Synthetic nanoparticles coated with cellular membranes have been increasingly explored to harness natural cell functions toward the development of novel therapeutic strategies. Herein, we report on a unique bacterial membrane-coated nanoparticle system as a new and exciting antibacterial vaccine. Using Escherichia coli as a model pathogen, we collect bacterial outer membrane vesicles (OMVs) and successfully coat them onto small gold nanoparticles (AuNPs) with a diameter of 30 nm. The resulting bacterial membrane-coated AuNPs (BM-AuNPs) show markedly enhanced stability in biological buffer solutions. When injected subcutaneously, the BM-AuNPs induce rapid activation and maturation of dendritic cells in the lymph nodes of the vaccinated mice. In addition, vaccination with BM-AuNPs generates antibody responses that are durable and of higher avidity than those elicited by OMVs only. The BM-AuNPs also induce an elevated production of interferon gamma (INFγ) and interleukin-17 (IL-17), but not interleukin-4 (IL-4), indicating its capability of generating strong Th1 and Th17 biased cell responses against the source bacteria. These observed results demonstrate that using natural bacterial membranes to coat synthetic nanoparticles holds great promise for designing effective antibacterial vaccines.

Significance Clinical evidence has indicated that the systemic spread of endotoxins from septic infection plays a crucial role in the pathogenesis of Gram-negative bacterial sepsis. However, currently there are no effective ways to manage the diverse endotoxins released by different bacterial genus, species, and strain. Herein, we demonstrate the therapeutic potential of a macrophage-like nanoparticle for sepsis control through a powerful two-step neutralization process: endotoxin neutralization in the first step followed by cytokine sequestration in the second step. The biomimetic nanoparticles possess an antigenic exterior identical to macrophage cells, thus inheriting their capability to bind to endotoxins and proinflammatory cytokines. This detoxification strategy may provide a first-in-class treatment option for sepsis and ultimately improve the clinical outcome of patients.

Although myocyte cell transplantation studies have suggested a promising therapeutic potential for myocardial infarction, a major obstacle to the development of clinical therapies for myocardial repair is the difficulties associated with obtaining relatively homogeneous ventricular myocytes for transplantation. Human embryonic stem cells (hESCs) are a promising source of cardiomyocytes. Here we report that retinoid signaling regulates the fate specification of atrial versus ventricular myocytes during cardiac differentiation of hESCs. We found that both Noggin and the pan-retinoic acid receptor antagonist BMS-189453 (RAi) significantly increased the cardiac differentiation efficiency of hESCs. To investigate retinoid functions, we compared Noggin+RAi-treated cultures with Noggin+RA-treated cultures. Our results showed that the expression levels of the ventricular-specific gene IRX-4 were radically elevated in Noggin+RAi-treated cultures. MLC-2V, another ventricular-specific marker, was expressed in the majority of the cardiomyocytes in Noggin+RAi-treated cultures, but not in the cardiomyocytes of Noggin+RA-treated cultures. Flow cytometry analysis and electrophysiological studies indicated that with 64.7 ± 0.88% (mean ±s.e.m) cardiac differentiation efficiency, 83% of the cardiomyocytes in Noggin+RAi-treated cultures had embryonic ventricular-like action potentials (APs). With 50.7 ± 1.76% cardiac differentiation efficiency, 94% of the cardiomyocytes in Noggin+RA-treated cultures had embryonic atrial-like APs. These results were further confirmed by imaging studies that assessed the patterns and properties of the Ca2+ sparks of the cardiomyocytes from the two cultures. These findings demonstrate that retinoid signaling specifies the atrial versus ventricular differentiation of hESCs. This study also shows that relatively homogeneous embryonic atrial- and ventricular-like myocyte populations can be efficiently derived from hESCs by specifically regulating Noggin and retinoid signals.

We report cellular nanosponges as an effective medical countermeasure to the SARS-CoV-2 virus. Two types of cellular nanosponges are made of the plasma membranes derived from human lung epithelial type II cells or human macrophages. These nanosponges display the same protein receptors, both identified and unidentified, required by SARS-CoV-2 for cellular entry. It is shown that, following incubation with the nanosponges, SARS-CoV-2 is neutralized and unable to infect cells. Crucially, the nanosponge platform is agnostic to viral mutations and potentially viral species, as well. As long as the target of the virus remains the identified host cell, the nanosponges will be able to neutralize the virus.

Platelet-mimicking nanoparticles enable the targeted delivery of small interfering RNA to tumors for anticancer therapy.

Ag+ ions are a well-known antibacterial agent, and Ag nanoparticles act as a reservoir of these Ag+ ions for targeted therapy of bacterial infections. However, there are no tools to effectively trigger and monitor the release of Ag+ ions from Ag nanoparticles. Photoacoustic (PA) imaging is an emerging noninvasive imaging tool, and gold nanorods (AuNRs) are an excellent contrast agent for PA imaging. In this work, we developed Au/Ag hybrid nanoparticles by coating AuNRs with silver (Ag), which decreased their photoacoustic signal. The as-prepared, Ag-coated Au nanorods (Au/AgNRs) are stable under ambient conditions, but the addition of ferricyanide solution (1 mM) results in oxidative etching of the silver shell. The PA contrast is simultaneously recovered as the silver is released, and this PA signal offers noninvasive monitoring of localized release of Ag+ ions. The released Ag+ ions exhibit a strong bactericidal efficacy similar to equivalent free Ag+ ions (AgNO3), and the nanoparticles killed >99.99% of both (Gram-positive) methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA, 32 μM Ag+ equivalent) and (Gram-negative) Escherichia coli (8 μM Ag+ equivalent). The theranostic potential of these nanoparticles was demonstrated in a pilot in vivo study. Mice were inoculated with MRSA and Au/AgNRs were subcutaneously implanted followed by silver etching. There was a 730% increase in the PA signal (p < 0.01) pre- and post-etching, and the bacterial counts in infected tissues of the treated group were reduced by 1000-fold (log CFU/g = 4.15 vs 7.75) versus the untreated control; this treatment efficacy was confirmed with histology. We further showed that these hybrid nanoparticles could release Ag+ after stimulation by reactive oxygen species including hydrogen peroxide and peroxynitrite. These hybrid Au/Ag nanoparticles are a useful theranostic agent for the photoacoustic imaging and treatment of bacterial infections.

The efforts of detecting bioactive targets with complex, dynamic, and unknown molecular profiles have inspired the development of various biosensor platforms. Herein, we report a cell-membrane-modified field effect transistor (FET) as a function-based nanosensor for the detection and quantitative measurement of numerous toxins and biological samples. By coating carbon nanotube FETs with natural red blood cell membranes, the resulting biomimetic nanosensor can selectively interact with and absorb broad-spectrum hemolytic toxins regardless of their molecular structures. Toxin–biomembrane interactions alter the local charge distribution at the FET surface in an ultrasensitive and concentration-dependent manner, resulting in a detection limit down to the femtomolar (fM) range. Accurate and quantitative measurements are enabled via a built-in calibration mechanism of the sensor, which overcomes batch-to-batch fabrication variations, and are demonstrated using three distinct toxins and various complex bacterial supernatants. The measured signals of bacterium-secreted proteins correlate linearly with the actual bacterial numbers, making the biosensor a nontraditional approach to rapidly detecting bacterial concentrations without a need to count bacterial colonies.

Adsorbing small charged nanoparticles onto the outer surfaces of liposomes has become an effective strategy to stabilize liposomes against fusion prior to "seeing" target bacteria, yet allow them to fuse with the bacteria upon arrival at the infection sites. As a result, nanoparticle-stabilized liposomes have become an emerging drug delivery platform for treatment of various bacterial infections. To facilitate the translation of this platform for clinical tests and uses, herein we integrate nanoparticle-stabilized liposomes with hydrogel technology for more effective and sustained topical drug delivery. The hydrogel formulation not only preserves the structural integrity of the nanoparticle-stabilized liposomes, but also allows for controllable viscoeleasticity and tunable liposome release rate. Using Staphylococcus aureus bacteria as a model pathogen, we demonstrate that the hydrogel formulation can effectively release nanoparticle-stabilized liposomes to the bacterial culture, which subsequently fuse with bacterial membrane in a pH-dependent manner. When topically applied onto mouse skin, the hydrogel formulation does not generate any observable skin toxicity within a 7-day treatment. Collectively, the hydrogel containing nanoparticle-stabilized liposomes hold great promise for topical applications against various microbial infections.

Abstract Effectively neutralizing inflammatory cytokines is crucial for managing a variety of inflammatory disorders. Current techniques that target only a subset of cytokines often fall short due to the intricate nature of redundant and compensatory cytokine networks. A promising solution to this challenge is using cell membrane‐coated nanoparticles (CNPs). These nanoparticles replicate the complex interactions between cells and cytokines observed in disease pathology, providing a potential avenue for multiplex cytokine scavenging. While the development of CNPs using experimental animal models has shown great promise, their effectiveness in scavenging multiple cytokines in human diseases has yet to be demonstrated. To bridge this gap, this study selected macrophage membrane‐coated CNPs (MФ‐CNPs) and assessed their ability to scavenge inflammatory cytokines in serum samples from patients with COVID‐19, sepsis, acute pancreatitis, or type‐1 diabetes, along with synovial fluid samples from patients with rheumatoid arthritis. The results show that MФ‐CNPs effectively scavenge critical inflammatory cytokines, including interleukin (IL)‐6, IL‐8, interferon (IFN)‐γ, and tumor necrosis factor (TNF)‐α, in a dose‐dependent manner. Overall, this study demonstrates MФ‐CNPs as a multiplex cytokine scavenging formulation with promising applications in clinical settings to treat a range of inflammatory disorders.