Efforts to extend nanoparticle residence time in vivo have inspired many strategies in particle surface modifications to bypass macrophage uptake and systemic clearance. Here we report a top-down biomimetic approach in particle functionalization by coating biodegradable polymeric nanoparticles with natural erythrocyte membranes, including both membrane lipids and associated membrane proteins for long-circulating cargo delivery. The structure, size and surface zeta potential, and protein contents of the erythrocyte membrane-coated nanoparticles were verified using transmission electron microscopy, dynamic light scattering, and gel electrophoresis, respectively. Mice injections with fluorophore-loaded nanoparticles revealed superior circulation half-life by the erythrocyte-mimicking nanoparticles as compared to control particles coated with the state-of-the-art synthetic stealth materials. Biodistribution study revealed significant particle retention in the blood 72 h following the particle injection. The translocation of natural cellular membranes, their associated proteins, and the corresponding functionalities to the surface of synthetic particles represents a unique approach in nanoparticle functionalization.

We report the synthesis of novel acid-responsive therapeutic nanoparticles (NPs) with sub-100 nm size consisting of polymer−cisplatin conjugates. The uniqueness of these drug delivery polymeric NPs lies in the covalent conjugation of each cisplatin drug to the hydrophobic segment of two biocompatible diblock copolymer chains through a hydrazone bond, resulting in highly differential drug release profile at different environmental acidity. We demonstrate that the synthesized polymer−cisplatin conjugates can readily precipitate to form sub-100 nm NPs in aqueous solution due to their very low critical micelle concentration (CMC). The resulting NPs show well-controlled cisplatin loading yield, excellent acid-responsive drug release kinetics, and enhanced in vitro cytotoxicity against ovarian cancer cells as compared to free cisplatin. As an environmentally sensitive drug delivery vehicle, these NPs can potentially minimize the drug loss during NP circulation in the blood, where the pH value is neutral, and trigger rapid intracellular drug release after the NPs are endocytosed by the target cells. This characteristic drug release profile holds the promise to suppress cancer cell chemoresistance by rapidly releasing a high dose of chemotherapy drugs inside the tumor cells, thereby improving the therapeutic efficacy of the drug payload.

We report a new approach to selectively deliver antimicrobials to the sites of bacterial infections by utilizing bacterial toxins to activate drug release from gold nanoparticle-stabilized phospholipid liposomes. The binding of chitosan-modified gold nanoparticles to the surface of liposomes can effectively prevent them from fusing with one another and from undesirable payload release in regular storage or physiological environments. However, once these protected liposomes "see" bacteria that secrete toxins, the toxins will insert into the liposome membranes and form pores, through which the encapsulated therapeutic agents are released. The released drugs subsequently impose antimicrobial effects on the toxin-secreting bacteria. Using methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) as a model bacterium and vancomycin as a model anti-MRSA antibiotic, we demonstrate that the synthesized gold nanoparticle-stabilized liposomes can completely release the encapsulated vancomycin within 24 h in the presence of MRSA bacteria and lead to inhibition of MRSA growth as effective as an equal amount of vancomycin-loaded liposomes (without nanoparticle stabilizers) and free vancomycin. This bacterial toxin enabled drug release from nanoparticle-stabilized liposomes provides a new, safe, and effective approach for the treatment of bacterial infections. This technique can be broadly applied to treat a variety of infections caused by bacteria that secrete pore-forming toxins.

Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) are highly biocompatible and have a versatile synthetic technique based on coprecipitation, reduction-precipitation, and hydrothermal methods, where Fe3+ and Fe2+ react in aqueous solutions; both these ions are present in our body and have clear metabolic pathways; therefore, they have attracted extensive research interest and development in the field of diagnostic imaging and therapy. However, most SPION-based clinical diagnostic contrast agents are discontinued due to severe pain, low transverse magnetic relaxivity range of 80-180 mM-1 s-1, shorter circulation half-life, and lack of disease specificity. Therefore, in this study, we engineered a bone cancer-targeted hybrid nanoconstruct (HNC) with a high transverse magnetic relaxivity of 625 mM-1 s-1, which was significantly higher than that of clinical contrast agents. The engineered HNC is peripherally decorated with a bone-seeking agent, alendronic acid-conjugated phospholipid, exhibiting a hydrodynamic size of 80 nm with a negative surface potential, -35 mV. The interior skeleton of the HNC is composed of biodegradable and biocompatible poly(l-lactic-co-glycolic acid) (PLGA), in which 5 nm SPIONs are confined. We have successfully tuned the distance between the confined SPIONs from 0.5 to 4 nm, as revealed by transmission electron microscopy (TEM) images and magnetic resonance image (MRI) phantoms. This cluster confinement dramatically enhances magnetic relaxivity possibly due to the increase in net local magnetization due to proximal field inhomogeneity. In an in vitro examination, 80% of HNC is found to bind with hydroxyapatite (HAp), which when characterized by TEM shows a painting of SPIONs over a HAp crystal. HNC is found to accumulate in mouse osteosarcoma tumor (K7M2 tumor model); both MRI and histological examination of the tumor show the potential of HNC as targeting agents for diagnosis of tumor in the bone.