Vaccine efficiency is enhanced by mesoporous silica rods that spontaneously form a 3D microenvironment for immune cells. Implanting materials in the body to program host immune cells is a promising alternative to transplantation of cells manipulated ex vivo to direct an immune response, but doing so requires a surgical procedure. Here we demonstrate that high-aspect-ratio, mesoporous silica rods (MSRs) injected with a needle spontaneously assemble in vivo to form macroporous structures that provide a 3D cellular microenvironment for host immune cells. In mice, substantial numbers of dendritic cells are recruited to the pores between the scaffold rods. The recruitment of dendritic cells and their subsequent homing to lymph nodes can be modulated by sustained release of inflammatory signals and adjuvants from the scaffold. Moreover, injection of an MSR-based vaccine formulation enhances systemic helper T cells TH1 and TH2 serum antibody and cytotoxic T-cell levels compared to bolus controls. These findings suggest that injectable MSRs may serve as a multifunctional vaccine platform to modulate host immune cell function and provoke adaptive immune responses.

DNA nanostructures have evoked great interest as potential therapeutics and diagnostics due to ease and robustness of programming their shapes, site-specific functionalizations and responsive behaviours. However, their utility in biological fluids can be compromised through denaturation induced by physiological salt concentrations and degradation mediated by nucleases. Here we demonstrate that DNA nanostructures coated by oligolysines to 0.5:1 N:P (ratio of nitrogen in lysine to phosphorus in DNA), are stable in low salt and up to tenfold more resistant to DNase I digestion than when uncoated. Higher N:P ratios can lead to aggregation, but this can be circumvented by coating instead with an oligolysine-PEG copolymer, enabling up to a 1,000-fold protection against digestion by serum nucleases. Oligolysine-PEG-stabilized DNA nanostructures survive uptake into endosomal compartments and, in a mouse model, exhibit a modest increase in pharmacokinetic bioavailability. Thus, oligolysine-PEG is a one-step, structure-independent approach that provides low-cost and effective protection of DNA nanostructures for in vivo applications.

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.

A biomaterial-based vaccination system that uses minimal extracorporeal manipulation could provide in situ enhancement of dendritic cell (DC) numbers, a physical space where DCs interface with transplanted tumour cells, and an immunogenic context. Here we encapsulate GM-CSF, serving as a DC enhancement factor, and CpG ODN, serving as a DC activating factor, into sponge-like macroporous cryogels. These cryogels are injected subcutaneously into mice to localize transplanted tumour cells and deliver immunomodulatory factors in a controlled spatio-temporal manner. These vaccines elicit local infiltrates composed of conventional and plasmacytoid DCs, with the subsequent induction of potent, durable and specific anti-tumour T-cell responses in a melanoma model. These cryogels can be delivered in a minimally invasive manner, bypass the need for genetic modification of transplanted cancer cells and provide sustained release of immunomodulators. Altogether, these findings indicate the potential for cryogels to serve as a platform for cancer cell vaccinations. Immune responses are induced in the organized, cytokine-rich environment of lymph nodes, which can be mimicked by biomaterials. Here the authors show that injectable sponge-like gels decorated with immunostimulatory factors attract dendritic cells and boost antitumour immune responses in mice.

Chimeric antigen receptor (CAR) T cells are ineffective against solid tumors with immunosuppressive microenvironments. To overcome suppression, we engineered circuits in which tumor-specific synNotch receptors locally induce production of the cytokine IL-2. These circuits potently enhance CAR T cell infiltration and clearance of immune-excluded tumors, without systemic toxicity. The most effective IL-2 induction circuit acts in an autocrine and T cell receptor (TCR)- or CAR-independent manner, bypassing suppression mechanisms including consumption of IL-2 or inhibition of TCR signaling. These engineered cells establish a foothold in the target tumors, with synthetic Notch-induced IL-2 production enabling initiation of CAR-mediated T cell expansion and cell killing. Thus, it is possible to reconstitute synthetic T cell circuits that activate the outputs ultimately required for an antitumor response, but in a manner that evades key points of tumor suppression.

ABSTRACT Treatment of solid cancers with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is plagued by the lack of target antigens that are both tumor-specific and homogeneously expressed. We show that multiantigen prime-and-kill recognition circuits have the flexibility and precision to overcome these challenges in attacking glioblastoma. A synNotch receptor that recognizes a specific priming antigen – the heterogeneous glioblastoma neoantigen EGFRvIII or a brain tissue-specific antigen – is used to locally induce expression of a CAR, enabling thorough but controlled tumor killing by targeting of homogeneous antigens that are not absolutely tumor specific. Moreover, regulated CAR expression maintains a higher fraction of the T cells in the naïve-like state which is associated with higher durability in vivo . In summary, using circuits that integrate recognition of multiple imperfect but complementary antigens, we improve the specificity and persistence of T cells directed against glioblastoma, providing a general recognition strategy applicable to other solid tumors.

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.