Macromolecular crowding dramatically affects cellular processes such as protein folding and assembly, regulation of metabolic pathways, and condensation of DNA. Despite increased attention, we still lack a definition for how crowded a heterogeneous environment is at the molecular scale and how this manifests in basic physical phenomena like diffusion. Here, we show by means of fluorescence correlation spectroscopy and computer simulations that crowding manifests itself through the emergence of anomalous subdiffusion of cytoplasmic macromolecules. In other words, the mean square displacement of a protein will grow less than linear in time and the degree of this anomality depends on the size and conformation of the traced particle and on the total protein concentration of the solution. We therefore propose that the anomality of the diffusion can be used as a quantifiable measure for the crowdedness of the cytoplasm at the molecular scale.

In this Perspective, attendees of the Herrenhausen Tumour Heterogeneity meeting discuss the challenges in understanding tumour heterogeneity and propose ways forward for overcoming these hurdles. The extent of tumor heterogeneity is an emerging theme that researchers are only beginning to understand. How genetic and epigenetic heterogeneity affects tumor evolution and clinical progression is unknown. The precise nature of the environmental factors that influence this heterogeneity is also yet to be characterized. Nature Medicine, Nature Biotechnology and the Volkswagen Foundation organized a meeting focused on identifying the obstacles that need to be overcome to advance translational research in and tumor heterogeneity. Once these key questions were established, the attendees devised potential solutions. Their ideas are presented here.

SARS-CoV-2 infection is associated with long-lasting neurological symptoms, although the underlying mechanisms remain unclear. Using optical clearing and imaging, we observed the accumulation of SARS-CoV-2 spike protein in the skull-meninges-brain axis of human COVID-19 patients, persisting long after viral clearance. Further, biomarkers of neurodegeneration were elevated in the cerebrospinal fluid from long COVID patients, and proteomic analysis of human skull, meninges, and brain samples revealed dysregulated inflammatory pathways and neurodegeneration-associated changes. Similar distribution patterns of the spike protein were observed in SARS-CoV-2-infected mice. Injection of spike protein alone was sufficient to induce neuroinflammation, proteome changes in the skull-meninges-brain axis, anxiety-like behavior, and exacerbated outcomes in mouse models of stroke and traumatic brain injury. Vaccination reduced but did not eliminate spike protein accumulation after infection in mice. Our findings suggest persistent spike protein at the brain borders may contribute to lasting neurological sequelae of COVID-19.

Many diseases, such as obesity, have systemic effects that impact multiple organ systems throughout the body. However, tools for comprehensive, high-resolution analysis of disease-associated changes at the whole-body scale have been lacking. Here, we developed a suite of deep learning-based image analysis algorithms (MouseMapper) and integrated it with tissue clearing and light-sheet microscopy to enable a comprehensive analysis of diseases impacting diverse systems across the mouse body. This approach enables the quantitative analysis of cellular and structural changes across the entire mouse body at unprecedented resolution and scale, including tracking nerves over several centimeters in whole animal bodies. To demonstrate its power, we applied MouseMapper to study nervous and immune systems in high-fat diet induced obesity. We uncovered widespread changes in both immune cell distribution and nerve structures, including alterations in the trigeminal nerve characterized by a reduced number of nerve endings in obese mice. These structural abnormalities were associated with functional deficits of whisker sensing and proteomic changes in the trigeminal ganglion, primarily affecting pathways related to axon growth and the complement system. Additionally, we found heterogeneity in obesity-induced whole-body inflammation across different tissues and organs. Our study demonstrates MouseMapper's capability to discover and quantify pathological alterations at the whole-body level, offering a powerful approach for investigating the systemic impacts of various diseases.

Efficient and accurate nanocarrier development for targeted drug delivery is hindered by a lack of methods to analyze its cell-level biodistribution across whole organisms. Here we present Single Cell Precision Nanocarrier Identification (SCP-Nano), an integrated experimental and deep learning pipeline to comprehensively quantify the targeting of nanocarriers throughout the whole mouse body at single-cell resolution. SCP-Nano reveals the tissue distribution patterns of lipid nanoparticles (LNPs) after different injection routes at doses as low as 0.0005 mg kg-1-far below the detection limits of conventional whole body imaging techniques. We demonstrate that intramuscularly injected LNPs carrying SARS-CoV-2 spike mRNA reach heart tissue, leading to proteome changes, suggesting immune activation and blood vessel damage. SCP-Nano generalizes to various types of nanocarriers, including liposomes, polyplexes, DNA origami and adeno-associated viruses (AAVs), revealing that an AAV2 variant transduces adipocytes throughout the body. SCP-Nano enables comprehensive three-dimensional mapping of nanocarrier distribution throughout mouse bodies with high sensitivity and should accelerate the development of precise and safe nanocarrier-based therapeutics.