Cell-derived nanoparticles have been garnering increased attention due to their ability to mimic many of the natural properties displayed by their source cells. This top-down engineering approach can be applied toward the development of novel therapeutic strategies owing to the unique interactions enabled through the retention of complex antigenic information. Herein, we report on the biological functionalization of polymeric nanoparticles with a layer of membrane coating derived from cancer cells. The resulting core–shell nanostructures, which carry the full array of cancer cell membrane antigens, offer a robust platform with applicability toward multiple modes of anticancer therapy. We demonstrate that by coupling the particles with an immunological adjuvant, the resulting formulation can be used to promote a tumor-specific immune response for use in vaccine applications. Moreover, we show that by taking advantage of the inherent homotypic binding phenomenon frequently observed among tumor cells the membrane functionalization allows for a unique cancer targeting strategy that can be utilized for drug delivery applications.

Detoxification treatments such as toxin-targeted anti-virulence therapy1,2 offer ways to cleanse the body of virulence factors that are caused by bacterial infections, venomous injuries and biological weaponry. Because existing detoxification platforms such as antisera3, monoclonal antibodies4, small-molecule inhibitors5,6 and molecularly imprinted polymers7 act by targeting the molecular structures of toxins, customized treatments are required for different diseases. Here, we show a biomimetic toxin nanosponge that functions as a toxin decoy in vivo. The nanosponge, which consists of a polymeric nanoparticle core surrounded by red blood cell membranes, absorbs membrane-damaging toxins and diverts them away from their cellular targets. In a mouse model, the nanosponges markedly reduce the toxicity of staphylococcal alpha-haemolysin (α-toxin) and thus improve the survival rate of toxin-challenged mice. This biologically inspired toxin nanosponge presents a detoxification treatment that can potentially treat a variety of injuries and diseases caused by pore-forming toxins. A polymeric nanoparticle wrapped in natural membranes of red blood cells can absorb certain toxins and divert them from their cellular targets, offering a biologically inspired detoxification platform.

Significance The selective depletion of disease-causing antibodies using nanoparticles offers a new model in the management of type II immune hypersensitivity reactions. The demonstration of pathophysiologically inspired nanoengineering serves as a valuable prototype for additional therapeutic improvements with the goal of minimizing therapy-related adverse effects. Through the use of cell membrane-cloaked nanoparticles, nanoscale decoys with strong affinity to pathological antibodies can be administered to disrupt disease processes in a minimally toxic manner. These biomimetic nanoparticles enable indiscriminate absorption of pathological antibodies regardless of their epitope specificities. This particular approach offers much promise in treating antibody-mediated autoimmune diseases, in which target antigens on susceptible cells can vary from patient to patient.

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.