The authors report a new biomimetic nanodelivery platform in which polymeric nanoparticles enclosed in the plasma membrane of human platelets are used for disease-relevant targeting, and the therapeutic potential of the concept is demonstrated in animal models of coronary restenosis and systemic bacterial infection. The properties of blood platelets — small discoid cells that carry out a broad range of functions related to haemostasis — marks them out as prime candidates to form the basis of drug delivery systems. These authors report a new nanoparticle-based delivery platform, in which polymeric nanoparticles are enclosed in the plasma membrane of human platelets. They demonstrate the use of these platelet-membrane cloaked nanoparticles for antibiotic delivery in murine models for cardiovascular disease and systemic bacterial infection. Development of functional nanoparticles can be encumbered by unanticipated material properties and biological events, which can affect nanoparticle effectiveness in complex, physiologically relevant systems1,2,3. Despite the advances in bottom-up nanoengineering and surface chemistry, reductionist functionalization approaches remain inadequate in replicating the complex interfaces present in nature and cannot avoid exposure of foreign materials. Here we report on the preparation of polymeric nanoparticles enclosed in the plasma membrane of human platelets, which are a unique population of cellular fragments that adhere to a variety of disease-relevant substrates4,5,6,7. The resulting nanoparticles possess a right-side-out unilamellar membrane coating functionalized with immunomodulatory and adhesion antigens associated with platelets. Compared to uncoated particles, the platelet membrane-cloaked nanoparticles have reduced cellular uptake by macrophage-like cells and lack particle-induced complement activation in autologous human plasma. The cloaked nanoparticles also display platelet-mimicking properties such as selective adhesion to damaged human and rodent vasculatures as well as enhanced binding to platelet-adhering pathogens. In an experimental rat model of coronary restenosis and a mouse model of systemic bacterial infection, docetaxel and vancomycin, respectively, show enhanced therapeutic efficacy when delivered by the platelet-mimetic nanoparticles. The multifaceted biointerfacing enabled by the platelet membrane cloaking method provides a new approach in developing functional nanoparticles for disease-targeted delivery.

Abstract Advances in bioinspired design principles and nanomaterials have led to tremendous progress in autonomously moving synthetic nano/micromotors with diverse functionalities in different environments. However, a significant gap remains in moving nano/micromotors from test tubes to living organisms for treating diseases with high efficacy. Here we present the first, to our knowledge, in vivo therapeutic micromotors application for active drug delivery to treat gastric bacterial infection in a mouse model using clarithromycin as a model antibiotic and Helicobacter pylori infection as a model disease. The propulsion of drug-loaded magnesium micromotors in gastric media enables effective antibiotic delivery, leading to significant bacteria burden reduction in the mouse stomach compared with passive drug carriers, with no apparent toxicity. Moreover, while the drug-loaded micromotors reach similar therapeutic efficacy as the positive control of free drug plus proton pump inhibitor, the micromotors can function without proton pump inhibitors because of their built-in proton depletion function associated with their locomotion.

Artificial micromotors, operating on locally supplied fuels and performing complex tasks, offer great potential for diverse biomedical applications, including autonomous delivery and release of therapeutic payloads and cell manipulation. Various types of synthetic motors, utilizing different propulsion mechanisms, have been fabricated to operate in biological matrices. However, the performance of these man-made motors has been tested exclusively under in vitro conditions (outside the body); their behavior and functionalities in an in vivo environment (inside the body) remain unknown. Herein, we report an in vivo study of artificial micromotors in a living organism using a mouse model. Such in vivo evaluation examines the distribution, retention, cargo delivery, and acute toxicity profile of synthetic motors in mouse stomach via oral administration. Using zinc-based micromotors as a model, we demonstrate that the acid-driven propulsion in the stomach effectively enhances the binding and retention of the motors as well as of cargo payloads on the stomach wall. The body of the motors gradually dissolves in the gastric acid, autonomously releasing their carried payloads, leaving nothing toxic behind. This work is anticipated to significantly advance the emerging field of nano/micromotors and to open the door to in vivo evaluation and clinical applications of these synthetic motors.

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.

The gastrointestinal (GI) tract, which hosts hundreds of bacteria species, becomes the most exciting organ for the emerging microbiome research. Some of these GI microbes are hostile and cause a variety of diseases. These bacteria colonize in different segments of the GI tract dependent on the local physicochemical and biological factors. Therefore, selectively locating therapeutic or imaging agents to specific GI segments is of significant importance for studying gut microbiome and treating various GI-related diseases. Herein, we demonstrate an enteric micromotor system capable of precise positioning and controllable retention in desired segments of the GI tract. These motors, consisting of magnesium-based tubular micromotors coated with an enteric polymer layer, act as a robust nanobiotechnology tool for site-specific GI delivery. The micromotors can deliver payload to a particular location via dissolution of their enteric coating to activate their propulsion at the target site toward localized tissue penetration and retention.

The therapeutic potential of nanoparticle-based drug carriers depends largely on their ability to evade the host immune system while delivering their cargo safely to the site of action. Of particular interest are simple strategies for the functionalization of nanoparticle surfaces that are both inherently safe and can also bestow immunoevasive properties, allowing for extended blood circulation times. Here, we evaluated a recently reported cell membrane-coated nanoparticle platform as a drug delivery vehicle for the treatment of a murine model of lymphoma. These biomimetic nanoparticles, consisting of a biodegradable polymeric material cloaked with natural red blood cell membrane, were shown to efficiently deliver a model chemotherapeutic, doxorubicin, to solid tumor sites for significantly increased tumor growth inhibition compared with conventional free drug treatment. Importantly, the nanoparticles also showed excellent immunocompatibility as well as an advantageous safety profile compared with the free drug, making them attractive for potential translation. This study demonstrates the promise of using a biomembrane-coating approach as the basis for the design of functional, safe, and immunocompatible nanocarriers for cancer drug delivery.

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 The highly acidic gastric environment creates a physiological barrier for using therapeutic drugs in the stomach. While proton pump inhibitors have been widely used for blocking acid‐producing enzymes, this approach can cause various adverse effects. Reported herein is a new microdevice, consisting of magnesium‐based micromotors which can autonomously and temporally neutralize gastric acid through efficient chemical propulsion in the gastric fluid by rapidly depleting the localized protons. Coating these micromotors with a cargo‐containing pH‐responsive polymer layer leads to autonomous release of the encapsulated payload upon gastric‐acid neutralization by the motors. Testing in a mouse model demonstrate that these motors can safely and rapidly neutralize gastric acid and simultaneously release payload without causing noticeable acute toxicity or affecting the stomach function, and the normal stomach pH is restored within 24 h post motor administration.