Understanding the principles governing the design of nanoparticles for tumor targeting is essential for the effective diagnosis and treatment of solid tumors. There is currently a poor understanding of how to rationally engineer nanoparticles for tumor targeting. Here, we engineered different-sized spherical gold nanoparticles to discern the effect of particle diameter on passive (poly(ethylene glycol)-coated) and active (transferrin-coated) targeting of MDA-MB-435 orthotopic tumor xenografts. Tumor accumulation of actively targeted nanoparticles was found to be 5 times faster and approximately 2-fold higher relative to their passive counterparts within the 60 nm diameter range. For 15, 30, and 100 nm, we observed no significant differences. We hypothesize that such enhancements are the result of an increased capacity to penetrate into tumors and preferentially associate with cancer cells. We also use computational modeling to explore the mechanistic parameters that can impact tumor accumulation efficacy. We demonstrate that tumor accumulation can be mediated by high nanoparticle avidity and are weakly dependent on their plasma clearance rate. Such findings suggest that empirical models can be used to rapidly screen novel nanomaterials for relative differences in tumor targeting without the need for animal work. Although our findings are specific to MDA-MB-435 tumor xenografts, our experimental and computational findings help to enrich knowledge of design considerations that will aid in the optimal engineering of spherical gold nanoparticles for cancer applications in the future.

Tumor hypoxia is increasingly being recognized as a characteristic feature of solid tumors and significantly complicates many treatments based on radio-, chemo-, and phototherapies. While photodynamic therapy (PDT) is based on photosensitizer interactions with diffused oxygen, photothermal therapy (PTT) has emerged as a new phototherapy that is predicted to be independent of oxygen levels within tumors. It has been challenging to meaningfully compare these two modalities due to differences in contrast agents and irradiation parameters, and no comparative in vivo studies have been performed until now. Here, by making use of recently developed nanostructured self-quenched porphysome nanoparticles, we were able to directly compare PDT and PTT using matched light doses and matched porphyrin photosensitizer doses (with the photosensitizer being effective for either PTT or PDT based on the existence of nanostructure or not). Therefore, we demonstrated the nanostructure-driven conversion from the PDT singlet oxygen generating mechanism of porphyrin to a completely thermal mechanism, ideal for PTT enhancement. Using a novel hypoxia tumor model, we determined that nanostructured porphyrin PTT enhancers are advantageous to overcome hypoxic conditions to achieve effective ablation of solid tumors.

Understanding the pathology resulting from Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa polymicrobial wound infections is of great importance due to their ubiquitous nature, increasing prevalence, growing resistance to antimicrobial agents, and ability to delay healing. Methicillin-resistant S. aureus USA300 is the leading cause of community-associated bacterial infections resulting in increased morbidity and mortality. We utilized a well-established porcine partial thickness wound healing model to study the synergistic effects of USA300 and P. aeruginosa on wound healing. Wound re-epithelialization was significantly delayed by mixed-species biofilms through suppression of keratinocyte growth factor 1. Pseudomonas showed an inhibitory effect on USA300 growth in vitro while both species co-existed in cutaneous wounds in vivo. Polymicrobial wound infection in the presence of P. aeruginosa resulted in induced expression of USA300 virulence factors Panton-Valentine leukocidin and α-hemolysin. These results provide evidence for the interaction of bacterial species within mixed-species biofilms in vivo and for the first time, the contribution of virulence factors to the severity of polymicrobial wound infections.

Molecular beacons are FRET-based target-activatable probes. They offer control of fluorescence emission in response to specific cancer targets, thus are useful tools for in vivo cancer imaging. Photodynamic therapy (PDT) is a cell-killing process by light activation of a photosensitizer (PS) in the presence of oxygen. The key cytotoxic agent is singlet oxygen ((1)O(2)). By combining these two principles (FRET and PDT), we have introduced a concept of photodynamic molecular beacons (PMB) for controlling the PS's ability to generate (1)O(2) and, ultimately, for controlling its PDT activity. The PMB comprises a disease-specific linker, a PS, and a (1)O(2) quencher, so that the PS's photoactivity is silenced until the linker interacts with a target molecule, such as a tumor-associated protease. Here, we report the full implementation of this concept by synthesizing a matrix metalloproteinase-7 (MMP7)-triggered PMB and achieving not only MMP7-triggered production of (1)O(2) in solution but also MMP7-mediated photodynamic cytotoxicity in cancer cells. Preliminary in vivo studies also reveal the MMP7-activated PDT efficacy of this PMB. This study validates the core principle of the PMB concept that selective PDT-induced cell death can be achieved by exerting precise control of the PS's ability to produce (1)O(2) by responding to specific cancer-associated biomarkers. Thus, PDT selectivity will no longer depend solely on how selectively the PS can be delivered to cancer cells. Rather, it will depend on how selective a biomarker is to cancer cells, and how selective the interaction of PMB is to this biomarker.

Significance Nanotechnology is a promising approach for improving cancer diagnosis and treatment with reduced side effects. A key question that has emerged is: What is the ideal nanoparticle size, shape, or surface chemistry for targeting tumors? Here, we show that tumor pathophysiology and volume can significantly impact nanoparticle targeting. This finding presents a paradigm shift in nanomedicine away from identifying and using a universal nanoparticle design for cancer detection and treatment. Rather, our results suggest that future clinicians will be capable of tailoring nanoparticle designs according to the patient's tumor characteristics. This concept of “personalized nanomedicine” was tested for detection of prostate tumors and was successfully demonstrated to improve nanoparticle targeting by over 50%.

Significance Nanomaterials are developed for treating and diagnosing cancer, but only 0.7% (median) are delivered to a solid tumor. To address this delivery problem, we are examining each biological barrier to determine its impact on tumor delivery. Because the liver sequesters up to 70% of nanomaterials, in this study, we asked, if liver Kupffer cells were removed, what is the impact on tumor delivery? While we demonstrate that the tumor delivery increased up to 150 times, we achieved 2% for nanomaterials of different size, material, and tumor type. This suggests the need to focus on tumor pathophysiology to increase delivery efficiency, since this approach led to a greater availability of nanoparticles in the blood, but 98% did not accumulate in solid tumors.

Amyloid-beta (Aβ) accumulation in the brain is believed to play a central role in Alzheimer's disease (AD) pathogenesis, and the common late-onset form of AD is characterized by an overall impairment in Aβ clearance. Therefore, development of nanomedicine that can facilitate Aβ clearance represents a promising strategy for AD intervention. However, previous work of this kind was concentrated at the molecular level, and the disease-modifying effectiveness of such nanomedicine has not been investigated in clinically relevant biological systems. Here, we hypothesized that a biologically inspired nanostructure, apolipoprotein E3–reconstituted high density lipoprotein (ApoE3–rHDL), which presents high binding affinity to Aβ, might serve as a novel nanomedicine for disease modification in AD by accelerating Aβ clearance. Surface plasmon resonance, transmission electron microscopy, and co-immunoprecipitation analysis showed that ApoE3–rHDL demonstrated high binding affinity to both Aβ monomer and oligomer. It also accelerated the microglial, astroglial, and liver cell degradation of Aβ by facilitating the lysosomal transport. One hour after intravenous administration, about 0.4% ID/g of ApoE3–rHDL gained access to the brain. Four-week daily treatment with ApoE3–rHDL decreased Aβ deposition, attenuated microgliosis, ameliorated neurologic changes, and rescued memory deficits in an AD animal model. The findings here provided the direct evidence of a biomimetic nanostructure crossing the blood–brain barrier, capturing Aβ and facilitating its degradation by glial cells, indicating that ApoE3–rHDL might serve as a novel nanomedicine for disease modification in AD by accelerating Aβ clearance, which also justified the concept that nanostructures with Aβ-binding affinity might provide a novel nanoplatform for AD therapy.

Gastric mucosal injury is a chronic and progressive stomach disease that can be caused by nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). Therefore, there is an urgent need to find safe and effective drugs to prevent gastric mucosal injury due to NSAIDs. Cinnamaldehyde (CA) is a bioactive compound extracted from the rhizome of cinnamon and has various pharmacological functions, including anti-inflammatory, analgesic, antiapoptotic, and antioxidant activities. However, the potential pharmacological effect of CA on gastric mucosal injury remains unknown.

ABSTRACT Background High-density lipoprotein (HDL) nanoagents have unrealized potential for atherosclerosis theranostics. Porphyrin-lipid HDL mimetic nanoparticles (Por-HDL-NPs) incorporate porphyrin-lipid which permits near infrared fluorescence imaging and positron emission tomography (PET) through chelation of Copper-64 ( 64 Cu). The outer shell contains apolipoprotein A-I mimetic peptide R4F that interacts with scavenger receptor SR-BI, enabling macrophage targeting and therapeutic effects. We leveraged the theranostic properties of Por-HDL-NPs for testing in atherosclerosis. Methods and Results In vitro , Por-HDL-NPs were internalised by immortalised bone marrow-derived macrophages (iBMDMs), visualised via fluorescence microscopy and flow cytometry. Por-HDL-NPs increased cholesterol efflux from [ 3 H]-cholesterol-loaded iBMDMs, (49%, P <0.05), compared to reconstituted HDL. Incubation of iBMDMs with Por-HDL-NPs reduced mRNA levels of inflammatory mediators Il-1β (88%), Il-18 (54%) and Ccl5 (75%), and protein secretion of IL-1β (69%) and CCL5 (82%), P <0.05. Por-HDL-NPs suppressed inflammasome components Nlrp3 (69%) and Asc (36%), P <0.05. Studies using siRNA deletion of SR-B1 and methyl-β-cyclodextrin, revealed the anti-inflammatory properties of Por-HDL-NPs were independent of SR-B1 and cholesterol efflux. However, Por-HDL-NPs suppressed activation of inflammatory transcription factor NF-κB (53%, P <0.05). In Apoe -/- mice, PET imaging showed 64 Cu-Por-HDL-NPs localised in hearts and detected increases in plaque over time with high-cholesterol diet. Por-HDL-NP fluorescence was visualised in aortic sinus plaques, co-localised with CD68 + macrophages, and by fluorescence IVIS imaging in aortic arch plaque. Por-HDL-NP-treated mice had smaller early-stage (22%) and unstable plaques (52%) and fewer circulating monocytes (32%) than control PBS-treated mice, P <0.05 for all. Conclusions Por-HDL-NPs have theranostic properties, exhibiting both multi-modal imaging capabilities for identifying plaque and athero-protective therapeutic effects. Clinical Perspective: What is new? Porphyrin high-density lipoprotein (HDL) mimetic nanoparticles (Por-HDL-NPs) have theranostic application in atherosclerosis. Por-HDL-NPs are internalized by macrophages in vitro and plaque macrophages in vivo , enabling the visualization of atherosclerosis by both positron emission tomography and multiple fluorescence imaging modalities. Por-HDL-NPs exhibit atheroprotective effects and suppress inflammation, promote cholesterol efflux, reduce atherosclerotic plaque development and lower the number of circulating monocytes. What are the clinical implications? The PET imaging and plaque targeting capabilities of Por-HDL-NPs have implications for improved non-invasive tracking of human atherosclerosis development. The excellent fluorescence imaging and plaque targeting properties of Por-HDL-NPs have clinical significance for improved detection of early-stage plaque using intravascular imaging strategies. Por-HDL-NPs provide therapeutic capabilities that target plaque directly, independent of lipid-lowering, suggestive of their potential to provide benefit on top of current lipid-lowering strategies.