Intrinsically disordered proteins carry out various biological functions while lacking ordered secondary and/or tertiary structure. In order to find general intrinsic properties of amino acid residues that are responsible for the absence of ordered structure in intrinsically disordered proteins we surveyed 517 amino acid scales. Each of these scales was taken as an independent attribute for the subsequent analysis. For a given attribute value X, which is averaged over a consecutive string of amino acids, and for a given data set having both ordered and disordered segments, the conditional probabilities P(so|x)and P(sd|x) for order and disorder, respectively, can be determined for all possible values of X. Plots of the conditional probabilities P(so|x) and P(sd|x) versus X give a pair of curves. The area between these two curves divided by the total area of the graph gives the area ratio value (ARV), which is proportional to the degree of separation of the two probability curves and, therefore, provides a measure of the given attributes power to discriminate between order and disorder. As ARV falls between zero and one, larger ARV corresponds to the better discrimination between order and disorder. Starting from the scale with the highest ARV, we applied a simulated annealing procedure to search for alternative scale values and have managed to increase the ARV by more than 10%. The ranking of the amino acids in this new TOP-IDP scale is as follows (from order promoting to disorder promoting): W, F, Y, I, M, L, V, N, C, T, A, G, R, D, H, Q, K, S, E, P. A web-based server has been created to apply the TOP-IDP scale to predict intrinsically disordered proteins (http://www.disprot.org/dev/disindex.php). Keywords: intrinsic disorder, amino acid scale, conditional probability

Overactive or dysregulated cytokine expression is a hallmark of many acute and chronic inflammatory diseases. This is true for acute or chronic infections, neurodegenerative diseases, autoimmune diseases, cardiovascular diseases, cancer, and others. Cytokines such as interleukin-6 (IL-6) are known therapeutic targets and biomarkers for such inflammatory diseases. Platforms for cytokine detection are, therefore, desirable tools for both research and clinical applications. Single-walled carbon nanotubes (SWCNT) are versatile nanomaterials with near-infrared fluorescence that can serve as transducers for optical sensors. When functionalized with an analyte-specific recognition element, SWCNT emission may become sensitive and selective toward the desired target. SWCNT-aptamer sensors are easily assembled, inexpensive, and biocompatible. In this work, we introduced a nanosensor design based on SWCNT and a DNA aptamer specific to IL-6. We first evaluated several SWCNT-aptamer constructs based on this simple direct complexation method, wherein the aptamer both solubilizes the SWCNT and confers sensitivity to IL-6. The sensor limit of detection, 105 ng/mL, lies in the relevant range for pathological IL-6 levels. Upon investigation of sensor kinetics, we found rapid response within seconds of antigen addition which continued over the course of 3 h. We found that this sensor construct is stable and the aptamer is not displaced from the nanotube surface during IL-6 detection. Finally, we investigated the ability of this sensor construct to detect macrophage activation caused by bacterial lipopolysaccharides (LPS) in an in vitro model of disease, finding rapid and sensitive detection of macrophage-expressed IL-6. We are confident that further development of this sensor will have novel implications for diagnosis of acute and chronic inflammatory diseases, in addition to contributing to the understanding of the role of cytokines in these diseases.

Breast cancer is a substantial source of morbidity and mortality worldwide. Estrogen receptor (ER), progesterone receptor (PR), and human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) are the primary biomarkers which inform breast cancer treatment. Although endocrine therapy for ER+ patients is widely available, there is a need for increased access to low‐cost, rapid, and accurate ER testing methods. In this work, we designed a near‐infrared optical nanosensor using single‐walled carbon nanotubes (SWCNT) as the transducer and an anti‐ERα antibody as the recognition element. We evaluated the nanosensor in vitro prior to testing with 26 breast cancer samples which were collected by scraping the cut surface of fresh, surgically resected tumors. Twenty samples were ER+, and six ER−, representing 13 unique patients. We found that the nanosensor can differentiate ER− from ER+ patient biopsies through a shift in its center wavelength upon sample addition. Receiver operating characteristic area under the curve analyses determined that the strongest classifier with an AUC of 0.94 was the (7,5) SWCNT after direct incubation and measurement, and without further processing. We anticipate that further testing and development of this nanosensor may push its utility toward field‐deployable, rapid ER subtyping with the potential for additional molecular marker profiling.

Abstract Overactive or dysregulated cytokine expression is hallmark of many acute and chronic inflammatory diseases. This is true for acute or chronic infection, neurodegenerative diseases, autoimmune diseases, cardiovascular disease, cancer, and others. Cytokines such as interleukin-6 (IL-6) are known therapeutic targets and biomarkers for such inflammatory diseases. Platforms for cytokine detection are therefore desirable tools for both research and clinical applications. Single-walled carbon nanotubes (SWCNT) are versatile nanomaterials with near-infrared fluorescence that can serve as transducers for optical sensors. When functionalized with an analyte-specific recognition element, SWCNT emission may become sensitive and selective towards the desired target. SWCNT-aptamer sensors are easily assembled, inexpensive, and biocompatible. In this work, we introduced a nanosensor design based on SWCNT and a DNA aptamer specific to IL-6. We first evaluated several SWCNT-aptamer constructs based on this simple direct complexation method, wherein the aptamer both solubilizes the SWCNT and confers sensitivity to IL-6. The sensor limit of detection, 105 ng/mL, lies in the relevant range for pathological IL-6 levels. Upon investigation of sensor kinetics, we found rapid response within seconds of antigen addition which continued over the course of three hours. We found that this sensor construct is stable, and the aptamer is not displaced from the nanotube surface during IL-6 detection. Finally, we investigated the ability of this sensor construct to detect macrophage activation caused by bacterial lipopolysaccharides (LPS) in an in vitro model of disease, finding rapid and sensitive detection of macrophage-expressed IL-6. We are confident further development of this sensor will have novel implications for diagnosis of acute and chronic inflammatory diseases, in addition to contributing to the understanding of the role of cytokines in these diseases.

While the tissue-transparent fluorescence of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) imparts substantial potential for use in non-invasive biosensors, development of non-invasive systems is yet to be realized. Here, we investigated the functionality of a SWCNT-based nanosensor in several injectable SWCNT-hydrogel systems, ultimately finding SWCNT encapsulation in a sulfonated methylcellulose hydrogel optimal for detection of ions, small molecules, and proteins. We found that the hydrogel system and nanosensor signal were stable for several weeks in live mice. We then found that this system successfully detects local injections of the chemotherapeutic agent doxorubicin in mice. We anticipate future studies to adapt this device for detection of other analytes in animals and, ultimately, patients.

Abstract Breast cancer is a substantial source of morbidity and mortality worldwide. It is particularly more difficult to treat at later stages, and treatment regimens depend heavily on both staging and the molecular subtype of the tumor. However, both detection and molecular analyses rely on standard imaging and histological method, which are costly, time-consuming, and lack necessary sensitivity/specificity. The estrogen receptor (ER) is, along with the progesterone receptor (PR) and human epidermal growth factor (HER-2), among the primary molecular markers which inform treatment. Patients who are negative for all three markers (triple negative breast cancer, TNBC), have fewer treatment options and a poorer prognosis. Therapeutics for ER+ patients are effective at preventing disease progression, though it is necessary to improve the speed of subtyping and distribution of rapid detection methods. In this work, we designed a near-infrared optical nanosensor using single-walled carbon nanotubes (SWCNT) as the transducer and an anti-ERα antibody as the recognition element. The nanosensor was evaluated for its response to recombinant ERα in buffer and serum prior to evaluation with ER- and ER+ immortal cell lines. We then used a minimal volume of just 10 µL from 26 breast cancer biopsy samples which were aspirated to mimic fine needle aspirates. 20 samples were ER+, while 6 were ER-, representing 13 unique patients. We evaluated the potential of the nanosensor by investigating several SWCNT chiralities through direct incubation or fractionation deployment methods. We found that the nanosensor can differentiate ER-from ER+ patient biopsies through a shift in its center wavelength upon sample addition. This was true regardless of which of the three SWCNT chiralities we observed. Receiver operating characteristic area under the curve analyses determined that the strongest classifier with an AUC of 0.94 was the (7,5) chirality after direct incubation and measurement, and without further processing. We anticipate that further testing and development of this nanosensor may push its utility toward field-deployable, rapid ER subtyping with potential for additional molecular marker profiling.

Cisplatin-induced acute kidney injury (CI-AKI) is a significant co-morbidity of chemotherapeutic regimens. While this condition is associated with substantially lower survival and increased economic burden, there is no pharmacological agent to effectively treat CI-AKI. The disease is hallmarked by acute tubular necrosis of the proximal tubular epithelial cells primarily due to increased oxidative stress. In our prior work, we developed a highly-selective kidney-targeted mesoscale nanoparticle (MNP) that accumulates primarily in the renal proximal tubular epithelial cells while exhibiting no toxicity. Here, we found that MNPs exhibit renal-selective targeting in multiple mouse models of tumor growth with virtually no tumor accumulation. We then evaluated the therapeutic efficacy of MNPs loaded with the reactive oxygen species scavenger edaravone in a mouse model of CI-AKI. We found a marked and significant therapeutic effect with this approach as compared to free drug or empty control MNPs, including improved renal function, histology, and diminution of oxidative stress. These results indicated that renal-selective MNP edaravone delivery holds substantial potential in the treatment of acute kidney injury among patients undergoing cisplatin-based chemotherapy.

Abstract Interleukin-6 (IL-6) is known to a play critical role in the progression of inflammatory diseases such as cardiovascular disease, cancer, sepsis, viral infection, neurological disease, and autoimmune diseases. Emerging diagnostic and prognostic tools, such as optical nanosensors, experience challenges in successful clinical application in part due to protein corona formation dampening their selectivity and sensitivity. To address this problem, we explored the rational screening of several classes of biomolecules to be employed as agents in non-covalent surface passivation as a strategy to screen interference from non-specific proteins. Findings from this screening were applied to the detection of IL-6 by a fluorescent antibody-conjugated single-walled carbon nanotube (SWCNT)-based nanosensor. The IL-6 nanosensor exhibited highly sensitive and specific detection after passivation with a polymer, poly-L-lysine, as demonstrated by IL-6 detection in human serum within a clinically relevant range of 25 pg/mL to 25,000 pg/mL, exhibiting a limit of detection over three orders of magnitude lower than prior antibody-conjugated SWCNT sensors. This work holds the potential for rapid and highly sensitive detection of IL-6 in clinical settings with future application to other cytokines or disease-specific biomarkers.