Stimuli-responsive capsules are of interest in drug delivery, fragrance release, food preservation, and self-healing materials. Many methods are used to trigger the release of encapsulated contents. Here we highlight mechanisms for the controlled release of encapsulated cargo that utilize chemical reactions occurring in solid polymeric shell walls. Triggering mechanisms responsible for covalent bond cleavage that result in the release of capsule contents include chemical, biological, light, thermal, magnetic, and electrical stimuli. We present methods for encapsulation and release, triggering methods, and mechanisms and conclude with our opinions on interesting obstacles for chemically induced activation with relevance for controlled release.

Vaccine efficacy is enhanced by optimizing the design of polymeric particles for adjuvant and antigen delivery. The efficacy of vaccine adjuvants such as Toll-like receptor agonists (TLRa) can be improved through formulation and delivery approaches. Here, we attached small molecule TLR-7/8a to polymer scaffolds (polymer–TLR-7/8a) and evaluated how different physicochemical properties of the TLR-7/8a and polymer carrier influenced the location, magnitude and duration of innate immune activation in vivo. Particle formation by polymer–TLR-7/8a was the most important factor for restricting adjuvant distribution and prolonging activity in draining lymph nodes. The improved pharmacokinetic profile by particulate polymer–TLR-7/8a was also associated with reduced morbidity and enhanced vaccine immunogenicity for inducing antibodies and T cell immunity. We extended these findings to the development of a modular approach in which protein antigens are site-specifically linked to temperature-responsive polymer–TLR-7/8a adjuvants that self-assemble into immunogenic particles at physiologic temperatures in vivo. Our findings provide a chemical and structural basis for optimizing adjuvant design to elicit broad-based antibody and T cell responses with protein antigens.

One hit wonder: A biomimetic transamination reaction has been developed that employs pyridoxal-5-phosphate to modify the N terminus of proteins and peptides under mild conditions. This technique introduces a uniquely reactive carbonyl group in a single location (see scheme), thus allowing further elaboration through oxime or hydrazone formation. This modification strategy is also compatible with proteins containing a free cysteine residue.

and materials or lack of scalability and vascular complexity of the fabrication approach. Here we show that the introduction of sacrificial fibers into woven preforms enables the seamless fabrication of 3D microvascular composites that are both strong and multifunctional. Underpinning the method is the efficient thermal depolymerization of catalyst-impregnated polylactide (PLA) fibers with simultaneous evaporative removal of the resulting lactide monomer. The hollow channels produced are high-fidelity inverse replicas of the original fiber’s diameter and trajectory. The method has yielded microvascular fiber-reinforced composites with channels over one meter in length that can be subsequently filled with a variety of liquids including aqueous solutions, organic solvents, and liquid metals. By circulating fluids with unique physical properties, we demonstrate the ability to create a new generation of biphasic pluripotent composite materials in which the solid phase provides strength and form while the liquid phase provides interchangeable functionality. Microvascular composite fabrication begins with the mechanized weaving of sacrifi cial fi bers into 3D woven glass

Abstract Trained immunity refers to the non-specific innate immune memory response triggered by the epigenetic and metabolic rewiring of innate immune cells. A strengthened innate immune system significantly improves disease resistance. However, very few trained immunity-inducing molecules have been identified. Almost all molecules for training are primarily immunogenic and then subsequently induce training. Non-immunogenic molecules that induce training could be employed in therapies without the concern of adverse inflammatory reactions. We identified a small molecule, A1155463, that modulates cellular metabolism to induce trained immunity in macrophages in-vitro . We show that nanomolar concentrations of these compounds uniquely alter only cellular metabolism without leading to apoptosis. We further observed that these compounds could induce training in an in-vivo model in mice. A1155463 training improved anti-tumor resistance to B16.F10 melanoma cells. The effect was enhanced upon combination with checkpoint therapy. In summary, we report the discovery of a novel trained immunity-inducing small molecule with enhanced anti-tumor properties.

Abstract Trained immunity improves disease resistance by strengthening our first line of defense, the innate immune system. Innate immune cells, predominantly macrophages, are epigenetically and metabolically rewired by β-glucan, a fungal cell wall component, to induce trained immunity. These trained macrophages exhibit increased co-stimulatory marker expression and altered cytokine production. Signaling changes from antigen-presenting cells, including macrophages, polarize T-cell responses. Recent work has shown that trained immunity can generally enhance protection against infection, and some work has shown increased protection with specific vaccines. It has been hypothesized that the trained cells themselves potentially modulate adaptive immunity in the context of vaccines. However, the mechanistic link between trained immunity on subsequent vaccinations to enhance antibody levels has not yet been identified. We report that trained immunity induced by a single dose of β-glucan increased antigen presentation in bone-marrow-derived macrophages (BMDMs) and CD4 + T cell proliferation in-vitro . Mice trained with a single dose of β-glucan a week before vaccination elicited higher antigen-specific antibody levels than untrained mice. Further experiments validate that macrophages mediate this increase. This effect persisted even after vaccinations with 100 times less antigen in trained mice. We report β-glucan training as a novel prophylactic method to enhance the effect of subsequent vaccines.

Summary The heterogeneity of innate immune cells facilitates efficient antigen presentation and immune activation in the presence of pathogens via cooperativity of various cell subsets and cell states but also obscures the contribution of individual antigen presenting cells (APCs) to overall immune response. 1 It has been hypothesized that a small number of APCs, which are more sensitive to the initial pathogen stimulus, are responsible for coordinating neighboring APCs in an effort to share the metabolic strain associated with heightened pathogen sensitivity. 2 In this study, we have identified a temporally-controlled state of dendritic cells (DCs) that demonstrate greater sensitivity to toll-like-receptor (TLR) agonists and secrete the majority of paracrine activating cytokines (TNFα, IL-6…ect). We were able to isolate this distinct population of DCs preferentially phagocytosed the majority of fluorescently labeled, TLR agonist conjugated microparticles (MPs). 3 We call this population First Responder cells (FRs) due to their ability to first uptake the MPs and activate neighboring APCs via paracrine signaling. We show that FRs exist in this state for <3 hours, cycle through this state on a <24-hour timescale and show a distinct mRNA profile. Furthermore, FRs are necessary for generation of adaptive responses both in vitro and in vivo. We also show that we can improve both IgG titers and CD8 responses in vivo by targeting two highly upregulated receptors on FR cells, DAP12 and PRG2. Given the significance of FR involvement in APC activation, this study has broad immunological value because it offers a critical first evaluation of a new APC cell state but also has important translational value for improving vaccine efficacy via FR targeting.

Abstract The innate immune response is vital for the success of prophylactic vaccines and immunotherapies. Control of signaling in innate immune pathways can improve prophylactic vaccines by inhibiting unfavorable systemic inflammation and immunotherapies by enhancing immune stimulation. In this work, we developed a machine learning-enabled active learning pipeline to guide in vitro experimental screening and discovery of small molecule immunomodulators that improve immune responses by altering the signaling activity of innate immune responses stimulated by traditional pattern recognition receptor agonists. Molecules were tested by in vitro high throughput screening (HTS) where we measured modulation of the nuclear factor κ -light-chain-enhancer of activated B-cells (NF- κ B) and the interferon regulatory factors (IRF) pathways. These data were used to train data-driven predictive models linking molecular structure to modulation of the NF- κ B and IRF responses using deep representational learning, Gaussian process regression, and Bayesian optimization. By interleaving successive rounds of model training and in vitro HTS, we performed an active learning-guided traversal of a 139,998 molecule library. After sampling only ∼ 2% of the library, we discovered viable molecules with unprecedented immunomodulatory capacity, including those capable of suppressing NF- κ B activity by up to 15-fold, elevating NF- κ B activity by up to 5-fold, and elevating IRF activity by up to 6-fold. We extracted chemical design rules identifying particular chemical fragments as principal drivers of specific immunomodulation behaviors. We validated the immunomodulatory effect of a subset of our top candidates by measuring cytokine release profiles. Of these, one molecule induced a 3-fold enhancement in IFN- β production when delivered with a cyclic di-nucleotide stimulator of interferon genes (STING) agonist. In sum, our machine learning-enabled screening approach presents an efficient immunomodulator discovery pipeline that has furnished a library of novel small molecules with a strong capacity to enhance or suppress innate immune signaling pathways to shape and improve prophylactic vaccination and immunotherapies.