The therapeutic efficacy of systemic drug-delivery vehicles depends on their ability to evade the immune system, cross the biological barriers of the body and localize at target tissues. White blood cells of the immune system--known as leukocytes--possess all of these properties and exert their targeting ability through cellular membrane interactions. Here, we show that nanoporous silicon particles can successfully perform all these actions when they are coated with cellular membranes purified from leukocytes. These hybrid particles, called leukolike vectors, can avoid being cleared by the immune system. Furthermore, they can communicate with endothelial cells through receptor-ligand interactions, and transport and release a payload across an inflamed reconstructed endothelium. Moreover, leukolike vectors retained their functions when injected in vivo, showing enhanced circulation time and improved accumulation in a tumour.

The controlled delivery of nucleic acids to selected tissues remains an inefficient process mired by low transfection efficacy, poor scalability because of varying efficiency with cell type and location, and questionable safety as a result of toxicity issues arising from the typical materials and procedures employed. High efficiency and minimal toxicity in vitro has been shown for intracellular delivery of nuclei acids by using nanoneedles, yet extending these characteristics to in vivo delivery has been difficult, as current interfacing strategies rely on complex equipment or active cell internalization through prolonged interfacing. Here, we show that a tunable array of biodegradable nanoneedles fabricated by metal-assisted chemical etching of silicon can access the cytosol to co-deliver DNA and siRNA with an efficiency greater than 90%, and that in vivo the nanoneedles transfect the VEGF-165 gene, inducing sustained neovascularization and a localized sixfold increase in blood perfusion in a target region of the muscle. Efficient in vivo cytosolic delivery of nucleic acids through cell-membrane puncturing by an array of biodegradable silicon nanoneedles induces sustained local neovascularization in muscle.

A multitude of micro- and nanoparticles have been developed to improve the delivery of systemically administered pharmaceuticals, which are subject to a number of biological barriers that limit their optimal biodistribution. Bioinspired drug-delivery carriers formulated by bottom-up or top-down strategies have emerged as an alternative approach to evade the mononuclear phagocytic system and facilitate transport across the endothelial vessel wall. Here, we describe a method that leverages the advantages of bottom-up and top-down strategies to incorporate proteins derived from the leukocyte plasma membrane into lipid nanoparticles. The resulting proteolipid vesicles—which we refer to as leukosomes—retained the versatility and physicochemical properties typical of liposomal formulations, preferentially targeted inflamed vasculature, enabled the selective and effective delivery of dexamethasone to inflamed tissues, and reduced phlogosis in a localized model of inflammation. Lipid nanoparticles incorporating proteins from the leukocyte plasma membrane retain the properties of liposomal formulations and enable delivery of drugs to inflamed tissues.

Inference of gene regulatory networks (GRNs) can reveal cell state transitions from single-cell genomics data. However, obstacles to temporal inference from snapshot data are difficult to overcome. Single-nuclei multiomics data offer means to bridge this gap and derive temporal information from snapshot data using joint measurements of gene expression and chromatin accessibility in the same single cells. We developed popInfer to infer networks that characterize lineage-specific dynamic cell state transitions from joint gene expression and chromatin accessibility data. Benchmarking against alternative methods for GRN inference, we showed that popInfer achieves higher accuracy in the GRNs inferred. popInfer was applied to study single-cell multiomics data characterizing hematopoietic stem cells (HSCs) and the transition from HSC to a multipotent progenitor cell state during murine hematopoiesis across age and dietary conditions. From networks predicted by popInfer, we discovered gene interactions controlling entry to/exit from HSC quiescence that are perturbed in response to diet or aging.

Disparities in cancer patient responses have prompted widespread searches to identify differences in sensitive vs. non-sensitive populations and form the basis of personalized medicine. This customized approach is dependent upon the development of pathway-specific therapeutics in conjunction with biomarkers that predict patient responses. Here, we show that Cdk5 drives growth in subgroups of human patients with multiple types of neuroendocrine neoplasms. Phosphoproteomics and high throughput screening identified novel phosphorylation sites downstream of Cdk5. These phosphorylation events serve as biomarkers of Cdk5 activity and effectively pinpoint Cdk5-driven tumors. Toward achieving targeted therapy, we demonstrate that mouse models of neuroendocrine cancer are responsive to selective Cdk5 inhibitors and biomimetic nanoparticles are effective vehicles for enhanced tumor targeting and reduction of drug toxicity. Finally, we show that biomarkers of Cdk5-dependent tumors effectively predict response to anti-Cdk5 therapy in patient-derived xenografts. Thus, a phosphoprotein-based diagnostic assay combined with Cdk5-targeted therapy is a rational treatment approach for neuroendocrine malignancies.