Abstract Extracellular vesicles (EVs) play key roles in diverse biological processes, transport biomolecules between cells and have been engineered for therapeutic applications. A useful EV bioengineering strategy is to express engineered proteins on the EV surface to confer targeting, bioactivity and other properties. Measuring how incorporation varies across a population of EVs is important for characterising such materials and understanding their function, yet it remains challenging to quantitatively characterise the absolute number of engineered proteins incorporated at single‐EV resolution. To address these needs, we developed a HaloTag‐based characterisation platform in which dyes or other synthetic species can be covalently and stoichiometrically attached to engineered proteins on the EV surface. To evaluate this system, we employed several orthogonal quantification methods, including flow cytometry and fluorescence microscopy, and found that HaloTag‐mediated quantification is generally robust across EV analysis methods. We compared HaloTag‐labelling to antibody‐labelling of EVs using single vesicle flow cytometry, enabling us to measure the substantial degree to which antibody labelling can underestimate proteins present on an EV. Finally, we demonstrate the use of HaloTag to compare between protein designs for EV bioengineering. Overall, the HaloTag system is a useful EV characterisation tool which complements and expands existing methods.

Abstract Genetically modifying T cells can enable applications ranging from cancer immunotherapy to HIV treatment, yet delivery of T cell-targeted therapeutics remains challenging. Extracellular vesicles (EVs) are nanoscale particles secreted by all cells that naturally encapsulate and transfer proteins and nucleic acids, making them an attractive and clinically-relevant platform for engineering biocompatible delivery vehicles. We report a suite of technologies for genetically engineering cells to produce multifunctional EV vehicles—without employing chemical modifications that complicate biomanufacturing. We display high affinity targeting domains on the EV surface to achieve specific, efficient binding to T cells, identify a protein tag to confer active cargo loading into EVs, and display fusogenic glycoproteins to increase EV uptake and fusion with recipient cells. We demonstrate integration of these technologies by delivering Cas9-sgRNA complexes to edit primary human T cells. These approaches could enable targeting vesicles to a range of cells for the efficient delivery of cargo.

Extracellular vesicles (EVs) play key roles in diverse biological processes, transport biomolecules between cells, and have been engineered for therapeutic applications. A useful EV bioengineering strategy is to express engineered proteins on the EV surface to confer targeting, bioactivity, and other properties. Measuring how incorporation varies across a population of EVs is important for characterizing such materials and understanding their function, yet it remains challenging to quantitatively characterize the absolute number of engineered proteins incorporated at single-EV resolution. To address these needs, we developed a HaloTag-based characterization platform in which dyes or other synthetic species can be covalently and stoichiometrically attached to engineered proteins on the EV surface. To evaluate this system, we employed several orthogonal quantification methods, including flow cytometry and fluorescence microscopy, and found that HaloTag-mediated quantification is generally robust across EV analysis methods. We compared HaloTag-labeling to antibody-labeling of EVs using single vesicle flow cytometry, enabling us to quantify the substantial degree to which antibody labeling can underestimate the absolute number of proteins present on an EV. Finally, we demonstrate use of HaloTag to compare between protein designs for EV bioengineering. Overall, the HaloTag system is a useful EV characterization tool which complements and expands existing methods.

Abstract The ability of pathogens to develop drug resistance is a global health challenge. The SARS-CoV-2 virus presents an urgent need wherein several variants of concern resist neutralization by monoclonal antibody therapies and vaccine-induced sera. Decoy nanoparticles—cell-mimicking particles that bind and inhibit virions—are an emerging class of therapeutics that may overcome such drug resistance challenges. To date, we lack quantitative understanding as to how design features impact performance of these therapeutics. To address this gap, here we perform a systematic, comparative evaluation of various biologically-derived nanoscale vesicles, which may be particularly well-suited to sustained or repeated administration in the clinic due to low toxicity, and investigate their potential to inhibit multiple classes of model SARS-CoV-2 virions. A key finding is that such particles exhibit potent antiviral efficacy across multiple manufacturing methods, vesicle subclasses, and virus-decoy binding affinities. In addition, these cell-mimicking vesicles effectively inhibit model SARS-CoV-2 variants that evade monoclonal antibodies and recombinant protein-based decoy inhibitors. This study provides a foundation of knowledge that may guide the design of decoy nanoparticle inhibitors for SARS-CoV-2 and other viral infections.