Exosomes are naturally occurring nanosized vesicles that have attracted considerable attention as drug delivery vehicles in the past few years. Exosomes are comprised of natural lipid bilayers with the abundance of adhesive proteins that readily interact with cellular membranes. We posit that exosomes secreted by monocytes and macrophages can provide an unprecedented opportunity to avoid entrapment in mononuclear phagocytes (as a part of the host immune system), and at the same time enhance delivery of incorporated drugs to target cells ultimately increasing drug therapeutic efficacy. In light of this, we developed a new exosomal-based delivery system for a potent antioxidant, catalase, to treat Parkinson's disease (PD). Catalase was loaded into exosomes ex vivo using different methods: the incubation at room temperature, permeabilization with saponin, freeze–thaw cycles, sonication, or extrusion. The size of the obtained catalase-loaded exosomes (exoCAT) was in the range of 100–200 nm. A reformation of exosomes upon sonication and extrusion, or permeabilization with saponin resulted in high loading efficiency, sustained release, and catalase preservation against proteases degradation. Exosomes were readily taken up by neuronal cells in vitro. A considerable amount of exosomes was detected in PD mouse brain following intranasal administration. ExoCAT provided significant neuroprotective effects in in vitro and in vivo models of PD. Overall, exosome-based catalase formulations have a potential to be a versatile strategy to treat inflammatory and neurodegenerative disorders.

Exosomes have recently come into focus as “natural nanoparticles” for use as drug delivery vehicles. Our objective was to assess the feasibility of an exosome-based drug delivery platform for a potent chemotherapeutic agent, paclitaxel (PTX), to treat MDR cancer. Herein, we developed different methods of loading exosomes released by macrophages with PTX (exoPTX), and characterized their size, stability, drug release, and in vitro antitumor efficacy. Reformation of the exosomal membrane upon sonication resulted in high loading efficiency and sustained drug release. Importantly, incorporation of PTX into exosomes increased cytotoxicity more than 50 times in drug resistant MDCKMDR1 (Pgp +) cells. Next, our studies demonstrated a nearly complete co-localization of airway-delivered exosomes with cancer cells in a model of murine Lewis lung carcinoma pulmonary metastases, and a potent anticancer effect in this mouse model. We conclude that exoPTX holds significant potential for the delivery of various chemotherapeutics to treat drug resistant cancers. Exosomes are membrane-derived natural vesicles of ~40 - 200 nm size. They have been under extensive research as novel drug delivery vehicles. In this article, the authors developed exosome-based system to carry formulation of PTX and showed efficacy in the treatment of multi-drug resistant cancer cells. This novel system may be further developed to carry other chemotherapeutic agents in the future.

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.

SUMMARY Recurrence after therapy is the primary life-threatening complication of medulloblastoma. In Sonic Hedgehog (SHH)-subgroup medulloblastoma, OLIG2-expressing tumour stem cells are crucial to recurrence. We investigated the potential of the small-molecule OLIG2 inhibitor CT-179 to decrease recurrence in patient-derived organoids, mice genetically-engineered to develop SHH-driven MB, and mice with MB patient-derived xenograft (PDX) tumours. We found that OLIG2 mRNA significantly correlated with poor survival in patients with SHH-MB, but not other subgroups. CT-179 rapidly downregulated OLIG2 protein in vitro and displayed nanomolar IC 50 values. CT-179 arrested MB cells at G 2 /M, with degradation of cyclin B1 and phospho-CDK1 inducing apoptosis. In vivo CT-179 induced similar cell cycle changes in MBs in Smo -mutant mice and significantly increased mouse survival. In both MB organoids and mouse models, CT-179 combined with radiotherapy showed greater efficacy than either treatment alone. These data highlight the potential for OLIG2-targeted therapy to improve MB outcomes by targeting recurrent disease.

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 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.

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), a cofactor for hundreds of metabolic reactions in all cell types, plays an essential role in diverse cellular processes including metabolism, DNA repair, and aging. NAD metabolism is critical to maintain cellular homeostasis in response to the environment, and disruption of this homeostasis is associated with decreased cellular NAD levels in aging. Conversely, elevated NAD synthesis is required to sustain the increased metabolic rate of cancer cells. Consequently, therapeutic strategies aimed to both upregulate NAD (i.e. NAD-boosting nutriceuticals) or downregulate NAD (inhibitors of key NAD synthesis enzymes) are being actively investigated. However, how this essential metabolic pathway is impacted by the environment remains unclear. Here, we report an unexpected trans-kingdom cooperation between bacteria and mammalian cells wherein bacteria contribute to host NAD biosynthesis. Bacteria confer cancer cells with the resistance to inhibitors of NAMPT, the rate-limiting enzyme in the main vertebrate NAD salvage pathway. Mechanistically, a microbial nicotinamidase (PncA) that converts nicotinamide to nicotinic acid, a key precursor in the alternative deamidated NAD salvage pathway, is necessary and sufficient for this protective effect. This bacteria-enabled resistance mechanism that allows the mammalian host to bypass the drug-induced metabolic block represents a novel paradigm in drug resistance. This host-microbe metabolic interaction also enables bacteria to dramatically enhance the NAD-boosting efficiency of nicotinamide supplementation in vitro and in vivo, demonstrating a crucial role of microbes, gut microbiota in particular, in organismal NAD metabolism.

Objective: evaluate 1) if targeting of platinum nagnetic nanoclusters will promote uptake in osteosarcoma cells in vitro, 2) targeting will improve uptake and delivery in murine OSA in vivo compared to free carboplatin, 3) incorporation into a sustained release carrier (SRC) will prolong local retention in vivo. Methods: Complex stability and peptide loading was assessed. Drug release was tested at pH 7.4 and 5.5 and cellular uptake and cytotoxity determined for canine, human and mouse osteosarcoma. Subcutaneous murine osteosarcoma was induced and optimal dose and time until tumor growth were established. Tumor bearing mice were equally distributed between 8 treatment (0.5mg carboplatin/mouse) and 1 control group and sacrificed at 8 predetermined time points between 1 hour and 8 days. Blood, tumor site and organs were harvested for tissue ferron and platinum content analysis (ICP-MS). Results: Carboplatin was preferentially released at pH5.5. Targeting increased cellular uptake for carboplatin 15.2-fold, and decreased IC50 at 24h and 48h. At 2 weeks, a SC injection of 1-1.56 live cells/mouse reliably resulted in a palpable tumor. Plasma platinum peaked prior to 6 hours while plasma ferron peaked at 24-48 hours. Intratumoral delivery did not lead to a sustained local presence while local delivery in a SRC after surgery did. Conclusions: Targeting of MNC-carboplatin fis possible with an increased osteosarcoma cell uptake in vitro. In vivo metastatic uptake could not be assessed due to lack of metastases, but local delivery in a SRC yielded high local, and low systemic platinum concentrations in mice.

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.