ERK1/2-dependent MAPK cascade, and PKA. Our study indicates that phosphorylation of S4642 has an important regulatory role in the interaction of plectin with IFs and identifies a novel link between MNK2 and the cytoskeleton.

Tumor-homing peptides are widely used for improving tumor selectivity of anticancer drugs and imaging agents. The goal is to increase tumor uptake and reduce accumulation at nontarget sites. Here, we describe current approaches for tumor-homing peptide identification and validation, and provide comprehensive overview of classes of tumor-homing peptides undergoing preclinical and clinical development. We focus on unique mechanistic features and applications of a recently discovered class of tumor-homing peptides, tumor-penetrating C-end Rule (CendR) peptides, that can be used for tissue penetrative targeting of extravascular tumor tissue. Finally, we discuss unanswered questions and future directions in the field of development of peptide-guided smart drugs and imaging agents.

Peritoneal carcinomatosis results from dissemination of solid tumors in the peritoneal cavity, and is a common site of metastasis in patients with carcinomas of gastrointestinal or gynecological origin. Peritoneal carcinomatosis treatment is challenging as poorly vascularized, disseminated peritoneal micro-tumors are shielded from systemic anticancer drugs and drive tumor regrowth. Here, we describe the identification and validation of a tumor homing peptide CKRDLSRRC (IP3), which upon intraperitoneal administration delivers payloads to peritoneal metastases. IP3 peptide was identified by in vivo phage display on a mouse model of peritoneal carcinomatosis of gastric origin (MKN-45P), using high-throughput sequencing of the peptide-encoding region of phage genome as a readout. The IP3 peptide contains a hyaluronan-binding motif, and fluorescein-labeled IP3 peptide bound to immobilized hyaluronan in vitro. After intraperitoneal administration in mice bearing peritoneal metastases of gastric and colon origin, IP3 peptide homed robustly to macrophage-rich regions in peritoneal tumors, including poorly vascularized micro-tumors. Finally, we show that IP3 functionalization conferred silver nanoparticles the ability to home to peritoneal tumors of gastric and colonic origin, suggesting that it could facilitate targeted delivery of nanoscale payloads to peritoneal tumors. Collectively, our study suggests that the IP3 peptide has potential applications for targeting drugs, nanoparticles, and imaging agents to peritoneal tumors.

Systemic skin-selective therapeutics would be a major advancement in the treatment of diseases affecting the entire skin, such as recessive dystrophic epidermolysis bullosa (RDEB), which is caused by mutations in the COL7A1 gene and manifests in transforming growth factor-β (TGF-β)-driven fibrosis and malignant transformation. Homing peptides containing a C-terminal R/KXXR/K motif (C-end rule [CendR] sequence) activate an extravasation and tissue penetration pathway for tumor-specific drug delivery. We have previously described a homing peptide CRKDKC (CRK) that contains a cryptic CendR motif and homes to angiogenic blood vessels in wounds and tumors, but it cannot penetrate cells or tissues. In this study, we demonstrate that removal of the cysteine from CRK to expose the CendR sequence confers the peptide novel ability to home to normal skin. Fusion of the truncated CRK (tCRK) peptide to the C terminus of an extracellular matrix protein decorin (DCN), a natural TGF-β inhibitor, resulted in a skin-homing therapeutic molecule (DCN-tCRK). Systemic DCN-tCRK administration in RDEB mice led to inhibition of TGF-β signaling in the skin and significant improvement in the survival of RDEB mice. These results suggest that DCN-tCRK has the potential to be utilized as a novel therapeutic compound for the treatment of dermatological diseases such as RDEB.

The current diagnostic and therapeutic strategies for endometriosis are limited. Although endometriosis is a benign condition, some of its traits, such as increased cell invasion, migration, tissue inflammation, and angiogenesis are similar to cancer. Here we explored the application of homing peptides for precision delivery of diagnostic and therapeutic compounds to endometriotic lesions. First, we audited a panel of peptide phages for the binding to the cultured immortalized endometriotic epithelial 12Z and eutopic stromal HESC cell lines. The bacteriophages displaying PL1 peptide that engages with angiogenic extracellular matrix overexpressed in solid tumors showed the strongest binding to both cell lines. The receptors of PL1 peptide, tenascin C domain C (TNC-C) and fibronectin Extra Domain-B (Fn-EDB), were expressed in both cells. Silver nanoparticles functionalized with synthetic PL1 peptide showed specific internalization in 12Z and HESC cells. Treatment with PL1-nanoparticles loaded with the potent antimitotic drug monomethyl auristatin E decreased the viability of endometriotic cells in 2D and 3D cultures. Finally, PL1-nanoparticless bound to the cryosections of clinical peritoneal endometriotic lesions in the areas positive for TNC-C and Fn-EDB immunoreactivities and not to sections of normal endometrium. Our findings suggest potential applications for PL1-guided nanoparticles in precision diagnosis and therapy of endometriosis.