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Attachment of Therapeutic and Imaging Agents to Flagellated Magneto-Aerotactic Bacteria Cells for Tumor Treatment and Targeting Purposes

Yasamin Majedi

Master's thesis (2018)

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Abstract

Despite the significant progress in technology and in the biological understanding of cancer, there are still multiple challenges that slow down the development and implementation of certain treatment options in clinical trials. The researchers in the fields of drug delivery and tissue engineering are facing major problems. Some of these include the lack of a conventional and selective drug delivery and release system, the physiological barriers that the bloodborne antitumor agents encounter before reaching cancer cells in a solid tumor and sequestration of the drugs by the immune system that makes only a few percent of the total administered dose reaching the intended target site. Hence, there is a necessity for a frequent dosing to achieve the desired therapeutic effect, which can cause adverse side effects or sometimes even treatment failure. Furthermore, medical imaging is essential in cancer diagnosis and treatment. However, current medical imaging methods have limited use due to the structural complexity of the tumor and the limited penetration depth of the previously available contrast agents into tumor tissues. With recent developments, obtaining a high-resolution and detailed image of a tumor has been facilitated. The attachment of therapeutic and imaging nanosize agents to the magneto-aerotactic microorganisms known as BN-1 magnetotactic bacteria (MTB) for tumor targeting purposes has been studied during the accomplishment of this master's project. MTB microbiorobots appear to be ideal self-propelling and navigable targeting agents. They are capable of traveling against the Tumor Interstitial Fluid Pressure (TIFP) to target deep regions in solid tumors. MTB complexes were formulated by attaching to MTB (i) SN38 anticancer drug encapsulated liposomes (MTB-LP-SN38) and (ii) 200 nm fluidMAG-ARA superparamagnetic iron oxide magnetic nanoparticles (MTB-MNP). As the magnetic nanoparticles act as magnetic resonance imaging (MRI) contrast agents, MTB-MNP complexes facilitate monitoring the tumor structure and hypoxic zones while acting as feedback control in the MTB navigation operations. On one hand, the MTB-LP was developed by direct covalent conjugation of functionalized liposomes to amine (–NH2) groups that are naturally present on the surface of MTB bacteria, via carbodiimide-mediated coupling. On the other hand, the MTB-MNP was prepared via a two-step procedure. First, the magnetic nanoparticles were functionalized with the BN-1 antibody (AB) against the MTB protein surface using carbodiimide chemistry, then the MNP-AB were attached to the MTB. The LP, LP-SN38 and MTB-LP-SN38 samples were analyzed with liquid chromatography/mass spectroscopy (LC/MS), UV-Spectroscopy, dynamic light scattering (DLS) and zeta potential (ZP). In addition, the attachment efficiency, alignment in the magnetic field and average swimming velocity of the MTB-MNP samples submitted to an external magnetic field were investigated. Subsequently, results showed that MTB bacteria cells are capable of carrying sufficient therapeutic and imaging agents without altering their natural swimming capability.

Résumé

Malgré les progrès significatifs dans le domaine technologique et la compréhension du cancer (au niveau biologique), il y aura toujours des défis qui ralentiront le développement et l'implémentation de certaines options de traitements dans les essais cliniques. Les chercheurs dans les secteurs de l'administration du médicament et du génie tissulaire font face à des problèmes majeurs. Ceux-ci incluent notamment l'absence d'un système conventionnel et sélectif d'administration et de diffusion du médicament, les barrières physiologiques rencontrées par les agents antitumeur hématogènes avant de parvenir aux cellules cancéreuses dans les tumeurs solides et la séquestration des médicaments par le système immunitaire qui fait en sorte qu'une petite portion de la dose totale administrée atteint le site ciblé. Ainsi, un dosage fréquent est requis pour l'obtention de l'effet thérapeutique escompté, ce qui cause des effets adverses. Cela résulte ultimement par l'échec du traitement. De plus, l'imagerie médicale est essentielle dans le diagnostic et le traitement du cancer. Toutefois, dû à la complexité structurale des tumeurs et à la profondeur de pénétration limitée dans les tumeurs des agents de contraste disponibles, ceci était infaisable. Avec les développements récents, l'obtention d'images détaillées et à hautes résolutions a été facilitée. L'attachement et l'imagerie d'agents thérapeutiques nanométriques aux microorganismes magnéto-aerotactiques connus sous le nom de BN-1 magnetotactic bacteria (MTB) pour le ciblage des tumeurs ont été étudiés au cours de ce projet de maîtrise. Les microrobots MTB semblent être des agents de ciblage autopropulsés et navigable idéaux. Ils sont capables de voyager contre la pression du fluide interstitiel de la tumeur (TIFP) afin de cibler les régions profondes des tumeurs solides. Les complexes de MTB ont été formulés en attachant aux MTB (i) des liposomes encapsulés avec du SN38 (MTB-LP-SN38) et (ii) des nanoparticules fluidMAG-ARA superparamagnétique d'oxyde de fer magnétiques de 200 nm de diamètre (MTB-MNP). Puisque les nanoparticules magnétiques se comportent comme des agents d'imagerie par résonnance magnétique (IRM), les complexes MTB-MNP facilitent le monitoring de la structure de la tumeur et des zones hypoxiques, tout en agissant comme rétroaction dans les opérations de navigation des MTB. D'une part, les MTB-LP ont été développés par conjugaison covalente directe de liposomes fonctionnalisés à des groupements amine (–NH2) qui sont naturellement présents à la surface des bactéries MTB, via un couplage carbodiimide. D'autre part, le complexe MTB-MNP a été préparé vi selon une procédure en deux étapes. Tout d'abord, les nanoparticules magnétiques ont été fonctionnalisées avec l'anticorps BN-1 (AB) contre la protéine en surface des MTB en utilisant la chimie des carbodiimide. Par la suite, les MNP-AB ont été attachés aux MTB. Les échantillons de LP, LP-SN38 et MTB-LP-SN38 ont été analysés par chromatographie liquide/spectroscopie de mass (LC/MS), spectroscopie UV, diffusion dynamique de la lumière (DLS) et potentiel zeta (ZP). De plus, l'efficacité de l'attachement, l'alignement suivant le champ magnétique et la vitesse moyenne de natation d'échantillons de MTB-MNP soumis à un champ magnétique externe ont été examinés. Subséquemment, les résultats ont montré que les cellules de bactéries MTB sont capables de transporter des quantités thérapeutiques de médicaments et d'agents d'imagerie sans compromettre leur capacité naturelle de nager.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Sylvain Martel, Michel Lafleur and Mahmood Mohammadi
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3723/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 03 Nov 2020 11:54
Last Modified: 08 Apr 2024 09:11
Cite in APA 7: Majedi, Y. (2018). Attachment of Therapeutic and Imaging Agents to Flagellated Magneto-Aerotactic Bacteria Cells for Tumor Treatment and Targeting Purposes [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/3723/

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