Abstract To accelerate the translation of cancer nanomedicine, we hypothesize that integrated genomic screens will improve understanding of the cellular processes governing nanoparticle trafficking. We developed a massively parallel high-throughput screening method leveraging barcoded, pooled cancer cell lines annotated with multi-omic data to investigate cell association patterns across a nanoparticle library spanning a range of formulations with clinical potential. This approach identified both the materials properties and cell-intrinsic features mediating nanoparticle-cell association. Coupling the data with machine learning algorithms, we constructed genomic nanoparticle trafficking networks and identified nanoparticle-specific biomarkers, including gene expression of SLC46A3. We engineered cell lines to validate SLC46A3 as a biomarker whose expression inversely predicts liposomal nanoparticle uptake both in vitro and in vivo. We further demonstrated the predictive capabilities extend beyond liposomal nanoparticles, regulating both uptake and transfection efficacy of solid lipid nanoparticles. Our work establishes the power of massively parallel pooled cell screens for nanoparticle delivery and enables the identification and utilization of biomarkers to rationally design nanoformulations for specific patient populations.

Abstract Development of new treatments for neurological disorders, especially brain tumors and neurodegenerative diseases, is hampered by poor accumulation of new therapeutic candidates in the brain. Drug carrying nanoparticles are a promising strategy to deliver therapeutics, but there is a major need to understand interactions between nanomaterials and the cells of the blood-brain barrier (BBB), and to what degree these interactions can be predicted by preclinical models. Here, we use a library of eighteen layer-by-layer electrostatically assembled nanoparticles (LbL-NPs) to independently assess the impact of nanoparticle core stiffness and surface chemistry on in vitro uptake and transport in three common assays, as well as intracellular trafficking in hCMEC/D3 endothelial cells. We demonstrate that nanoparticle core stiffness impacts the magnitude of material transported, while surface chemistry influences how the nanoparticles are trafficked within the cell. Finally, we demonstrate that these factors similarly dictate in vivo BBB transport using intravital imaging through cranial windows in mice, and we discover that a hyaluronic acid surface chemistry provides an unpredicted boost to transport. Taken together, these findings highlight the importance of considering factors such as assay geometry, nanomaterial labelling strategies, and fluid flow in designing preclinical assays to improve nanoparticle screening throughput for drug delivery to the brain.

Although oral drug delivery is preferred by patients, it is not possible for proteins because the gastrointestinal tract is not sufficiently permeable. To enable the non-toxic oral uptake of protein drugs, we investigated plant-based foods as intestinal permeation enhancers, hypothesizing that compounds found in food would be well-tolerated by the gastrointestinal tract. Following a screen of over 100 fruits, vegetables, herbs, and fungi, we identified strawberry as a potent enhancer of macromolecular permeability in vitro and in mice. Natural product chemistry techniques identified pelargonidin, an anthocyanidin, as the active compound. In mice, insulin was orally administered with pelargonidin to induce sustained pharmacodynamic effects with doses as low as 1 U/kg and bioactivity of over 100% relative to the current gold standard of subcutaneous injection. Pelargonidin-induced permeability was reversible within two hours of treatment, and one month of daily dosing did not adversely affect mice as determined by weight tracking, serum concentrations of inflammatory markers, and tight junction gene expression. Results underscore the utility of plant-based foods in biomedical applications and demonstrate pelargonidin as an especially potent enhancer for the oral delivery of biologics.