Many synthetic polycationic vectors for non-viral gene delivery show high efficiency in vitro, but their usually excessive charge density makes them toxic for in vivo applications. Here we describe the synthesis of a series of high molecular weight terpolymers with low charge density, and show that they exhibit efficient gene delivery, some surpassing the efficiency of the commercial transfection reagents Polyethylenimine and Lipofectamine 2000. The terpolymers were synthesized via enzyme-catalyzed copolymerization of lactone with dialkyl diester and amino diol, and their hydrophobicity adjusted by varying the lactone content and by selecting a lactone comonomer of specific ring size. Targeted delivery of the pro-apoptotic TRAIL gene to tumour xenografts by one of the terpolymers results in significant inhibition of tumour growth, with minimal toxicity both in vitro and in vivo. Our findings suggest that the gene delivery ability of the terpolymers stems from their high molecular weight and increased hydrophobicity, which compensates for their low charge density. Many synthetic polymer nanoparticles used for non-viral gene delivery contain excess cations on their surface, which makes the particles cytotoxic and the delivery of genes inefficient. Terpolymers with a low charge density, high molecular weight and increased hydrophobicity are now shown to have minimal toxicity, and to efficiently deliver the apoptosis-inducing TRAIL gene to transplanted tumours in mice.

Long-term survival and antitumor immunity of adoptively transferred CD8+ T cells is dependent on their metabolic fitness, but approaches to isolate therapeutic T cells based on metabolic features are not well established. Here we utilized a lipophilic cationic dye tetramethylrhodamine methyl ester (TMRM) to identify and isolate metabolically robust T cells based on their mitochondrial membrane potential (ΔΨm). Comprehensive metabolomic and gene expression profiling demonstrated global features of improved metabolic fitness in low-ΔΨm-sorted CD8+ T cells. Transfer of these low-ΔΨm T cells was associated with superior long-term in vivo persistence and an enhanced capacity to eradicate established tumors compared with high-ΔΨm cells. Use of ΔΨm-based sorting to enrich for cells with superior metabolic features was observed in CD8+, CD4+ T cell subsets, and long-term hematopoietic stem cells. This metabolism-based approach to cell selection may be broadly applicable to therapies involving the transfer of HSC or lymphocytes for the treatment of viral-associated illnesses and cancer.

Cancer immunotherapy has achieved promising clinical responses in recent years owing to the potential of controlling metastatic disease. However, there is a limited research to prove the superior therapeutic efficacy of immunotherapy on breast cancer compared with melanoma and non-small-cell lung cancer because of its limited expression of PD-L1, low infiltration of cytotoxic T lymphocytes (CTLs), and high level of myeloid-derived suppressor cells (MDSCs). Herein, a multifunctional nanoplatform (FA-CuS/DTX@PEI-PpIX-CpG nanocomposites, denoted as FA-CD@PP-CpG) for synergistic phototherapy (photodynamic therapy (PDT), photothermal therapy (PTT) included) and docetaxel (DTX)-enhanced immunotherapy is successfully developed. The nanocomposites exhibit excellent PDT efficacy and photothermal conversion capability under 650 and 808 nm irradiation, respectively. More significantly, FA-CD@PP-CpG with no obvious side effects can remarkably inhibit the tumor growth in vivo based on a 4T1-tumor-bearing mice modal. A low dosage of loaded DTX in FA-CD@PP-CpG can promote infiltration of CTLs to improve efficacy of anti-PD-L1 antibody (aPD-L1), suppress MDSCs, and effectively polarize MDSCs toward M1 phenotype to reduce tumor burden, further to enhance the antitumor efficacy. Taken together, FA-CD@PP-CpG nanocomposites offer an efficient synergistic therapeutic modality in docetaxel-enhanced immunotherapy for clinical application of breast cancer.

Due to its simplicity, versatility, and high efficiency, the clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)/Cas9 technology has emerged as one of the most promising approaches for treatment of a variety of genetic diseases, including human cancers. However, further translation of CRISPR/Cas9 for cancer gene therapy requires development of safe approaches for efficient, highly specific delivery of both Cas9 and single guide RNA to tumors. Here, novel core-shell nanostructure, liposome-templated hydrogel nanoparticles (LHNPs) that are optimized for efficient codelivery of Cas9 protein and nucleic acids is reported. It is demonstrated that, when coupled with the minicircle DNA technology, LHNPs deliver CRISPR/Cas9 with efficiency greater than commercial agent Lipofectamine 2000 in cell culture and can be engineered for targeted inhibition of genes in tumors, including tumors the brain. When CRISPR/Cas9 targeting a model therapeutic gene, polo-like kinase 1 (PLK1), is delivered, LHNPs effectively inhibit tumor growth and improve tumor-bearing mouse survival. The results suggest LHNPs as versatile CRISPR/Cas9-delivery tool that can be adapted for experimentally studying the biology of cancer as well as for clinically translating cancer gene therapy.

Abstract Multifunctional nanodrugs integrating multiple therapeutic and imaging functions may find tremendous biomedical applications. However, the development of a simple yet potent theranostic nanosystem with a high payload and microenvironment responsiveness enhancing imaging‐guided cancer therapy is still a great challenge. Herein, a kind of MnCO‐entrapped mesoporous polydopamine nanoparticles are developed, which reach a 1.5 mg payload per gram carrier and exhibit marked theranostic capability through effective CO/Mn 2+ generation and photothermal conversion inside the H + and H 2 O 2 ‐enriched tumor microenvironment, for a magnetic resonance/photoacoustic bimodal imaging‐guided tumor therapy. The multifunctional nanosystem exhibits a biocompatibility highly desirable for in vivo application and superior performance in inhibiting tumor growth and recurrence via combination CO and photothermal therapy.

Abstract The evaluation of anti-tumor drugs is critical for their development and clinical guidance. Tumor organoid models are gaining increased attention due to their ability to better mimic real tumor tissues, as well as lower time and economic costs, which makes up for the shortcomings of cell lines and xenograft models. However, current tumor organoid cultures based on the Matrigel have limitations in matching with high-throughput engineering methods due to slow gelation and low mechanical strength. Here, we present a novel composite bioink for culturing colorectal cancer organoids that provides an environment close to real tissue growth conditions and exhibits excellent photocrosslinking properties for rapid gel formation. Most importantly, the tumor organoids viability in the composite bioink after printing was as high as 97%, which also kept multicellular polar structures consistent with traditional culture methods in the Matrigel. Using 3D bioprinting with this composite bioink loaded with organoids, we demonstrated the feasibility of this drug evaluation model by validating it with clinically used colorectal cancer treatment drugs. Our results suggested that the composite bioink could effectively cultivate tumor organoids using 3D bioprinting, which had the potential to replace less reliable manual operations in promoting the application of tumor organoids in drug development and clinical guidance.