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.