MRI-Based Tumour Targeting Enhancement with Magnetotactic Bacterial Carriers

Le cancer constitue la première cause de mortalité au Québec, avec 20,000 décès estimés par année. Parmi tous les patients atteints du cancer, une grande proportion pourrait profiter de l'avancement technologique en ce qui concerne le transport de médicaments. En effet, l'un des meilleurs moyens d'augmenter l'efficacité d'un médicament contre le cancer, tout en réduisant sa toxicité sur les cellules saines, est de le diriger vers la tumeur et de le maintenir à cet endroit jusqu'à ce qu'un effet thérapeutique se produise. Le transport ciblé de médicaments vers la tumeur peut considérablement améliorer l'efficacité thérapeutique, surtout si le transporteur est capable d'atteindre les zones nécrotiques et se répartir uniformément dans la zone à traiter. Les bactéries, de par leur motilité, sont d'excellents candidats pour une telle application, surtout qu'elles peuvent aussi être facilement fonctionnalisées. Ainsi, la recherche sur le traitement du cancer utilisant des bactéries s'est imposée comme une approche prometteuse surtout qu'elle pallie à une limitation majeure de la chimiothérapie et de la radiothérapie en permettant le traitement des zones anaérobies. Alors que des laboratoires à travers le monde tentent de fabriquer des systèmes miniatures en se basant sur le modèle bactérien, nous avons opté pour l'utilisation des bactéries qui existent dans la nature. Notre stratégie a été de trouver un système biologique ayant les caractéristiques essentielles (e.x. diamètre total de moins de deux micromètres, force de poussée de plus de 4 pN, etc.) et de concentrer nos efforts à identifier une interface et une méthode permettant son contrôle pour des fins de ciblages thérapeutiques dans les lésions tumorales. Nous avons identifié les bactéries magnétotactiques de type MC-1 comme le meilleur transporteur potentiel de médicaments pour le ciblage du cancer. Les MC-1 sont à la fois dirigeables par champs magnétiques et anaérobies, ce qui leur donne un grand avantage par rapport aux bactéries traditionnellement utilisées pour le ciblage du cancer. Le ciblage du cancer avec des bactéries exploite le plus souvent l'affinité des bactéries anaérobies à la région nécrotique faible en oxygène de la tumeur. Certes, ce ciblage manque de spécificité et un des problèmes le plus reconnu est la nécessité d'injecter une forte dose de bactéries pour assurer une croissance de celles-ci à l'intérieur de la tumeur. Ceci n'est pas le cas avec les MC-1 car elles sont à la fois anaérobies et magnétotactiques grâce à une chaîne de nanoparticules d'environ 70 nanomètres de diamètre, formant une sorte de « nano-boussole » magnétique à

Abstract

Magnetotactic Bacteria (MTB) are being explored as potential drug transporters to solid tumours. The MTB's active motility combined with magnetotaxism (their ability to swim following the direction of a magnetic field) offer new and potentially more accurate solutions in delivering drugs to tumours. In fact, the flagella bundles of the MC-1 bacteria (with an overall ideal cell diameter of approximately 50% the diameter of the tiniest human blood vessels) provide 4.0 to 4.7pN of thrust force for propulsion (roughly 10 times the value of many other well-known flagellated bacteria). Since there are no existing methods or technologies capable of inducing an equivalent force on a carrier of appropriate size for traveling inside a tumour's microvasculature, live microorganisms are considered as a viable option. Many of the parameters in a tumour microenvironment, such as malformed angiogenesis capillaries, heterogeneous blood flow, and high interstitial pressure, hinder the delivery of blood-borne drugs to the affected area. Active motility might prove to be helpful in bypassing these limitations and may facilitate the uniform distribution of the drug in the targeted area. An MTB navigation technique that allows targeting without prior knowledge of the exact architecture of the vessels network has been developed. This navigation technique exploits both the ability of the MTB to swim following an imposed magnetic field and their random, continuous motion at low magnetic fields. Firstly, a focused magnetic field on the target sets the overall direction of the bacteria. Then, as the bacteria approach the targeted zone, the intensity of the magnetic field is decreased, which allows better bacteria repartition by exploiting their free motion. An additional approach that enhances MTB targeting relies on modulating the magnetic field direction in time, while keeping the magnetic field lines pointed toward the target. Navigation experiments in complex micro-channel networks highlight this process, where the successful targeting of bacteria is demonstrated when an appropriate magnetic field algorithm is applied, especially when it takes into account the nature of the channel network. Tridimensional control and navigation of MTB is also possible with the same technique through proper powering of the magnetic coils. In fact, by controlling their magnetic environment, it is possible to form a swarm of MTB, control its size and position within a given volume using a computer program.