Abstract Preclinical cancer research is heavily dependent on allograft and xenograft models, but current approaches to tumor inoculation yield inconsistent tumor formation and growth, ultimately wasting valuable resources (e.g., animals, time, and money) and limiting experimental progress. Here we demonstrate a method for tumor inoculation using self-assembled hydrogels to reliably generate tumors with low variance in growth. The observed reduction in model variance enables smaller animal cohorts, improved effect observation and higher powered studies.

Abstract Most vaccines require several immunizations to induce robust immunity, and indeed, most SARS-CoV-2 vaccines require an initial two-shot regimen followed by several boosters to maintain efficacy. Such a complex series of immunizations unfortunately increases the cost and complexity of populations-scale vaccination and reduces overall compliance and vaccination rate. In a rapidly evolving pandemic affected by the spread of immune-escaping variants, there is an urgent need to develop vaccines capable of providing robust and durable immunity. In this work, we developed a single immunization SARS-CoV-2 subunit vaccine that could rapidly generate potent, broad, and durable humoral immunity. We leveraged injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogels as a depot technology for the sustained delivery of a nanoparticle COVID antigen displaying multiple copies of the SARS-CoV-2 receptor-binding-domain (RBD-NP), and potent adjuvants including CpG and 3M-052. Compared to a clinically relevant prime-boost regimen with soluble vaccines formulated with CpG/Alum or 3M-052/Alum adjuvants, PNP hydrogel vaccines more rapidly generated higher, broader, and more durable antibody responses. Additionally, these single-immunization hydrogel-based vaccines elicited potent and consistent neutralizing responses. Overall, we show that PNP hydrogels elicit improved anti-COVID immune responses with only a single administration, demonstrating their potential as critical technologies to enhance our overall pandemic readiness.

Abstract Monoclonal antibodies are a staple in modern pharmacotherapy. Unfortunately, these biopharmaceuticals are limited by their tendency to aggregate in formulation, resulting in poor stability and often requiring low concentration drug formulations. Moreover, existing excipients designed to stabilize these formulations are often limited by their toxicity and tendency to form particles such as micelles. Here, we demonstrate the ability of a simple “drop-in”, amphiphilic copolymer excipient to enhance the stability of high concentration formulations of clinically-relevant monoclonal antibodies without altering their pharmacokinetics or injectability. Through interfacial rheology and surface tension measurements, we demonstrate that the copolymer excipient competitively adsorbs to formulation interfaces. Further, through determination of monomeric composition and retained bioactivity through stressed aging, we show that this excipient confers a significant stability benefit to high concentration antibody formulations. Finally, we demonstrate that the excipient behaves as an inactive ingredient, having no significant impact on the pharmacokinetic profile of a clinically relevant antibody in mice. This amphiphilic copolymer excipient demonstrates promise as a simple formulation additive to create stable, high concentration antibody formulations, thereby enabling improved treatment options such as a route-of-administration switch from low concentration intravenous (IV) to high concentration subcutaneous (SC) delivery while reducing dependence on the cold chain.

Abstract Messenger RNA (mRNA) delivered in lipid nanoparticles (LNPs) rose to the forefront of vaccine candidates during the COVID-19 pandemic due in part to scalability, adaptability, and potency. Yet there remain critical areas for improvements of these vaccines in durability and breadth of humoral responses. In this work, we explore a modular strategy to target mRNA/LNPs to antigen presenting cells with an injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel depot technology which recruits key immune cells and forms an immunological niche in vivo. We characterize this niche on a single cell level and find it is highly tunable through incorporation of adjuvants like MPLAs and 3M-052. Delivering commercially available SARS-CoV-2 mRNA vaccines in PNP hydrogels improves the durability and quality of germinal center reactions, and the magnitude, breadth, and durability of humoral responses. The tunable immune niche formed within PNP hydrogels effectively skews immune responses based on encapsulated adjuvants, creating opportunities to precisely modulate mRNA/LNP vaccines for various indications from infectious diseases to cancers.

Abstract Over the past few decades, the development of potent and safe immune-activating adjuvant technologies has become the heart of intensive research in the constant fight against highly mutative and immune evasive viruses such as influenza, SARS-CoV-2, and HIV. Herein, we developed a modular saponin-based nanoparticle platform incorporating toll-like receptor agonists (TLRas) such as TLR1/2a, TLR4a, TLR7/8a, or a mixture of TLR4a and TLR7/8a adjuvants and denoted them as TLR1/2a-SNP, TLR4a-SNP, TLR7/8a-SNP, and TLR4a-TLR7/8a-SNP respectively. These TLRa-SNPs greatly improved the potency, durability, breadth, and neutralization of both COVID-19 and HIV vaccine candidates, suggesting the potential broad application of this newly designed adjuvant technology to a range of different antigens. More importantly, in addition to their potency, different formulations of TLRa-SNPs induced unique acute cytokine and immune-signaling profiles, leading to specific Th-responses that could be of interest depending on the target disease for prevention. Overall, this work demonstrates a modular TLRa-SNP adjuvant platform which could have a major impact on modern vaccine indications.

The threat of future coronavirus pandemics requires developing cost-effective vaccine technologies that provide broad and long-lasting protection against diverse circulating and emerging strains. Here we report a multivalent liposomal hydrogel depot vaccine technology comprising the receptor binding domain (RBD) of up to four relevant SARS and MERS coronavirus strains non-covalently displayed on the surface of the liposomes within the hydrogel structure. The multivalent presentation and sustained exposure of RBD antigens improved the potency, neutralizing activity, durability, and consistency of antibody responses across homologous and heterologous coronavirus strains in a naive murine model. When administrated in animals previously exposed to the wild-type SARS-CoV-2 antigens, liposomal hydrogels elicited durable antibody responses against the homologous SARS and MERS strains for over 6 months and elicited neutralizing activity against the immune-evasive SARS-CoV-2 variant Omicron BA.4/BA.5. Overall, the tunable antigen-decorated liposomal hydrogel platform we report here generates robust and durable humoral responses across diverse coronaviruses, supporting global efforts to effectively respond to future viral outbreaks.

Abstract Supramolecular hydrogels formed through polymer-nanoparticle interactions are promising biocompatible materials for translational medicines. This class of hydrogels exhibits shear-thinning behavior and rapid recovery of mechanical properties following applied stresses, providing desirable attributes for formulating sprayable and injectable therapeutics. Characterization of hydrogel composition and loading of encapsulated drugs is critical to achieving desired rheological behavior as well as tunable in vitro and in vivo payload release kinetics. However, quantitation of hydrogel compositions is challenging due to material complexity, heterogeneity, high molecular weight, and the lack of chromophores. Here, we present a label-free approach to simultaneously determine hydrogel polymeric components and encapsulated payloads by coupling a reversed phase liquid chromatographic method with a charged aerosol detector (RPLC-CAD). The hydrogel studied consists of modified hydroxypropylmethylcellulose, self-assembled PEG-b-PLA nanoparticles, and a therapeutic compound, Bimatoprost. The three components were resolved and quantitated using the RPLC-CAD method with a C4 stationary phase. The method demonstrated robust performance, applicability to alternative cargos (i.e. proteins), and was suitable for composition analysis as well as for evaluating in vitro release of cargos from the hydrogel. Moreover, this method can be used to monitor polymer degradation and material stability, which can be further elucidated by coupling the RPLC method with high resolution mass spectrometry and a Fourier-transform based deconvolution algorithm. To our knowledge, this is the first RPLC-CAD method for characterizing the critical quality attributes of supramolecular hydrogels. We envision this analytical strategy could be generalized to characterize other classes of supramolecular hydrogels, establish structure-property relationships, and provide rational design guidance in hydrogel drug product development.

Development of effective vaccines for infectious diseases has been one of the most successful global health interventions in history. Though, while ideal subunit vaccines strongly rely on antigen and adjuvant(s) selection, the mode and timescale of exposure to the immune system has often been overlooked. Unfortunately, poor control over the delivery of many adjuvants, which play a key role in enhancing the quality and potency of immune responses, can limit their efficacy and cause off-target toxicities. There is critical need for new adjuvant delivery technologies to enhance their efficacy and boost vaccine performance. Nanoparticles (NPs) have been shown to be ideal carriers for improving antigen delivery due to their shape and size, which mimic viral structures, but have been generally less explored for adjuvant delivery. Here, we describe the design of self-assembled poly(ethylene glycol)-b-poly(lactic acid) nanoparticles decorated with CpG, a potent TLR9 agonist, to increase adjuvanticity in COVID-19 vaccines. By controlling the surface density of CpG, we show that intermediate valency is a key factor for TLR9 activation of immune cells. When delivered with the SARS-CoV-2 spike protein, CpG NP adjuvants greatly improve the magnitude and duration of antibody responses when compared to free CpG, and result in overall greater breadth of immunity against variants of concern. Moreover, encapsulation of CpG NPs into injectable polymeric-nanoparticle (PNP) hydrogels enhance the spatiotemporal control over co-delivery of CpG NP adjuvant and spike protein antigen such that a single immunization of hydrogel-based vaccines generates comparable humoral responses as a typical prime-boost regimen of soluble vaccines. These delivery technologies can potentially reduce the costs and burden of clinical vaccination, both of which are key elements in fighting a pandemic.