Poor O2 supply to the infiltrated immune cells in the joint synovium of rheumatoid arthritis (RA) up-regulates hypoxia-inducible factor (HIF-1α) expression and induces reactive oxygen species (ROS) generation, both of which exacerbate synovial inflammation. Synovial inflammation in RA can be resolved by eliminating pro-inflammatory M1 macrophages and inducing anti-inflammatory M2 macrophages. Because hypoxia and ROS in the RA synovium play a crucial role in the induction of M1 macrophages and reduction of M2 macrophages, herein, we develop manganese ferrite and ceria nanoparticle-anchored mesoporous silica nanoparticles (MFC-MSNs) that can synergistically scavenge ROS and produce O2 for reducing M1 macrophage levels and inducing M2 macrophages for RA treatment. MFC-MSNs exhibit a synergistic effect on O2 generation and ROS scavenging that is attributed to the complementary reaction of ceria nanoparticles (NPs) that can scavenge intermediate hydroxyl radicals generated by manganese ferrite NPs in the process of O2 generation during the Fenton reaction, leading to the efficient polarization of M1 to M2 macrophages both in vitro and in vivo. Intra-articular administration of MFC-MSNs to rat RA models alleviated hypoxia, inflammation, and pathological features in the joint. Furthermore, MSNs were used as a drug-delivery vehicle, releasing the anti-rheumatic drug methotrexate in a sustained manner to augment the therapeutic effect of MFC-MSNs. This study highlights the therapeutic potential of MFC-MSNs that simultaneously generate O2 and scavenge ROS, subsequently driving inflammatory macrophages to the anti-inflammatory subtype for RA treatment.

Cancer immunotherapy modulates immune cells to induce antitumor immune responses. Tumors employ immune checkpoints to evade immune cell attacks. Immune checkpoint inhibitors such as anti-PD-L1 antibody (aPD-L1), which is being used clinically for cancer treatments, can block immune checkpoints so that the immune system can attack tumors. However, immune checkpoint inhibitor therapy may be hampered by polarization of macrophages within the tumor microenvironment (TME) into M2 tumor-associated macrophages (TAMs), which suppress antitumor immune responses and promote tumor growth by releasing anti-inflammatory cytokines and angiogenic factors. In this study, we used exosome-mimetic nanovesicles derived from M1 macrophages (M1NVs) to repolarize M2 TAMs to M1 macrophages that release pro-inflammatory cytokines and induce antitumor immune responses and investigated whether the macrophage repolarization can potentiate the anticancer efficacy of aPD-L1. M1NV treatment induced successful polarization of M2 macrophages to M1 macrophages in vitro and in vivo. Intravenous injection of M1NVs into tumor-bearing mice suppressed tumor growth. Importantly, injection of a combination of M1NVs and aPD-L1 further reduced the tumor size, compared to the injection of either M1NVs or aPD-L1 alone. Thus, our study indicates that M1NV injection can repolarize M2 TAMs to M1 macrophages and potentiate antitumor efficacy of the checkpoint inhibitor therapy.

Development of localized inflammatory environments by M1 macrophages in the cardiac infarction region exacerbates heart failure after myocardial infarction (MI). Therefore, the regulation of inflammation by M1 macrophages and their timely polarization toward regenerative M2 macrophages suggest an immunotherapy. Particularly, controlling cellular generation of reactive oxygen species (ROS), which cause M1 differentiation, and developing M2 macrophage phenotypes in macrophages propose a therapeutic approach. Previously, stem or dendritic cells were used in MI for their anti-inflammatory and cardioprotective potentials and showed inflammation modulation and M2 macrophage progression for cardiac repair. However, cell-based therapeutics are limited due to invasive cell isolation, time-consuming cell expansion, labor-intensive and costly ex vivo cell manipulation, and low grafting efficiency. Here, we report that graphene oxide (GO) can serve as an antioxidant and attenuate inflammation and inflammatory polarization of macrophages via reduction in intracellular ROS. In addition, GO functions as a carrier for interleukin-4 plasmid DNA (IL-4 pDNA) that propagates M2 macrophages. We synthesized a macrophage-targeting/polarizing GO complex (MGC) and demonstrated that MGC decreased ROS in immune-stimulated macrophages. Furthermore, DNA-functionalized MGC (MGC/IL-4 pDNA) polarized M1 to M2 macrophages and enhanced the secretion of cardiac repair-favorable cytokines. Accordingly, injection of MGC/IL-4 pDNA into mouse MI models attenuated inflammation, elicited early polarization toward M2 macrophages, mitigated fibrosis, and improved heart function. Taken together, the present study highlights a biological application of GO in timely modulation of the immune environment in MI for cardiac repair. Current therapy using off-the-shelf material GO may overcome the shortcomings of cell therapies for MI.