Extracellular vesicles (EVs) are nanosized vesicles released by normal and diseased cells as a novel form of intercellular communication and can serve as an effective therapeutic vehicle for genes and drugs. Yet, much remains unknown about the in vivo properties of EVs such as tissue distribution, blood levels, and urine clearance, important parameters that will define their therapeutic effectiveness and potential toxicity. Here we combined Gaussia luciferase and metabolic biotinylation to create a sensitive EV reporter (EV-GlucB) for multimodal imaging in vivo, as well as monitoring of EV levels in the organs and biofluids ex vivo after administration of EVs. Bioluminescence and fluorescence-mediated tomography imaging on mice displayed a predominant localization of intravenously administered EVs in the spleen followed by the liver. Monitoring EV signal in the organs, blood, and urine further revealed that the EVs first undergo a rapid distribution phase followed by a longer elimination phase via hepatic and renal routes within six hours, which are both faster than previously reported using dye-labeled EVs. Moreover, we demonstrate systemically injected EVs can be delivered to tumor sites within an hour following injection. Altogether, we show the EVs are dynamically processed in vivo with accurate spatiotemporal resolution and target a number of normal organs as well as tumors with implications for disease pathology and therapeutic design.

Photoproteins have played a major role in advancing our understanding of biological processes. A broader array of biocompatible, nontoxic, and novel reporters can serve to expand this potential. Here we describe the properties of a luciferase from the copepod marine organism Gaussia princeps. It is a monomeric protein composed of 185 aa (19.9 kDa) with a short coding sequence (555 bp) making it suitable for viral vectors. The humanized form of Gaussia luciferase (hGLuc) was efficiently expressed in mammalian cells following delivery by HSV-1 amplicon vectors. It was found to be nontoxic and naturally secreted, with flash bioluminescence characteristics similar to those of other coelenterazine luciferases. hGLuc generated over 1000-fold higher bioluminescent signal intensity from live cells together with their immediate environment and over 100-fold higher intensity from viable cells alone (not including secreted luciferase) or cell lysates, compared to humanized forms of firefly (hFLuc) and Renilla (hRLuc) luciferases expressed under similar conditions. Furthermore, hGLuc showed 200-fold higher signal intensity than hRLuc and intensity comparable to that of hFLuc in vivo under standard imaging conditions. Gaussia luciferase provides a sensitive means of imaging gene delivery and other events in living cells in culture and in vivo, with a unique combination of features including high signal intensity, secretion, and ATP independence, thus being able to report from the cells and their environment in real time.

Abstract Accurate spatiotemporal assessment of extracellular vesicle (EV) delivery and cargo RNA translation requires specific and robust live-cell imaging technologies. Here we engineer optical reporters to label multiple EV populations for visualization and tracking of tumour EV release, uptake and exchange between cell populations both in culture and in vivo . Enhanced green fluorescence protein (EGFP) and tandem dimer Tomato (tdTomato) were fused at NH 2 -termini with a palmitoylation signal (PalmGFP, PalmtdTomato) for EV membrane labelling. To monitor EV-RNA cargo, transcripts encoding PalmtdTomato were tagged with MS2 RNA binding sequences and detected by co-expression of bacteriophage MS2 coat protein fused with EGFP. By multiplexing fluorescent and bioluminescent EV membrane reporters, we reveal the rapid dynamics of both EV uptake and translation of EV-delivered cargo mRNAs in cancer cells that occurred within 1-hour post-horizontal transfer between cells. These studies confirm that EV-mediated communication is dynamic and multidirectional between cells with delivery of functional mRNA.

Pro-opiomelanocortin (POMC)- and agouti-related peptide (AgRP)-expressing neurons of the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARC) are oppositely regulated by caloric depletion and coordinately stimulate and inhibit homeostatic satiety, respectively. This bimodality is principally underscored by the antagonistic actions of these ligands at downstream melanocortin-4 receptors (MC4R) in the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVH). Although this population is critical to energy balance, the underlying neural circuitry remains unknown. Using mice expressing Cre recombinase in MC4R neurons, we demonstrate bidirectional control of feeding following real-time activation and inhibition of PVH(MC4R) neurons and further identify these cells as a functional exponent of ARC(AgRP) neuron-driven hunger. Moreover, we reveal this function to be mediated by a PVH(MC4R)→lateral parabrachial nucleus (LPBN) pathway. Activation of this circuit encodes positive valence, but only in calorically depleted mice. Thus, the satiating and appetitive nature of PVH(MC4R)→LPBN neurons supports the principles of drive reduction and highlights this circuit as a promising target for antiobesity drug development.

Blood-based liquid biopsies, including tumor-educated blood platelets (TEPs), have emerged as promising biomarker sources for non-invasive detection of cancer. Here we demonstrate that particle-swarm optimization (PSO)-enhanced algorithms enable efficient selection of RNA biomarker panels from platelet RNA-sequencing libraries (n = 779). This resulted in accurate TEP-based detection of early- and late-stage non-small-cell lung cancer (n = 518 late-stage validation cohort, accuracy, 88%; AUC, 0.94; 95% CI, 0.92–0.96; p < 0.001; n = 106 early-stage validation cohort, accuracy, 81%; AUC, 0.89; 95% CI, 0.83–0.95; p < 0.001), independent of age of the individuals, smoking habits, whole-blood storage time, and various inflammatory conditions. PSO enabled selection of gene panels to diagnose cancer from TEPs, suggesting that swarm intelligence may also benefit the optimization of diagnostics readout of other liquid biopsy biosources.

Adeno-associated virus (AAV) vectors have shown remarkable efficiency for gene delivery to cultured cells and in animal models of human disease. However, limitations to AAV vectored gene transfer exist after intravenous transfer, including off-target gene delivery (e.g., liver) and low transduction of target tissue. Here, we show that during production, a fraction of AAV vectors are associated with microvesicles/exosomes, termed vexosomes (vector-exosomes). AAV capsids associated with the surface and in the interior of microvesicles were visualized using electron microscopy. In cultured cells, vexosomes outperformed conventionally purified AAV vectors in transduction efficiency. We found that purified vexosomes were more resistant to a neutralizing anti-AAV antibody compared to conventionally purified AAV. Finally, we show that vexosomes bound to magnetic beads can be attracted to a magnetized area in cultured cells. Vexosomes represent a unique entity which offers a promising strategy to improve gene delivery.