Abstract Multivalent presentation of ligands often enhances receptor activation and downstream signaling. DNA origami offers precise nanoscale spacing of ligands, a potentially useful feature for therapeutic nanoparticles. Here we introduce a “square block” DNA origami platform to explore the importance of spacing of CpG oligonucleotides, which engage Toll-like receptors and thereby act as danger signals for dendritic cells. Through in vitro cell-culture studies and in vivo tumor-treatment models, we demonstrate that square blocks induce Th1 immune polarization when CpG is spaced at 3.5 nm. We observe that this DNA origami vaccine enhances DC activation, antigen cross-presentation, CD8 T cell activation, Th1-polarized CD4 activation and NK cell activation. The vaccine also synergizes effectively with anti-PD-L1 for improved cancer immunotherapy in melanoma and lymphoma models and induces long-term T cell memory. Our results suggest that DNA origami may serve as an advanced vaccine platform for controlling adjuvant spacing and co-delivering antigens. One Sentence Summary This study developed a DNA origami-based cancer vaccine (DoriVac) that co-delivers antigen and CpG immune adjuvant with an optimal nanospacing for Th1 immune polarization.

Abstract Current SARS-CoV-2 vaccines have demonstrated robust induction of neutralizing antibodies and CD4 + T cell activation, however CD8 + responses are variable, and the duration of immunity and protection against variants are limited. Here we repurposed our DNA origami vaccine platform, DoriVac, for targeting infectious viruses, namely SARS-CoV-2, HIV, and Ebola. The DNA origami nanoparticle, conjugated with infectious-disease-specific HR2 peptides, which act as highly conserved antigens, and CpG adjuvant at precise nanoscale spacing, induced neutralizing antibodies, Th1 CD4 + T cells, and CD8 + T cells in naïve mice, with significant improvement over a bolus control. Pre-clinical studies using lymph-node-on-a-chip systems validated that DoriVac, when conjugated with antigenic peptides or proteins, induced promising cellular immune responses in human cells. These results suggest that DoriVac holds potential as a versatile, modular vaccine platform, capable of inducing both humoral and cellular immunities. The programmability of this platform underscores its potential utility in addressing future pandemics.

Abstract In recent years, notable advances in nanotechnology-based drug delivery have emerged. A particularly promising platform in this field is DNA origami-based nanoparticles, which offer highly programmable surfaces, providing precise control over the nanoscale spacing and stoichiometry of various cargo. These versatile particles are finding diverse applications ranging from basic molecular biology to diagnostics and therapeutics. This growing interest creates the need for effective methods to quantify cargo on DNA origami nanoparticles. Our study consolidates several previously validated methods focusing on gel-based and fluorescence-based techniques, including multiplexed quantification of protein, peptide, and nucleic acid cargo on these nanoparticles. This work may serve as a valuable resource for groups researchers keen on utilizing DNA origami-based nanoparticles in therapeutic applications. Graphical abstract

ABSTRACT DNA origami has enabled the development of responsive drug-delivery vehicles with precision features that were previously not attainable in bionanotechnology. To reduce the costs of creating therapeutics-scale amounts of DNA origami that need to bear costly modifications with high occupancy, we reused the excess staple oligonucleotides that are leftover from the folding process to fold additional origami. We determined that a DNA origami can be successfully folded with up to 80% cost savings by cyclic recovery and reuse of excess staple strands. We found evidence that higher quality staple strands are preferentially incorporated into origami, consistent with past reports, and therefore are preferentially depleted from the free-strand pool. The folding of DNA origami with staple strands that were reused up to eleven times was indistinguishable by our panel of assays versus a control folded with new strands, so long as the reused oligonucleotides were replenished each cycle with a small excess of fresh strands. We also observed a high degree of incorporation of guests on the DNA origami. By recovering, reusing, and replenishing excess staple oligonucleotides, it is possible to significantly lessen production costs to create well-formed origami, which is useful to allow more therapeutic designs to be tested.