Endocytosis in endothelial cells (ECs) is important for many biomedical applications, including drug delivery by nano- and microscale carriers. However, little is known about how carrier geometry influences endothelial drug targeting, intracellular trafficking, and effects. We studied this using prototype polymer carriers of various sizes (0.1–10 μm) and shapes (spheres versus elliptical disks). Carriers were targeted to intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1), a transmembrane glycoprotein that is upregulated in many pathologies and used as a target for intraendothelial drug delivery. ECs internalized anti-ICAM-coated carriers of up to several microns in size via cell adhesion molecule–mediated endocytosis. This pathway is distinct from caveolar and clathrin endocytosis that operate for submicron-size objects. Carrier geometry was found to influence endothelial targeting in the vasculature, and the rate of endocytosis and lysosomal transport within ECs. Disks had longer half-lives in circulation and higher targeting specificity in mice, whereas spheres were endocytosed more rapidly. Micron-size carriers had prolonged residency in prelysosomal compartments, beneficial for endothelial antioxidant protection by delivered catalase. Submicron carriers trafficked to lysosomes more readily, optimizing effects of acid sphingomyelinase (ASM) enzyme replacement in a model of lysosomal storage disease. Therefore, rational design of carrier geometry will help optimize endothelium-targeted therapeutics.

Abstract Acute lung inflammation has severe morbidity, as seen in COVID-19 patients. Lung inflammation is accompanied or led by massive accumulation of neutrophils in pulmonary capillaries (“margination”). We sought to identify nanostructural properties that predispose nanoparticles to accumulate in pulmonary marginated neutrophils, and therefore to target severely inflamed lungs. We designed a library of nanoparticles and conducted an in vivo screen of biodistributions in naive mice and mice treated with lipopolysaccharides. We found that supramolecular organization of protein in nanoparticles predicts uptake in inflamed lungs. Specifically, nanoparticles with agglutinated protein (NAPs) efficiently home to pulmonary neutrophils, while protein nanoparticles with symmetric structure ( e.g. viral capsids) are ignored by pulmonary neutrophils. We validated this finding by engineering protein-conjugated liposomes that recapitulate NAP targeting to neutrophils in inflamed lungs. We show that NAPs can diagnose acute lung injury in SPECT imaging and that NAP-like liposomes can mitigate neutrophil extravasation and pulmonary edema arising in lung inflammation. Finally, we demonstrate that ischemic ex vivo human lungs selectively take up NAPs, illustrating translational potential. This work demonstrates that structure-dependent interactions with neutrophils can dramatically alter the biodistribution of nanoparticles, and NAPs have significant potential in detecting and treating respiratory conditions arising from injury or infections.

ABSTRACT Selective drug delivery to injured regions of the brain is an elusive, but biomedically important, goal. It is tempting to co-opt migrating white blood cells (WBC) to carry drugs to the injured brain, using natural WBC tropism. Current approaches to load cargoes to WBC have limited utility, particularly in acute conditions, due to the need for time consuming ex vivo manipulation and loading of cells. Physiological, in vivo loading of WBC may be advantageous in this scenario. Here we devised such a strategy, capitalizing on the unique features of the direct blood exchange between brain and lungs. Mediators emanating from the injured brain directly travel to the pulmonary vasculature via venous flow. In response to these mediators, WBCs, transiently residing in the pulmonary microvascular lumen, disembark and flow with arterial blood to the brain microvasculature, where they adhere and transmigrate to the brain parenchyma via the local chemoattractant gradient. We posited that direct in vivo targeting of cargoes to the pulmonary WBC pool may provide drug transfer to brain via this natural mechanism. To test this, we intravenously injected agents targeted to intercellular adhesion molecule 1 (ICAM) in mice with acute brain inflammation caused by direct injection of tumor necrosis factor alpha (TNF-α). We found that: A) At 2 hours, >20% of ICAM/NP accumulated in lungs, predominantly in WBCs; B) At 6 and 22 hours, ICAM/NP pulmonary uptake markedly decreased; C) In contrast, ICAM/NP uptake in brain increased ~5-fold in this time interval, concomitantly with migration of WBCs to the brain. Cranial window fluorescent microscopy confirmed WBC transport of ICAM/NP to the brain in TNF-α-challenged mice beyond the BBB. Importantly, demonstrating the pharmacologic relevance of this strategy, dexamethasone-loaded ICAM/liposomes abrogated brain edema in this model. In sum, coopting the natural homing of WBC from the lungs via ICAM-targeting to injured brain is an attractive strategy for precise interventions for treatment of acute brain injuries. VISUAL ABSTRACT

Abstract Nanomedicine has long pursued the goal of targeted delivery to specific organs and cell types but has not achieved this goal with the vast majority of targets. One rare example of success in this pursuit has been the 25+ years of studies targeting the lung endothelium using nanoparticles conjugated to antibodies against endothelial surface molecules. However, here we show that such “endothelial-targeted” nanocarriers also effectively target the lungs’ numerous marginated neutrophils, which reside in the pulmonary capillaries and patrol for pathogens. We show that marginated neutrophils’ uptake of many of these “endothelial-targeted” nanocarriers is on par with endothelial uptake. This generalizes across diverse nanomaterials and targeting moieties and was even found with physicochemical lung tropism (i.e., without targeting moieties). Further, we observed this in ex vivo human lungs and in vivo healthy mice, with an increase in marginated neutrophil uptake of nanoparticles caused by local or distant inflammation. These findings have implications for nanomedicine development for lung diseases. These data also suggest that marginated neutrophils, especially in the lungs, should be considered a major part of the reticuloendothelial system (RES), with a special role in clearing nanoparticles that adhere to the lumenal surfaces of blood vessels. Graphical Abstract

Lipid nanoparticles (LNPs) have emerged as the dominant platform for RNA delivery, based on their success in the COVID-19 vaccines and late-stage clinical studies in other indications. However, we and others have shown that LNPs induce severe inflammation, and massively aggravate pre-existing inflammation. Here, using structure-function screening of lipids and analyses of signaling pathways, we elucidate the mechanisms of LNP-associated inflammation and demonstrate solutions. We show that LNPs' hallmark feature, endosomal escape, which is necessary for RNA expression, also directly triggers inflammation by causing endosomal membrane damage. Large, irreparable, endosomal holes are recognized by cytosolic proteins called galectins, which bind to sugars on the inner endosomal membrane and then regulate downstream inflammation. We find that inhibition of galectins abrogates LNP-associated inflammation, both in vitro and in vivo . We show that rapidly biodegradable ionizable lipids can preferentially create endosomal holes that are smaller in size and reparable by the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) pathway. Ionizable lipids producing such ESCRT-recruiting endosomal holes can produce high expression from cargo mRNA with minimal inflammation. Finally, we show that both routes to non-inflammatory LNPs, either galectin inhibition or ESCRT-recruiting ionizable lipids, are compatible with therapeutic mRNAs that ameliorate inflammation in disease models. LNPs without galectin inhibition or biodegradable ionizable lipids lead to severe exacerbation of inflammation in these models. In summary, endosomal escape induces endosomal membrane damage that can lead to inflammation. However, the inflammation can be controlled by inhibiting galectins (large hole detectors) or by using biodegradable lipids, which create smaller holes that are reparable by the ESCRT pathway. These strategies should lead to generally safer LNPs that can be used to treat inflammatory diseases.

For medical emergencies, such as acute ischemic stroke, rapid drug delivery to the target site is essential. For many small molecule drugs, this goal is unachievable due to poor solubility that prevents intravenous administration, and less obviously, by extensive partitioning to plasma proteins and red blood cells (RBCs), which greatly slows delivery to the target. Here we study these effects and how they can be solved by loading into nanoscale drug carriers. We focus on fingolimod, a small molecule drug that is FDA-approved for treatment of multiple sclerosis, which has also shown promise in the treatment of stroke. Unfortunately, fingolimod has poor solubility and very extensive partitioning to plasma proteins and RBCs (in whole blood, 86% partitions to RBCs, 13.96% to plasma proteins, and 0.04% is free). We develop a liposomal formulation that slows the partitioning of fingolimod to RBCs and plasma proteins, enables intravenous delivery, and additionally prevents fingolimod toxicity to RBCs. The liposomal formulation nearly completely prevented fingolimod adsorption to plasma proteins (association with plasma proteins was 98.4 ± 0.4% for the free drug vs. 5.6 ± 0.4% for liposome-loaded drug). When incubated with whole blood in vitro, the liposomal formulation greatly slowed partitioning of fingolimod to RBCs and also eliminated deleterious effects of fingolimod on RBC rigidity, morphology, and hemolysis. In vivo, the liposomal formulation delayed fingolimod partitioning to RBCs for over 30 min, a critical time window for stroke. Fingolimod-loaded liposomes showed improved efficacy in a mouse model of post-stroke neuroinflammation, completely sealing the leaky blood-brain barrier (114 ± 11.5% reduction in albumin leak into the brain for targeted liposomes vs. 38 ± 16.5% reduction for free drug). This effect was only seen for liposomes modified with antibodies to enable targeted delivery to the site of action, and not in unmodified, long-circulating liposomes. Thus, loading fingolimod into liposomes prevented partitioning to RBCs and associated toxicities and enabled targeted delivery. This paradigm can be used for tuning the blood distribution of small molecule drugs for the treatment of acute illnesses requiring rapid pharmacologic intervention.

Abstract After more than 100 failed drug trials for acute ischemic stroke (AIS), one of the most commonly cited reasons for the failure has been that drugs achieve very low concentrations in the at-risk penumbra. To address this problem, here we employ nanotechnology to significantly enhance drug concentration in the penumbra’s blood-brain barrier (BBB), whose increased permeability in AIS has long been hypothesized to kill neurons by exposing them to toxic plasma proteins. To devise drug-loaded nanocarriers targeted to the BBB, we conjugated them with antibodies that bind to various cell adhesion molecules on the BBB endothelium. In the transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) mouse model, nanocarriers targeted with VCAM antibodies achieved the highest level of brain delivery, nearly 2 orders of magnitude higher than untargeted ones. VCAM-targeted lipid nanoparticles loaded with either a small molecule drug (dexamethasone) or mRNA (encoding IL-10) reduced cerebral infarct volume by 35% or 73%, respectively, and both significantly lowered mortality rates. In contrast, the drugs delivered without the nanocarriers had no effect on AIS outcomes. Thus, VCAM-targeted lipid nanoparticles represent a new platform for strongly concentrating drugs within the compromised BBB of penumbra, thereby ameliorating AIS. Graphical abstract Acute ischemic stroke induces upregulation of VCAM. We specifically targeted upregulated VCAM in the injured region of the brain with drug- or mRNA-loaded targeted nanocarriers. Nanocarriers targeted with VCAM antibodies achieved the highest brain delivery, nearly orders of magnitude higher than untargeted ones. VCAM-targeted nanocarriers loaded with dexamethasone and mRNA encoding IL-10 reduced infarct volume by 35% and 73%, respectively, and improved survival rates.

Abstract Two camps have emerged in the targeting of nanoparticles to specific organs and cell types: affinity moiety targeting, which conjugates nanoparticles to antibodies or similar molecules that bind to known surface markers on cells; and physicochemical tropism, which achieves specific organ uptake based on the nanoparticle’s physical or chemical features (e.g., binding to endogenous proteins). Because these camps are largely non-overlapping, the two targeting approaches have not been directly compared or combined. Here we do both, using intravenous (IV) lipid nanoparticles (LNPs) whose original design goal was targeting to the lungs’ endothelial cells. For an affinity moiety, we utilized PECAM antibodies, and for physicochemical tropism, we used cationic lipids, both having been heavily studied for lung targeting. Surprisingly, the two methods yield nearly identical levels of lung uptake. However, aPECAM LNPs display much greater specificity for endothelial cells. Intriguingly, LNPs that possess both targeting methods had >2-fold higher lung uptake than either method alone. The combined-targeting LNPs also achieved greater uptake in already inflamed lungs, and greater uptake in alveolar epithelial cells. To understand how the macro-scale route of delivery affects organ targeting, we compared IV injection vs. intra-arterial (IA) injection into the carotid artery. We found that IA combined-targeting LNPs achieve 35% of the injected dose per gram (%ID/g) in the brain, a level superior to any other reported targeting method. Thus, combining affinity moiety targeting and physicochemical tropism provides benefits that neither targeting method achieves alone. Graphical Abstract

Lipid nanoparticles (LNPs) have become the dominant drug delivery technology in industry, holding the promise to deliver RNA to up- or down-regulate any protein of interest. LNPs have been targeted to specific cell types or organs by physicochemical targeting, in which LNP's lipid compositions are adjusted to find mixtures with the desired tropism. In a popular approach, physicochemical targeting is accomplished by formulating with charged lipids. Negatively charged lipids localize LNPs to the spleen, and positively charged lipids to the lungs. Here we found that lung-tropic LNPs employing cationic lipids induce massive thrombosis. We demonstrate that thrombosis is induced in the lungs and other organs, and greatly exacerbated by pre-existing inflammation. This clotting is induced by a variety of formulations with cationic lipids, including LNPs and non-LNP nanoparticles. The mechanism depends on the LNPs binding to fibrinogen and inducing platelet and thrombin activation. Based on these mechanisms, we engineered multiple solutions which enable positively charged LNPs to target the lungs while not inducing thrombosis. Our findings implicate thrombosis as a major barrier that blood erects against LNPs with cationic components and illustrate how physicochemical targeting approaches must be investigated early for risks and re-engineered with a careful understanding of biological mechanisms.