Autologous cell transplantation holds enormous promise to restore organ and tissue functions in the treatment of various pathologies including endocrine, cardiovascular, and neurological diseases among others. Even though immune rejection is circumvented with autologous transplantation, clinical adoption remains limited due to poor cell retention and survival. Cell transplant success requires homing to vascularized environment, cell engraftment and importantly, maintenance of inherent cell function. To address this need, we developed a three dimensional (3D) printed cell encapsulation device created with polylactic acid (PLA), termed neovascularized implantable cell homing and encapsulation (NICHE). In this paper, we present the development and systematic evaluation of the NICHE in vitro, and the in vivo validation with encapsulated testosterone-secreting Leydig cells in Rag1−/− castrated mice. Enhanced subcutaneous vascularization of NICHE via platelet-rich plasma (PRP) hydrogel coating and filling was demonstrated in vivo via a chorioallantoic membrane (CAM) assay as well as in mice. After establishment of a pre-vascularized bed within the NICHE, transcutaneously transplanted Leydig cells, maintained viability and robust testosterone secretion for the duration of the study. Immunohistochemical analysis revealed extensive Leydig cell colonization in the NICHE. Furthermore, transplanted cells achieved physiologic testosterone levels in castrated mice. The promising results provide a proof of concept for the NICHE as a viable platform technology for autologous cell transplantation for the treatment of a variety of diseases.

Cell encapsulation is an attractive transplantation strategy to treat endocrine disorders. Transplanted cells offer a dynamic and stimulus-responsive system that secretes therapeutics based on patient need. Despite significant advancements, a challenge in allogeneic cell encapsulation is maintaining sufficient oxygen and nutrient exchange, while providing protection from the host immune system. To this end, we developed a subcutaneously implantable dual-reservoir encapsulation system integrating in situ prevascularization and local immunosuppressant delivery, termed NICHE. NICHE structure is 3D-printed in biocompatible polyamide 2200 and comprises of independent cell and drug reservoirs separated by a nanoporous membrane for sustained local release of immunosuppressant. Here we present the development and characterization of NICHE, as well as efficacy validation for allogeneic cell transplantation in an immunocompetent rat model. We established biocompatibility and mechanical stability of NICHE. Further, NICHE vascularization was achieved with the aid of mesenchymal stem cells. Our study demonstrated sustained local elution of immunosuppressant (CTLA4Ig) into the cell reservoir protected transcutaneously-transplanted allogeneic Leydig cells from host immune destruction during a 31-day study, and reduced systemic drug exposure by 12-fold. In summary, NICHE is the first encapsulation platform achieving both in situ vascularization and immunosuppressant delivery, presenting a viable strategy for allogeneic cell transplantation.

Abstract The current standard for cell encapsulation platforms is enveloping cells in semipermeable membranes that physically isolate transplanted cells from the host while allowing for oxygen and nutrient diffusion. However, long‐term viability and function of encapsulated cells are compromised by insufficient oxygen and nutrient supply to the graft. To address this need, a strategy to achieve enhanced vascularization of a 3D‐printed, polymeric cell encapsulation platform using platelet‐rich plasma (PRP) and mesenchymal stem cells (MSCs) is investigated. The study is conducted in rats and, for clinical translation relevance, in nonhuman primates (NHP). Devices filled with PRP, MSCs, or vehicle hydrogel are subcutaneously implanted in rats and NHP and the amount and maturity of penetrating blood vessels assessed via histopathological analysis. In rats, MSCs drive the strongest angiogenic response at early time points, with the highest vessel density and endothelial nitric oxide synthase (eNOS) expression. In NHP, PRP and MSCs result in similar vessel densities but incorporation of PRP ensues higher levels of eNOS expression. Overall, enrichment with PRP and MSCs yields extensive, mature vascularization of subcutaneous cell encapsulation devices. It is postulated that the individual properties of PRP and MSCs can be leveraged in a synergistic approach for maximal vascularization of cell encapsulation platforms.

Abstract The impact of pre-exposure prophylaxis (PrEP) on slowing the global human immunodeficiency virus (HIV) epidemic hinges on effective drugs and delivery platforms. Oral regimens have represented the pillar of HIV PrEP for years. However, variable adherence has spurred development of long-acting delivery systems, which also aim at increasing PrEP access, uptake and persistence. Here we present an ultra-long-acting and transcutaneously refillable subcutaneous nanofluidic implant for constant and sustained release of islatravir (ISL), a nucleoside reverse transcriptase translocation inhibitor, for HIV PrEP. In rhesus macaques, the ISL-eluting implants (nISL) achieved constant plasma ISL levels (median 3.14 nM) and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) ISL-triphosphate levels (ISL-TP) (median 0.16 pmol/10 6 cells) for over 20 months uninterrupted. These drug concentrations are above the established PrEP protection threshold. In two non-blinded, placebo-controlled studies with repeated low-dose rectal and vaginal SHIV SF162P3 challenges in male and female rhesus macaques, respectively, nISL implants conferred 100% protection against infection ( p =0.0005 and 0.0009, respectively between nISL and placebo control groups). The nISL implants were well tolerated with mild local tissue inflammation and no signs of systemic toxicity over the 20-month period. Overall, our refillable nISL implant is a promising ultra-long-acting delivery technology for HIV PrEP. One Sentence Summary An ultra-long-acting and subcutaneous refillable nanofluidic implant achieved preventive levels of islatravir in non-human primates for 20 months without refilling and conferred 100% protection against rectal and vaginal SHIV transmission.

In article number 2000670 by Alessandro Grattoni and co-workers, vascularization of a subcutaneously implantable cell encapsulation platform is enhanced via enrichment with plateletrich plasma (PRP) and mesenchymal stem cells (MSCs) in rats and non-human primates. Timepoint vascularity assessment demonstrates enrichment with PRP and MSCs increases blood vessel density and maturity inside the encapsulation devices, unveiling an optimal window for cell transplantation. Interspecies reproducibility points toward translatability of the technology.

Abstract Pre-exposure prophylaxis (PrEP) using antiretroviral oral drugs is effective at preventing HIV transmission when individuals adhere to the dosing regimen. Tenofovir alafenamide (TAF) is a potent antiretroviral drug, with numerous long-acting (LA) delivery systems under development to improve PrEP adherence. However, none has undergone preventive efficacy assessment. Here we show that LA TAF using a novel subcutaneous nanofluidic implant (nTAF) confers partial protection from HIV transmission. We demonstrate that sustained subcutaneous delivery through nTAF in rhesus macaques maintained tenofovir diphosphate concentration at a median of 390.00 fmol/10 6 peripheral blood mononuclear cells, 9 times above clinically protective levels. In a non-blinded, placebo-controlled rhesus macaque study with repeated low-dose rectal SHIV SF162P3 challenge, the nTAF cohort had a 62.50% reduction (95% CI: 1.72% to 85.69%; p =0.068) in risk of infection per exposure compared to the control. Our finding mirrors that of tenofovir disoproxil fumarate (TDF) monotherapy, where 60.00% protective efficacy was observed in macaques, and clinically, 67.00% reduction in risk with 86.00% preventive efficacy in individuals with detectable drug in the plasma. Overall, our nanofluidic technology shows potential as a subcutaneous delivery platform for long-term PrEP and provides insights for clinical implementation of LA TAF for HIV prevention.

Abstract Subcutaneous delivery of cell therapy is an appealing minimally-invasive strategy for the treatment of various diseases. However, the subdermal site is poorly vascularized making it inadequate for supporting engraftment, viability, and function of exogenous cells. In this study, we developed a 3D bioprinted scaffold composed of alginate/gelatin (Alg/Gel) embedded with mesenchymal stem cells (MSCs) to enhance vascularization and tissue ingrowth in a subcutaneous microenvironment. We identified bio-ink crosslinking conditions that optimally recapitulated the mechanical properties of subcutaneous tissue. We achieved controlled degradation of the Alg/Gel scaffold synchronous with host tissue ingrowth and remodeling. Further, in a rat model, the Alg/Gel scaffold was superior to MSC-embedded Pluronic hydrogel in supporting tissue development and vascularization of a subcutaneous site. While the scaffold alone promoted vascular tissue formation, the inclusion of MSCs in the bio-ink further enhanced angiogenesis. Our findings highlight the use of simple cell-laden degradable bioprinted structures to generate a supportive microenvironment for cell delivery. Graphical Abstract