Inorganic nanostructures that interface with biological systems have recently attracted widespread interest in biology and medicine. Nanoparticles are thought to have potential as novel intravascular probes for both diagnostic (e.g., imaging) and therapeutic purposes (e.g., drug delivery). Critical issues for successful nanoparticle delivery include the ability to target specific tissues and cell types and escape from the biological particulate filter known as the reticuloendothelial system. We set out to explore the feasibility of in vivo targeting by using semiconductor quantum dots (qdots). Qdots are small (<10 nm) inorganic nanocrystals that possess unique luminescent properties; their fluorescence emission is stable and tuned by varying the particle size or composition. We show that ZnS-capped CdSe qdots coated with a lung-targeting peptide accumulate in the lungs of mice after i.v. injection, whereas two other peptides specifically direct qdots to blood vessels or lymphatic vessels in tumors. We also show that adding polyethylene glycol to the qdot coating prevents nonselective accumulation of qdots in reticuloendothelial tissues. These results encourage the construction of more complex nanostructures with capabilities such as disease sensing and drug delivery.

Renal transplant rejection is caused by a lymphocyte-rich inflammatory infiltrate that attacks cortical tubules and endothelial cells. Immunosuppressive therapy reduces the number of infiltrating cells; however, their exit routes are not known. Here a >50-fold increase of lymphatic vessel density over normal kidneys in grafts with nodular mononuclear infiltrates is demonstrated by immunohistochemistry on human renal transplant biopsies using antibodies to the lymphatic endothelial marker protein podoplanin. Nodular infiltrates are constantly associated with newly formed, Ki-67-expressing lymphatic vessels and contain the entire repertoire of T and B lymphocytes to provide specific cellular and humoral alloantigenic immune responses, including Ki-67(+) CD4(+) and CD8(+) T lymphocytes, S100(+) dendritic cells, and Ki-67(+)CD20(+) B lymphocytes and lambda- and kappa-chain-expressing plasmacytoid cells. Numerous chemokine receptor CCR7(+) cells within the nodular infiltrates seemed to be attracted by secondary lymphatic chemokine (SLC/CCL21) that is produced and released by lymphatic endothelial cells in a complex with podoplanin. From these results, it is speculated that lymphatic neoangiogenesis not only contributes to the export of the rejection infiltrate but also is involved in the maintenance of a potentially detrimental alloreactive immune response in renal transplants and provides a novel therapeutic target.

A tumor-homing peptide, F3, selectively binds to endothelial cells in tumor blood vessels and to tumor cells. Here, we show that the cell surface molecule recognized by F3 is nucleolin. Nucleolin specifically bound to an F3 peptide affinity matrix from extracts of cultured breast carcinoma cells. Antibodies and cell surface biotin labeling revealed nucleolin at the surface of actively growing cells, and these cells bound and internalized fluorescein-conjugated F3 peptide, transporting it into the nucleus. In contrast, nucleolin was exclusively nuclear in serum-starved cells, and F3 did not bind to these cells. The binding and subsequent internalization of F3 were blocked by an antinucleolin antibody. Like the F3 peptide, intravenously injected antinucleolin antibodies selectively accumulated in tumor vessels and in angiogenic vessels of implanted “matrigel” plugs. These results show that cell surface nucleolin is a specific marker of angiogenic endothelial cells within the vasculature. It may be a useful target molecule for diagnostic tests and drug delivery applications.

Glioblastoma (GB) is the most frequent malignant tumor originating from the central nervous system. Despite breakthroughs in treatment modalities for other cancer types, GB remains largely irremediable due to its high degree of intratumoral heterogeneity, infiltrative growth, and intrinsic resistance towards multiple treatments. These resistant and aggressive sub-populations of GBs including the glioblastoma stem cells (GSCs) can circumvent treatment. GSCs act as a reservoir of cancer-initiating cells; they are a major challenge for successful therapy. We have discovered, as opposed to well-reported anti-cancer drug based therapeutical approach for GB therapy, the role of polyethylenimine (PEI) in inducing selective death of patient-derived GSCs via lysosomal membrane rupturing. Even at very low doses (1 ug/ml), PEI surface-functionalized mesoporous silica nanoparticles (PEI-MSNs), without any additional anti-cancer drug, very potently and selectively killed multiple GSC lines. Very importantly, PEI-MSNs did not affect the survival of well-established GB cells, or other type of cancer cells even at 25x higher doses. Remarkably, any sign of predominant cell death pathways such as apoptosis and autophagy was absent. Instead, as a potential explanation for their GSC selective killing function, we demonstrate that the internalized PEI-MSNs accumulated inside the lysosomes, subsequently causing a rupture of the vulnerable lysosomal membranes, exclusively in GSCs. As a further evaluation, we observed blood-brain-barrier (BBB) permeability of these PEI-MSNs in vitro and in vivo. Taking together the recent indications for the vulnerability of GSCs for lysosomal targeting, and GSC selectivity of the PEI-MSNs described here, the results suggest that PEI-functionalized nanoparticles could have a potential role in the eradication of GSCs.

ABSTRACT The poor permeability of theranostic agents across the blood-brain-barrier (BBB) significantly hampers the development of new treatment modalities for neurological diseases. We have discovered a new biomimetic nanocarrier using heparin (HP) that effectively passes the BBB and targets glioblastoma. Specifically, we designed HP coated gold nanoparticles (HP-AuNPs) that were labeled with three different imaging modalities namely, fluorescein (FITC-HP-AuNP), radioisotope 68 Gallium ( 68 Ga-HP-AuNPs), and MRI active gadolinium (Gd-HP-AuNPs). The systemic infusion of FITC-HP-AuNPs in three different mouse strains (C57BL/6JRj, FVB, and NMRI-nude) displayed excellent penetration and revealed uniform distribution of fluorescent particles in the brain parenchyma (69-86%) with some accumulation in neurons (8-18%) and microglia (4-10%). Tail-vein administration of radiolabeled 68 Ga-HP-AuNPs in healthy rats also showed 68 Ga-HP-AuNP inside the brain parenchyma and in areas containing cerebrospinal fluid, such as the lateral ventricles, the cerebellum, and brain stem. Finally, tail-vein administration of Gd-HP-AuNPs (that display ∼3 fold higher relaxivity than that of commercial Gd-DTPA) in an orthotopic glioblastoma (U87MG xenograft) model in nude mice demonstrated enrichment of T1-contrast at the intracranial tumor with a gradual increase in the contrast in the tumor region between 1h-3h. We believe, our finding offers the untapped potential of HP-derived-NPs to deliver cargo molecules for treating neurological disorders.

Abstract Chimeric antigen receptor (CAR) T-cell immunotherapies for solid tumors face critical challenges such as heterogeneous antigen expression. We characterized SSEA-4 cell-surface glycolipid as a target for CAR-T cell therapy. SSEA-4 is mainly expressed during embryogenesis but is also found in several cancer types making it an attractive tumor-associated antigen. Anti-SSEA-4 CAR-T cells were generated and assessed pre-clinically in vitro and in vivo for anti-tumor response and safety. SSEA-4 CAR-T cells effectively eliminated SSEA-4 positive cells in all tested cancer cell lines whereas SSEA-4 negative cells lines were not targeted. In vivo efficacy and safety studies using NSG mice and the high-grade serous ovarian cancer cell line OVCAR4 demonstrated a remarkable and specific anti-tumor response at all CAR-T cell doses used. At high T cell doses, CAR-T cell-treated mice showed signs of health deterioration after a follow-up period. However, severity of toxicity was reduced with delayed onset when lower CAR-T cell doses were used. Our data demonstrate the efficacy of anti-SSEA-4 CAR-T therapy; however, safety strategies, such as dose-limiting and/or equipping CAR-T cells with combinatorial antigen recognition should be implemented for its potential clinical translation.

Abstract Kaposi’s sarcoma herpesvirus (KSHV) is the etiologic agent of Kaposi’s sarcoma (KS), a hyperplasia consisting of enlarged malformed vasculature and spindle-shaped cells, the main proliferative component of KS. While spindle cells express markers of lymphatic and blood endothelium, the origin of spindle cells is unknown. Endothelial precursor cells have been proposed as the source of spindle cells. We previously identified two types of circulating endothelial colony forming cells (ECFCs), ones that expressed markers of blood endothelium and ones that expressed markers of lymphatic endothelium. Here we examined both blood and lymphatic ECFCs infected with KSHV. Lymphatic ECFCs are significantly more susceptible to KSHV infection than the blood ECFCs and maintain the viral episomes during passage in culture while the blood ECFCs lose the viral episome. Only the KSHV-infected lymphatic ECFCs grew to small multicellular colonies in soft agar whereas the infected blood ECFCs and all uninfected ECFCs failed to proliferate. The lymphatic ECFCs express high levels of SOX18, which supported the maintenance of high copy number of KSHV genomes. When implanted subcutaneously into NSG mice, the KSHV-infected lymphatic ECFCs persisted in vivo and recapitulated the phenotype of KS tumor cells with high number of viral genome copies and spindling morphology. These spindle cell hallmarks were significantly reduced when mice were treated with SOX18 inhibitor, SM4. These data suggest that KSHV-infected lymphatic ECFCs can be utilized as a KSHV infection model for in vivo translational studies to test novel inhibitors representing potential treatment modalities for KS. Author summary Kaposi’s sarcoma herpesvirus (KSHV) is the etiologic agent of Kaposi’s sarcoma (KS). The main proliferative component of KS, spindle cells, express markers of lymphatic and blood endothelium. Endothelial precursor cells, which are circulating endothelial colony forming cells (ECFCs), have been proposed as the source of spindle cells. Here we examined both blood and lymphatic ECFCs infected with KSHV. Lymphatic ECFCs are readily infected by KSHV, maintain the viral episomes and show minimal transformation of the cells, which the infected blood ECFCs and all uninfected ECFCs failed to show. The lymphatic ECFCs express SOX18, which supported the maintenance of high copy numbers of KSHV genomes. The KSHV-infected lymphatic ECFCs persisted in vivo and recapitulated the phenotype of KS tumor cells such as high number of viral genome copies and spindling morphology. These KS tumor cell hallmarks were significantly reduced by SOX18 chemical inhibition using a small molecule SM4 treatment. These data suggest that KSHV-infected lymphatic ECFCs could be the progenitors of KS spindle cells and are a promising model for the translational studies to develop new therapies for KS.

Glioblastomas and brain metastases (BM) of solid tumors are the most common central nervous system neoplasms associated with very unfavorable prognosis. In this study, we report the association of Prostate Specific Membrane Antigen with various clinical parameters in a large cohort of primary and secondary brain tumors. A tissue micro array containing 371 cases of ascending grade gliomas pertaining to astrocytic origin, samples of 52 cases of primary lung carcinomas with matching brain metastases with follow-up time accounting to 10.4 years was evaluated for PSMA expression using immunohistochemistry. In addition, PSMA expression was studied in brain metastases arising from melanomas and breast carcinomas. Neovascular expression of PSMA was evident alongside with high expression in the proliferating microvasculature of glioblastomas when compared to the tumor cell expression. This result corroborated with the results obtained from the in silico (cancer genome databases) analyses. In the matched primary lung cancers and their brain metastases (n = 52), vascular PSMA expression in primary tumors led to significantly accelerated metastatic dissemination to the brain with a tendency towards poor overall survival. Taken together, we report the vascular expression of PSMA in the primary and secondary brain tumors that globally associates with the malignant progression and poor outcome of the patients.