The regulatory approval of Onpattro, a lipid nanoparticle-based short interfering RNA drug for the treatment of polyneuropathies induced by hereditary transthyretin amyloidosis, paves the way for clinical development of many nucleic acid-based therapies enabled by nanoparticle delivery.

Nanomedicines are extensively employed in cancer therapy. We here propose four strategic directions to improve nanomedicine translation and exploitation. (1) Patient stratification has become common practice in oncology drug development. Accordingly, probes and protocols for patient stratification are urgently needed in cancer nanomedicine, to identify individuals suitable for inclusion in clinical trials. (2) Rational drug selection is crucial for clinical and commercial success. Opportunistic choices based on drug availability should be replaced by investments in modular (pro)drug and nanocarrier design. (3) Combination therapies are the mainstay of clinical cancer care. Nanomedicines synergize with pharmacological and physical co-treatments, and should be increasingly integrated in multimodal combination therapy regimens. (4) Immunotherapy is revolutionizing the treatment of cancer. Nanomedicines can modulate the behaviour of myeloid and lymphoid cells, thereby empowering anticancer immunity and immunotherapy efficacy. Alone and especially together, these four directions will fuel and foster the development of successful cancer nanomedicine therapies. The use of nanomedicine in cancer requires the adoption of specific strategies to optimize its potential. This perspective proposes four strategies including the identification of patients for clinical trials, investments in modular nanocarrier design, the integration in multimodal combination therapy regimes and the inclusion in immunotherapy studies

Extracellular vesicles (EVs) are increasingly being recognized as candidate drug delivery systems due to their ability to functionally transfer biological cargo between cells. However, the therapeutic applicability of EVs may be limited due to a lack of cell-targeting specificity and rapid clearance of exogenous EVs from the circulation. In order to improve EV characteristics for drug delivery to tumor cells, we have developed a novel method for decorating EVs with targeting ligands conjugated to polyethylene glycol (PEG). Nanobodies specific for the epidermal growth factor receptor (EGFR) were conjugated to phospholipid (DMPE)-PEG derivatives to prepare nanobody-PEG-micelles. When micelles were mixed with EVs derived from Neuro2A cells or platelets, a temperature-dependent transfer of nanobody-PEG-lipids to the EV membranes was observed, indicative of a ‘post-insertion’ mechanism. This process did not affect EV morphology, size distribution, or protein composition. After introduction of PEG-conjugated control nanobodies to EVs, cellular binding was compromised due to the shielding properties of PEG. However, specific binding to EGFR-overexpressing tumor cells was dramatically increased when EGFR-specific nanobodies were employed. Moreover, whereas unmodified EVs were rapidly cleared from the circulation within 10 min after intravenous injection in mice, EVs modified with nanobody-PEG-lipids were still detectable in plasma for longer than 60 min post-injection. In conclusion, we propose post-insertion as a novel technique to confer targeting capacity to isolated EVs, circumventing the requirement to modify EV-secreting cells. Importantly, insertion of ligand-conjugated PEG-derivatized phospholipids in EV membranes equips EVs with improved cell specificity and prolonged circulation times, potentially increasing EV accumulation in targeted tissues and improving cargo delivery.

Lipid nanoparticles (LNPs) containing short interfering RNA (LNP-siRNA) and optimized ionizable cationic lipids are now clinically validated systems for silencing disease-causing genes in hepatocytes following intravenous administration. However, the mechanism of formation and certain structural features of LNP-siRNA remain obscure. These systems are formed from lipid mixtures (cationic lipid, distearoylphosphatidylcholine, cholesterol, and PEG-lipid) dissolved in ethanol that is rapidly mixed with siRNA in aqueous buffer at a pH (pH 4) where the ionizable lipid is positively charged. The resulting dispersion is then dialyzed against a normal saline buffer to remove residual ethanol and raise the pH to 7.4 (above the p Ka of the cationic lipid) to produce the finished LNP-siRNA systems. Here we provide cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) and X-ray evidence that the complexes formed between siRNA and ionizable lipid at pH 4 correspond to tightly packed bilayer structures with siRNA sandwiched between closely apposed monolayers. Further, it is shown that ionizable lipid not complexed to siRNA promotes formation of very small vesicular structures at pH 4 that coalesce to form larger LNP structures with amorphous electron dense cores at pH 7.4. A mechanism of formation of LNP-siRNA systems is proposed whereby siRNA is first sandwiched between closely apposed lipid monolayers at pH 4 and subsequently trapped in these structures as the pH is raised to 7.4, whereas ionizable lipid not interacting with siRNA moves from bilayer structure to adopt an amorphous oil phase located in the center of the LNP as the pH is raised. This model is discussed in terms of previous hypotheses and potential relevance to the design of LNP-siRNA systems.

Abstract Lipid nanoparticles (LNPs) are currently the most clinically advanced nonviral carriers for the delivery of small interfering RNA (siRNA). Free siRNA molecules suffer from unfavorable physicochemical characteristics and rapid clearance mechanisms, hampering the ability to reach the cytoplasm of target cells when administered intravenously. As a result, the therapeutic use of siRNA is crucially dependent on delivery strategies. LNPs can encapsulate siRNA to protect it from degradative endonucleases in the circulation, prevent kidney clearance, and provide a vehicle to deliver siRNA in the cell and induce its subsequent release into the cytoplasm. Here, the structure and composition of LNP–siRNA are described including how these affect their pharmacokinetic parameters and gene‐silencing activity. In addition, the evolution of LNP–siRNA production methods is discussed, as the development of rapid‐mixing platforms for the reproducible and scalable manufacturing has facilitated entry of LNP–siRNA into the clinic over the last decade. Finally, the potential of LNPs in delivering other nucleic acids, such as messenger RNA and CRISPR/Cas9 components, is highlighted alongside how a design‐of‐experiment approach may be used to improve the efficacy of LNP formulations.

Treatment of cancer patients with taxane-based chemotherapeutics, such as paclitaxel (PTX), is complicated by their narrow therapeutic index. Polymeric micelles are attractive nanocarriers for tumor-targeted delivery of PTX, as they can be tailored to encapsulate large amounts of hydrophobic drugs and achiv prolonged circulation kinetics. As a result, PTX deposition in tumors is increased, while drug exposure to healthy tissues is reduced. However, many PTX-loaded micelle formulations suffer from low stability and fast drug release in the circulation, limiting their suitability for systemic drug targeting. To overcome these limitations, we have developed PTX-loaded micelles which are stable without chemical cross-linking and covalent drug attachment. These micelles are characterized by excellent loading capacity and strong drug retention, attributed to π-π stacking interaction between PTX and the aromatic groups of the polymer chains in the micellar core. The micelles are based on methoxy poly(ethylene glycol)-b-(N-(2-benzoyloxypropyl)methacrylamide) (mPEG-b-p(HPMAm-Bz)) block copolymers, which improved the pharmacokinetics and the biodistribution of PTX, and substantially increased PTX tumor accumulation (by more than 2000%; as compared to Taxol or control micellar formulations). Improved biodistribution and tumor accumulation were confirmed by hybrid μCT-FMT imaging using near-infrared labeled micelles and payload. The PTX-loaded micelles were well tolerated at different doses, while they induced complete tumor regression in two different xenograft models (i.e., A431 and MDA-MB-468). Our findings consequently indicate that π-π stacking-stabilized polymeric micelles are promising carriers to improve the delivery of highly hydrophobic drugs to tumors and to increase their therapeutic index.

Designing nanoparticles with desired properties is challenging due to the large combinatorial space and complex structure–function relationships. This process can be accelerated by combining microfluidics, high content imaging and active learning.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) reflect the cell of origin in terms of nucleic acids and protein content. They are found in biofluids and represent an ideal liquid biopsy biomarker source for many diseases. Unfortunately, clinical implementation is limited by available technologies for EV analysis. We have developed a simple, robust and sensitive microscopy-based high-throughput assay (EVQuant) to overcome these limitations and allow widespread use in the EV community. The EVQuant assay can detect individual immobilized EVs as small as 35 nm and determine their concentration in biofluids without extensive EV isolation or purification procedures. It can also identify specific EV subpopulations based on combinations of biomarkers and is used here to identify prostate-derived urinary EVs as CD9-/CD63+. Moreover, characterization of individual EVs allows analysis of their size distribution. The ability to identify, quantify and characterize EV (sub-)populations in high-throughput substantially extents the applicability of the EVQuant assay over most current EV quantification assays.

Successfully employing therapeutic nucleic acids, such as small interfering RNA (siRNA), requires chemical modifications or the use of nanocarrier technology to prevent their degradation and facilitate intracellular delivery. Lipid nanoparticles (LNP) are among the most advanced nanocarriers and have facilitated the first siRNA therapeutic's clinical translation and approval. One of LNPs' major advantages is their applicability as modular platform technology due to the interchangeable siRNA payload. In addition, drug derivatization approaches can be used to synthesize lipophilic small molecule prodrugs that stably incorporate in LNPs. This provides ample opportunities to develop combination therapies by co-encapsulating multiple therapeutic agents in a single formulation. Here, we describe how the modular LNP platform can be applied for combined gene silencing and chemotherapy to induce additive anti-cancer effects. We show that various lipophilic taxane prodrug derivatives and siRNA against the androgen receptor, a prostate cancer driver, can be efficiently and stably co-encapsulated in LNPs. In addition, we demonstrate that prodrug incorporation does not affect LNPs' gene silencing ability and that the combination therapy induces additive therapeutic effects in vitro. Using a double-radiolabeling approach, we quantitively determined the LNPs' and prodrugs' pharmacokinetic properties and biodistribution following systemic administration in tumor-bearing mice. Our results indicate that co-encapsulation of siRNA and lipophilic prodrugs into LNPs could be an attractive and straightforward approach for combination therapy development.