Tumor hypoxia is known to be one of critical reasons that limit the efficacy of cancer therapies, particularly photodynamic therapy (PDT) and radiotherapy (RT) in which oxygen is needed in the process of cancer cell destruction. Herein, taking advantages of the great biocompatibility and high oxygen dissolving ability of perfluorocarbon (PFC), we develop an innovative strategy to modulate the tumor hypoxic microenvironment using nano-PFC as an oxygen shuttle for ultrasound triggered tumor-specific delivery of oxygen. In our experiment, nanodroplets of PFC stabilized by albumin are intravenously injected into tumor-bearing mice under hyperoxic breathing. With a low-power clinically adapted ultrasound transducer applied on their tumor, PFC nanodroplets that adsorb oxygen in the lung would rapidly release oxygen in the tumor under ultrasound stimulation, and then circulate back into the lung for reoxygenation. Such repeated cycles would result in dramatically enhanced tumor oxygenation and thus remarkably improved therapeutic outcomes in both PDT and RT treatment of tumors. Importantly, our strategy may be applied for different types of tumor models. Hence, this work presents a simple strategy to promote tumor oxygenation with great efficiency using agents and instruments readily available in the clinic, so as to overcome the hypoxia-associated resistance in cancer treatment.

Hypoxia, a common feature within many types of solid tumors, is known to be closely associated with limited efficacy for cancer therapies, including radiotherapy (RT) in which oxygen is essential to promote radiation‐induced cell damage. Here, an artificial nanoscale red‐blood‐cell system is designed by encapsulating perfluorocarbon (PFC), a commonly used artificial blood substitute, within biocompatible poly( d , l ‐lactide‐ co ‐glycolide) (PLGA), obtaining PFC@PLGA nanoparticles, which are further coated with a red‐blood‐cell membrane (RBCM). The developed PFC@PLGA‐RBCM nanoparticles with the PFC core show rather efficient loading of oxygen, as well as greatly prolonged blood circulation time owing to the coating of RBCM. With significantly improved extravascular diffusion within the tumor mass, owing to their much smaller nanoscale sizes compared to native RBCs with micrometer sizes, PFC@PLGA‐RBCM nanoparticles are able to effectively deliver oxygen into tumors after intravenous injection, leading to greatly relieved tumor hypoxia and thus remarkably enhanced treatment efficacy during RT. This work thus presents a unique type of nanoscale RBC mimic for efficient oxygen delivery into solid tumors, favorable for cancer treatment by RT, and potentially other types of therapy as well.

Theranostics for in vivo cancer diagnosis and treatment generally requires well-designed nanoscale platforms with multiple integrated functionalities. In this study, we uncover that functionalized iron oxide nanoparticles (IONPs) could be self-assembled on the surface of two-dimensional MoS2 nanosheets via sulfur chemistry, forming MoS2-IO nanocomposites, which are then modified with two types of polyethylene glycol (PEG) to acquire enhanced stability in physiological environments. Interestingly, 64Cu, a commonly used positron-emitting radioisotope, could be firmly adsorbed on the surface of MoS2 without the need of chelating molecules, to enable in vivo positron emission tomography (PET) imaging. On the other hand, the strong near-infrared (NIR) and superparamagnetism of MoS2-IO-PEG could also be utilized for photoacoustic tomography (PAT) and magnetic resonance (MR) imaging, respectively. Under the guidance by such triple-modal imaging, which uncovers efficient tumor retention of MoS2-IO-(d)PEG upon intravenous injection, in vivo photothermal therapy is finally conducted, achieving effective tumor ablation in an animal tumor model. Our study highlights the promise of constructing multifunctional theranostic nanocomposites based on 2D transitional metal dichalcogenides for multimodal imaging-guided cancer therapy.

Recently, near‐infrared (NIR) absorbing conjugated polymeric nanoparticles have received significant attention in photothermal therapy of cancer. Herein, polypyrrole (PPy), a NIR‐absorbing conjugate polymer, is used to coat ultra‐small iron oxide nanoparticles (IONPs), obtaining multifunctional IONP@PPy nanocomposite which is further modified by the biocompatible polyethylene glycol (PEG) through a layer‐by‐layer method to acquire high stability in physiological solutions. Utilizing the optical and magnetic properties of the yielded IONP@PPy‐PEG nanoparticles, in vivo magnetic resonance (MR) and photoacoustic imaging of tumor‐bearing mice are conducted, revealing strong tumor uptake of those nanoparticles after intravenous injection. In vivo photothermal therapy is then designed and carried out, achieving excellent tumor ablation therapeutic effect in mice experiments. These results promise the use of multifunctional NIR‐absorbing organic‐inorganic hybrid nanomaterials, such as IONP@PPy‐PEG presented here, for potential applications in cancer theranostics.

The recent years have witnessed the blooming of cancer immunotherapy, as well as their combinational use together with other existing cancer treatment techniques including radiotherapy. However, hypoxia is one of several causes of the immunosuppressive tumor microenvironment (TME). Herein, we develop an innovative strategy to relieve tumor hypoxia by delivering exogenous H2O2 into tumors and the subsequent catalase-triggered H2O2 decomposition. In our experiment, H2O2 and catalase are separately loaded within stealthy liposomes. After intravenous (iv) preinjection of CAT@liposome, another dose of H2O2@liposome is injected 4 h later. The sustainably released H2O2 could be decomposed by CAT@liposome, resulting in a long lasting effect in tumor oxygenation enhancement. As the result, the combination treatment by CAT@liposome plus H2O2@liposome offers remarkably enhanced therapeutic effects in cancer radiotherapy as observed in a mouse tumor model as well as a more clinically relevant patient-derived xenograft tumor model. Moreover, the relieved tumor hypoxia would reverse the immunosuppressive TME to favor antitumor immunities, further enhancing the combined radio-immunotherapy with cytotoxic T lymphocyte-associated antigen 4 (CTLA4) blockade. This work presents a simple yet effective strategy to promote tumor oxygenation via sequential delivering catalase and exogenous H2O2 into tumors using well-established liposomal carriers, showing great potential for clinical translation in radio-immunotherapy of cancer.

Conjugated polymers with strong absorbance in the near‐infrared (NIR) region have been widely explored as photothermal therapy agents due to their excellent photostability and high photothermal conversion efficiency. Herein, polypyrrole (PPy) nanoparticles are fabricated by using bovine serum albumin (BSA) as the stabilizing agent, which if preconjugated with photosensitizer chlorin e6 (Ce6) could offer additional functionalities in both imaging and therapy. The obtained PPy@BSA‐Ce6 nanoparticles exhibit little dark toxicity to cells, and are able to trigger both photodynamic therapy (PDT) and photothermal therapy (PTT). As a fluorescent molecule that in the meantime could form chelate complex with Gd 3+ , Ce6 in PPy@BSA‐Ce6 nanoparticles after being labeled with Gd 3+ enables dual‐modal fluorescence and magnetic resonance (MR) imaging, which illustrate strong tumor uptake of those nanoparticles after intravenous injection into tumor‐bearing mice. In vivo combined PDT and PTT treatment is then carried out after systemic administration of PPy@BSA‐Ce6, achieving a remarkably improved synergistic therapeutic effect compared to PDT or PTT alone. Hence, a rather simple one‐step approach to fabricate multifunctional nanoparticles based on conjugated polymers, which appear to be promising in cancer imaging and combination therapy, is presented.

Chemotherapy is often plagued by side-effects, development of drug resistance, difficulty of targeted delivery, and limited effectiveness. Here, we tackle these issues by rationally designing a nanolipid system with the capabilities of selective accumulation in tumor tissues, responsiveness to tumor microenvironment (TME), synergistic combination of chemotherapy with ferroptosis, magnetic resonance (MR) imaging to monitor the uptake kinetics and therapeutic process. Specifically, a tumor-responsive nanolipid encapsulated with Fe3+-DOX nanocomplexes is devised. DOX is only released inside the tumor cells and subsequently induces apoptosis after the nanolipids are selectively accumulated in tumor tissues, readily uptaken by tumor cells, and finally disassembled by overexpressed glutathione (GSH). Free Fe2+ ions reduced from Fe3+ by GSH catalyze the excess H2O2 in tumor cells into cytotoxic ·OH radicals, which in turn cause lipid peroxidation and consequently ferroptosis. Intracellularly released Fe3+-DOX nanocomplexes emit strong MR signal, indicating successful internalization of the therapeutics and initiation of the ferroptotic-chemotherapy. Such MR imaging-monitored, highly targeted, synergistic therapy offers high therapeutic efficacy, low side-effects, and immunity to drug resistance.