Adoptive cell transfers have emerged as a disruptive approach to treat disease in a manner that is more specific than using small-molecule drugs; however, unlike traditional drugs, cells are living entities that can alter their function in response to environmental cues. In the present study, we report an engineered particle referred to as a "backpack" that can robustly adhere to macrophage surfaces and regulate cellular phenotypes in vivo. Backpacks evade phagocytosis for several days and release cytokines to continuously guide the polarization of macrophages toward antitumor phenotypes. We demonstrate that these antitumor phenotypes are durable, even in the strongly immunosuppressive environment of a murine breast cancer model. Conserved phenotypes led to reduced metastatic burdens and slowed tumor growths compared with those of mice treated with an equal dose of macrophages with free cytokine. Overall, these studies highlight a new pathway to control and maintain phenotypes of adoptive cellular immunotherapies.

Abstract Background Acoustophoresis has been utilized successfully in applications including cell trapping, focusing, and purification. One current limitation of acoustophoresis for cell sorting is the reliance on the inherent physical properties of cells (e.g., compressibility, density) instead of selecting cells based upon biologically relevant surface-presenting antigens. Introducing an acoustophoretic cell sorting approach that allows biochemical specificity may overcome this limitation, thus advancing the value of acoustophoresis approaches for both the basic research and clinical fields. Results The results presented herein demonstrate the ability for negative acoustic contrast particles (NACPs) to specifically capture and transport positive acoustic contrast particles (PACPs) to the antinode of an ultrasound standing wave. Emulsification and post curing of pre-polymers, either polydimethylsiloxane (PDMS) or polyvinylmethylsiloxane (PVMS), within aqueous surfactant solution results in the formation of stable NACPs that focus onto pressure antinodes. We used either photochemical reactions with biotin-tetrafluorophenyl azide (biotin-TFPA) or end-functionalization of Pluronic F108 surfactant to biofunctionalize NACPs. These biotinylated NACPs bind specifically to streptavidin polystyrene microparticles (as cell surrogates) and transport them to the pressure antinode within an acoustofluidic chip. Conclusion To the best of our knowledge, this is the first demonstration of using NACPs as carriers for transport of PACPs in an ultrasound standing wave. By using different silicones (i.e., PDMS, PVMS) and curing chemistries, we demonstrate versatility of silicone materials for NACPs and advance the understanding of useful approaches for preparing NACPs. This bioseparation scheme holds potential for applications requiring rapid, continuous separations such as sorting and analysis of cells and biomolecules.

Conventional dogma suggests that decompression sickness (DCS) is caused by nitrogen bubble nucleation in the blood vessels and/or tissues; however, the abundance of bubbles does not correlate with DCS severity. Since immune cells respond to chemical and environmental cues, we hypothesized that the elevated partial pressures of dissolved gases drive aberrant immune cell phenotypes in the alveolar vasculature. To test this hypothesis, we measured immune responses within human lung on a chip devices established with primary alveolar cells and microvascular cells. Devices were pressurized to 1.0 or 3.5 atm and surrounded by normal alveolar air or oxygen reduced air. Phenotyping of neutrophils, monocytes, and dendritic cells as well as multiplexed ELISA revealed that immune responses occur within 1 hour and that normal alveolar air (i.e., hyperbaric oxygen and nitrogen) confer greater immune activation. This work strongly suggests innate immune cell reactions initiated at elevated partial pressures contribute to the etiology of DCS.

Combinatorial methods to repolarize tumor-associated macrophages from anti-inflammatory to pro-inflammatory phenotypes offer a promising route for cancer immunotherapy. However, most studies examine biochemical combinations alone. Therefore, we studied simultaneous chemical and mechanical stimuli as orthogonal cues for enhanced immunomodulation. We engineered the surfaces of hydrophobically functionalized mesoporous silica nanoparticles (F108-hMSNs) to encapsulate the immunomodulator resiquimod and kill cancer cells through high-intensity focused ultrasound (HIFU)-mediated inertial cavitation, releasing damage-associated molecular patterns (DAMPs) for prolonged macrophage stimulation. The HIFU doses alone did not affect cells, but in combination with F108-hMSNs, achieved significantly higher cancer cell death and DAMP generation. Inflammatory markers (CD86, MHC II, iNOS) were upregulated in tumor-associated-like macrophages treated with F108-hMSNs in the presence of HIFU and experienced the greatest inflammatory phenotypic shift of all conditions tested. This work suggests that chemical and mechanical activation facilitated by engineered nanoparticles offer a promising treatment against immunologically cold tumors.