Abstract We report a novel, nanoparticle formulation of the SHH pathway inhibitor vismodegib that improves efficacy for medulloblastoma treatment while reducing toxicity. Systemic therapies for brain tumors are complicated by restricted blood-brain barrier (BBB) permeability and dose-limiting extraneural toxicity, therefore improved delivery approached are needed. Here we show how a nanoparticle delivery system addresses these obstacles, bringing new efficacy to previously ineffective therapy. Vismodegib has been a promising agent for patients with SHH- subgroup medulloblastoma and is FDA-approved for basal cell carcinoma. However, vismodegib has limited benefit for patients with SHH-driven medulloblastoma, due to off-target toxicities and the development of resistance during therapy. We encapsulated vismodegib in polyoxazoline block copolymer micelles (POx-vismo). We then evaluated POx-vismo using transgenic mice engineered to develop endogenous medulloblastomas, testing the novel agent in a preclinical model with native vasculature and tumor microenvironment. POx-vismo showed improved CNS pharmacokinetics and reduced systemic and bone toxicity. Mechanistic studies show that POx nanoparticles did not enter the CNS, but rather acted within the vascular compartment to improve drug delivery by decreasing drug binding to serum proteins and reducing the volume of distribution. POx-vismo demonstrated improved efficacy, extending the survival of medulloblastoma-bearing mice. Our results show the potential for a simple, non-targeted nanoparticle formulation to improve systemic brain tumor therapy, and specifically to enhance vismodegib therapy for SHH-driven cancers.

Abstract Infiltration of immunosuppressive cells into the breast tumor microenvironment (TME) is associated with suppressed effector T cell (Teff) responses, accelerated tumor growth, and poor clinical outcomes. Previous studies from our group and others identified infiltration of immunosuppressive myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) and regulatory T cells (Tregs) as critical contributors to immune dysfunction in the orthotopic triple-negative breast cancer (TNBC) tumor model limiting the efficacy of adoptive cellular therapy. However, approaches to target these cells specifically in the TME are currently lacking. To overcome this barrier, polymeric micelles nanoparticles (PMNPs) were used for co-delivery of small molecule drugs activating Toll-like receptors 7 and 8 (TLR7/8) and inhibiting PI3K delta. The immunomodulation of the TME by TLR7/8 agonist and PI3K inhibitor altered macrophage polarization, reduced MDSC accumulation and selectively decreased tissue-resident Tregs in the TME, while enhancing the T and B cell adaptive immune response. PMNPs significantly enhanced the anti-tumor activity of local radiation therapy (RT) in mice bearing orthotopic TNBC tumors compared to RT alone. Taken together, these data demonstrate that RT combined with a nanoformulated immunostimulant restructured the TME and has promising potential for future translation combined with RT for patients with TNBC.

Abstract The presence of immunosuppressive immune cells in cancer is a significant barrier to the generation of therapeutic immune responses. Similarly, in vivo triple-negative breast cancer (TNBC) models often contain prevalent tumor-associated macrophages in the tumor microenvironment (TME), resulting in breast cancer initiation, invasion, and metastasis by generating immunosuppressive environment. Here, we test systemic chemoimmunotherapy using small-molecule agents, paclitaxel (PTX), and colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) inhibitor, PLX3397, to enhance the adaptive T cell immunity against TNBCs in immunocompetent mouse TNBC models. PTX and PLX3397 are very poorly soluble in water and shown poor therapeutic outcomes in TNBC animal models in conventional formulation. To address the challenge for the delivery of insoluble drugs to TNBC, we use high-capacity poly(2-oxazoline) (POx)-based polymeric micelles to greatly improve the solubility and widen the therapeutic index of such drugs. The results demonstrate that high-dose PTX in POx, even as a single agent, exerts strong effects on TME and induces the long-term immune memory. In addition, we demonstrate that the PTX and PLX3397 combination provides consistent therapeutic improvement across several TNBC models, resulting from the repolarization of the immunosuppressive TME and enhanced T cell immune response that suppress both the primary tumor growth and metastasis. Overall, the work emphasizes the benefit of drug reformulation and outlines potential translational path for both PTX and PTX with PLX3397 combination therapy using POx polymeric micelles for the treatment of TNBC.

Abstract CDK4/6 inhibitors hold promise for brain tumor treatment, but efficacy has been limited by recurrence in both preclinical models and clinical trials. To address recurrence, we tested a nanoparticle formulation of the CDK4/6 inhibitor palbociclib (POx-palbo) in mice genetically-engineered to develop SHH-driven medulloblastoma. We then analyzed medulloblastomas in mice receiving palbociclib treatment, and compared the efficacy of combining palbociclib with specific inhibitors suggested by our analysis. POx-Palbo showed reduced toxicity compared to conventional palbociclib, was tolerable in parenteral administration, improved CNS pharmacokinetics, and extended survival of mice with medulloblastoma. Recurrence, however, remained problematic as fractions of tumor cells proliferated during therapy. ScRNA-seq identified a gene expression pattern unique to proliferating medulloblastoma cells in POx-Palbo-treated mice, marked by up-regulation of the glutamate transporter Slc1a2 and down-regulation of diverse ribosomal genes. Reduced mTORC1 signaling, suggested by ribosomal suppression in POx-Palbo-treated tumors was confirmed by decreased 4EBP1 phosphorylation (p4EBP1). Further reducing mTORC1 activity by combining POx-Palbo with the mTORC1 inhibitor sapanisertib produced mutually enhancing effects, with increased suppression of both pRB and p4EBP1, and prolonged mouse survival compared to either agent alone. In contrast, targeting cell cycle progression by combining POx-Palbo with the SHH-pathway inhibitor vismodegib, or with the replication-targeting agents gemcitabine or etoposide, failed to enhance efficacy. Our data show the potential of nanoparticle formulation and scRNA-seq analysis of resistance to improve brain tumor treatment, and identify POx-palbo plus sapanisertib as effective combinatorial therapy for SHH medulloblastoma. This combination may be appropriate for testing in patients with recurrence, who need new options.

Abstract The rise of the novel virus SARS-CoV2 which causes the disease known as COVID-19 has led to a global pandemic claiming millions of lives. With no clinically approved treatment for COVID-19, physicians initially struggled to treat the disease and there is still need for improved anti-viral therapies in this area. We conceived early in the pandemic that an inhalable formulation of the drug Remdesivir which directly targets the virus at the initial site of infection could improve therapeutic outcomes in COVID-19. We developed a set of requirements that would be conducive to rapid drug approval: 1) try to use GRAS or GRAS similar reagents 2) minimize excipient concentration and 3) achieve a working concentration of 5 mg/mL Remdesivir to achieve a deliverable dose which is 5-10% of the IV dose. In this work, we discovered that Poly(2-oxazoline) block copolymers can stabilize drug nanocrystal suspensions and provide suitable formulation characteristics for aerosol delivery while maintaining anti-viral efficacy. We believe POx block copolymers can be used as a semi-ubiquitous stabilizer for the rapid development of nanocrystal formulations for new and existing diseases.

Abstract Triple‐negative breast cancer (TNBC) is notoriously difficult to treat due to the lack of targetable receptors and sometimes poor response to chemotherapy. The transforming growth factor beta (TGFβ) family of proteins and their receptors (TGFRs) are highly expressed in TNBC and implicated in chemotherapy‐induced cancer stemness. Here, we evaluated combination treatments using experimental TGFR inhibitors (TGFβi), SB525334 (SB), and LY2109761 (LY) with paclitaxel (PTX) chemotherapy. These TGFβi target TGFR‐I (SB) or both TGFR‐I and TGFR‐II (LY). Due to the poor water solubility of these drugs, we incorporated each of them in poly(2‐oxazoline) (POx) high‐capacity polymeric micelles (SB‐POx and LY‐POx). We assessed their anticancer effect as single agents and in combination with micellar PTX (PTX‐POx) using multiple immunocompetent TNBC mouse models that mimic human subtypes (4T1, T11‐Apobec and T11‐UV). While either TGFβi or PTX showed a differential effect in each model as single agents, the combinations were consistently effective against all three models. Genetic profiling of the tumors revealed differences in the expression levels of genes associated with TGFβ, epithelial to mesenchymal transition (EMT), TLR‐4, and Bcl2 signaling, alluding to the susceptibility to specific gene signatures to the treatment. Taken together, our study suggests that TGFβi and PTX combination therapy using high‐capacity POx micelle delivery provides a robust antitumor response in multiple TNBC subtype mouse models.

Infiltration of immunosuppressive cells into the breast tumor microenvironment (TME) is associated with suppressed effector T cell (Teff) responses, accelerated tumor growth, and poor clinical outcomes. Previous studies from our group and others identified infiltration of immunosuppressive myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) and regulatory T cells (Tregs) as critical contributors to immune dysfunction in the orthotopic claudin-low tumor model, limiting the efficacy of adoptive cellular therapy. However, approaches to target these cells in the TME are currently lacking. To overcome this barrier, polymeric micellular nanoparticles (PMNPs) were used for the co-delivery of small molecule drugs activating Toll-like receptors 7 and 8 (TLR7/8) and inhibiting PI3K delta (PI3Kδ). The immunomodulation of the TME by TLR7/8 agonist and PI3K inhibitor led to type 1 macrophage polarization, decreased MDSC accumulation and selectively decreased tissue-resident Tregs in the TME, while enhancing the T and B cell adaptive immune responses. PMNPs significantly enhanced the anti-tumor activity of local radiation therapy (RT) in mice bearing orthotopic claudin-low tumors compared to RT alone. Taken together, these data demonstrate that RT combined with a nanoformulated immunostimulant diminished the immunosuppressive TME resulting in tumor regression. These findings set the stage for clinical studies of this approach.

About 40% of the NSCLC patients have Stage IV cancer at the time of diagnosis. The only viable treatment options for metastatic disease are systemic chemotherapy and immunotherapy. Nonetheless, chemoresistance remains a major cause of chemotherapy failure. New immunotherapeutic modalities such as anti-PD1 checkpoint blockade have shown promise; however, response to such strategies is highly variable across patients. Here, we show that our novel poly(2-oxazoline) (POx) based nanomicellar formulation of Resiquimod, an imidazoquinoline TLR 7/8 agonist, had a superior tumor inhibitory effect in a metastatic model of lung adenocarcinoma, relative to anti-PD1 immune checkpoint blockade therapy as well as platinum-based chemotherapy, which is the mainstay of treatment for NSCLC. Investigation of the in vivo immune status following Resiquimod PM (POx micellar formulation of Resiquimod) treatment showed that Resiquimod-based stimulation of antigen-presenting cells in the tumor microenvironment resulted in the mobilization of anti-tumor CD8+ immune response. Our study demonstrates the promise of optimally delivered and nano-formulated Resiquimod as a new immunomodulating therapeutic strategy for the treatment of metastatic NSCLC.

Abstract The present study expands the versatility of cationic poly(2-oxazoline) (POx) copolymers as a PEG-free platform for gene delivery to immune cells, such as monocytes and macrophages. Several block copolymers are developed by varying non-ionic hydrophilic blocks (poly(2-methyl-2-oxazoline) (pMeOx) or poly(2-ethyl-2-oxazoline) (pEtOx), cationic blocks, and an optional hydrophobic block (poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (iPrOx). The cationic blocks are produced by side chain modification of 2-methoxy-carboxyethyl-2-oxazoline (MestOx) block precursor with diethylenetriamine (DET) or tris(2-aminoethyl)amine (TREN). For the attachment of a targeting ligand, mannose, we employed azide-alkyne cycloaddition click chemistry methods. Of the two cationic side chains, polyplexes made with DET-containing copolymers transfect macrophages significantly better than those made with TREN-based copolymer. Likewise, non-targeted pEtOx-based diblock copolymer is more active in cell transfection than pMeOx-based copolymer. The triblock copolymer with hydrophobic block iPrOx performs poorly compared to the diblock copolymer which lacks this additional block. Surprisingly, attachment of a mannose ligand to either of these copolymers is inhibitory for transfection. Despite similarities in size and design, mannosylated polyplexes result in lower cell internalization compared to non-mannosylated polyplexes. Thus, PEG-free, non-targeted DET- and pEtOx-based diblock copolymer outperforms other studied structures in the transfection of macrophages and displays transfection levels comparable to GeneJuice, a commercial non-lipid transfection reagent.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is notoriously difficult to treat due to the lack of targetable receptors and sometimes poor response to chemotherapy. The transforming growth factor-beta (TGFβ) family of proteins and their receptors (TGFR) are highly expressed in TNBC and implicated in chemotherapy-induced cancer stemness. Here we evaluated combination treatments using experimental TGFR inhibitors (TGFβi), SB525334 (SB), and LY2109761 (LY) with Paclitaxel (PTX) chemotherapy. These TGFβi target TGFR-I (SB) or both TGFR-I&II (LY). Due to the poor water solubility of these drugs, we incorporated each of them in poly(2-oxazoline) (POx) high-capacity polymeric micelles (SB-POx and LY-POx). We assessed their anti-cancer effect as single agents and in combination with micellar Paclitaxel (PTX-POx) using multiple immunocompetent TNBC mouse models that mimic human subtypes (4T1, T11-Apobec and T11-UV). While either TGFβi or PTX showed a differential effect in each model as single agents, the combinations were consistently effective against all three models. Genetic profiling of the tumors revealed differences in the expression levels of genes associated with TGFβ, EMT, TLR-4, and Bcl2 signaling, alluding to the susceptibility to specific gene signatures to the treatment. Taken together, our study suggests that TGFβi and PTX combination therapy using high-capacity POx micelle delivery provides a robust anti-tumor response in multiple TNBC subtype mouse models.