A new generation of photothermal theranostic agents is developed based on PEGylated WS2 nanosheets. Bimodal in vivo CT/photoacoustic imaging reveals strong tumor contrast after either intratumoral or intravenous injection of WS2-PEG. In vivo photothermal treatment is then conducted in a mouse tumor model, achieving excellent therapeutic efficacy with complete ablation of tumors. This work promises further exploration of transition-metal dichalcogenides for biomedical applications, such as cancer imaging and therapy. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Despite the ubiquity of ferrihydrite in natural sediments and its importance as an industrial sorbent, the nanocrystallinity of this iron oxyhydroxide has hampered accurate structure determination by traditional methods that rely on long-range order. We uncovered the atomic arrangement by real-space modeling of the pair distribution function (PDF) derived from direct Fourier transformation of the total x-ray scattering. The PDF for ferrihydrite synthesized with the use of different routes is consistent with a single phase (hexagonal space group P6(3)mc; a = approximately 5.95 angstroms, c = approximately 9.06 angstroms). In its ideal form, this structure contains 20% tetrahedrally and 80% octahedrally coordinated iron and has a basic structural motif closely related to the Baker-Figgis delta-Keggin cluster. Real-space fitting indicates structural relaxation with decreasing particle size and also suggests that second-order effects such as internal strain, stacking faults, and particle shape contribute to the PDFs.

Ageing is a result of gradual and overall functional deteriorations across the body; however, it is unknown whether an individual tissue primarily works to mediate the ageing progress and control lifespan. Here we show that the hypothalamus is important for the development of whole-body ageing in mice, and that the underlying basis involves hypothalamic immunity mediated by IκB kinase-β (IKK-β), nuclear factor κB (NF-κB) and related microglia–neuron immune crosstalk. Several interventional models were developed showing that ageing retardation and lifespan extension are achieved in mice by preventing ageing-related hypothalamic or brain IKK-β and NF-κB activation. Mechanistic studies further revealed that IKK-β and NF-κB inhibit gonadotropin-releasing hormone (GnRH) to mediate ageing-related hypothalamic GnRH decline, and GnRH treatment amends ageing-impaired neurogenesis and decelerates ageing. In conclusion, the hypothalamus has a programmatic role in ageing development via immune–neuroendocrine integration, and immune inhibition or GnRH restoration in the hypothalamus/brain represent two potential strategies for optimizing lifespan and combating ageing-related health problems. Activation of IKK-β and NF-κB in the hypothalamus of mice is shown to accelerate the ageing process, leading to shortened lifespan; inhibition of hypothalamic or brain IKK-β and NF-κB delays ageing and increases lifespan, and NF-κB activation results in a reduction of GnRH levels, whereas NF-κB inhibition leads to GnRH-induced neurogenesis to mediate ageing retardation. Ageing is closely associated with both nutrition and inflammation, and certain neurons can mediate environmental influences on ageing in Caenorhabditis elegans and Drosophila. This study focuses on the hypothalamus, a brain region that is critical for the neuroendocrine interaction between the central nervous system and the periphery. Guo Zhang et al. show that activation of IKK-β and NF-κB in the hypothalamus of mice accelerates the ageing process and shortens lifespan. Inhibition of IKK-β and NF-κB, mediators of metabolic inflammation, delays ageing and extends lifespan. NF-κB activation results in a decline of gonadotropin-releasing hormone (GnRH) levels and suppresses neurogenesis. GnRH treatment amends ageing-impaired neurogenesis and decelerates ageing. These results suggest that NF-κB-mediated inhibition of GnRH may shut down reproduction and ensure the quality of the species, but it initiates systemic ageing at the same time.

Multifunctional nanocomposites have the potential to integrate sensing, diagnostic, and therapeutic functions into a single nanostructure. Herein, we synthesize Fe3O4@polydopamine core-shell nanocomposites (Fe3O4@PDA NCs) through an in situ self-polymerization method. Dopamine, a melanin-like mimic of mussel adhesive proteins, can self-polymerize to form surface-adherent polydopamine (PDA) films onto a wide range of materials including Fe3O4 nanoparticles used here. In such nanocomposites, PDA provides a number of advantages, such as near-infrared absorption, high fluorescence quenching efficiency, and a surface for further functionalization with biomolecules. We demonstrate the ability of the Fe3O4@PDA NCs to act as theranostic agents for intracellular mRNA detection and multimodal imaging-guided photothermal therapy. This work would stimulate interest in the use of PDA as a useful material to construct multifunctional nanocomposites for biomedical applications.

Enormous efforts have been made toward the translation of nanotechnology into medical practice, including cancer management. Generally the applications have fallen into two categories: diagnosis and therapy. Because the targets are often the same, the development of separate approaches can miss opportunities to improve efficiency and effectiveness.The unique physical properties of nanomaterials enable them to serve as the basis for superior imaging probes to locate and report cancerous lesions and as vehicles to deliver therapeutics preferentially to those lesions. These technologies for probes and vehicles have converged in the current efforts to develop nanotheranostics, nanoplatforms with both imaging and therapeutic functionalities. These new multimodal platforms are highly versatile and valuable components of the emerging trend toward personalized medicine, which emphasizes tailoring treatments to the biology of individual patients to optimize outcomes. The close coupling of imaging and treatment within a theranostic agent and the data about the evolving course of an illness that these agents provide can facilitate informed decisions about modifications to treatment.Magnetic nanoparticles, especially superparamagnetic iron oxide nanoparticles (IONPs), have long been studied as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). Owing to recent progress in synthesis and surface modification, many new avenues have opened for this class of biomaterials. Such nanoparticles are not merely tiny magnetic crystals, but potential platforms with large surface-to-volume ratios. By taking advantage of the well-developed surface chemistry of these materials, researchers can load a wide range of functionalities, such as targeting, imaging and therapeutic features, onto their surfaces. This versatility makes magnetic nanoparticles excellent scaffolds for the construction of theranostic agents, and many efforts have been launched toward this goal.In this Account, we introduce the surface engineering techniques that we and others have developed, with an emphasis on how these techniques affect the role of nanoparticles as imaging or therapeutic agents. We and others have developed a set of chemical methods to prepare magnetic nanoparticles that possess accurate sizes, shapes, compositions, magnetizations, relaxivities, and surface charges. These features, in turn, can be harnessed to adjust the toxicity and stability of the nanoparticles and, further, to load functionalities, via various mechanisms, onto the nanoparticle surfaces.

Uniform plasmonic Pd@Au core–shell bimetallic nanoplates are synthesized by seeded growth strategy. Surface modified with SH-PEG makes it good biocompatibility, prolonged blood circulation, and relatively high tumor accumulation. Enhanced tumor contrast effects can be obtained for in vivo photoacoustic/CT imaging after intravenous injection of Pd@Au-PEG. Moreover, efficient photothermal tumor ablation is achieved, guided by the imaging techniques. This work promises further exploration of the superiority of 2D nanostructures for in vivo biomedical applications.

The development of precision nanomedicines to direct nanostructure-based reagents into tumour-targeted areas remains a critical challenge in clinics. Chemical reaction-mediated localization in response to tumour environmental perturbations offers promising opportunities for rational design of effective nano-theranostics. Here, we present a unique microenvironment-sensitive strategy for localization of peptide-premodified upconversion nanocrystals (UCNs) within tumour areas. Upon tumour-specific cathepsin protease reactions, the cleavage of peptides induces covalent cross-linking between the exposed cysteine and 2-cyanobenzothiazole on neighbouring particles, thus triggering the accumulation of UCNs into tumour site. Such enzyme-triggered cross-linking of UCNs leads to enhanced upconversion emission upon 808 nm laser irradiation, and in turn amplifies the singlet oxygen generation from the photosensitizers attached on UCNs. Importantly, this design enables remarkable tumour inhibition through either intratumoral UCNs injection or intravenous injection of nanoparticles modified with the targeting ligand. Our strategy may provide a multimodality solution for effective molecular sensing and site-specific tumour treatment.

Ag2S nanoparticles are increasingly important in biomedicine, such as in cancer imaging. However, there has been only limited success in the exploration of theranostic Ag2S nanoparticles for photoinduced cancer imaging and simultaneous therapy. Here we report size-dependent Ag2S nanodots (NDs) with well-defined nanostructure as a theranostic agent for multimodal imaging and simultaneous photothermal therapy. The NDs are precisely synthesized through carefully controlled growth of Ag2S in hollow human serum albumin nanocages. These NDs produce effective fluorescence in second near-infrared (NIR-II) region, distinct photoacoustic intensity, and good photothermal conversion in a size-dependent manner under light irradiation, thereby generating sufficient in vivo fluorescence and photoacoustic signals as well as potent hyperthermia at tumors. Moreover, Ag2S NDs possess ideal resistance to photobleaching, effective cellular uptake, preferable tumor accumulation, and in vivo elimination, thus facilitating NIR-II fluorescence/photoacoustics imaging with both ultrasensitivity and microscopic spatial resolution and simultaneous photothermal tumor ablation. These findings provide insight into the clinical potential of Ag2S nanodots for cancer theranostics.