Ovarian cancer is the leading cause of death among women with gynecological malignancies. Acquired resistance to chemotherapy is a major limitation for ovarian cancer treatment. We report here the first use of nanoscale metal–organic frameworks (NMOFs) for the co-delivery of cisplatin and pooled small interfering RNAs (siRNAs) to enhance therapeutic efficacy by silencing multiple drug resistance (MDR) genes and resensitizing resistant ovarian cancer cells to cisplatin treatment. UiO NMOFs with hexagonal-plate morphologies were loaded with a cisplatin prodrug and MDR gene-silencing siRNAs (Bcl-2, P-glycoprotein [P-gp], and survivin) via encapsulation and surface coordination, respectively. NMOFs protect siRNAs from nuclease degradation, enhance siRNA cellular uptake, and promote siRNA escape from endosomes to silence MDR genes in cisplatin-resistant ovarian cancer cells. Co-delivery of cisplatin and siRNAs with NMOFs led to an order of magnitude enhancement in chemotherapeutic efficacy in vitro, as indicated by cell viability assay, DNA laddering, and Annexin V staining. This work shows that NMOFs hold great promise in the co-delivery of multiple therapeutics for effective treatment of drug-resistant cancers.

Abstract Advanced colorectal cancer is one of the deadliest cancers, with a 5-year survival rate of only 12% for patients with the metastatic disease. Checkpoint inhibitors, such as the antibodies inhibiting the PD-1/PD-L1 axis, are among the most promising immunotherapies for patients with advanced colon cancer, but their durable response rate remains low. We herein report the use of immunogenic nanoparticles to augment the antitumour efficacy of PD-L1 antibody-mediated cancer immunotherapy. Nanoscale coordination polymer (NCP) core-shell nanoparticles carry oxaliplatin in the core and the photosensitizer pyropheophorbide-lipid conjugate (pyrolipid) in the shell (NCP@pyrolipid) for effective chemotherapy and photodynamic therapy (PDT). Synergy between oxaliplatin and pyrolipid-induced PDT kills tumour cells and provokes an immune response, resulting in calreticulin exposure on the cell surface, antitumour vaccination and an abscopal effect. When combined with anti-PD-L1 therapy, NCP@pyrolipid mediates regression of both light-irradiated primary tumours and non-irradiated distant tumours by inducing a strong tumour-specific immune response.

Photodynamic therapy (PDT) is an effective anticancer procedure that relies on tumor localization of a photosensitizer followed by light activation to generate cytotoxic reactive oxygen species (e.g., 1O2). Here we report the rational design of a Hf–porphyrin nanoscale metal–organic framework, DBP–UiO, as an exceptionally effective photosensitizer for PDT of resistant head and neck cancer. DBP–UiO efficiently generates 1O2 owing to site isolation of porphyrin ligands, enhanced intersystem crossing by heavy Hf centers, and facile 1O2 diffusion through porous DBP–UiO nanoplates. Consequently, DBP–UiO displayed greatly enhanced PDT efficacy both in vitro and in vivo, leading to complete tumor eradication in half of the mice receiving a single DBP–UiO dose and a single light exposure. NMOFs thus represent a new class of highly potent PDT agents and hold great promise in treating resistant cancers in the clinic.

Photodynamic therapy (PDT) can destroy local tumors and minimize normal tissue damage, but is ineffective at eliminating metastases. Checkpoint blockade immunotherapy has enjoyed recent success in the clinic, but only elicits limited rates of systemic antitumor response for most cancers due to insufficient activation of the host immune system. Here we describe a treatment strategy that combines PDT by a new chlorin-based nanoscale metal-organic framework (nMOF), TBC-Hf, and a small-molecule immunotherapy agent that inhibits indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), encapsulated in the nMOF channels to induce systemic antitumor immunity. The synergistic combination therapy achieved effective local and distant tumor rejection in colorectal cancer models. We detected increased T cell infiltration in the tumor microenvironment after activation of the immune system with the combination of IDO inhibition by the small-molecule immunotherapy agent and immunogenic cell death induced by PDT. We also elucidated the underlying immunological mechanisms and revealed compensatory roles of neutrophils and B cells in presenting tumor-associated antigens to T cells in this combination therapy. We believe that nMOF-enabled PDT has the potential to significantly enhance checkpoint blockade cancer immunotherapy, affording clinical benefits for the treatment of many difficult-to-treat cancers.

Trimethyl chitosan-cysteine conjugate (TMC-Cys) was synthesized in an attempt to combine the mucoadhesion and the permeation enhancing effects of TMC and thiolated polymers related to different mechanisms for oral absorption. TMC-Cys with various molecular weights (30, 200, and 500 kDa) and quaternization degrees (15 and 30%) was allowed to form polyelectrolyte nanoparticles with insulin through self-assembly, which demonstrated particle size of 100–200 nm, zeta potential of +12 to +18 mV, and high encapsulation efficiency. TMC-Cys/insulin nanoparticles (TMC-Cys NP) showed a 2.1–4.7-fold increase in mucoadhesion compared to TMC/insulin nanoparticles (TMC NP), which might be partly attributed to disulfide formation between TMC-Cys and mucin as evidenced by DSC measurement. Compared to insulin solution and TMC NP, TMC-Cys NP induced increased insulin transport through rat intestine by 3.3–11.7 and 1.7–2.6 folds, promoted Caco-2 cell internalization by 7.5–12.7 and 1.7–3.0 folds, and augmented uptake in Peyer's patches by 14.7–20.9 and 1.7–5.0 folds, respectively. Such results were further confirmed by in vivo experiment with the optimal TMC-Cys NP. Biocompatibility assessment revealed lack of toxicity of TMC-Cys NP. Therefore, self-assembled nanoparticles between TMC-Cys and protein drugs could be an effective and safe oral delivery system.

We report here the rational design of the first chlorin-based nanoscale metal–organic framework (NMOF), DBC-UiO, with much improved photophysical properties over the previously reported porphyrin-based NMOF, DBP-UiO. Reduction of the DBP ligands in DBP-UiO to the DBC ligands in DBC-UiO led to a 13 nm red shift and an 11-fold increase in the extinction coefficient of the lowest-energy Q band. While inheriting the crystallinity, stability, porosity, and nanoplate morphology of DBP-UiO, DBC-UiO sensitizes more efficient 1O2 generation and exhibits significantly enhanced photodynamic therapy (PDT) efficacy on two colon cancer mouse models as a result of its improved photophysical properties. Both apoptosis and immunogenic cell death contributed to killing of cancer cells in DBC-UiO-induced PDT.

Real-time measurement of intracellular pH in live cells is of great importance for understanding physiological/pathological processes and developing intracellular drug delivery systems. We report here the first use of nanoscale metal-organic frameworks (NMOFs) for intracellular pH sensing in live cells. Fluorescein isothiocyanate (FITC) was covalently conjugated to a UiO NMOF to afford F-UiO NMOFs with exceptionally high FITC loadings, efficient fluorescence, and excellent ratiometric pH-sensing properties. Upon rapid and efficient endocytosis, F-UiO remained structurally intact inside endosomes. Live cell imaging studies revealed endo- and exocytosis of F-UiO and endosome acidification in real time. Fluorescently labeled NMOFs thus represent a new class of nanosensors for intracellular pH sensing and provide an excellent tool for studying NMOF-cell interactions.

Combination therapy enhances anticancer efficacy of both drugs via synergistic effects. We report here nanoscale coordination polymer (NCP)-based core–shell nanoparticles carrying high payloads of cisplatin and the photosensitizer pyrolipid, NCP@pyrolipid, for combined chemotherapy and photodynamic therapy (PDT). NCP@pyrolipid releases cisplatin and pyrolipid in a triggered manner to synergistically induce cancer cell apoptosis and necrosis. In vivo pharmacokinetic and biodistribution studies in mice show prolonged blood circulation times, low uptake in normal organs, and high tumor accumulation of cisplatin and pyrolipid. Compared to monotherapy, NCP@pyrolipid shows superior potency and efficacy in tumor regression (83% reduction in tumor volume) at low drug doses in the cisplatin-resistant human head and neck cancer SQ20B xenograft murine model. We elucidated the in vitro/vivo fate of the lipid layer and its implications on the mechanisms of actions. This study suggests multifunctional NCP core–shell nanoparticles as a versatile and effective drug delivery system for potential translation to the clinic.