A non-stick surface coating makes medical devices anti-thrombogenic and resistant to biofilm growth. Thrombosis and biofouling of extracorporeal circuits and indwelling medical devices cause significant morbidity and mortality worldwide. We apply a bioinspired, omniphobic coating to tubing and catheters and show that it completely repels blood and suppresses biofilm formation. The coating is a covalently tethered, flexible molecular layer of perfluorocarbon, which holds a thin liquid film of medical-grade perfluorocarbon on the surface. This coating prevents fibrin attachment, reduces platelet adhesion and activation, suppresses biofilm formation and is stable under blood flow in vitro. Surface-coated medical-grade tubing and catheters, assembled into arteriovenous shunts and implanted in pigs, remain patent for at least 8 h without anticoagulation. This surface-coating technology could reduce the use of anticoagulants in patients and help to prevent thrombotic occlusion and biofouling of medical devices.

Low serum mannose-binding protein (MBP) concentrations are associated with a common opsonic defect. Sequence analysis of the MBP gene in three children with recurrent infections, the opsonic defect, and low serum MBP concentrations showed a point mutation at base 230 of exon 1 causing a change of codon 54 from GGC to GAC. The replacement of glycine with an aspartic acid residue disrupts the fifth Gly-Xaa-Yaa repeat in the collagen-like domain of each 32 kD MBP peptide chain and probably prevents the formation of the normal triple helix. Study of sixteen members of the three families showed autosomal dominant co-inheritance of the mutation and low serum MBP concentrations.

Failure to opsonise bakers' yeast (Saccharomyces cerevisiae) is a defect found in 5-7% of the general population. In this study, the presence of the defect was linked with low levels of mannan-binding protein (MBP), a calcium-dependent serum lectin. Purified MBP corrected the defect in a dose-dependent way in an in-vitro assay measuring the deposition of complement moieties on a mannan-coated surface. There was a highly significant correlation between the serum MBP level and the generation of C3b opsonins in a population of healthy blood donors. The median MBP level of ten children previously shown to have the functional opsonic defect was 4.9 micrograms/l (range 2.5-35.0 micrograms/l) compared with 143 micrograms/l (range 2.5-880 micrograms/l) for a paediatric control group.

Long DNA molecules, such as those encoding genes, can be assembled from short oligonucleotides created on a microarray. Kosuri et al. improve the fidelity and scalability of this process, enabling synthesis of 40 antibody fragments having repetitive regions and other challenging sequence features. Development of cheap, high-throughput and reliable gene synthesis methods will broadly stimulate progress in biology and biotechnology1. Currently, the reliance on column-synthesized oligonucleotides as a source of DNA limits further cost reductions in gene synthesis2. Oligonucleotides from DNA microchips can reduce costs by at least an order of magnitude3,4,5, yet efforts to scale their use have been largely unsuccessful owing to the high error rates and complexity of the oligonucleotide mixtures. Here we use high-fidelity DNA microchips, selective oligonucleotide pool amplification, optimized gene assembly protocols and enzymatic error correction to develop a method for highly parallel gene synthesis. We tested our approach by assembling 47 genes, including 42 challenging therapeutic antibody sequences, encoding a total of ∼35 kilobase pairs of DNA. These assemblies were performed from a complex background containing 13,000 oligonucleotides encoding ∼2.5 megabases of DNA, which is at least 50 times larger than in previously published attempts.

ABSTRACT The global COVID-19 pandemic motivates accelerated research to develop safe and efficacious vaccines. To address this need, we leveraged a biomaterial vaccine technology that consists of mesoporous silica rods (MSRs) that provide a sustained release of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) and adjuvants to concentrate and mature antigen-presenting cells at the vaccine site. Here we explored the humoral responses resulting from the use of monophosphoryl lipid A (MPLA) as the adjuvant and SARS-CoV-2 spike proteins S1, S2, the nucleocapsid (N) protein, and receptor binding domain (RBD) as the target antigens. The dose of antigen and impact of pre-manufacturing of vaccines as versus loading antigen just-in-time was explored in these studies. Single shot MSR vaccines induced rapid and robust antibody titers to the presented antigens, even without the use of a boost, and sera from vaccinated animals demonstrated neutralizing activity against a SARS-CoV-2 pseudovirus. Overall, these results suggest the MSR vaccine system may provide potent protective immunity when utilized to present SARS-CoV-2 antigens.

Abstract Current therapeutic strategies against bacterial infections focus on reduction of pathogen load through antibiotics; however, stimulation of host tolerance to infection might offer an alternative approach. Here we used computational transcriptomics and a Xenopus embryo infection model to rapidly discover infection response pathways, identify potential tolerance inducer drugs, and validate their ability to induce broad tolerance. Xenopus embryos exhibit natural tolerance to A. baumanii, K. pneumoniae, S. aureus , and S. pneumoniae bacteria, whereas A. hydrophila and P. aeruginosa produce infection that leads to death. Transcriptional profiling led to definition of a 20-gene signature that allows for discrimination between tolerant and susceptible states, as well as identification of active and passive tolerance responses based on the degree of engagement of gene transcription modulation. Upregulation of metal ion transport and hypoxia pathways reminiscent of responses observed in primate and mouse infection models were identified as tolerance mediators, and drug screening in the susceptible A. hydrophila infection model confirmed that a metal chelator (deferoxamine) and HIF-1α agonist (1,4-DPCA) increase embryo survival despite high pathogen load. These data demonstrate the value of combining the Xenopus embryo infection model with multi-omics analyses for mechanistic discovery and drug repurposing to induce host tolerance to bacterial infection.

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.

FcMBL, an engineered version of the blood opsonin mannose-binding lectin (MBL) that contains the carbohydrate recognition domain (CRD) and flexible neck regions of MBL fused to the Fc portion of human IgG1, has been shown to bind various microbes and pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). FcMBL also has been used to create an enzyme-linked lectin sorbent assay (ELLecSA) for use as a rapid (< 1 hr) diagnostic of bloodstream infections. Here we extended this work by using the ELLecSA to test FcMBL’s ability to bind to more than 200 different isolates from over 100 different pathogen species. FcMBL bound to 86% of the isolates and 110 of the 122 (90%) different pathogen species tested, including bacteria, fungi, viruses, and parasites. It also bound to PAMPs including, lipopolysaccharide endotoxin (LPS) and lipoteichoic acid (LTA) from Gram-negative and Gram-positive bacteria, as well as lipoarabinomannan (LAM) and phosphatidylinositol mannoside 6 (PIM6) from Mycobacterium tuberculosis. The efficiency of pathogen detection and variation between binding of different strains of the same species also could be improved by treating the bacteria with antibiotics prior to FcMBL capture to reveal previously concealed binding sites within the bacterial cell wall. As FcMBL can bind to pathogens and PAMPs in urine as well as blood, its broad-binding capability could be leveraged to develop a variety of clinically relevant technologies, including infectious disease diagnostics, therapeutics, and vaccines.

Achieving a reversible decrease of metabolism and other physiological processes in the whole organism, as occurs in animals that experience torpor or hibernation, could contribute to increased survival after serious injury. Using a Bayesian network tool with transcriptomic data and chemical structure similarity assessments, we predicted that the Alzheimer's disease drug donepezil (DNP) could be a promising candidate for a small molecule drug that might induce a torpor-like state. This was confirmed in a screening study with Xenopus laevis tadpoles, a nonhibernator whole animal model. To improve the therapeutic performance of the drug and minimize its toxicity, we encapsulated DNP in a nanoemulsion formulated with low-toxicity materials. This formulation is composed of emulsified droplets <200 nm in diameter that contain 1.250 mM DNP, representing ≥95% encapsulation efficiency. The DNP nanoemulsion induced comparable torpor-like effects to those produced by the free drug in tadpoles, as indicated by reduced swimming motion, cardiac beating frequency, and oxygen consumption, but with an improved biodistribution. Use of the nanoemulsion resulted in a more controlled increase of DNP concentration in the whole organism compared to free DNP, and to a higher concentration in the brain, which reduced DNP toxicity and enabled induction of a longer torpor-like state that was fully reversible. These studies also demonstrate the potential use of Xenopus tadpoles as a high-throughput in vivo screen to assess the efficacy, biodistribution, and toxicity of drug-loaded nanocarriers.