We have devised and tested a new strategy for selectively delivering molecules to tumor cells. Cellular association of polyarginine-based, cell-penetrating peptides (CPPs) is effectively blocked when they are fused to an inhibitory domain made up of negatively charged residues. We call these fusions activatable CPPs (ACPPs) because cleavage of the linker between the polycationic and polyanionic domains, typically by a protease, releases the CPP portion and its attached cargo to bind to and enter cells. Association with cultured cells typically increases 10-fold or more upon linker cleavage. In mice xenografted with human tumor cells secreting matrix metalloproteinases 2 and 9, ACPPs bearing a far-red-fluorescent cargo show in vivo contrast ratios of 2-3 and a 3.1-fold increase in standard uptake value for tumors relative to contralateral normal tissue or control peptides with scrambled linkers. Ex vivo slices of freshly resected human squamous cell carcinomas give similar or better contrast ratios. Because CPPs are known to import a wide variety of nonoptical contrast and therapeutic agents, ACPPs offer a general strategy toward imaging and treating disease processes associated with linker-cleaving activities such as extracellular proteases.

High-resolution imaging of molecules intrinsically involved in malignancy and metastasis would be of great value for clinical detection and staging of tumors. We now report in vivo visualization of matrix metalloproteinase activities by MRI and fluorescence of dendrimeric nanoparticles coated with activatable cell penetrating peptides (ACPPs), labeled with Cy5, gadolinium, or both. Uptake of such nanoparticles in tumors is 4- to 15-fold higher than for unconjugated ACPPs. With fluorescent molecules, we are able to detect residual tumor and metastases as small as 200 μm, which can be resected under fluorescence guidance and analyzed histopathologically with fluorescence microscopy. We show that uptake via this mechanism is comparable to that of other near infrared protease sensors, with the added advantage that the approach is translatable to MRI. Once activated, the Gd-labeled nanoparticles deposit high levels (30–50 μM) of Gd in tumor parenchyma with even higher amounts deposited in regions of infiltrative tumor, resulting in useful T 1 contrast lasting several days after injection. These results should improve MRI-guided clinical staging, presurgical planning, and intraoperative fluorescence-guided surgery. The approach may be generalizable to deliver radiation-sensitizing and chemotherapeutic agents.

The completeness of tumor removal during surgery is dependent on the surgeon’s ability to differentiate tumor from normal tissue using subjective criteria that are not easily quantifiable. A way to objectively assess tumor margins during surgery in patients would be of great value. We have developed a method to visualize tumors during surgery using activatable cell-penetrating peptides (ACPPs), in which the fluorescently labeled, polycationic cell-penetrating peptide (CPP) is coupled via a cleavable linker to a neutralizing peptide. Upon exposure to proteases characteristic of tumor tissue, the linker is cleaved, dissociating the inhibitory peptide and allowing the CPP to bind to and enter tumor cells. In mice, xenografts stably transfected with green fluorescent protein show colocalization with the Cy5-labeled ACPPs. In the same mouse models, Cy5-labeled free ACPPs and ACPPs conjugated to dendrimers (ACPPDs) delineate the margin between tumor and adjacent tissue, resulting in improved precision of tumor resection. Surgery guided by ACPPD resulted in fewer residual cancer cells left in the animal after surgery as measured by Alu PCR. A single injection of ACPPD dually labeled with Cy5 and gadolinium chelates enabled preoperative whole-body tumor detection by MRI, intraoperative guidance by real-time fluorescence, intraoperative histological analysis of margin status by fluorescence, and postoperative MRI tumor quantification. Animals whose tumors were resected with ACPPD guidance had better long-term tumor-free survival and overall survival than animals whose tumors were resected with traditional bright-field illumination only.

Xyloglucan endohydrolase (XEH) and xyloglucan endotransglucosylase (XET) activities, encoded by xyloglucan endotransglucosylase-hydrolase (XTH) genes, are involved in cell wall extension by cutting or cutting and rejoining xyloglucan chains, respectively. However, the physiological significance of this biochemical activity remains incompletely understood. Here, we find that an XTH31 T-DNA insertion mutant, xth31, is more Al resistant than the wild type. XTH31 is bound to the plasma membrane and the encoding gene is expressed in the root elongation zone and in nascent leaves, suggesting a role in cell expansion. XTH31 transcript accumulation is strongly downregulated by Al treatment. XTH31 expression in yeast yields a protein with an in vitro XEH:XET activity ratio of >5000:1. xth31 accumulates significantly less Al in the root apex and cell wall, shows remarkably lower in vivo XET action and extractable XET activity, has a lower xyloglucan content, and exhibits slower elongation. An exogenous supply of xyloglucan significantly ameliorates Al toxicity by reducing Al accumulation in the roots, owing to the formation of an Al-xyloglucan complex in the medium, as verified by an obvious change in chemical shift of 27Al-NMR. Taken together, the data indicate that XTH31 affects Al sensitivity by modulating cell wall xyloglucan content and Al binding capacity.

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) make up a diverse group of industrially derived organic chemicals that are of significant concern due to their detrimental effects on human health and ecosystems. Although other technologies are available for removing PFAS, adsorption remains a viable and effective method. Accordingly, the current study reported a novel type of graphene oxide (GO)-based adsorbent and tested their removal performance toward removing PFAS from water. Among the eight adsorbents tested, GO modified by a cationic surfactant, cetyltrimethylammonium chloride (CTAC), GO-CTAC was found to be the best, showing an almost 100% removal for all 11 PFAS tested. The adsorption kinetics were best described by the pseudo-second-order model, indicating rapid adsorption. The isotherm data were well supported by the Toth model, suggesting that PFAS adsorption onto GO-CTAC involved complex interactions. Detailed characterization using scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy, Fourier transform infrared, thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the proposed adsorption mechanisms, including electrostatic and hydrophobic interactions. Interestingly, the performance of GO-CTAC was not influenced by the solution pH, ionic strength, or natural organic matter. Furthermore, the removal efficiency of PFAS at almost 100% in river water demonstrated that GO-CTAC could be a suitable adsorbent for capturing PFAS in real surface water.

Abstract Loss of basic utilities, such as drinking water and electricity distribution, were sustained for months in the aftermath of Hurricane Maria’s (HM) landfall in Puerto Rico (PR) in September 2017. The goal of this study was to assess if there was deterioration in biological quality of drinking water due to these disruptions. This study characterized the microbial composition of drinking water following HM across nine drinking water systems (DWSs) in PR and utilized an extended temporal sampling campaign to determine if changes in the drinking water microbiome were indicative of HM associated disturbance followed by recovery. In addition to monitoring water chemistry, the samples were subjected to culture independent targeted and non-targeted microbial analysis including quantitative PCR (qPCR) and genome-resolved metagenomics. The qPCR results showed that residual disinfectant was the major driver of bacterial concentrations in tap water with marked decrease in concentrations from early to late sampling timepoints. While Mycobacterium avium and Pseudomonas aeruginosa were not detected in any sampling locations and timepoints, genetic material from Leptospira and Legionella pneumophila were transiently detected in a few sampling locations. The majority of metagenome assembled genomes (MAGs) recovered from these samples were not associated with pathogens and were consistent with bacterial community members routinely detected in DWSs. Further, whole metagenome-level comparisons between drinking water samples collected in this study with samples from other full-scale DWS indicated no significant deviation from expected community membership of the drinking water microbiome. Overall, our results suggest that disruptions due to HM did not result in significant and sustained deterioration of biological quality of drinking water at our study sites. Graphical Abstract

Titanium dioxide nanoparticles (nTiO2) have been considered a possible carcinogen to humans, but most existing studies have overlooked the role of human enzymes in assessing the genotoxicity of nTiO2. Here, a toxicogenomics-based in vitro genotoxicity assay using a GFP-fused yeast reporter library was employed to elucidate the genotoxic potential and mechanisms of nTiO2. Moreover, two new GFP-fused yeast reporter libraries containing either human CYP1A1 or CYP1A2 genes were constructed by transformation to investigate the potential modulation of nTiO2 genotoxicity in the presence of human CYP enzymes. This study found a lack of appreciable nTiO2 genotoxicity as indicated by the yeast reporter library in the absence of CYP expression but a significantly elevated indication of genotoxicity in either CYP1A1- or CYP1A2-expressing yeast. The intracellular reactive oxygen species (ROS) measurement indicated significantly higher ROS in yeast expressing either enzyme. The detected mitochondrial DNA damage suggested mitochondria as one of the target sites for oxidative damage by nTiO2 in the presence of either one of the CYP enzymes. The results thus indicated that the genotoxicity of nTiO2 was enhanced by human CYP1A1 or CYP1A2 enzyme and was associated with elevated oxidative stress, which suggested that the similar mechanisms could occur in human cells.

Abstract Lattice light-sheet microscopy (LLSM) provides a crucial observation window into intra- and inter-cellular physiology of living specimens with high speed and low phototoxicity, however, at the diffraction-limited resolution or anisotropic super-resolution with structured illumination. Here we present the meta-learning-empowered reflective lattice light-sheet virtual structured illumination microscopy (Meta-rLLS-VSIM), which instantly upgrades LLSM to a near-isotropic super resolution of ∼120-nm laterally and ∼160-nm axially, more than twofold improvement in each dimension, without any modification of the optical system or sacrifice of other imaging metrics. Moreover, to alleviate the tremendous demands on training data and time necessitated by existing deep-learning (DL) methods, we devised an adaptive online training approach by synergizing the front-end imaging system and back-end meta-learning framework, which reduced the total time for data acquisition and model training down to tens of seconds. With this method, a new model can be well-trained with tenfold less data and three orders of magnitude less time than current standard supervised learning. We demonstrate the versatile functionalities of Meta-rLLS-VSIM by imaging a variety of bioprocesses with ultrahigh spatiotemporal resolution for long duration of hundreds of multi-color volumes, characterizing the dynamic regulation of contractile ring filaments during mitosis and the growth of pollen tubes, and delineating the nanoscale distributions, dispersion, and interaction pattern of multiple organelles in embryos and eukaryotic cells.