Background The healthy vascular endothelium, which forms the barrier between blood and the surrounding tissues, is known to efficiently respond to stress signals like hypoxia and inflammation by adaptation of cellular physiology and the secretion of (soluble) growth factors and cytokines. Exosomes are potent mediators of intercellular communication. Their content consists of RNA and proteins from the cell of origin, and thus depends on the condition of these cells at the time of exosome biogenesis. It has been suggested that exosomes protect their target cells from cellular stress through the transfer of RNA and proteins. We hypothesized that endothelium‐derived exosomes are involved in the endothelial response to cellular stress, and that exosome RNA and protein content reflect the effects of cellular stress induced by hypoxia, inflammation or hyperglycemia. Methods We exposed cultured endothelial cells to different types of cellular stress (hypoxia, TNF‐α‐induced activation, high glucose and mannose concentrations) and compared mRNA and protein content of exosomes produced by these cells by microarray analysis and a quantitative proteomics approach. Results We identified 1,354 proteins and 1,992 mRNAs in endothelial cell‐derived exosomes. Several proteins and mRNAs showed altered abundances after exposure of their producing cells to cellular stress, which were confirmed by immunoblot or qPCR analysis. Conclusion Our data show that hypoxia and endothelial activation are reflected in RNA and protein exosome composition, and that exposure to high sugar concentrations alters exosome protein composition only to a minor extend, and does not affect exosome RNA composition.

Signaling between endothelial cells, endothelial progenitor cells, and stromal cells is crucial for the establishment and maintenance of vascular integrity and involves exosomes, among other signaling pathways. Exosomes are important mediators of intercellular communication in immune signaling, tumor survival, stress responses, and angiogenesis. The ability of exosomes to incorporate and transfer messenger RNAs (mRNAs) encoding for "acquired" proteins or micro RNAs (miRNAs) repressing "resident" mRNA translation suggests that they can influence the physiological behavior of recipient cells. We demonstrate that miR-214, an miRNA that controls endothelial cell function and angiogenesis, plays a dominant role in exosome-mediated signaling between endothelial cells. Endothelial cell-derived exosomes stimulated migration and angiogenesis in recipient cells, whereas exosomes from miR-214-depleted endothelial cells failed to stimulate these processes. Exosomes containing miR-214 repressed the expression of ataxia telangiectasia mutated in recipient cells, thereby preventing senescence and allowing blood vessel formation. Concordantly, specific reduction of miR-214 content in exosome-producing endothelial cells abolishes the angiogenesis stimulatory function of the resulting exosomes. Collectively, our data indicate that endothelial cells release miR-214-containing exosomes to stimulate angiogenesis through the silencing of ataxia telangiectasia mutated in neighboring target cells.

Cardiac progenitor cell (CPC)-derived small extracellular vesicles (sEVs) exhibit great potential to stimulate cardiac repair. However, the multifaceted nature of sEV heterogeneity presents a challenge in understanding the distinct mechanisms underlying their regenerative abilities. Here, a dual-step multimodal flowthrough and size-exclusion chromatography method was applied to isolate and separate CPC-derived sEV subpopulations to study the functional differences related to cardiac repair responses. Three distinct sEV subpopulations were identified with unique protein profiles. Functional cell assays for cardiac repair-related processes demonstrated that the middle-sized and smallest-sized sEV subpopulations exhibited the highest pro-angiogenic and anti-fibrotic activities. Proteasome activity was uniquely seen in the smallest-sized subpopulation. The largest-sized subpopulation showed no effect in any of the functional assays. This research uncovers the existence of sEV subpopulations, each characterized by a distinct composition and biological function. Enhancing our understanding of sEV heterogeneity will provide valuable insights into sEV mechanisms of action, ultimately accelerating the translation of sEV therapeutics.

Abstract Intracellular delivery of protein and RNA therapeutics represents a major challenge. Here, we developed highly potent engineered extracellular vesicles (EVs) by incorporating essential bio-inspired attributes required for effective delivery. These comprise engineered mini-intein proteins with self-cleavage activity for active cargo loading and release, and fusogenic VSV-G protein to activate productive endosomal escape. Combining these components allowed high efficiency recombination and genome editing in vitro following EV-mediated delivery of Cre recombinase and Cas9/sgRNA RNP cargoes, respectively. In vivo , single dose EV-mediated Cre delivery to the brains of Cre-LoxP R26-LSL-tdTomato reporter mice resulted in greater than 40% and 30% recombined cells in hippocampus and cortex respectively. In addition, we demonstrate therapeutic potential of this platform by showing inhibition of LPS-induced systemic inflammation via delivery of a super-repressor of NF-ĸB activity. Our data establish these engineered EVs as a novel platform for effective delivery of multimodal therapeutic cargoes, including for efficient genome editing.

ABSTRACT Spinal muscular atrophy (SMA) is a neuromuscular disorder caused by loss of survival motor neuron (SMN) protein. While SMN restoration therapies are beneficial, they are not a cure. We aimed to identify novel treatments to alleviate muscle pathology combining transcriptomics, proteomics and perturbational datasets. This revealed potential drug candidates for repurposing in SMA. One of the lead candidates, harmine, was further investigated in cell and animal models, improving multiple disease phenotypes, including SMN expression and lifespan. Our work highlights the potential of multiple, parallel data driven approaches for development of novel treatments for use in combination with SMN restoration therapies.

Abstract CRISPR-Cas9 gene editing technology offers the potential to permanently repair genes containing pathological mutations. However, efficient intracellular delivery of the Cas9 ribonucleoprotein complex remains one of the major hurdles in its therapeutic application. Extracellular vesicles (EVs) are biological nanosized membrane vesicles released by cells, that play an important role in intercellular communication. Due to their innate capability of intercellular transfer of proteins, RNA, and various other biological cargos, EVs have emerged as a novel promising strategy for the delivery of macromolecular biotherapeutics, including CRISPR-Cas9 ribonucleoproteins. Here, we present a versatile, modular strategy for the loading and delivery of Cas9. We leverage the high affinity binding of MS2 coat proteins (MCPs) fused to EV-enriched proteins to MS2 aptamers incorporated into single guide RNAs (sgRNAs), in combination with a UV-activated photocleavable linker domain, PhoCl. Combined with the Vesicular stomatitis virus G (VSV-G) protein this modular platform enables efficient loading and subsequent delivery of the Cas9 ribonucleoprotein complex, which shows critical dependence on the incorporation and activation of the photocleavable linker domain. As this approach does not require any direct fusion of Cas9 to EV-enriched proteins, we demonstrate that Cas9 can readily be exchanged for other variants, including transcriptional activator dCas9-VPR and adenine base editor ABE8e, as confirmed by various sensitive fluorescent reporter assays. Taken together, we describe a robust and modular strategy for successful Cas9 delivery, which can be applied for CRISPR-Cas9-based genetic engineering as well as transcriptional regulation, underlining the potential of EV-mediated strategies for the treatment of genetic diseases.

Intercellular communication via extracellular vesicles (EVs) has been identified as a vital component of a steadily expanding number of physiological and pathological processes. To accommodate these roles, EVs are equipped with specific proteins, lipids, and RNA molecules by EV-secreting cells. Consequently, EVs have highly heterogeneous molecular compositions. Given that surface molecules on EVs determine their interactions with their environment, it is conceivable that EV functionality differs between subpopulations with varying surface compositions. However, it has been technically challenging to examine such functional heterogeneity due to a lack of non-destructive methods to separate EV subpopulations based on their surface markers. Here, we used Design-of-Experiments methodology to rapidly optimize a protocol, which we name 9EV-Elute9, to elute intact EVs from commercially available Protein G-coated magnetic beads. We captured EVs from various cell types on these beads using antibodies against CD9, CD63, CD81 and a custom-made protein binding phosphatidylserine (PS). When applying EV-Elute, over 70% of bound EVs could be recovered from the beads in a pH- and incubation time-dependent fashion. EV subpopulations were found to be devoid of co-isolated protein contaminants observed in whole EV isolates and showed intact morphology by electron microscopy. Proteinase K protection assays showed a mild and reversible decrease of EV membrane integrity during elution. Depending on the type of capturing antibody used, some antibodies remained EV-associated after elution. EV subpopulations showed uptake patterns similar to whole EV isolates in co-cultures of peripheral blood mononuclear cells and endothelial cells. However, in Cas9/sgRNA delivery assays, CD63+ EVs showed a lower capacity to functionally deliver cargo as compared to CD9+, CD81+ and PS+ EVs. Taken together, we developed a novel, easy-to-use platform to isolate and functionally compare surface marker-defined EV subpopulations. Importantly, this platform does not require specialized equipment or reagents and is universally applicable to any capturing antibody and EV source. Hence, EV-Elute can open new opportunities to study EV functionality at the subpopulation level.

ABSTRACT Nucleic acid nanostructures offer unique opportunities for biomedical applications due to their sequence-programmable structures and functions, which enable the design of complex responses to molecular cues. Control of the biological activity of therapeutic cargoes based on endogenous molecular signatures holds the potential to overcome major hurdles in translational research: cell specificity and off-target effects. Endogenous microRNAs can be used to profile cell type and cell state and are ideal inputs for RNA nanodevices. Here we present CRISPR MiRAGE (miRNA-activated genome editing), a tool comprising a dynamic single-guide RNA that senses miRNA complexed with Argonaute proteins and controls downstream CRISPR activity based on the detected miRNA signature. We study the operation of the miRNA-sensing single-guide RNA and attain muscle-specific activation of gene editing through CRISPR MiRAGE in models of Duchenne muscular dystrophy. By enabling RNA-controlled gene editing activity, this technology creates opportunities to advance tissue-specific CRISPR treatments for human diseases.

CRISPR gene therapy holds the potential to cure a variety of genetic diseases by targeting causative mutations and introducing double stranded DNA breaks, subsequently allowing the host DNA repair mechanisms to introduce mutations. One option to introduce precise gene corrections is via the homology-directed repair (HDR) pathway. HDR can introduce a range of desired mutations dictated by a DNA template which holds a corrected DNA sequence which is written into the targeted gene. The problem in utilizing this pathway is that CRISPR-induced double stranded DNA breaks are repaired more often through the non-homologous end joining (NHEJ) pathway, which does not use a designed template and introduces random DNA damage in the form of insertions and deletions at the cut site. Since HDR activation depends on many interconnected processes in the cell, we aimed to screen a small library of drug compounds in clinical use or clinical development for cancer, to steer the DNA repair process towards preferential HDR activation. We included compounds in our screen based on three relevant mechanisms in CRISPR gene editing: the cell cycle, DNA repair processing and chromosomal packing. We included forty compounds, based on these criteria, screened their toxicity and dosed them in sub-toxic concentrations in cells during genome editing. Of these forty compounds we identified nine potential hits to have an effect on preferential activation of the HDR pathway over NHEJ. Alisertib, rucaparib and belinostat revealed a significant and major effect on gene editing pathway selection in further validation. Alisertib, an Aurora kinase A inhibitor, showed a particularly strong effect towards improving HDR over NHEJ. We subsequently investigated this effect at the genetic level and in a murine hepatoma cell line, which corroborated the initial findings. Alisertib led to an over 4-fold increase in preferential gene correction over gene knock-out, at a dose of 0.3 micromolar. However, the observations that Aurora kinase A inhibitors show considerable cytotoxicity (<50% cell viability) and can induce morphological changes at this concentration pose a limitation for the direct use of these inhibitors as HDR enhancers. However these findings do implicate that the pathways mediated by Aurora kinase A strongly influence HDR outcomes, which warrants further investigation into the downstream pathways driving this effect.