Designing next-generation immune cell therapies with nanomaterials

Abstract

Immune Cellular Therapies (ICT) have revolutionized the treatment of blood cancer and are beginning to show positive outcomes in treating solid tumors. Despite these successes, ICT faces significant challenges, including tumor accessibility, lengthy manufacturing turnaround, and limited long-term effectiveness. Recent advancements in nanomaterials, particularly nanoparticles, have offered promising solutions to these issues. This perspective introduces the current ICT manufacturing pipeline with a focus on solid tumors and showcases recent nanomaterial-mediated practices to enhance ICT. These efforts include the use of cell-targeting magnetic nanoparticles for non-invasive target identification, lipid nanoparticles for in vivo immune cell stimulation, as well as nanoparticle-mediated gene editing and cytokine delivery to enhance immune cell fitness. By better integrating nanoparticles into the design and manufacturing pipelines, we envision that the next generation of ICT could be faster, more efficient, and capable of targeting a broad spectrum of cancers and inflammatory diseases.

Keywords

cell therapy / immunoengineering / immunotherapy / nanomaterials / nanoparticles

References

[1] S. Mardiana, S. Gill, Front. Oncol. 2020, 10, 697.

[2] J. R. Westin, O. O. Oluwole, M. J. Kersten, D. B. Miklos, M.-A. Perales, A. Ghobadi, A. P. Rapoport, A. Sureda, C. A. Jacobson, U. Farooq, T. Van Meerten, M. Ulrickson, M. Elsawy, L. A. Leslie, S. Chaganti, M. Dickinson, K. Dorritie, P. M. Reagan, J. McGuirk, K. W. Song, P. A. Riedell, M. C. Minnema, Y. Yang, S. Vardhanabhuti, S. Filosto, P. Cheng, S. A. Shahani, M. Schupp, C. To, F. L. Locke, N. Engl. J. Med. 2023, 389, 148.

[3] M. Elsallab, M. V. Maus, Nat. Biotechnol. 2023, 41, 1698.

[4] Z. Wang, S. O. Kelley, Nat. Biomed. Eng. 2025. https://doi.org/10.1038/s41551-024-01315-2

[5] C. Wang, S. Wang, D. D. Kang, Y. Dong, BMEMat 2023, 1, e12039.

[6] M. M. D’Aloia, I. G. Zizzari, B. Sacchetti, L. Pierelli, M. Alimandi, Cell Death Dis. 2018, 9, 282.

[7] J. Wagner, E. Wickman, C. DeRenzo, S. Gottschalk, Mol. Ther. 2020, 28, 2320.

[8] E. Baulu, C. Gardet, N. Chuvin, S. Depil, Sci. Adv. 2023, 9, eadf3700.

[9] Y. Zhao, J. Deng, S. Rao, S. Guo, J. Shen, F. Du, X. Wu, Y. Chen, M. Li, M. Chen, X. Li, W. Li, L. Gu, Y. Sun, Z. Zhang, Q. Wen, Z. Xiao, J. Li, Cancers 2022, 14, 4160.

[10] C. Sloas, S. Gill, M. Klichinsky, Front. Immunol. 2021, 12, 783305.

[11] C. R. Perez, M. De Palma, Nat. Commun. 2019, 10, 5408.

[12] J. Chesney, K. D. Lewis, H. Kluger, O. Hamid, E. Whitman, S. Thomas, M. Wermke, M. Cusnir, E. Domingo-Musibay, G. Q. Phan, J. M. Kirkwood, J. C. Hassel, M. Orloff, J. Larkin, J. Weber, A. J. S. Furness, N. I. Khushalani, T. Medina, M. E. Egger, F. Graf Finckenstein, M. Jagasia, P. Hari, G. Sulur, W. Shi, X. Wu, A. Sarnaik, J. Immunother. Cancer 2022, 10, e005755.

[13] K. D. Miller, L. Nogueira, T. Devasia, A. B. Mariotto, K. R. Yabroff, A. Jemal, J. Kramer, R. L. Siegel, Ca-Cancer J. Clin. 2022, 72, 409.

[14] P. P. Lee, C. Yee, P. A. Savage, L. Fong, D. Brockstedt, J. S. Weber, D. Johnson, S. Swetter, J. Thompson, P. D. Greenberg, M. Roederer, M. M. Davis, Nat. Med. 1999, 5, 677.

[15] N. A. Rizvi, M. D. Hellmann, A. Snyder, P. Kvistborg, V. Makarov, J. J. Havel, W. Lee, J. Yuan, P. Wong, T. S. Ho, M. L. Miller, N. Rekhtman, A. L. Moreira, F. Ibrahim, C. Bruggeman, B. Gasmi, R. Zappasodi, Y. Maeda, C. Sander, E. B. Garon, T. Merghoub, J. D. Wolchok, T. N. Schumacher, T. A. Chan, Science 2015, 348, 124.

[16] A. Gros, M. R. Parkhurst, E. Tran, A. Pasetto, P. F. Robbins, S. Ilyas, T. D. Prickett, J. J. Gartner, J. S. Crystal, I. M. Roberts, K. Trebska-McGowan, J. R. Wunderlich, J. C. Yang, S. A. Rosenberg, Nat. Med. 2016, 22, 433.

[17] R. Yossef, S. Krishna, S. Sindiri, F. J. Lowery, A. R. Copeland, J. J. Gartner, M. R. Parkhurst, N. B. Parikh, K. J. Hitscherich, S. T. Levi, P. D. Chatani, N. Zacharakis, N. Levin, N. R. Vale, S. K. Nah, A. Dinerman, V. K. Hill, S. Ray, A. Bera, L. Levy, L. Jia, M. C. Kelly, S. L. Goff, P. F. Robbins, S. A. Rosenberg, Cancer Cell 2023, 41, 2154.

[18] Z. Wang, K. Chen, Brain-X 2023, 1, e33.

[19] M. Donia, I. M. Svane, Nat. Rev. Clin. Oncol. 2024, 21, 253.

[20] G. Lin, View 2021, 2, 20200076.

[21] M. Ringhoffer, M. Wiesneth, S. Von Harsdorf, R. F. Schlenk, A. Schmitt, P. P. Reinhardt, M. Moessner, W. Grimminger, T. Mertens, S. N. Reske, H. Döhner, D. Bunjes, Br. J. Haematol. 2004, 126, 527.

[22] E. Braakman, G. J. Schuurhuis, F. W. M. B. Preijers, C. Voermans, K. Theunissen, I. Van Riet, W. E. Fibbe, I. Slaper-Cortenbach, Cytotherapy 2008, 10, 83.

[23] Z. Wang, S. Ahmed, M. Labib, H. Wang, L. Wu, F. Bavaghar-Zaeimi, N. Shokri, S. Blanco, S. Karim, K. Czarnecka-Kujawa, E. H. Sargent, A. J. R. McGray, M. De Perrot, S. O. Kelley, Nat. Biomed. Eng. 2023, 7, 1188.

[24] T. R. Pisanic, J. D. Blackwell, V. I. Shubayev, R. R. Fiñones, S. Jin, Biomaterials 2007, 28, 2572.

[25] B. D. Matthews, D. R. Overby, R. Mannix, D. E. Ingber, J. Cell Sci. 2006, 119, 508.

[26] K.-Q. Huynh, D. T.-S. Duong, T. Van Tran, B.-T. T. Nguyen, T.-S. Tran-Nguyen, T. L. Tran, T. B. Phan, K.-H. T. Ta, H. Tran-Van, J. Electron. Mater. 2020, 49, 6510.

[27] W.-X. Sin, N. S. Jagannathan, D. B. L. Teo, F. Kairi, S. Y. Fong, J. H. L. Tan, D. Sandikin, K.-W. Cheung, Y. H. Luah, X. Wu, J. J. Raymond, F. L. W. I. Lim, Y. H. Lee, M. S.-F. Seng, S. Y. Soh, Q. Chen, R. J. Ram, L. Tucker-Kellogg, M. E. Birnbaum, Nat. Biomed. Eng. 2024, 8, 1571.

[28] A. E. Metzloff, M. S. Padilla, N. Gong, M. M. Billingsley, X. Han, M. Merolle, D. Mai, C. G. Figueroa-Espada, A. S. Thatte, R. M. Haley, A. J. Mukalel, A. G. Hamilton, M. Alameh, D. Weissman, N. C. Sheppard, C. H. June, M. J. Mitchell, Adv. Mater. 2024, 36, 2313226.

[29] O. S. Fenton, M. W. Tibbitt, E. A. Appel, S. Jhunjhunwala, M. J. Webber, R. Langer, Biomacromolecules 2019, 20, 4430.

[30] A. Kheirolomoom, A. J. Kare, E. S. Ingham, R. Paulmurugan, E. R. Robinson, M. Baikoghli, M. Inayathullah, J. W. Seo, J. Wang, B. Z. Fite, B. Wu, S. K. Tumbale, M. N. Raie, R. H. Cheng, L. Nichols, A. D. Borowsky, K. W. Ferrara, Biomaterials 2022, 281, 121339.

[31] M. M. Billingsley, N. Gong, A. J. Mukalel, A. S. Thatte, R. El-Mayta, S. K. Patel, A. E. Metzloff, K. L. Swingle, X. Han, L. Xue, A. G. Hamilton, H. C. Safford, M. Alameh, T. E. Papp, H. Parhiz, D. Weissman, M. J. Mitchell, Small 2024, 20, 2304378.

[32] J. G. Rurik, I. Tombácz, A. Yadegari, P. O. M. Fernández, S. V. Shewale, L. Li, T. Kimura, O. Y. Soliman, T. E. Papp, Y. K. Tam, B. L. Mui, S. M. Albelda, E. Puré, C. H. June, H. Aghajanian, D. Weissman, H. Parhiz, J. A. Epstein, Science 2022, 375, 91.

[33] W. Yang, G. Zhu, S. Wang, G. Yu, Z. Yang, L. Lin, Z. Zhou, Y. Liu, Y. Dai, F. Zhang, Z. Shen, Y. Liu, Z. He, J. Lau, G. Niu, D. O. Kiesewetter, S. Hu, X. Chen, ACS Nano 2019, 13, 3083.

[34] C. Chen, W. Jing, Y. Chen, G. Wang, M. Abdalla, L. Gao, M. Han, C. Shi, A. Li, P. Sun, X. Jiang, Z. Yang, S. Zhang, J. Zhang, C. Tang, Y. Liu, R. Zhang, F. Xu, B. Dong, X. Li, M. Liu, B. Qiang, Y. Sun, X. Wei, J. Li, Q. Hu, X. Jiang, Sci. Transl. Med. 2022, 14, eabn1128.

[35] E. Álvarez-Benedicto, Z. Tian, S. Chatterjee, D. Orlando, M. Kim, E. D. Guerrero, X. Wang, D. J. Siegwart, Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202310395.

[36] F. Li, Z. Tian, Cell. Mol. Immunol. 2013, 10, 292.

[37] Z. Good, J. Y. Spiegel, B. Sahaf, M. B. Malipatlolla, Z. J. Ehlinger, S. Kurra, M. H. Desai, W. D. Reynolds, A. Wong Lin, P. Vandris, F. Wu, S. Prabhu, M. P. Hamilton, J. S. Tamaresis, P. J. Hanson, S. Patel, S. A. Feldman, M. J. Frank, J. H. Baird, L. Muffly, G. K. Claire, J. Craig, K. A. Kong, D. Wagh, J. Coller, S. C. Bendall, R. J. Tibshirani, S. K. Plevritis, D. B. Miklos, C. L. Mackall, Nat. Med. 2022, 28, 1860.

[38] V. Janelle, J.-S. Delisle, Cancers 2021, 13, 598.

[39] W. Zhang, M. Wang, C. Ji, X. Liu, B. Gu, T. Dong, Biomed. Pharmacother. 2024, 177, 116930.

[40] S.-Y. Li, Y. Liu, C.-F. Xu, S. Shen, R. Sun, X.-J. Du, J.-X. Xia, Y.-H. Zhu, J. Wang, J. Controlled Release 2016, 231, 17.

[41] B. Rowshanravan, N. Halliday, D. M. Sansom, Blood 2018, 131, 58.

[42] L. Tang, Y. Zheng, M. B. Melo, L. Mabardi, A. P. Castaño, Y.-Q. Xie, N. Li, S. B. Kudchodkar, H. C. Wong, E. K. Jeng, M. V. Maus, D. J. Irvine, Nat. Biotechnol. 2018, 36, 707.

[43] T. Shum, H. E. Heslop, Nat. Biotechnol. 2018, 36, 702.

[44] G. Schett, A. Mackensen, D. Mougiakakos, Lancet 2023, 402, 2034.

[45] K. Alhallak, J. Sun, K. Wasden, N. Guenthner, J. O’Neal, B. Muz, J. King, D. Kohnen, R. Vij, S. Achilefu, J. F. DiPersio, A. K. Azab, Leukemia 2021, 35, 2346.

[46] N. Gong, X. Han, L. Xue, M. M. Billingsley, X. Huang, R. El-Mayta, J. Qin, N. C. Sheppard, C. H. June, M. J. Mitchell, Nat. Biomed. Eng. 2024, 8, 513.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). BMEMat published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Shandong University.