Contrôle tridimensionnel de bactéries magnétotactiques agissant comme microrobots pour le transport actif de médicament vers une tumeur

En 2012, le cancer se classait comme première cause de mortalité au Canada. Parmi les traitements disponibles pour contrer cette maladie, la chimiothérapie demeure un des traitements les plus utilisés. Malgré les progrès au niveau du développement de nouveaux agents thérapeutiques utilisés en chimiothérapie, leur manque de spécificité envers les cellules cancéreuses entraîne d'importants effets secondaires chez les patients. En effet, le fonctionnement de cette thérapie, administrée de façon systémique, repose sur la diffusion passive du médicament à travers l'organisme du patient dans l'espoir qu'une portion de la dose administrée entre en contact et affecte les cellules cancéreuses. Malheureusement, en utilisant un tel système de livraison d'agents thérapeutiques, la dose thérapeutique administrée au patient dépasse largement celle que le site tumoral nécessite et l'excédent affecte négativement les régions saines. Le laboratoire de NanoRobotique de l'École Polytechnique de Montréal mise actuellement sur une nouvelle plateforme de livraison de médicaments qui permettra de complémenter les traitements de chimiothérapie. Cette plateforme cherche à exploiter les progrès technologiques en microrobotique afin de d'utiliser un microrobot autopropulsé et dirigeable à distance pouvant être guidé activement vers un site tumoral. La charge thérapeutique requise serait établie, ajoutée au biotransporteur et dirigée directement dans la tumeur. Ce faisant, les effets secondaires indésirables que les traitements de chimiothérapie causent actuellement aux régions saines du corps seraient réduits au grand bénéfice du patient. Le microbiotransporteur retenu consiste en des bactéries magnétotactiques MC-1 ne mesurant que 2 μm de diamètre. Celles-ci peuvent être contrôlées à distance par l'intermédiaire de champs magnétiques. En effet, ces bactéries ont la capacité de s'orienter en fonction du champ magnétique grâce à la présence d'une chaîne de nanoparticules magnétiques contenues dans leur cellule. L'objectif de ce projet de recherche était de développer une plateforme de contrôle beaucoup plus avancée pour regrouper les bactéries magnétotactiques en agrégats et de les diriger à distance et de façon tridimensionnelle à l'aide de techniques informatiques nouvellement crées et de valider nos résultats par des essais sur des animaux, anticipant la possibilité d'éventuellement l'appliquer à l'être humain.

Abstract

In 2012, cancer was ranked as the leading cause of death in Canada. Among the treatments available for this disease, chemotherapy remains one of the most used treatments. Despite progress in the development of new therapeutic agents used in chemotherapy, their lack of specificity to reach cancer cells results in significant side effects in patients. Indeed, the application of this systemically administered therapy is based on the passive diffusion of the drug throughout the patient's body in the hope that a sufficient quantity will reach the cancer cells. Unfortunately, this method of delivering therapeutic agents requires doses that far exceed the dose required for the tumor and the excess negatively affects healthy regions. The NanoRobotics laboratory of École Polytechnique de Montreal is currently developing a new drug delivery platform that could complement chemotherapy treatment. The platform seeks to exploit technological advances in microrobotics to make use of a self-propelled microrobot that can be remotely guided to a tumor site. The proper amount of medication would be determined, loaded onto the microrobot and channeled directly to the tumor. In doing so, the adverse side-effects that chemotherapy treatment to non-selected areas of the body now causes would be reduced to benefit of the patient's well-being. The microbiotransporter is made up of MC-1 magnetotactic bacteria measuring only 2 μm in diameter. They can be remotely controlled via magnetic fields. Indeed, these bacteria have the ability to be guided by the magnetic field due to the presence of a chain of magnetic nanoparticles contained in the cell. The objective of this research project was to develop a more advanced control platform to aggregate magnetotactic bacteria and remotely direct them in a three-dimensional manner using newly created computer software and to validate our results by experiments on animals, anticipating the opportunity of applying this technology on humans. An analysis was first conducted on the behavior of magnetotactic bacteria when exposed to high intensity magnetic fields in order to assess their control limitations. A description of the newly designed experimental platform is presented. Also described is the simulation software that was conceived to predict the behavior of these organisms when exposed to the platform's magnetic fields.