Abstract When properly deployed, the immune system can eliminate deadly pathogens, eradicate metastatic cancers, and provide long-lasting protection from diverse diseases. Unfortunately, realizing these remarkable capabilities is inherently risky as disruption to immune homeostasis can elicit dangerous complications or autoimmune disorders. While current research is continuously expanding the arsenal of potent immunotherapeutics, there is a technological gap when it comes to controlling when, where, and how long these drugs act on the body. Here, we explore the ability of a slow-releasing injectable hydrogel depot to reduce the problematic dose-limiting toxicities of immunostimulatory CD40 agonist (CD40a) while maintaining their potent anti-cancer efficacy. We leverage a previously described polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel system that exhibits shear-thinning and yield-stress properties that we hypothesized would improve locoregional delivery of the CD40a immunotherapy. Using PET imaging, we demonstrate that prolonged hydrogel-based delivery redistributes CD40a exposure to the tumor and the tumor draining lymph node (TdLN), thereby reducing weight loss, hepatotoxicity, and cytokine storm associated with standard treatment. Moreover, CD40a-loaded hydrogels mediate improved local cytokine induction in the TdLN and improve treatment efficacy in the B16F10 melanoma model. PNP hydrogels, therefore, represent a facile, drug-agnostic method to ameliorate immune-related adverse effects and explore locoregional delivery of immunostimulatory drugs.

Abstract Monoclonal antibodies are a staple in modern pharmacotherapy. Unfortunately, these biopharmaceuticals are limited by their tendency to aggregate in formulation, resulting in poor stability and often requiring low concentration drug formulations. Moreover, existing excipients designed to stabilize these formulations are often limited by their toxicity and tendency to form particles such as micelles. Here, we demonstrate the ability of a simple “drop-in”, amphiphilic copolymer excipient to enhance the stability of high concentration formulations of clinically-relevant monoclonal antibodies without altering their pharmacokinetics or injectability. Through interfacial rheology and surface tension measurements, we demonstrate that the copolymer excipient competitively adsorbs to formulation interfaces. Further, through determination of monomeric composition and retained bioactivity through stressed aging, we show that this excipient confers a significant stability benefit to high concentration antibody formulations. Finally, we demonstrate that the excipient behaves as an inactive ingredient, having no significant impact on the pharmacokinetic profile of a clinically relevant antibody in mice. This amphiphilic copolymer excipient demonstrates promise as a simple formulation additive to create stable, high concentration antibody formulations, thereby enabling improved treatment options such as a route-of-administration switch from low concentration intravenous (IV) to high concentration subcutaneous (SC) delivery while reducing dependence on the cold chain.

Abstract Adoptive cell therapy (ACT) has proven to be highly effective in treating blood cancers such as B cell malignancies, but traditional approaches to ACT are poorly effective in treating the multifarious solid tumors observed clinically. Locoregional cell delivery methods have shown promising results in treating solid tumors compared to standard intravenous delivery methods, but the approaches that have been described to date have several critical drawbacks ranging from complex manufacturing and poor modularity to challenging adminstration. In this work, we develop a simple-to-implement self-assembled and injectable hydrogel material for the controlled co-delivery of CAR-T cells and stimulatory cytokines that improves treatment of solid tumors. We evaluate a range of hydrogel formulations to optimize the creation of a transient inflammatory niche that affords sustained exposure of CAR-T cells and cytokines. This facile approach yields increased CAR-T cell expansion, induces a more tumor-reactive CAR-T phenotype, and improves efficacy in treating solid tumors in mice.

Abstract Directing and manipulating biological functions is at the heart of next-generation biomedical initiatives such as tissue and immuno-engineering. Yet, the ambitious goal of engineering complex biological networks requires the ability to precisely perturb specific signaling pathways at distinct times and places. Using lipid nanotechnology and the principles of supramolecular self-assembly, we have developed an injectable liposomal nanocomposite hydrogel platform to precisely control drug presentation through programing of the co-release of multiple protein drugs. These liposomal hydrogels exhibited robust shear-thinning and self-healing behaviors enabling facile injectability for local drug delivery applications. By integrating modular lipid nanotechnology into this hydrogel platform, we introduced multiple mechanisms of protein release based on liposome surface chemistry. When injected into immuno-competent mice, these liposomal hydrogels exhibited formulation-dependent rates of dissolution and excellent biocompatibility. To fully validate the utility of this system for multi-protein delivery, we demonstrated the synchronized, sustained, and localized release of IgG antibody and IL-12 cytokine in vivo , despite the significant size differences between these two proteins. Overall, these liposomal nanocomposite hydrogels are a highly modular platform technology with the ability the mediate orthogonal modes of protein release and the potential to precisely coordinate biological cues both in vitro and in vivo .

Abstract Over the past few decades, the development of potent and safe immune-activating adjuvant technologies has become the heart of intensive research in the constant fight against highly mutative and immune evasive viruses such as influenza, SARS-CoV-2, and HIV. Herein, we developed a modular saponin-based nanoparticle platform incorporating toll-like receptor agonists (TLRas) such as TLR1/2a, TLR4a, TLR7/8a, or a mixture of TLR4a and TLR7/8a adjuvants and denoted them as TLR1/2a-SNP, TLR4a-SNP, TLR7/8a-SNP, and TLR4a-TLR7/8a-SNP respectively. These TLRa-SNPs greatly improved the potency, durability, breadth, and neutralization of both COVID-19 and HIV vaccine candidates, suggesting the potential broad application of this newly designed adjuvant technology to a range of different antigens. More importantly, in addition to their potency, different formulations of TLRa-SNPs induced unique acute cytokine and immune-signaling profiles, leading to specific Th-responses that could be of interest depending on the target disease for prevention. Overall, this work demonstrates a modular TLRa-SNP adjuvant platform which could have a major impact on modern vaccine indications.

The threat of future coronavirus pandemics requires developing cost-effective vaccine technologies that provide broad and long-lasting protection against diverse circulating and emerging strains. Here we report a multivalent liposomal hydrogel depot vaccine technology comprising the receptor binding domain (RBD) of up to four relevant SARS and MERS coronavirus strains non-covalently displayed on the surface of the liposomes within the hydrogel structure. The multivalent presentation and sustained exposure of RBD antigens improved the potency, neutralizing activity, durability, and consistency of antibody responses across homologous and heterologous coronavirus strains in a naive murine model. When administrated in animals previously exposed to the wild-type SARS-CoV-2 antigens, liposomal hydrogels elicited durable antibody responses against the homologous SARS and MERS strains for over 6 months and elicited neutralizing activity against the immune-evasive SARS-CoV-2 variant Omicron BA.4/BA.5. Overall, the tunable antigen-decorated liposomal hydrogel platform we report here generates robust and durable humoral responses across diverse coronaviruses, supporting global efforts to effectively respond to future viral outbreaks.

Abstract Messenger RNA (mRNA) delivered in lipid nanoparticles (LNPs) rose to the forefront of vaccine candidates during the COVID-19 pandemic due in part to scalability, adaptability, and potency. Yet there remain critical areas for improvements of these vaccines in durability and breadth of humoral responses. In this work, we explore a modular strategy to target mRNA/LNPs to antigen presenting cells with an injectable polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel depot technology which recruits key immune cells and forms an immunological niche in vivo. We characterize this niche on a single cell level and find it is highly tunable through incorporation of adjuvants like MPLAs and 3M-052. Delivering commercially available SARS-CoV-2 mRNA vaccines in PNP hydrogels improves the durability and quality of germinal center reactions, and the magnitude, breadth, and durability of humoral responses. The tunable immune niche formed within PNP hydrogels effectively skews immune responses based on encapsulated adjuvants, creating opportunities to precisely modulate mRNA/LNP vaccines for various indications from infectious diseases to cancers.