Perfectly Flat? Plasmonic devices, which exploit the interactions of light with surface electrons, show great promise for applications in sensing, communications, and energy conversion. A key hindrance is the deposition of patterned metals used for plasmonics, because, as deposited, the terminal surfaces are rough and not amenable to patterning by directional dry-etching techniques. Nagpal et al. (p. 594 ) use patterned silicon substrates on which they add gold, silver, or copper and then apply an epoxy layer to the deposited metal. When pulled apart, the metal separates from the silicon, where the adhesion is poorer, leaving an ultra-smooth surface. The resulting surface plasmon propagation lengths approach the theoretical values for perfectly flat films.

Colloidal semiconductor nanocrystals have attracted significant interest for applications in solution-processable devices such as light-emitting diodes and solar cells. However, a poor understanding of charge transport in nanocrystal assemblies, specifically the relation between electrical conductance in dark and under light illumination, hinders their technological applicability. Here we simultaneously address the issues of 'dark' transport and photoconductivity in films of PbS nanocrystals, by incorporating them into optical field-effect transistors in which the channel conductance is controlled by both gate voltage and incident radiation. Spectrally resolved photoresponses of these devices reveal a weakly conductive mid-gap band that is responsible for charge transport in dark. The mechanism for conductance, however, changes under illumination when it becomes dominated by band-edge quantized states. In this case, the mid-gap band still has an important role as its occupancy (tuned by the gate voltage) controls the dynamics of band-edge charges.

Abstract Neuroinflammation plays a crucial role in the development of neurodegenerative protein misfolding disorders. This category of progressive diseases includes, but is not limited to, Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and prion diseases. Shared pathogenesis involves the accumulation of misfolded proteins, chronic neuroinflammation, and synaptic dysfunction, ultimately leading to irreversible neuronal loss, measurable cognitive deficits, and death. Presently, there are little to no effective treatments to halt the advancement of neurodegenerative diseases. We hypothesized directly targeting neuroinflammation by downregulating the transcription factor, NF-κB and the inflammasome protein, NLRP3, with the brain-penetrant, non-toxic, SB_NI_112, would be neuroprotective. To achieve this, we used a cocktail of RNA targeting therapeutics (SB_NI_112) shown to be brain-penetrant, non-toxic, and targeting both NF-|B and NLRP3. We utilized a mouse-adapted prion strain as a model for neurodegenerative diseases to assess aggregation of misfolded proteins, glial inflammation, neuronal loss, cognitive deficits, and lifespan. Prion-diseased mice were treated either intraperitoneally or intranasally with SB_NI_112. Behavioral and cognitive deficits were significantly protected by this combination of NF-κB and NLRP3 down-regulators. Treatment reduced glial inflammation, protected against neuronal loss, prevented spongiotic change, rescued cognitive deficits, and significantly lengthened lifespan of prion-diseased mice. We have identified a non-toxic, systemic pharmacologic that down-regulates NF-|B and NLRP3, prevents neuronal death and slows the progression of neurodegenerative disease. Though mouse models do not always predict human patient success, and the study was limited due to sample size and number of dosing methods utilized, these findings serve as a proof of principle for continued translation of the therapeutic SB_NI_112 for prion disease and other neurodegenerative diseases. Based on success in a murine prion model, we will be continual testing SB_NI_112 in a variety of neurodegenerative disease models, including Alzheimer’s Disease and Parkinson’s Disease.

MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNAs involved in post-transcriptional gene regulation that have a major impact on many diseases and provides an exciting avenue towards antiviral therapeutics. From patient transcriptomic data, we have discovered a circulating miRNA, miR-2392, that is directly involved with SARS-CoV-2 machinery during host infection. Specifically, we show that miR-2392 is key in driving downstream suppression of mitochondrial gene expression, increasing inflammation, glycolysis, and hypoxia as well as promoting many symptoms associated with COVID-19 infection. We demonstrate miR-2392 is present in the blood and urine of COVID-19 positive patients, but not detected in COVID-19 negative patients. These findings indicate the potential for developing a novel, minimally invasive, COVID-19 detection method. Lastly, using in vitro human and in vivo hamster models, we have developed a novel miRNA-based antiviral therapeutic that targets miR-2392, significantly reduces SARS-CoV-2 viability in hamsters and may potentially inhibit a COVID-19 disease state in humans.

ABSTRACT Immune malfunction or misrecognition of healthy cells and tissue, termed autoimmune disease, is implicated in more than 80 disease conditions and multiple other secondary pathologies. While pan-immunosuppressive therapies like steroids offer some relief for systemic inflammation for some organs, many patients never achieve remission and such drugs do not cross the blood-brain barrier making them ineffective for tackling neuroinflammation. Especially in the brain, unintended activation of microglia and astrocytes is hypothesized to be directly or indirectly responsible for Multiple Sclerosis (MS), Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Parkinson’s Disease (PD), and Alzheimer’s Disease (AD). Recent studies have also shown that targeting inflammasome and specific immune targets can be beneficial for these diseases. Further, our previous studies have shown targeting NF-κB and NLRP3 through brain penetrant Nanoligomer cocktail SB_NI_112 (abbreviated to NI112) can be therapeutic for several neurodegenerative diseases. Here we show safety-toxicity studies, followed by pharmacokinetics (PK) and biodistribution in small- (mice) and large-animal (dog) studies of this inflammasome-targeting Nanoligomer cocktail NI 112. We conducted studies using four different routes of administration: intravenous (IV), subcutaneous (SQ), intraperitoneal (IP), and intranasal (IN), and identified the drug concentration over time using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) in the blood serum, the brain (including different brain regions), and other target organs like liver, kidney, and colon. Our results indicate the Nanoligomer cocktail has a strong safety profile, and shows high biodistribution (F ∼0.98) and delivery across multiple routes of administration. Further analysis showed high brain bioavailability with a ratio of NI112 in brain tissue to blood serum ∼30%. Our model accurately shows dose scaling, translation between different routes of administration, and interspecies scaling. These results provide an excellent platform for human clinical translation and predicting therapeutic dosage between different routes of administration.

ABSTRACT Multiple Sclerosis (MS) is a debilitating autoimmune disease that impacts millions of patients worldwide, disproportionately impacting women (4:1), and often presenting at highly productive stages of life. This disease affects the spinal cord and brain, and is characterized by severe neuroinflammation, demyelination, and subsequent neuronal damage, resulting in symptoms like loss of mobility. While untargeted and pan-immunosuppressive therapies have proven to be disease-modifying and manage (or prolong the time between) symptoms in many patients, a significant fraction are unable to achieve remission. Recent work has suggested more targeted neuroinflammation mitigation through selective inflammasome-inhibition can offer relief to patients, while preserving key components of immune function. Here we show a screening of potential therapeutic targets using inflammasome-inhibiting Nanoligomers (NF-κB1, TNFR1, TNF-α, IL-6), that meet or far-exceed commercially available small-molecule counterparts like Ruxolitinib, MCC950, and Deucravacitinib. Using the human brain organoid model, top Nanoligomer combinations (NF-κB1+TNFR1: NI111, and NF-κB1+NLRP3: NI112) were shown to significantly reduce neuroinflammation, without any observable negative impact on organoid function. Further testing of these top Nanoligomer combinations in an aggressive Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) mouse model for MS using intraperitoneal (IP) injections showed that NF-κB1and NLRP3 targeting Nanoligomer combination NI112 rescues mice without observable loss of mobility or disability, minimal inflammation in brain and spinal cord histology, and minimal to no immune cell infiltration of the spinal cord and no demyelination, similar to or at par with mice that received no EAE injections (negative control). Mice receiving NI111 (NF-κB1+TNFR1) also showed reduced neuroinflammation compared to saline (sham) treated EAE mice and at par/similar to other inflammasome-inhibiting small molecule treatments, although it was significantly higher than NI112 leading to subsequent worsening clinical outcomes. Furthermore, treatment with an oral formulation of NI112 at lower doses showed a significant reduction in EAE severity, albeit with higher variance owing to administration and formulation/fill-and-finish variability. Overall, these results point to the potential of further development and testing these inflammasome targeting Nanoliogmers as an effective neuroinflammation treatment for multiple neurodegenerative diseases, and potentially benefit several patients suffering from such debilitating autoimmune diseases like MS. TOC GRAPHIC

Neuroinflammation contributes to impaired cognitive function in brain aging and neurodegenerative disorders like Alzheimer's disease, which is characterized by the aggregation of pathological tau. One major driver of both age- and tau-associated neuroinflammation is the NF-κB and NLRP3 signaling axis. However, current treatments targeting NF-κB or NLRP3 may have adverse/systemic effects, and most have not been clinically translatable. Here, we tested the efficacy of a novel, nucleic acid therapeutic (Nanoligomer) cocktail specifically targeting both NF-κB and NLRP3 in the brain for reducing neuroinflammation and improving cognitive function in old wildtype mice, and in a mouse model of tauopathy. We found that 4 weeks of NF-κB/NLRP3-targeting Nanoligomer treatment strongly reduced neuro-inflammatory cytokine profiles in the brain and improved cognitive-behavioral function in both old and tauopathy mice. These effects of NF-κB/NLRP3-targeting Nanoligomer treatment were associated with reduced glial cell activation in old wildtype mice, less pathology in tauopathy mice, favorable changes in transcriptome signatures of inflammation (reduced) and neuronal health (increased) in both mouse models, and positive systemic effects. Collectively, our results provide a basis for future translational studies targeting NF-κB/NLRP3 in the brain, perhaps using Nanoligomers, to inhibit neuroinflammation and improve cognitive function with aging and neurodegenerative disease.

Abstract Neuroinflammation contributes to impaired cognitive function in brain aging and neurodegenerative disorders like Alzheimer’s disease, which is characterized by the aggregation of pathological tau. One major driver of both age- and tau-associated neuroinflammation is the NF-κB and NLRP3 signaling axis. However, current treatments targeting NF-κB or NLRP3 may have adverse/systemic effects, and most have not been clinically translatable. In this study, we tested the efficacy of a novel, nucleic acid therapeutic (Nanoligomer) cocktail specifically targeting both NF-κB and NLRP3 in the brain for reducing neuroinflammation and improving cognitive function in old (aged 19 months) wildtype mice, and in rTg4510 tau pathology mice (aged 2 months). We found that 4 weeks of NF-κB/NLRP3-targeting Nanoligomer treatment strongly reduced neuro-inflammatory cytokine profiles in the brain and improved cognitive-behavioral function in both old and rTg4510 mice. These effects of NF-κB/NLRP3-targeting Nanoligomers were also associated with reduced glial cell activation and pathology, favorable changes in transcriptome signatures of glia-associated inflammation (reduced) and neuronal health (increased), and positive systemic effects. Collectively, our results provide a basis for future translational studies targeting both NF-κB and NLRP3 in the brain, perhaps using Nanoligomers, to inhibit neuroinflammation and improve cognitive function with aging and neurodegeneration.

ABSTRACT Autoimmune and autoinflammatory diseases account for more than 80 chronic conditions affecting more than 24 million people in the US. Amongst these autoinflammatory diseases, non-infectious chronic inflammation of the gastrointestinal (GI) tract causes inflammatory bowel diseases (IBD), primarily Crohn’s and Ulcerative Colitis (UC). IBD is a complex disease, and one hypothesis is that these are either caused or worsened by compounds produced by bacteria in the gut. While traditional approaches have focused on pan immunosuppressive techniques (e.g., steroids), low remission rates, prolonged illnesses, and increased frequency of surgical procedures have prompted the search for more targeted and precision therapeutic approaches. IBD is a complex disease resulting from both genetic and environmental factors, but several recent studies have highlighted the potential pivotal contribution of gut microbiota dysbiosis. Gut microbiota are known to modulate the immune status of the gut by producing metabolites that are encoded in biosynthetic gene clusters (BGCs) of the bacterial genome. Here we show, a targeted and high-throughput screening of more than 90 biosynthetic genes in 41 gut anaerobes, through down selection using available bioinformatics tools, targeted gene manipulation in these genetically intractable organisms using Nanoligomer platform, and identification and synthesis of top microbiome-targets as a Nanoligomer BGC cocktail (SB_BGC_CK1, abbreviated as CK1) as a feasible precision therapeutics approach. Further, we used a host-directed immune-target screening to identify NF-κB and NLRP3 cocktail SB_NI_112 (or NI112 for short) as a targeted inflammasome inhibitor. We used these top two microbe- and host-targeted Nanoligomer cocktails in acute and chronic dextran sulfate sodium (DSS) mouse colitis and in TNF ΔARE/+ transgenic mice that develop spontaneous Crohn’s like ilitis. The mouse microbiome was humanized to replicate that in human IBD through antibiotic treatment followed by mixed fecal gavage from 10 human donors and spiked with IBD-inducing microbial species. Following colonization, colitis was induced in mice using one week of 3% DSS (acute), or six weeks of 3 rounds of 2.5% DSS induction for a week followed by one week of no DSS (chronic colitis model). Both Nanoligomer cocktails (CK1 and NI112) showed a strong reduction in disease severity, significant improvement in disease histopathology, and profound downregulation of disease biomarkers in colon tissue as assessed by multiplexed ELISA. Further, we used two different formulations of intraperitoneal injections (IP) and Nanoligomer pills in the chronic DSS colitis model. Although both formulations were highly effective, the oral pill formulation demonstrated a greater reduction in biochemical markers compared to IP. A similar therapeutic effect was observed in the TNF ΔARE/+ model. Overall, these results point to the potential for further development and testing of these inflammasome-targeting host-directed therapy (NI112), and more personalized microbiome-cocktails (CK1) for patients with recalcitrant IBD. Abstract Figure TOC GRAPHIC