Effective treatments of neurodegenerative diseases require drugs to be actively transported across the blood-brain barrier (BBB). However, nanoparticle drug carriers explored for this purpose show negligible brain uptake, and the lack of basic understanding of nanoparticle-BBB interactions underlies many translational failures. Here, using two-photon microscopy in mice, we characterize the receptor-mediated transcytosis of nanoparticles at all steps of delivery to the brain in vivo. We show that transferrin receptor-targeted liposome nanoparticles are sequestered by the endothelium at capillaries and venules, but not at arterioles. The nanoparticles move unobstructed within endothelium, but transcytosis-mediated brain entry occurs mainly at post-capillary venules, and is negligible in capillaries. The vascular location of nanoparticle brain entry corresponds to the presence of perivascular space, which facilitates nanoparticle movement after transcytosis. Thus, post-capillary venules are the point-of-least resistance at the BBB, and compared to capillaries, provide a more feasible route for nanoparticle drug carriers into the brain.

SUMMARY Treatments of neurodegenerative diseases require biologic drugs to be actively transported across the blood-brain barrier (BBB). To answer outstanding questions regarding transport mechanisms, we determined how and where transcytosis occurs at the BBB. Using two-photon microscopy, we characterized the transport of therapeutic nanoparticles at all steps of delivery to the brain and at the nanoscale resolution in vivo . Transferrin receptor-targeted nanoparticles were taken up by endothelium at capillaries and venules, but not at arterioles. The nanoparticles moved unobstructed within endothelial cells, but transcytosis across the BBB occurred only at post-capillary venules, where endothelial and glial basement membranes form a perivascular space that can accommodate biologics. In comparison, transcytosis was absent in capillaries with closely apposed basement membranes. Thus, post-capillary venules, not capillaries, provide an entry point for transport of large molecules across the BBB, and targeting therapeutic agents to this locus may be an effective way for treating brain disorders. HIGHLIGHTS Integration of drug carrier nanotechnology with two-photon microscopy in vivo Real-time nanoscale-resolution imaging of nanoparticle transcytosis to the brain Distinct trafficking pattern in the endothelium of cerebral venules and capillaries Venules, not capillaries, is the locus for brain uptake of therapeutic nanoparticles

Abstract A widespread strategy to increase the transport of therapeutic peptides across cellular membranes has been to attach lipid moieties to the peptide backbone (lipidation) to enhance their intrinsic membrane interaction. Efforts in vitro and in vivo investigating the correlation between lipidation characteristics and peptide membrane translocation efficiency have traditionally relied on end-point read-out assays and trial-and-error-based optimization strategies. Consequently, the molecular details of how therapeutic peptide lipidation affects it’s membrane permeation and translocation mechanisms remain unresolved. Here we employed salmon calcitonin as a model therapeutic peptide and synthesized nine double lipidated analogs with varying lipid chain lengths. We used single giant unilamellar vesicle (GUV) calcein influx time-lapse fluorescence microscopy to determine how tuning the lipidation length can lead to an All-or-None GUV filling mechanism, indicative of a peptide mediated pore formation. Finally, we used a GUVs-containing-inner-GUVs assay to demonstrate that only peptide analogs capable of inducing pore formation show efficient membrane translocation. Our data provided the first mechanistic details on how therapeutic peptide lipidation affects their membrane perturbation mechanism and demonstrated that fine-tuning lipidation parameters could induce an intrinsic pore-forming capability. These insights and the microscopy based workflow introduced for investigating structure-function relations could be pivotal for optimizing future peptide design strategies. Graphical Abstract Highlights - Lipidating the therapeutic peptide salmon calcitonin alters its biophysical characteristics, including oligomer size, hydrophobicity and membrane activity. - Fluorescent microscopy of single GUVs enables the determination of peptide mediated reporter dye influx behavior as either graded or All-or-None, which is coupled to either smaller membrane perturbations or peptide pore formation. - Modulating the number of hydrocarbons constituting the lipidation moieties determines the membrane permeation mechanism. - By increasing the lipid chain length lipidated of salmon calcitonin goes from displaying smaller membrane perturbations to a peptide pore formation mechanism. - Effective membrane translocation of lipidated salmon calcitonin requires a peptide mediated pore forming mechanism.