Existing strategies to enhance peptide immunogenicity for cancer vaccination generally require direct peptide alteration, which, beyond practical issues, may impact peptide presentation and result in vaccine variability. Here, we report a simple adsorption approach using polyethyleneimine (PEI) in a mesoporous silica microrod (MSR) vaccine to enhance antigen immunogenicity. The MSR–PEI vaccine significantly enhanced host dendritic cell activation and T-cell response over the existing MSR vaccine and bolus vaccine formulations. Impressively, a single injection of the MSR–PEI vaccine using an E7 peptide completely eradicated large, established TC-1 tumours in about 80% of mice and generated immunological memory. When immunized with a pool of B16F10 or CT26 neoantigens, the MSR–PEI vaccine eradicated established lung metastases, controlled tumour growth and synergized with anti-CTLA4 therapy. Our findings from three independent tumour models suggest that the MSR-PEI vaccine approach may serve as a facile and powerful multi-antigen platform to enable robust personalized cancer vaccination. A strategy to enhance antigen immunogenicity is shown using polyethyleneimine adsorbed on mesoporous silica microrod vaccine as a platform for neoantigens, supporting potent humoral immune response and inhibition of tumour growth following vaccination.

Abstract Immunotherapy has had a tremendous impact on cancer treatment in the past decade, with hitherto unseen responses at advanced and metastatic stages of the disease. However, the aggressive brain tumor glioblastoma (GBM) is highly immunosuppressive and remains largely refractory to current immunotherapeutic approaches. The cGAS-STING cytoplasmic double stranded DNA (dsDNA) sensing pathway has emerged as a next-generation immunotherapy target with potent local immune stimulatory properties. Here, we investigated the status of the STING pathway in GBM and the modulation of the brain tumor microenvironment (TME) with the STING agonist ADU-S100. Our data reveal the presence of STING in human GBM specimens, where it stains strongly in the tumor vasculature. We show that human GBM explants can respond to STING agonist treatment by secretion of inflammatory cytokines. In murine GBM models, we show a profound shift in the tumor immune landscape after STING agonist treatment, with massive infiltration of the tumor-bearing hemisphere with innate immune cells including inflammatory macrophages, neutrophils and NK populations. Treatment of established murine intracranial GL261 and CT-2A tumors by biodegradable ADU-S100-loaded intracranial implants demonstrated a significant increase in survival in both models and long-term survival with immune memory in GL261. Responses to treatment were abolished by NK cell depletion. This study reveals therapeutic potential and deep remodeling of the TME by STING activation in GBM and warrants the further examination of STING agonists alone or in combination with other immunotherapies such as cancer vaccines, CAR T cells, NK therapies or immune checkpoint blockade. Significance statement Modulation of the immune microenvironment is critical for immunosuppressive and therapy refractory tumors like glioblastoma. Activation of the STING pathway deeply remodels the brain tumor environment and attracts innate immune cells and natural killer cell populations, producing a robust antitumor effect with long-term immune memory. We further show that human glioblastoma tissue can respond to the therapy and lay the foundations for combined intracranial immunotherapies by using crosslinked biodegradable brain implants.

Abstract Adoptive T cell therapy provides the T cell pool needed for immediate tumor debulking, but the infused T cells generally have a narrow repertoire for antigen recognition and limited ability for long-term protection. Here, we present a biomaterial platform that enhances adoptive T cell therapy by synergistically engaging the host immune system via in-situ antigen-free vaccination. T cells alone loaded into these localized cell depots provided significantly better control of subcutaneous B16-F10 tumors than T cells delivered through direct peritumoral injection or intravenous infusion. The anti-tumor response was significantly enhanced when T cell delivery was combined with biomaterial-driven accumulation and activation of host immune cells, as this prolonged the activation state of the delivered T cells, minimized host T cell exhaustion, and enabled long-term tumor control. This integrated approach provides both immediate tumor debulking and long-term protection against solid tumors, including against tumor antigen escape.

Vaccines have shown significant promise in eliciting protective and therapeutic responses. However, most effective vaccines require several booster shots, and it is challenging to generate potent responses against small molecules and synthetic peptide antigens often used to increase target specificity and improve vaccine stability. As continuous antigen uptake and processing by APCs and persistent toll-like receptor (TLR) priming have been shown to amplify antigen specific humoral immunity, we explored whether a single injection of a mesoporous silica micro-rod (MSR) vaccine containing synthetic molecules and peptides can effectively generate potent and durable antigen-specific humoral immunity. A single injection of the MSR vaccine against a gonadotropin-releasing hormone (GnRH) decapeptide elicited highly potent anti-GnRH response that lasted for over 12 months. The MSR vaccine generated higher titers than bolus or alhydrogel alum vaccine formulations. Moreover, a MSR vaccine directed against a Her2/neu peptide within the Trastuzumab binding domain showed immunoreactivity to native Her2 protein on tumor cell surface and, when directed against nicotine, generated long-term anti-nicotine antibodies. Mechanistically, we found that the MSR vaccine induced persistent germinal center (GC) B-cell activity for more than 3 weeks after a single injection, generation of memory B cells, and that at least 7 days of immunostimulation by the vaccine was required to generate an effective humoral response. Together, these data suggest that the MSR vaccine represents a promising technology for synthetic antigen vaccines to bypass the need for multiple immunizations and enhance long-term production of antibodies against endogenous antigens in the context of reproductive biology, cancer, and chronic addiction.

Broad spectrum vaccines could provide a solution to the emergence of antibiotic resistant microbes, pandemics and engineered biothreat agents. Here, we describe a modular vaccine (composite infection vaccine technology (ciVAX)) which can be rapidly assembled and in which 4 of the 5 components are already approved for human use. ciVAX consists of an injectable biomaterial scaffold with factors to recruit and activate dendritic cells (DC) in vivo and microbeads conjugated with the broad-spectrum opsonin Fc-Mannose-binding Lectin (FcMBL) that is pre-bound to polysaccharide-rich cell wall antigens, such as the pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) fractions, captured from whole inactivated bacteria. Vaccination of mice and rabbits with ciVAX generates potent humoral and T cell responses to PAMPs isolated from native antibiotic-resistant E. coli and S. aureus, and ciVAX protects mice and pigs against lethal E coli challenge in sepsis and septic shock models. In addition to the efficacy of ciVAX against homologous challenge, PAMPS isolated from an infected animal protects other animals against infection by heterologous challenge using different E. coli serotypes, demonstrating the potential for use of ciVAX in controlling pandemics. The advantage of the ciVAX technology is the strong immunogenicity with limited reactogenicity, the use of inactivated pathogens, and the modular manufacture using cGMP approved products which can be stockpiled ready for the next pandemic.

Abstract Neutrophils are essential effector cells for mediating rapid host defense and their insufficiency arising from therapy-induced side-effects, termed neutropenia, can lead to immunodeficiency-associated complications. In autologous hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), neutropenia is a complication that limits therapeutic efficacy. Here, we report the development and in vivo evaluation of an injectable, biodegradable hyaluronic acid (HA)-based scaffold, termed HA cryogel, with myeloid responsive degradation behavior. In mouse models of immune deficiency, we show that the infiltration of functional myeloid-lineage cells, specifically neutrophils, is essential to mediate HA cryogel degradation. Post-HSCT neutropenia in recipient mice delayed degradation of HA cryogels by up to 3 weeks. We harnessed the neutrophil-responsive degradation to sustain the release of granulocyte colony stimulating factor (G-CSF) from HA cryogels. Sustained release of G-CSF from HA cryogels enhanced post-HSCT neutrophil recovery, comparable to pegylated G-CSF, which, in turn, accelerated cryogel degradation. HA cryogels are a potential approach for enhancing neutrophils and concurrently assessing immune recovery in neutropenic hosts.