Exosomes are nanovesicles released by virtually all cells, which act as intercellular messengers by transfer of protein, lipid, and RNA cargo. Their quantitative efficiency, routes of cell uptake, and subcellular fate within recipient cells remain elusive. We quantitatively characterize exosome cell uptake, which saturates with dose and time and reaches near 100% transduction efficiency at picomolar concentrations. Highly reminiscent of pathogenic bacteria and viruses, exosomes are recruited as single vesicles to the cell body by surfing on filopodia as well as filopodia grabbing and pulling motions to reach endocytic hot spots at the filopodial base. After internalization, exosomes shuttle within endocytic vesicles to scan the endoplasmic reticulum before being sorted into the lysosome as their final intracellular destination. Our data quantify and explain the efficiency of exosome internalization by recipient cells, establish a new parallel between exosome and virus host cell interaction, and suggest unanticipated routes of subcellular cargo delivery.

ABSTRACT Extracellular vesicles (EV) convey biological information by transmitting macromolecules between cells and tissues and are of great promise as pharmaceutical nanocarriers, and as therapeutic per se. Strategies for customizing the EV surface and cargo are being developed to enable their tracking, visualization, loading with pharmaceutical agents and decoration of the surface with tissue targeting ligands. While much progress has been made in the engineering of EVs, an exhaustive comparative analysis of the most commonly exploited EV‐associated proteins, as well as a quantification at the molecular level are lacking. Here, we selected 12 EV‐related proteins based on MS‐proteomics data for comparative quantification of their EV engineering potential. All proteins were expressed with fluorescent protein (FP) tags in EV‐producing cells; both parent cells as well as the recovered vesicles were characterized biochemically and biophysically. Using Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) we quantified the number of FP‐tagged molecules per vesicle. We observed different loading efficiencies and specificities for the different proteins into EVs. For the candidates showing the highest loading efficiency in terms of engineering, the molecular levels in the vesicles did not exceed ca 40–60 fluorescent proteins per vesicle upon transient overexpression in the cells. Some of the GFP‐tagged EV reporters showed quenched fluorescence and were either non‐vesicular, despite co‐purification with EVs, or comprised a significant fraction of truncated GFP. The co‐expression of each target protein with CD63 was further quantified by widefield and confocal imaging of single vesicles after double transfection of parent cells. In summary, we provide a quantitative comparison for the most commonly used sorting proteins for bioengineering of EVs and introduce a set of biophysical techniques for straightforward quantitative and qualitative characterization of fluorescent EVs to link single vesicle analysis with single molecule quantification.

Extracellular vesicles (EVs) can be functionalized to display specific protein receptors on their surface. However, surface-display technology typically labels only a small fraction of the EV population. Here, we show that the joint display of two different therapeutically relevant protein receptors on EVs can be optimized by systematically screening EV-loading protein moieties. We used cytokine-binding domains derived from tumour necrosis factor receptor 1 (TNFR1) and interleukin-6 signal transducer (IL-6ST), which can act as decoy receptors for the pro-inflammatory cytokines tumour necrosis factor alpha (TNF-α) and IL-6, respectively. We found that the genetic engineering of EV-producing cells to express oligomerized exosomal sorting domains and the N-terminal fragment of syntenin (a cytosolic adaptor of the single transmembrane domain protein syndecan) increased the display efficiency and inhibitory activity of TNFR1 and IL-6ST and facilitated their joint display on EVs. In mouse models of systemic inflammation, neuroinflammation and intestinal inflammation, EVs displaying the cytokine decoys ameliorated the disease phenotypes with higher efficacy as compared with clinically approved biopharmaceutical agents targeting the TNF-α and IL-6 pathways.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) are promising tools to transfer macromolecular therapeutic molecules to recipient cells, however, efficient functional intracellular protein delivery by EVs remains challenging. Here, we have developed novel and versatile systems that leverage selected molecular tools to engineer EVs for robust cytosolic protein delivery both in vitro and in vivo . These systems, termed VSV-G plus EV-sorting Domain-Intein-Cargo (VEDIC) and VSV-G-Foldon-Intein-Cargo (VFIC), exploit an engineered mini-intein (intein) protein with self-cleavage activity to link cargo to an EV-sorting domain and release it from the EV membrane inside the EV lumen. In addition, we utilize the fusogenic protein VSV-G to facilitate endosomal escape and cargo release from the endosomal system to the cytosol of recipient cells. Importantly, we demonstrate that the combination of the self-cleavage intein, fusogenic protein and EV-sorting domain are indispensable for efficient functional intracellular delivery of cargo proteins by engineered EVs. As such, nearly 100% recombination and close to 80% genome editing efficiency in reporter cells were observed by EV-transferred Cre recombinase and Cas9/sgRNA RNPs, respectively. Moreover, EV-mediated Cre delivery by VEDIC or VFIC engineered EVs resulted in significant in vivo recombination in Cre-LoxP R26-LSL-tdTomato reporter mice following both local and systemic injections. Finally, we applied these systems for improved treatment of LPS-induced systemic inflammation by delivering a super-repressor of NF-ĸB activity. Altogether, this study describes a platform by which EVs can be utilized as a vehicle for the efficient intracellular delivery of macromolecular therapeutics for treatments of disease. Graphic summary: Development of VEDIC and VFIC systems for high-efficiency intracellular protein delivery in vitro and in vivo Intein in tripartite fusion protein (EV-sorting Domain-Intein-Cargo) performs C-terminal cleavage during the process of EV-biogenesis, resulting in enriched free cargo proteins inside of vesicles. Together with fusogenic protein, VSV-G, these engineered EVs achieve high-efficiency intracellular delivery of cargo protein (Cre and super repressor of NF-ĸB) or protein complex (Cas9/sgRNA RNPs) both in reporter cells and in mice models.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) have recently emerged as a highly promising cell-free bio-therapeutics. While a range of engineering strategies have been developed to functionalize the EV surface, current approaches fail to address the limitations associated with endogenous surface display, pertaining to the heterogeneous display of commonly used EV-loading moieties among different EV subpopulations. Here we present a novel engineering platform to display multiple protein therapeutics simultaneously on the EV surface. As proof-of-concept, we screened multiple endogenous display strategies for decorating the EV surface with cytokine binding domains derived from tumor necrosis factor receptor 1 (TNFR1) and interleukin 6 signal transducer (IL6ST), which can act as decoys for the pro-inflammatory cytokines TNFα and IL6, respectively. Combining synthetic biology and systematic screening of loading moieties, resulted in a three-component system which increased the display and decoy activity of TNFR1 and IL6ST, respectively. Further, this system allowed for combinatorial functionalization of two different receptors on the same EV surface. These cytokine decoy EVs significantly ameliorated disease phenotypes in three different inflammatory mouse models for systemic inflammation, neuroinflammation, and intestinal inflammation. Importantly, significantly improved in vitro and in vivo efficacy of these engineered EVs was observed when compared directly to clinically approved biologics targeting the IL6 and TNFα pathways.

ABSTRACT Messenger RNA (mRNA) has emerged as an attractive therapeutic molecule for a range of clinical applications. For in vivo functionality, mRNA therapeutics require encapsulation into effective, stable, and safe delivery systems to protect the cargo from degradation and reduce immunogenicity. Here, a bioengineering platform for efficient mRNA loading and functional mRNA delivery was developed using extracellular vesicles (EVs) as naturally derived nanoparticles. Engineered EVs carrying the highly specific PUFe RNA-binding domain fused to CD63 were produced in cells stably expressing the target mRNA with compatible binding sites. Using this system, the target mRNA was actively loaded into the produced EVs during EV biogenesis with loading efficiencies exceeding those previously reported for other EV- based approaches. In combination with the expression of an mRNA-stabilizing protein, PABPc, and a fusogenic endosomal escape moiety, VSVg, functional extrahepatic mRNA delivery via EVs in vivo was achieved at mRNA doses substantially lower than currently used for lipid nanoparticles. Our technology overcomes major limitations currently associated with EV-based nucleic acid delivery systems and could enable new applications for mRNA therapeutics. TABLE OF CONTENTS This study developed a novel system for highly efficient mRNA loading using engineered extracellular vesicles (EVs). The synergic components of the mRNA loading platform also solve limitations in delivery by supporting mRNA stability and translation, as well as endosomal escape in recipient cells. Thus, functional mRNA delivery is achieved at mRNA doses substantially lower than currently used for lipid nanoparticles.

Abstract Intracellular delivery of protein and RNA therapeutics represents a major challenge. Here, we developed highly potent engineered extracellular vesicles (EVs) by incorporating essential bio-inspired attributes required for effective delivery. These comprise engineered mini-intein proteins with self-cleavage activity for active cargo loading and release, and fusogenic VSV-G protein to activate productive endosomal escape. Combining these components allowed high efficiency recombination and genome editing in vitro following EV-mediated delivery of Cre recombinase and Cas9/sgRNA RNP cargoes, respectively. In vivo , single dose EV-mediated Cre delivery to the brains of Cre-LoxP R26-LSL-tdTomato reporter mice resulted in greater than 40% and 30% recombined cells in hippocampus and cortex respectively. In addition, we demonstrate therapeutic potential of this platform by showing inhibition of LPS-induced systemic inflammation via delivery of a super-repressor of NF-ĸB activity. Our data establish these engineered EVs as a novel platform for effective delivery of multimodal therapeutic cargoes, including for efficient genome editing.

Abstract Messenger RNA (mRNA) has emerged as an attractive therapeutic molecule for a plethora of clinical applications. For in vivo functionality, mRNA therapeutics require encapsulation into effective, stable, and safe delivery systems to protect the cargo from degradation and reduce immunogenicity. Here, a bioengineering platform for efficient mRNA loading and functional delivery using bionormal nanoparticles, extracellular vesicles (EVs), is established by expressing a highly specific RNA‐binding domain fused to CD63 in EV producer cells stably expressing the target mRNA. The additional combination with a fusogenic endosomal escape moiety, Vesicular Stomatitis Virus Glycoprotein, enables functional mRNA delivery in vivo at doses substantially lower than currently used clinically with synthetic lipid‐based nanoparticles. Importantly, the application of EVs loaded with effective cancer immunotherapy proves highly effective in an aggressive melanoma mouse model. This technology addresses substantial drawbacks currently associated with EV‐based nucleic acid delivery systems and is a leap forward to clinical EV applications.