Abstract The blood-brain barrier (BBB) tightly regulates the entry of molecules into the brain by tight junctions that seals the paracellular space and receptor-mediated transcytosis. It remains elusive to selectively modulate these mechanisms and to overcome BBB without significant neurotoxicity. Here we report that light stimulation of tight junction-targeted plasmonic nanoparticles selectively opens up the paracellular route to allow diffusion through the compromised tight junction and into the brain parenchyma. The BBB modulation does not impair vascular dynamics and associated neurovascular coupling, or cause significant neural injury. It further allows antibody and adeno-associated virus delivery into local brain regions. This novel method offers the first evidence of selectively modulating BBB tight junctions and opens new avenues for therapeutic interventions in the central nervous system. One Sentence Summary Gentle stimulation of molecular-targeted nanoparticles selectively opens up the paracellular pathway and allows macromolecules and gene therapy vectors into the brain.

Abstract The blood-spinal cord barrier (BSCB) tightly regulates molecular transport from the blood to the spinal cord. Herein, we present a novel approach for transient modulation of BSCB permeability and localized delivery of peptides into the spinal cord for behavior modulation with high spatial resolution. This approach utilizes optical stimulation of vasculature-targeted nanoparticles and allows delivery of BSCB-nonpermeable molecules into the spinal cord without significant glial activation or impact on animal locomotor behavior. We demonstrate minimally invasive light delivery into the spinal cord using an optical fiber and BSCB permeability modulation in the lumbar region. Our method of BSCB modulation allows delivery of bombesin, a centrally-acting and itch-inducing peptide, into the spinal cord and induces a rapid and transient increase in itching behaviors in mice. This minimally invasive approach enables behavior modulation without genetic modifications and is promising for delivering a wide range of biologics into the spinal cord for behavior modulation and potentially therapy. Significance Statement Spinal cord diseases and disorders are common and cause significant disability, including chronic pain, paralysis, cognitive impairment, and mortality. The blood-spinal cord barrier is a considerable challenge for delivery by systemic therapeutic administration. We developed an optical approach for effectively and safely delivering molecules to the spinal cord to overcome this barrier. The fiberoptic method is minimally invasive and overcomes challenges that previous technologies face, including the complicated bone structure and standing waves that complicate BSCB opening using ultrasound. Optical stimulation offers unprecedented spatial resolution for the precise delivery in intricate spinal cord structures. Significantly, our approach modulates animal behavior (i.e., itch) without genetic modifications and demonstrates the potential for delivery of biologics such as peptides into the spinal cord.

Abstract The brain extracellular matrix (ECM), consisting of proteins and glycosaminoglycans, is a critical scaffold in the development, homeostasis, and disorders of the central nervous system (CNS) and undergoes remodeling in response to environmental cues. Live imaging of brain ECM structure represents a native view of the brain ECM but, until now, remains challenging due to the lack of a robust fluorescent labeling approach. Here, we developed a pan-ECM method for labeling the entire (Greek: pan) brain ECM network by screening and delivering a protein-reactive dye into the brain. pan-ECM enables imaging of ECM compartments in live brain tissue, including the interstitial matrix, basement membrane (BM), and perineuronal nets (PNNs), and even the ECM in glioblastoma and stroke mouse brains. This approach provides access to the structure and dynamics of the ECM and enhances our understanding of the complexities of the brain ECM and its contribution to brain health and disease.

Glioblastoma (GBM) is the most complex and lethal adult primary brain cancer. Adequate drug diffusion and penetration are essential for treating GBM, but how the spatial heterogeneity in GBM impacts drug diffusion and transport is poorly understood. Herein, we report a new method, photoactivation of plasmonic nanovesicles (PANO), to measure molecular diffusion in the extracellular space of GBM. By examining three genetically engineered GBM mouse models that recapitulate key clinical features including angiogenic core and diffuse infiltration, we found that the tumor margin has the lowest diffusion coefficient (highest tortuosity) compared with the tumor core and surrounding brain tissue. Analysis of the cellular composition shows that the tortuosity in the GBM is strongly correlated with neuronal loss and astrocyte activation. Our all-optical measurement reveals the heterogeneous GBM microenvironment and highlights the tumor margin as a diffusion barrier for drug transport in the brain, with implications for therapeutic delivery.

Abstract The blood-brain barrier (BBB) maintains an optimal environment for brain homeostasis but excludes most therapeutics from entering the brain. Strategies that can reversibly increase BBB permeability will be essential for treating brain diseases and is the focus of significant preclinical and translational interest. Recently, we reported that picosecond laser excitation of molecular-targeted gold nanoparticles (AuNPs) induced a graded and reversible increase in BBB permeability in vivo (OptoBBB). Here we investigate how to increase the targeting efficiency and how picosecond lase stimulation of AuNP leads to an increase in endothelial paracellular permeability. Our results suggest that targeting brain endothelial glycoproteins leads to >20-fold higher targeting efficiency compared with tight junction targeting. We report that OptoBBB is associated with a transient elevation of Ca 2+ that propagates to adjacent endothelial cells after laser excitation and extends the region of BBB opening. The Ca 2+ response involves both internal Ca 2+ depletion and Ca 2+ influx. Furthermore, we demonstrate that the involvement of actin polymerization and Ca 2+ -dependent phosphorylation of ERK1/2 lead to cytoskeletal activation, increasing paracellular permeability. Taken together, we provide mechanistic insight into how excitation of endothelial targeted AuNPs leads to an increase in BBB permeability. These insights will be critical for guiding the future developments of this technology for brain disease treatment.

Abstract Glioblastoma multiforme (GBM) is the most prevalent malignant tumor in the central nervous system. It has diverse phenotypes, including diffuse single-cell infiltration in which the tumor cells co-opt the normal microvasculature, and the neovascularization of an expanding tumor mass. The blood-brain-tumor barrier (BBTB) is a significant obstacle to GBM treatment and restricts entry of most FDA-approved effective oncology drugs. Herein, we report that picosecond laser excitation of vascular-targeted plasmonic gold nanoparticles (AuNPs) can non-invasively and reversibly modulate the BBTB permeability (optoBBTB). OptoBBTB enhances the delivery of paclitaxel (Taxol) in two genetically engineered glioma models (GEMM) that span the spectrum of GBM phenotypes. OptoBBTB followed by Taxol delivery effectively suppresses tumor growth and prolongs the survival time of both GEMM. Moreover, our results raise the possibility that paclitaxel, which is amongst the most widely used oncology drugs because of its proven efficacy but has been abandoned for GBM following its failure to efficacy in early phase clinical trials due to poor blood-brain barrier (BBB) penetration, could now be reconsidered in combination with strategies to increase BBB permeability. In summary, optoBBTB is a novel and effective approach to increase the delivery of therapeutics with limited BBB permeability to treat neoplastic and non-neoplastic brain diseases.