Ketone bodies are elevated in response to fasting, a low-carbohydrate ketogenic diet or high-intensity exercise. Vishwa Deep Dixit and colleagues report that one metabolite, β-hydroxybutyrate, inhibits the NLRP3 inflammasome. In vivo, β-hydroxybutyrate is anti-inflammatory and suppresses NLRP3-mediated inflammatory disease. The ketone bodies β-hydroxybutyrate (BHB) and acetoacetate (AcAc) support mammalian survival during states of energy deficit by serving as alternative sources of ATP1. BHB levels are elevated by starvation, caloric restriction, high-intensity exercise, or the low-carbohydrate ketogenic diet2. Prolonged fasting reduces inflammation; however, the impact that ketones and other alternative metabolic fuels produced during energy deficits have on the innate immune response is unknown2,3,4,5,6. We report that BHB, but neither AcAc nor the structurally related short-chain fatty acids butyrate and acetate, suppresses activation of the NLRP3 inflammasome in response to urate crystals, ATP and lipotoxic fatty acids. BHB did not inhibit caspase-1 activation in response to pathogens that activate the NLR family, CARD domain containing 4 (NLRC4) or absent in melanoma 2 (AIM2) inflammasome and did not affect non-canonical caspase-11, inflammasome activation. Mechanistically, BHB inhibits the NLRP3 inflammasome by preventing K+ efflux and reducing ASC oligomerization and speck formation. The inhibitory effects of BHB on NLRP3 are not dependent on chirality or starvation-regulated mechanisms like AMP-activated protein kinase (AMPK), reactive oxygen species (ROS), autophagy or glycolytic inhibition. BHB blocks the NLRP3 inflammasome without undergoing oxidation in the TCA cycle, and independently of uncoupling protein-2 (UCP2), sirtuin-2 (SIRT2), the G protein–coupled receptor GPR109A or hydrocaboxylic acid receptor 2 (HCAR2). BHB reduces NLRP3 inflammasome–mediated interleukin (IL)-1β and IL-18 production in human monocytes. In vivo, BHB or a ketogenic diet attenuates caspase-1 activation and IL-1β secretion in mouse models of NLRP3-mediated diseases such as Muckle–Wells syndrome, familial cold autoinflammatory syndrome and urate crystal–induced peritonitis. Our findings suggest that the anti-inflammatory effects of caloric restriction or ketogenic diets may be linked to BHB-mediated inhibition of the NLRP3 inflammasome.

Nanowire field effect transistors (NW-FETs) can serve as ultrasensitive detectors for label-free reagents. The NW-FET sensing mechanism assumes a controlled modification in the local channel electric field created by the binding of charged molecules to the nanowire surface. Careful control of the solution Debye length is critical for unambiguous selective detection of macromolecules. Here we show the appropriate conditions under which the selective binding of macromolecules is accurately sensed with NW-FET sensors.

Label-free nanosensors can detect disease markers to provide point-of-care diagnosis that is low-cost, rapid, specific and sensitive1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. However, detecting these biomarkers in physiological fluid samples is difficult because of problems such as biofouling and non-specific binding, and the resulting need to use purified buffers greatly reduces the clinical relevance of these sensors. Here, we overcome this limitation by using distinct components within the sensor to perform purification and detection. A microfluidic purification chip simultaneously captures multiple biomarkers from blood samples and releases them, after washing, into purified buffer for sensing by a silicon nanoribbon detector. This two-stage approach isolates the detector from the complex environment of whole blood, and reduces its minimum required sensitivity by effectively pre-concentrating the biomarkers. We show specific and quantitative detection of two model cancer antigens from a 10 µl sample of whole blood in less than 20 min. This study marks the first use of label-free nanosensors with physiological solutions, positioning this technology for rapid translation to clinical settings. A biosensor containing a microfluidic purification chip that supplies a downstream nanoribbon-detector can detect disease biomarkers in samples of whole blood.

The tumour microenvironment thwarts conventional immunotherapy through multiple immunologic mechanisms, such as the secretion of the transforming growth factor-β (TGF-β), which stunts local tumour immune responses. Therefore, high doses of interleukin-2 (IL-2), a conventional cytokine for metastatic melanoma, induces only limited responses. To overcome the immunoinhibitory nature of the tumour microenvironment, we developed nanoscale liposomal polymeric gels (nanolipogels; nLGs) of drug-complexed cyclodextrins and cytokine-encapsulating biodegradable polymers that can deliver small hydrophobic molecular inhibitors and water-soluble protein cytokines in a sustained fashion to the tumour microenvironment. nLGs releasing TGF-β inhibitor and IL-2 significantly delayed tumour growth, increased survival of tumour-bearing mice, and increased the activity of natural killer cells and of intratumoral-activated CD8+ T-cell infiltration. We demonstrate that the efficacy of nLGs in tumour immunotherapy results from a crucial mechanism involving activation of both innate and adaptive immune responses. The sustained release of both hydrophilic and hydrophobic immunomodulators for metastatic melanoma by nanoscale liposomal polymeric gels administered intratumorally or systemically is demonstrated. It is also shown that such a co-delivery approach delays tumour growth and increases the survival of tumour-bearing mice, and that its efficacy results from the activation of both innate and adaptative immune responses.

We hypothesize that the efficacy of doxorubicin (DOX) can be maximized and dose-limiting cardiotoxicity minimized by controlled release from PEGylated nanoparticles. To test this hypothesis, a unique surface modification technique was used to create PEGylated poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) nanoparticles encapsulating DOX. An avidin-biotin coupling system was used to control poly(ethylene glycol) conjugation to the surface of PLGA nanoparticles, of diameter ~130 nm, loaded with DOX to 5% (wt/wt). Encapsulation in nanoparticles did not compromise the efficacy of DOX; drug-loaded nanoparticles were found to be at least as potent as free DOX against A20 murine B-cell lymphoma cells in culture and of comparable efficacy against subcutaneously implanted tumors. Cardiotoxicity in mice as measured by echocardiography, serum creatine phosphokinase (CPK), and histopathology was reduced for DOX-loaded nanoparticles as compared with free DOX. Administration of 18 mg/kg of free DOX induced a sevenfold increase in CPK levels and significant decreases in left ventricular fractional shortening over control animals, whereas nanoparticle-encapsulated DOX produced none of these pathological changes. The efficacy of doxorubicin (DOX) may be maximized and dose-limiting cardiotoxicity minimized by controlled release from PEGylated nanoparticles. Administration of 18 mg/kg of free DOX induced a sevenfold increase in CPK levels and significant decreases in left ventricular fractional shortening in mice, whereas nanoparticle-encapsulated DOX produced none of these pathological changes.