Basal-like breast cancer exhibits a triple-negative phenotype and has a poor prognosis, even with traditional chemical and anti-human epidermal growth factor receptor (HER) treatments. However, the high mutation rate of this obstinate cancer type renders it suitable for immunotherapy. Photothermal therapy (PTT) is a high-efficiency method for inducing tumor neoantigen release in situ, which has great potential for use in cancer immunotherapy. Here, we prepared a biomimetic black phosphorus quantum dot (BPQDs) formulation to induce breast cancer cell apoptosis in situ by near-infrared (NIR) laser irradiation to mobilize the immune system to eliminate the residual and metastatic cancer cells. Erythrocyte membranes (RMs) were used to coat the BPQDs, forming a BPQD-RM nanovesicle (BPQD-RMNV) biomimetic formulation that exhibited a long circulation time and tumor accumulation in vivo. The basal-like 4T1 breast tumor underwent apoptosis and necrosis with the irradiation and recruited dendritic cells (DCs) to capture the tumor antigens in vivo. Furthermore, programmed cell death protein 1 (PD-1) antibody (aPD-1) was employed to prevent the CD8+ T cells from exhaustion. Notably, BPQD-RMNV-mediated PTT combined with aPD-1 treatment significantly delayed residual and metastatic tumor growth in vivo. Hence, BPQD-RMNV-mediated PTT combined with immune checkpoint blockade antibody increased the infiltration and activity of CD8+ T cells in the tumor, which directly restrained basal-like breast tumor growth in vivo.

Personalized cancer vaccines show great potential in cancer immunotherapy by inducing an effective and durable antitumor response. However, the limitation of neoantigen identification, low immunogenicity, and weak immune response hamper the development of personalized cancer vaccines. The surgically removed tumor contains tumor antigens specific to the patient, which provides a promising source for personalized cancer vaccines. Here, we utilized the surgically removed tumor to prepare a personalized photothermal vaccine combined with the PD-1 checkpoint blockade antibody to prevent tumor relapse and metastasis. Black phosphorus quantum dot nanovesicles (BPQD-CCNVs) coated with surgically removed tumor cell membrane were prepared and loaded into a thermosensitive hydrogel containing GM-CSF and LPS. The sustained release of GM-CSF from the hypodermic injection of Gel-BPQD-CCNVs effectively recruited dendritic cells to capture tumor antigen. NIR irradiation and LPS stimulated the expansion and activation of DCs, which then traveled to the lymph nodes to present antigen to CD8+ T cells. Moreover, the combination with PD-1 antibody significantly enhanced tumor-specific CD8+ T cell elimination of the surgical residual and lung metastatic tumor. Hence, our work may provide a promising strategy for the clinical development of a personalized cancer vaccine.

Dendritic cells (DCs) can form a T cell niche in tumor microenvironment and drive T cell proliferation through immunostimulatory ligands. However, hypoxia severely hinders the infiltration and proliferation of immune cells, thus restricting T cells' anti-tumor response. Microalgae have evolved an efficient photosynthesis system that might be a promising oxygen source to mitigate hypoxia. Here, we combine Chlorella vulgaris and a genetically engineered DC membrane, overexpressing immunostimulatory tumor necrosis factor (TNF) ligand proteins OX40L, 4-1BBL, and CD70, to assemble a "photosynthetic micron robot," which generates oxygen in situ to alleviate the state of hypoxia in the tumor microenvironment, thereby improving the efficiency of immunotherapy. TNF ligand proteins displayed on cell membrane nanovesicles and the photosynthetic micron robot bind to their cognate receptors on T cells and enhance the activity and proliferation of the effector T cells and memory T cells. Combined with programmed death-1 antibody, the photosynthetic micron robot prevents tumor relapse and metastasis in a mouse model.

SUMMARY Heterotrimeric organization of kinesin-II is essential for its function in anterograde IFT in ciliogenesis. However, the molecular basis of forming this complex for its function is not well understood. In addition, the anterograde IFT velocity varies significantly in different organisms, but how motor speed affects ciliary length is not clear. We show that Chlamydomonas kinesin-II (CrKinesin-II) involves distinct mechanisms from mammals and C. elegans in its assembly to necessitate its function in IFT. Furthermore, chimeric CrKinesin-II with human kinesin-II motor domains functioned in vitro and in vivo , leading to a ~2.8-fold reduced anterograde IFT velocity and a similar fold reduction in IFT injection rate that supposedly correlates with ciliary assembly activity. However, the ciliary length was only mildly reduced (~15%). Modelling analyses suggest that such a non-linear scaling relationship between IFT velocity and ciliary length can be accounted for by limitation of the motors and/or its ciliary cargoes, e.g. tubulin.

Immune-checkpoint blockade (ICB) reinvigorates T cells from exhaustion and potentiates T-cell responses to tumors. However, most patients do not respond to ICB therapy, and only a limited response can be achieved in a "cold" tumor with few infiltrated lymphocytes. Synthetic biology can be used to engineer bacteria as controllable bioreactors to synthesize biotherapeutics

Abstract Mechanical nociception is an evolutionarily conserved sensory process required for the survival of living organisms. Previous studies have revealed much about the neural circuits and key sensory molecules in mechanical nociception, but the cellular mechanisms adopted by nociceptors in force detection remain elusive. To address this issue, we study the mechanosensation of a fly larval nociceptor (class IV da neurons, c4da) using a customized mechanical device. We find that c4da are sensitive to mN-scale forces and make uniform responses to the forces applied at different dendritic regions. Moreover, c4da showed a greater sensitivity to more localized forces, consistent with them being able to sense the poking of sharp objects, such as wasp ovipositor. Further analysis reveals that high morphological complexity, mechanosensitivity to lateral tension and active signal propagation in the dendrites altogether facilitate the mechanosensitivity and sensory features of c4da. In particular, we discover that Piezo and Ppk1/Ppk26, two key mechanosensory molecules, make differential but additive contributions to the mechanosensation of c4da. In all, our results provide updates into understanding how c4da process mechanical signals at the cellular level and reveal the contributions of key molecules.

Abstract Dendritic spines of excitatory neurons undergo activity-dependent structural and functional plasticity, which are cellular correlates of learning and memory. However, mechanisms underlying the rapid morphological changes immediately after NMDAR-mediated Ca 2+ influx into spines remain poorly understood. Here we report that endophilin A1, a neuronal N-BAR protein, orchestrates membrane dynamics with actin polymerization to initiate spine enlargement in the induction phase of long-term potentiation (LTP). Upon LTP induction, Ca 2+ /calmodulin enhances its binding to both membrane and p140Cap, a cytoskeleton regulator. As a result, endophilin A1 rapidly associates with the relaxed plasma membrane and promotes actin polymerization, leading to acute expansion of spine head. Moreover, not only the p140Cap-binding, but also calmodulin- and membrane-binding capacities of endophilin A1 are required for LTP and long-term memory. Thus, endophilin A1 functions as calmodulin effector to drive spine enlargement in response to Ca 2+ influx in the initial phase of structural plasticity.

Abstract The highly ramified arbors of neuronal dendrites provide the substrate for the high connectivity and computational power of the brain. Altered dendritic morphology is associated with neuronal diseases. Many molecules have been shown to play crucial roles in shaping and maintaining dendrite morphology. Yet, the underlying principles by which molecular interactions generate branched morphologies are not understood. To elucidate these principles, we visualized the growth of dendrites throughout larval development of Drosophila sensory neurons and discovered that the tips of dendrites undergo dynamic instability, transitioning rapidly and stochastically between growing, shrinking, and paused states. By incorporating these measured dynamics into a novel, agent-based computational model, we showed that the complex and highly variable dendritic morphologies of these cells are a consequence of the stochastic dynamics of their dendrite tips. These principles may generalize to branching of other neuronal cell-types, as well as to branching at the subcellular and tissue levels.

Abstract The growing plus-end is a key regulatory site for microtubule dynamics. MCAK (mitotic centromere-associated kinesin), a microtubule depolymerizing kinesin, is an end-binding regulator of catastrophe frequency. It is intriguing how MCAK specifically binds to dynamic microtubule ends. Here, we measure the end-binding kinetics of MCAK using single-molecule imaging and reveal the end-binding preference. MCAK binds to the entire GTP cap, including the EB cap and the distalmost cap. Further analysis shows that MCAK strongly binds to GTPγS microtubules, suggesting that it could recognize the nucleotide-dependent feature of microtubules. Moreover, the binding preference is independent on the nucleotide state of MCAK, and this feature facilitates the high-affinity end-binding of MCAK. Finally, we show that despite partially sharing the binding regions, MCAK and XMAP215 function in an additive manner, demonstrating a simple logic of how the end-binding regulators work in co-ordination. In all, our results provide novel insights into understanding how MCAK regulates the dynamics of microtubule ends.