Cancer remains one of the leading causes of death worldwide. Biomedical imaging plays a crucial role in all phases of cancer management. Physicians often need to choose the ideal diagnostic imaging modality for each clinical presentation based on complex trade-offs among spatial resolution, sensitivity, contrast, access, cost, and safety. Magnetic particle imaging (MPI) is an emerging tracer imaging modality that detects superparamagnetic iron oxide (SPIO) nanoparticle tracer with high image contrast (zero tissue background signal), high sensitivity (200 nM Fe) with linear quantitation, and zero signal depth attenuation. MPI is also safe in that it uses safe, in some cases even clinically approved, tracers and no ionizing radiation. The superb contrast, sensitivity, safety, and ability to image anywhere in the body lends MPI great promise for cancer imaging. In this study, we show for the first time the use of MPI for in vivo cancer imaging with systemic tracer administration. Here, long circulating MPI-tailored SPIOs were created and administered intravenously in tumor bearing rats. The tumor was highlighted with tumor-to-background ratio of up to 50. The nanoparticle dynamics in the tumor was also well-appreciated, with initial wash-in on the tumor rim, peak uptake at 6 h, and eventual clearance beyond 48 h. Lastly, we demonstrate the quantitative nature of MPI through compartmental fitting in vivo.

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by infection with the severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2), is having a deleterious impact on health services and the global economy, highlighting the urgent need for an effective vaccine. Such a vaccine would need to rapidly confer protection after one or two doses and would need to be manufactured using components suitable for scale up. Here, we developed an

Magnetic particle imaging (MPI) shows promise for medical imaging, particularly in angiography of patients with chronic kidney disease. As the first biomedical imaging technique that truly depends on nanoscale materials properties, MPI requires highly optimized magnetic nanoparticle tracers to generate quality images. Until now, researchers have relied on tracers optimized for MRI T2(∗) -weighted imaging that are sub-optimal for MPI. Here, we describe new tracers tailored to MPI's unique physics, synthesized using an organic-phase process and functionalized to ensure biocompatibility and adequate in vivo circulation time. Tailored tracers showed up to 3 × greater signal-to-noise ratio and better spatial resolution than existing commercial tracers in MPI images of phantoms.

The fast and accurate assessment of cerebral perfusion is fundamental for the diagnosis and successful treatment of stroke patients. Magnetic particle imaging (MPI) is a new radiation-free tomographic imaging method with a superior temporal resolution, compared to other conventional imaging methods. In addition, MPI scanners can be built as prehospital mobile devices, which require less complex infrastructure than computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI). With these advantages, MPI could accelerate the stroke diagnosis and treatment, thereby improving outcomes. Our objective was to investigate the capabilities of MPI to detect perfusion deficits in a murine model of ischemic stroke. Cerebral ischemia was induced by inserting of a microfilament in the internal carotid artery in C57BL/6 mice, thereby blocking the blood flow into the medial cerebral artery. After the injection of a contrast agent (superparamagnetic iron oxide nanoparticles) specifically tailored for MPI, cerebral perfusion and vascular anatomy were assessed by the MPI scanner within seconds. To validate and compare our MPI data, we performed perfusion imaging with a small animal MRI scanner. MPI detected the perfusion deficits in the ischemic brain, which were comparable to those with MRI but in real-time. For the first time, we showed that MPI could be used as a diagnostic tool for relevant diseases in vivo, such as an ischemic stroke. Due to its shorter image acquisition times and increased temporal resolution compared to that of MRI or CT, we expect that MPI offers the potential to improve stroke imaging and treatment.

Abstract In late 2021, the SARS-CoV-2 Omicron (B.1.1.529) variant of concern (VoC) was reported with many mutations in the viral spike protein that were predicted to enhance transmissibility and allow viral escape of neutralizing antibodies. Within weeks of the first report of B.1.1.529, this VoC has rapidly spread throughout the world, replacing previously circulating strains of SARS-CoV-2 and leading to a resurgence in COVID-19 cases even in populations with high levels of vaccine- and infection-induced immunity. Initial studies have shown that B.1.1.529 is less sensitive to protective antibody conferred by previous infections and vaccines developed against earlier lineages of SARS-CoV-2. The ability of B.1.1.529 to spread even among vaccinated populations has led to a global public health demand for updated vaccines that can confer protection against B.1.1.529. We report here the rapid development of a replicating RNA vaccine expressing the B.1.1.529 spike and show that this B.1.1.529-targeted vaccine is immunogenic in mice and hamsters. Interestingly, we found that mice previously immunized with A.1-specific vaccines failed to elevate neutralizing antibody titers against B.1.1.529 following B.1.1.529-targeted boosting, suggesting pre-existing immunity may impact the efficacy of B.1.1.529-targeted boosters. Furthermore, we found that our B.1.1.529-targeted vaccine provides superior protection compared to the ancestral A.1-targeted vaccine in hamsters challenged with the B.1.1.529 VoC after a single dose of each vaccine. One Sentence Summary Rapidly developed RNA vaccine protects against SARS-CoV-2 Omicron variant

Abstract The emergence and reemergence of highly virulent viral pathogens with pandemic potential has created an urgent need for accelerated discovery of antiviral therapeutics. Antiviral human monoclonal (mAbs) are promising drug candidates to prevent or treat severe viral diseases, but the long timelines needed for discovery limits their rapid deployment and use. Here, we report the development of an integrated sequence of technologies incorporating advances in single-cell mRNA sequence analysis, bioinformatics, synthetic biology, and high-throughput functional analysis that allowed us to discover highly potent antiviral human mAbs and validate their activity in vivo at an unprecedented scale, speed, and efficiency. In a 78-day study, modeling deployment of a rapid response platform to an outbreak, we isolated >100 individual Zika virus (ZIKV) specific human mAbs, assessed their function, identified 29 broadly-neutralizing mAbs, and verified therapeutic potency of lead candidates with antibody-encoding mRNA formulation and/or IgG protein delivery in mice and nonhuman primates. Our work provides a roadmap for the rapid antibody discovery programs against viral pathogens of global concern.

The global SARS-CoV-2 pandemic prompted rapid development of COVID-19 vaccines. Although several vaccines have received emergency approval through various public health agencies, the SARS-CoV-2 pandemic continues. Emergent variants of concern, waning immunity in the vaccinated, evidence that vaccines may not prevent transmission and inequity in vaccine distribution have driven continued development of vaccines against SARS-CoV-2 to address these public health needs. In this report, we evaluated a novel self-amplifying replicon RNA vaccine against SARS-CoV-2 in a pigtail macaque model of COVID-19 disease. We found that this vaccine elicited strong binding and neutralizing antibody responses. While binding antibody responses were sustained, neutralizing antibody waned to undetectable levels after six months but were rapidly recalled and conferred protection from disease when the animals were challenged 7 months after vaccination as evident by reduced viral replication and pathology in the lower respiratory tract, reduced viral shedding in the nasal cavity and lower concentrations of pro-inflammatory cytokines in the lung. Cumulatively, our data demonstrate in pigtail macaques that a self-amplifying replicon RNA vaccine can elicit durable and protective immunity to SARS-CoV-2 infection. Furthermore, these data provide evidence that this vaccine can provide durable protective efficacy and reduce viral shedding even after neutralizing antibody responses have waned to undetectable levels.

Abstract Despite mass public health efforts, the SARS-CoV2 pandemic continues as of late-2021 with resurgent case numbers in many parts of the world. The emergence of SARS-CoV2 variants of concern (VoC) and evidence that existing vaccines that were designed to protect from the original strains of SARS-CoV-2 may have reduced potency for protection from infection against these VoC is driving continued development of second generation vaccines that can protect against multiple VoC. In this report, we evaluated an alphavirus-based replicating RNA vaccine expressing Spike proteins from the original SARS-CoV-2 Alpha strain and recent VoCs delivered in vivo via a lipid inorganic nanoparticle. Vaccination of both mice and Syrian Golden hamsters showed that vaccination induced potent neutralizing titers against each homologous VoC but reduced neutralization against heterologous challenges. Vaccinated hamsters challenged with homologous SARS-CoV2 variants exhibited complete protection from infection. In addition, vaccinated hamsters challenged with heterologous SARS-CoV-2 variants exhibited significantly reduced shedding of infectious virus. Our data demonstrate that this vaccine platform elicits significant protective immunity against SARS-CoV2 variants and supports continued development of this platform.

The recent emergence and rapid response to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 was enabled by prototype pathogen and vaccine platform approaches, driven by the preemptive application of RNA vaccine technology to the related Middle East respiratory syndrome coronavirus. Recently, the National Institutes of Allergy and Infectious Diseases identified nine virus families of concern, eight enveloped virus families and one nonenveloped virus family, for which vaccine generation is a priority. Although RNA vaccines have been described for a variety of enveloped viruses, a roadmap for their use against nonenveloped viruses is lacking. Enterovirus D68 was recently designated a prototype pathogen within the family Picornaviridae of nonenveloped viruses because of its rapid evolution and respiratory route of transmission, coupled with a lack of diverse anti-enterovirus vaccine approaches in development. Here, we describe a proof-of-concept approach using a clinical stage RNA vaccine platform that induced robust enterovirus D68–neutralizing antibody responses in mice and nonhuman primates and prevented upper and lower respiratory tract infections and neurological disease in mice. In addition, we used our platform to rapidly characterize the antigenic diversity within the six genotypes of enterovirus D68, providing the necessary data to inform multivalent vaccine compositions that can elicit optimal breadth of neutralizing responses. These results demonstrate that RNA vaccines can be used as tools in our pandemic-preparedness toolbox for nonenveloped viruses.