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.

Cell‐membrane‐coated nanoparticles have recently been studied extensively for their biological compatibility, retention of cellular properties, and adaptability to a variety of therapeutic and imaging applications. This class of nanoparticles, which has been fabricated with a variety of cell membrane coatings, including those derived from red blood cells (RBCs), platelets, white blood cells, cancer cells, and bacteria, exhibit properties that are characteristic of the source cell. In this study, a new type of biological coating is created by fusing membrane material from two different cells, providing a facile method for further enhancing nanoparticle functionality. As a proof of concept, the development of dual‐membrane‐coated nanoparticles from the fused RBC membrane and platelet membrane is demonstrated. The resulting particles, termed RBC–platelet hybrid membrane‐coated nanoparticles ([RBC‐P]NPs), are thoroughly characterized, and it is shown that they carry properties of both source cells. Further, the [RBC‐P]NP platform exhibits long circulation and suitability for further in vivo exploration. The reported strategy opens the door for the creation of biocompatible, custom‐tailored biomimetic nanoparticles with varying hybrid functionalities, which may be used to overcome the limitations of current nanoparticle‐based therapeutic and imaging platforms.

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.

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.

Nanorobots with red blood cell–platelet hybrid membranes accelerated targeting and detoxification of biological threats.

Abstract Direct and rapid intracellular delivery of a functional Cas9/sgRNA complex using ultrasound‐powered nanomotors is reported. The Cas9/sgRNA complex is loaded onto the nanomotor surface through a reversible disulfide linkage. A 5 min ultrasound treatment enables the Cas9/sgRNA‐loaded nanomotors to directly penetrate through the plasma membrane of GFP‐expressing B16F10 cells. The Cas9/sgRNA is released inside the cells to achieve highly effective GFP gene knockout. The acoustic Cas9/sgRNA‐loaded nanomotors display more than 80 % GFP knockout within 2 h of cell incubation compared to 30 % knockout using static nanowires. More impressively, the nanomotors enable highly efficient knockout with just 0.6 n m of the Cas9/sgRNA complex. This nanomotor‐based intracellular delivery method thus offers an attractive route to overcome physiological barriers for intracellular delivery of functional proteins and RNAs, thus indicating considerable promise for highly efficient therapeutic applications.

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.

One emerging and exciting topic in robotics research is the design of micro-/nanoscale robots for biomedical operations. Unlike industrial robots that are developed primarily to automate routine and dangerous tasks, biomedical nanorobots are designed for complex, physiologically relevant environments, and tasks that involve unanticipated biological events. Here, a biologically interfaced nanorobot is reported, made of magnetic helical nanomotors cloaked with the plasma membrane of human platelets. The resulting biomimetic nanorobots possess a biological membrane coating consisting of diverse functional proteins associated with human platelets. Compared to uncoated nanomotors which experience severe biofouling effects and hence hindered propulsion in whole blood, the platelet-membrane-cloaked nanomotors disguise as human platelets and display efficient propulsion in blood over long time periods. The biointerfaced nanorobots display platelet-mimicking properties, including adhesion and binding to toxins and platelet-adhering pathogens, such as Shiga toxin and Staphylococcus aureus bacteria. The locomotion capacity and platelet-mimicking biological function of the biomimetic nanomotors offer efficient binding and isolation of these biological threats. The dynamic biointerfacing platform enabled by platelet-membrane cloaked nanorobots thus holds considerable promise for diverse biomedical and biodefense applications.