Magnetically Driven Self-Degrading Zinc-Containing Cystine Microrobots for Treatment of Prostate Cancer

Prostate cancer is the most commonly diagnosed tumor disease in men, and its treatment is still a big challenge in standard oncology therapy. Magnetically actuated microrobots represent the most promising technology in modern nanomedicine, offering the advantage of wireless guidance, effective cell penetration, and non-invasive actuation. Here, new biodegradable magnetically actuated zinc/cystine-based microrobots for in situ treatment of prostate cancer cells are reported. The microrobots are fabricated via metal-ion-mediated self-assembly of the amino acid cystine encapsulating superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles (NPs) during the synthesis, which allows their precise manipulation by a rotating magnetic field. Inside the cells, the typical enzymatic reducing environment favors the disassembly of the aminoacidic chemical structure due to the cleavage of cystine disulfide bonds and disruption of non-covalent interactions with the metal ions, as demonstrated by in vitro experiments with reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). In this way, the cystine microrobots served for site-specific delivery of Zn2+ ions responsible for tumor cell killing via a "Trojan horse effect". This work presents a new concept of cell internalization exploiting robotic systems' self-degradation, proposing a step forward in non-invasive cancer therapy

3D Visualization of Microvascular Networks Using Magnetic Particles: Application to Magnetic Resonance Navigation

RÉSUMÉ Les différentes modalités d'imagerie médicales fournissent des images cliniques de structures internes du corps humain à des fins diagnostiques et curatives. Leur première application en clinique remonte à trois décennies et depuis, grâce aux découvertes technologiques continues, de nouvelles fonctionnalités ont été intégrées aux systèmes d'imagerie. Aujourd'hui, des informations anatomiques et fonctionnelles précises peuvent être prélevées à partir de ces images dont la dimensionnalité a évolué du bidimensionnel au tridimensionnel incluant la dynamique. Une des modalités d'imagerie qui a largement profité de ces découvertes technologiques est l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Par rapport aux autres techniques d'imagerie, l’IRM présente beaucoup d’avantages tels que la haute résolution spatiale et temporelle, le manque d'exposition aux rayonnements X et une pénétration tissulaire illimitée. Ceux-ci ont rendu l'IRM l'une des modalités les plus utilisées en clinique. Malgré des améliorations récentes dans le fonctionnement des bobines de réception d'IRM et aussi des algorithmes de reconstruction, des progrès supplémentaires sont requis afin d’améliorer la visualisation des microstructures en clinique. La visualisation des microvaisseaux avec un diamètre de 200 µm, reste au-delà des capacités des modalités d’imageries cliniques actuelles. Dans le traitement du cancer, une telle capacité pourrait fournir les informations nécessaires pour les nouvelles méthodes de délivrance ciblée de médicaments comme la navigation par résonance magnétique (NRM). Dans cette technique, afin d'améliorer l'indice thérapeutique, les microporteurs, chargés avec des agents thérapeutiques et des particules magnétiques, sont guidés le long d'une trajectoire qui mènerait vers une zone cancéreuse. Notre objectif est de telle trajectoire qui débuterait du bout du cathéter d'injection jusqu'à la destination finale, soit à proximité d’une zone tumorale. Le contraste de susceptibilité magnétique dans l'IRM fournit un moyen pour prononcer l'effet d'une particule magnétique même si sa taille est beaucoup plus petite que la résolution spatiale de l'IRM. En raison de leur susceptibilité magnétique élevée, les matériaux magnétiques provoquent une inhomogénéité dans le champ magnétique local de l'IRM dans une mesure beaucoup plus importante que leur taille réelle. L’inhomogénéité apparaît dans les images de gradient écho pondéré en T2* sous forme d'une perte de signal. Cette approche présente un moyen de visualisation de microstructures en exploitant leur artefact de susceptibilité.----------ABSTRACT Medical imaging modalities strive to provide clinical images of the human body’s internal structures for diagnosis and treatment purposes. Their first application in clinical trial services goes back to three decades and owing to continuous technological inventions, new capabilities have ever since been incorporated into the imaging systems. Today, anatomical and functional data with finer details and larger image sizes can be achieved and dimensionality of the images has been increased from 2D to dynamic 3D fields. One of the imaging modalities that have probably profited the most from technological findings is the magnetic resonance imaging (MRI). Compared to the other imaging techniques, MRI has various advantages such as high spatial and temporal resolution, lack of radiation exposure and unlimited tissue penetration. These have turned the MRI to one of the most available modalities clinically. Despite recent improvements in the MRI’s receiver coils and reconstruction algorithms, further progress is yet sought to improve the visualization of the microstructures using the clinical MR scanners. Visualization of microvessels with an inner overall cross-sectional area of approximately less than 200 µm, remains beyond capabilities of the current clinical imaging modalities. In cancer therapy, such capability would provide the information required for the new delivery methods such as magnetic resonance navigation (MRN). In the MRN, to enhance the therapeutic index, microcarriers loaded with therapeutic agents and magnetic particles are navigated along a planned trajectory in the vicinity of the treatment region. Our objective is to provide such a trajectory map within an area covering the location of the catheter tip for the injection site up to the extremity of the particles’ path i.e. vicinity of the treatment region such as a tumor site. Susceptibility-based negative contrast in the MRI provides a way to enlarge the effect of a magnetic particle whereas its actual size is much smaller than the MRI’s visualization capability. Due to their high magnetic susceptibility, magnetic materials cause an inhomogeneity in the local magnetic field of the MRI to an extent which is much larger than their actual size. The inhomogeneity appears in the T2*-weighed gradient echo images in the form of a signal void. This approach presents a method for visualization of microstructures through the susceptibility artifact

Innovative designs and applications of Janus micromotors with (photo)-catalytic and magnetic motion

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el diseño y desarrollo de micromotores Janus biocompatibles y su aplicación en ámbitos relevantes de la salud y de la protección medioambiental. Los micromotores Janus son dispositivos en la microescala autopropulsados que tienen al menos dos regiones en su superficie con diferentes propiedades físicas y químicas, lo que les convierte en una clase distintiva de materiales que pueden combinar características ópticas, magnéticas y eléctricas en una sola entidad. Como la naturaleza del micromotor Janus -el dios romano de las dos caras- los objetivos de esta Tesis Doctoral presentan naturaleza dual y comprenden desarrollos de química fundamental y de química aplicada. En efecto, por una parte, el objetivo central aborda el diseño, síntesis y ensamblaje, así como la caracterización de micromotores Janus poliméricos propulsados por mecanismos (foto)-catalíticos y/o accionados por campos magnéticos. Por otra parte, el objetivo central implica la aplicación de los micromotores desarrollados para resolver desafíos sociales relevantes en los ámbitos químico-analítico, biomédico y ambiental. Partiendo de estas premisas, en la primera parte de la Tesis Doctoral, se sintetizaron micromotores Janus de policaprolactona propulsados químicamente integrando nanomateriales para el diseño de sensores móviles para la detección selectiva de endotoxinas bacterianas. De esta forma, el movimiento autónomo del micromotor mejora la mezcla de fluidos y la eficacia de las reacciones implicadas permitiendo detectar el analito en pocos minutos, incluso en muestras viscosas y medios donde la agitación no es posible. Además, esta autopropulsión es altamente compatible con su empleo en formatos ultra-miniaturizados para el desarrollo de futuros dispositivos portátiles en el marco de la tecnología point of care para aplicaciones clínicas y agroalimentarias. Con el fin de incrementar su biocompatibilidad para aplicaciones in vivo, en una segunda etapa de la Tesis Doctoral, se diseñaron micromotores Janus con propulsión autónoma utilizando luz visible para la eliminación de toxinas relevantes en procesos inflamatorios. El fenómeno autopropulsivo del micromotor y su capacidad de interacción con agentes tóxicos condujo a metodologías más rápidas y eficaces infiriéndose un futuro prometedor de estos micromotores para el tratamiento del shock séptico o intoxicación. En una tercera etapa, se sintetizaron micromotores propulsados por campos magnéticos. Estos micromotores utilizan una aproximación elegante de propulsión, exenta del empleo de combustibles químicos tóxicos como sucede en la propulsión catalítica y, en consecuencia, biocompatible. Asimismo, este mecanismo propulsivo permite controlar e incluso programar su trayectoria para aplicaciones que requieran de un guiado y de un control preciso de esta. De manera específica, estos micromotores han sido aplicados en esta Tesis Doctoral para la liberación controlada de fármacos en el tratamiento de cáncer pancreático y como elementos de remediación ambiental en la eliminación de agentes nerviosos en aguas contaminadas

Development of Multifunctional Drug Delivery Systems for Locoregional Therapy

Locoregional treatment is the specific delivery of therapeutics to their desired sites of action with minimized systemic adverse effects. In this approach, drug is administered through topical instillation, inhalation, intra-lesional or intra-arterial injection. Decades of experience in locoregional treatment have delivered meaningful benefits to patients with localized diseases (e.g., osteoarthritis, ocular disorders and liver cancers). However, improvements are required for this type of treatment to be more effective. For transarterial chemoembolization (TACE) therapy of hepatocellular carcinoma (HCC), the most current approaches do not allow repeat treatment as the drug delivery vehicle is not degradable. In addition, image contrast agents for visualization are administered separately, leading to uncertainty of the drug location. In this thesis, the concept of a multifunctional ‘nano-on-micro’ delivery system was explored for enhanced TACE therapy. Magnetic hydrogels composed of poly(vinyl alcohol) (PVA) and iron oxide nanoparticles (IONPs) were prepared and shaped into microparticles using microfluidics. This system was able to deliver the anti-cancer drug, doxorubicin (DOX), with co-localized IONPs as a contrast agent to visualize drug location. Degradability of the PVA hydrogel carrier allows for repeat treatment. To enhance drug loading, we explored the use of silica nanoparticles (SiNPs) as an effective drug carrier. Loading was investigated using lysozyme as a model protein and applied to N-94, a therapeutic peptide for dry eye treatment. The results demonstrated SiNPs system could provide controlled drug release that is also degradable under simulated physiological conditions. Building on these results, silica (SiO2) was introduced to prepare PVA-SiO2-IONP microparticles. In addition to all the positive attributes of the original system, the PVA-SiO2-IONP microbeads have increased drug loading and tunable release profile. The concept of a multifunctional ‘nano-on-micro’ delivery system demonstrated for TACE therapy can be applied to other diseases where locoregional treatment is applicable

Biological applications of multimodal imaging involving Raman and 4Pi Raman microscopy

Raman microscopy is becoming an increasingly important label-free imaging technique. It proved to be a viable tool for life science applications allowing to analyze bacteria, cells, and tissues at the molecular level. Combining Raman microscopy with complementary imaging modalities and techniques is explored here to: (1) analyze mild traumatic brain injury (mTBI) in a combination with magnetic resonance imaging (MRI) for detecting mild, and invisible to medical imaging techniques, brain tissue damage; (2) reveal complementarity of Raman and fluorescence microscopy approaches for investigating and tracking bovine lactoferrin inside calf rectal epithelial cells in the presence of enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC); (3) apply Raman microscopy along-side the molecular analysis approaches (such as scanning transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray (STEM-EDX), low energy X-ray fluorescence (LEXRF), nanoscale secondary ion mass spectrometry (Nano-SIMS)) to uncover the origin of the long-range conductance in cable bacteria; (4) develop multifunctional surface enhanced Raman scattering (SERS) platform based on calcium carbonate particles for enhancing a weak Raman scattering signal of biomolecules as well as to apply Raman microscopy for particle detection in vivo in Caenorhabditis elegans (C. elegans) worms; and (5) combine Raman microscopy and atomic force microscopy (AFM) to track Chlamydia psittaci in cells. Analysis of described above samples and phenomena is based on Raman molecular fingerprint images, where, similarly to fluorescence light microscopy, the resolution is limited by diffraction of light. Therefore, efforts are also put to enhance the resolution of Raman microscopy-based imaging by adding a 4Pi configuration to a confocal Raman microscope. As a result, a possibility to enhance the axial (also called longitudinal) resolution is investigated by constructing a 4Pi confocal Raman microscope, which is also applied to study bacteria inside cells. Results presented in this work emphasize the added value of multimodal microscopy approaches, particularly involving Raman microscopy, in a broad range of applications in bioengineering, biomedicine, and biology

Flow Control and MRI-Compatible Particle Injector: Application to Magnetic Resonance Navigation

Notre groupe de recherche travaille sur une technique de navigation par résonance magnétique (NRM) qui vise à améliorer l’efficacité du ciblage des médicaments vers les zones tumorales. Cette technique a été subdivisée en cinq parties : 1. Conception des microparticules. La taille et les matériaux constituants les particules doivent répondre aux exigences médicales et physiologiques de l'embolisation humaine, ainsi qu'à la faisabilité du pilotage des microparticules en utilisant les gradients magnétiques (≤ 40 mT/m) d'un système clinique d'imagerie par résonance magnétique (IRM). 2. Contrôle du flot sanguin. Un contrôle du flot sanguin a été mis au point pour permettre une navigation suffisamment rapide afin de réduire le temps d'injection tout en étant suffisamment lente pour assurer un taux de réussite élevé pour la NRM. 3. Conception d’un injecteur pour la formation d'agrégats de microparticules de tailles contrôlables. Un injecteur IRM compatible a été conçu pour permettre l’injection d’agrégats de particules pour à la fois réduire le temps d'injection et augmenter l'efficacité de la NRM en raison du volume magnétique plus important injecté à chaque fois. 4. Logiciel NRM. Une séquence NRM est utilisée pour suivre et orienter les agrégats injectés. 5. Intégration de l'injecteur de particules, du contrôle du flot sanguin et du logiciel NRM. Dans cette thèse, nous cherchons à trouver des solutions aux étapes 2, 3, 4 et 5. L’auteur a constaté que la combinaison d’un micro-flot vibratoire et d’un flot constant à faible vitesse pouvait rendre la vitesse de dérive des particules basse et constante. Un système de contrôle de l'écoulement composé d'une machine vibratoire générant le flot en question et d'une pompe péristaltique a été conçu et fabriqué pour générer ces deux types d'écoulement. Ensuite, le système a été intégré au NRM pour tester les manipulations in vitro visées. Dans une IRM de 1.5 Tesla (T), les microparticules encapsulant des nanoparticules superparamagnétiques ont été navigués dans un canal à bifurcation unique en forme de Y. En comparant les résultats avec le NRM à débit constant, nous avons démontré que le modèle de flot vibrantoire proposé peut améliorer de manière significative le taux de réussite du NRM avec un gradient magnétique inférieur à 40 mT/m qui correspond au seuil maximum de gradient qui peut être utilisé sur une IRM clinique traditionnelle. Par la suite, un injecteur de particules compatible avec l'IRM, composé de deux pompes péristaltiques, d'un compteur optique et d'un piège magnétique, a été proposé pour former des agrégats de particules de taille spécifique. Afin de déterminer la conception et la configuration optimales de l'injecteur, les propriétés magnétiques des microparticules, la compatibilité magnétique des différentes pièces de l'injecteur et la distribution spatiale du champ magnétique du système IRM ont été étudiées de manière exhaustive. Les particules utilisées dans l'essai avaient un diamètre de 230 ± 35 μm, ce qui respecte les spécifications requises pour une chimioembolisation trans-artérielle (TACE) chez l'adulte. Nous avons démontré que l’injecteur pouvait former des agrégats contenant 20 à 60 microparticules avec une précision de 6 particules. Les agrégats ayant des longueurs globales correspondantes de 1.6 à 3.2 mm, ce qui se situe juste dans l’échelle des diamètres internes des artères hépatiques propres et des branches de division droite et gauche. Par la suite, des agrégats constitués de 25 particules ont été injectés dans un fantôme imitant des conditions physiologiques et rhéologiques humaine. Dans ce cas, 82% des agrégats (n = 50) ont réussi à atteindre les sous-branches ciblées. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible d'intégrer le flot vibrant combiné avec flot constant, l'injecteur et la séquence NRM à notre injecteur afin d'établir une synchronisation entre la formation, la propulsion, la navigation et le suivi de bolus de particules dans un fantôme avec deux niveaux de bifurcation. Un modèle théorique de la taille et l'orientation des vaisseaux a été étudié et pris en compte lors du calcul de la longueur appropriée de l'agrégat de particules pour différentes tailles de vaisseaux. Une séquence d’IRM rapide (True FISP) et un gradient magnétique de 20 mT/m ont été choisis pour suivre et orienter les agrégats. Les particules magnétiques de 200 μm de diamètre moyen ont été utilisées pour évaluer l'efficacité de la NRM avec la méthode proposée. Dans les expériences, sur la base du modèle théorique, la longueur totale des agrégats a été fixée à environ 1.6 mm. Lorsqu'un agrégat était prêt, il était injecté dans le fantôme situé au centre du tunnel de l’IRM, imitant des situations réelles. Pendant ce temps, un signal de déclenchement généré automatiquement par le générateur déclenche la séquence NRM. Les agrégats de particules ont été entraînés par le flot combiné et dirigés puis suivis par la séquence NRM. En fonction de la position des agrégats dans le fantôme, la direction du gradient de navigation a été ajustée pour diriger les agrégats de microparticules dans la branche ciblée. Lorsque le tube principal du fantôme était parallèle à B0, la distribution de base des agrégats sans NRM de gauche à gauche (GG), de gauche à droite (GD), de droite à gauche (DG) et de droite à droite (DD) viii était de 4%, 96%, 0% et 0% respectivement. La précision a atteint 84% (GG), 100% (GD), 84% (DG) et 96% (DD) (P < 0.001, P = 1.0, P < 0.001, 1, P <0.001) en utilisant la séquence de NRM correspondantes pour diriger chaque agrégat dans une branche ciblée. Ensuite, le fantôme a subi une rotation de 90 degrés horizontalement. Dans cette configuration, la branche D-G qui avait le plus faible ratio de distribution de base de 0%, passait à 80% (P <0.001) après NRM. De plus, le taux de réussite du MRN était toujours supérieur à 92% à la première bifurcation dans les expériences mentionnées ci-dessus. En conclusion, ce projet a proposé un nouveau modèle d'écoulement pour augmenter le taux de réussite de la NRM avec un gradient magnétique de 40 mT/m. Il s'agit d'une étape importante pour les expériences in vivo utilisant le système d'IRM clinique. Ensuite, un injecteur compatible avec l'IRM, capable de contrôler la taille des agrégats de particules, a été conçu et testé. Enfin, la première intégration du système d’injection de particules, qui alterne un gradient de guidage et une séquence True FISP dans un logiciel NRM dédié, confirme que le NRM peut être utilisée pour naviguer in vitro des agrégats de particules à travers deux niveaux de bifurcations à l’aide d’une IRM clinique 3 T sans modification matérielle.----------ABSTRACT The author’s research group has been working on a technique of magnetic resonance navigation (MRN) which aims to improve the targeting efficiency of drugs towards tumour areas. This technique was subdivided mainly into the following steps: 1. Particle design. Sizes and materials of particles need to meet the medical and physiological requirements of human embolization, as well as the feasibility of steering the particles by using magnetic gradients (≤ 40 mT/m) of a clinical magnetic resonance imaging (MRI) system. 2. Flow control. The particles drifted by blood flow must be fast enough to decrease the particle injection time while being appropriately slow to ensure a high success rate for MRN. 3. The conception of a dedicated MR compatible injector to create microparticle aggregates with controllable sizes. The formation of aggregates can both decrease the injection time and increase the MRN efficiency because of the larger magnetic volume injected each time. 4. MRN software. An MRN sequence is used to track and steer the injected aggregates. 5. Integration of the particle injector, flow control and the MRN software. In this thesis, I aim to find solutions for steps 2, 3, 4 and 5. The author found that the combination of micro-vibrating flow and low-velocity constant flow could make the velocity of the drifted particles low and steady. A flow control system consisting of a vibrator and a peristaltic pump was designed and fabricated to generate these two flow patterns. Then, the system was integrated with MRN to test for the targeted in vitro manipulations. In a 1.5 Tesla (T) MRI system, microparticles encapsulating superparamagnetic nanoparticles were navigated in a Y-shaped single bifurcation channel. By comparing the results with MRN with constant flow, I demonstrated that the proposed flow pattern can significantly improve the success rate of MRN under a magnetic gradient of 40 mT/m, a force that can be obtained but is difficult to increase further when using a traditional clinical MRI system. Subsequently, an MRI-compatible particle injector, composed of two peristaltic pumps, an optical counter and a magnetic trap was proposed to form specific-sized particle aggregates. In order to determine the optimal design and setup of the injector, the magnetic property of microparticles, the magnetic compatibility of different parts within the injector and the field distribution of the MRI system were studied comprehensively. The particles used in the test had diameters of 230 ± 35 μm which respect the specifications needed for trans-arterial chemoembolization (TACE) in human adults. I demonstrated that the system could form aggregates containing 20 to 60 microparticles with a precision of 6 particles. The corresponding aggregate lengths ranged from 1.6 to 3.2 mm, which is just within the scale of internal diameters of the common, right and left hepatic arteries. Subsequently, aggregates consisting of 25 particles were injected into a phantom which mimics realistic physiological and rheological conditions. Under such circumstances, 82% of the aggregates (n = 50) were able to successfully reach subbranches. At last, I demonstrated the feasibility of integrating the combined flow pattern, the injector and the MRN sequence to establish synchronization between the formation, propulsion, steering and tracking of particle boluses in a two-level bifurcation phantom. To start with the establishment of a theoretical model, the size and orientation of the vessels were comprehensively studied and took into consideration when the calculation for the appropriate length of the particle aggregate for different vessel sizes. Next, a steady-state coherent sequence (True FISP) and a 20 mT/m magnetic gradient were chosen as the MRN sequence and force used to track and steer moving aggregates. Finally, magnetic particles of 200 μm mean diameter were used to evaluate the MRN efficiency of the proposed method. In the experiments, based on the theoretical model, the aggregate length was set, through the injector, to roughly 1.2 mm. When an aggregate was ready, it was injected into the phantom located in the MRI bore, imitating real-life situations. Meanwhile, a trigger signal automatically generated by the trigger generator would start the MRN sequence. Particle aggregates were drifted by the combined flow and were steered and tracked by the MRN sequence. According to the position of the aggregates in the phantom, the direction of the steering gradient would be tuned to ensure that the particles were steered into the targeted branch. When the main tube of the phantom was parallel to B0, the left–left (L-L), left–right (L-R), right–left (R-L) and right–right (R-R) baseline distribution of aggregates with no MRN were 4%, 96%, 0% and 0% respectively. The accuracy reached 84% (L-L), 100%(L-R), 84% (R-L) and 96% (R-R) (P < 0.001, P = 1.0, P < 0.001, P < 0.001) after applying corresponding MRN operations to steer each aggregate into a targeted branch. Then, the phantom was rotated 90 degrees horizontally. In that setup, the RL branch had the smallest baseline distribution ratio of 0%, which increased to 80% (P < 0.001) through MRN. Moreover, the success rate of MRN was always more than 92% at the 1st bifurcation in the experiments above. In conclusion, this project proposes a new flow pattern for increasing the MRN success rate under the magnetic gradient of 40 mT/m. This is an important step for in vivo experiments using the clinical MRI system. Then, an MRI-compatible injector, capable of controlling the size of particle aggregates, was designed and tested. At last, the first integration of the particle injection system which interleaves a steering gradient and a True FISP sequence in a dedicated MRN software confirmed that MRN can be used to navigate particle aggregates in vitro across two branch divisions in a 3 T clinical MRI system without hardware modification

Characterisation and State Estimation of Magnetic Soft Continuum Robots

Minimally invasive surgery has become more popular as it leads to less bleeding, scarring, pain, and shorter recovery time. However, this has come with counter-intuitive devices and steep surgeon learning curves. Magnetically actuated Soft Continuum Robots (SCR) have the potential to replace these devices, providing high dexterity together with the ability to conform to complex environments and safe human interactions without the cognitive burden for the clinician. Despite considerable progress in the past decade in their development, several challenges still plague SCR hindering their full realisation. This thesis aims at improving magnetically actuated SCR by addressing some of these challenges, such as material characterisation and modelling, and sensing feedback and localisation. Material characterisation for SCR is essential for understanding their behaviour and designing effective modelling and simulation strategies. In this work, the material properties of commonly employed materials in magnetically actuated SCR, such as elastic modulus, hyper-elastic model parameters, and magnetic moment were determined. Additionally, the effect these parameters have on modelling and simulating these devices was investigated. Due to the nature of magnetic actuation, localisation is of utmost importance to ensure accurate control and delivery of functionality. As such, two localisation strategies for magnetically actuated SCR were developed, one capable of estimating the full 6 degrees of freedom (DOFs) pose without any prior pose information, and another capable of accurately tracking the full 6-DOFs in real-time with positional errors lower than 4~mm. These will contribute to the development of autonomous navigation and closed-loop control of magnetically actuated SCR

Attachment of Therapeutic and Imaging Agents to Magnetotactic Bacteria Acting as Self-Propelled Bio-Carriers for Cancer Treatment

RÉSUMÉ Malgré les progrès de la médecine moderne, les traitements anticancéreux actuels n’arrivent toujours pas à vaincre le cancer. Seulement une fraction des doses de médicaments administrées parvient à la tumeur en raison d’un ciblage non spécifique, de barrières physiologiques au niveau du système vasculaire ainsi que de l’élimination immédiate de médicaments par le système immunitaire. Des dosages fréquents de médicaments deviennent nécessaires afin de surmonter ces obstacles, entraînant une toxicité systémique, des effets secondaires et un échec thérapeutique. De plus, les systèmes actuels d’imagerie médicale sont incapables de produire des images de haute qualité des structures tumorales pour les diagnostiques et les traitements. Ceci est dû aux restrictions de la résolution spatiale et de l’incapacité des agents de contraste à pénétrer dans les zones tumorales afin de générer un signal suffisamment intense. Le développement de nouveaux agents thérapeutiques ainsi que de nouvelles techniques de ciblage thérapeutique sont donc requis afin d’améliorer l’efficacité des traitements actuels. Pour ce projet de recherche doctorale, l'attachement de charges utiles à la surface de bactéries magnétotactiques flagellées Magnetococcus Marinus MC-1 (BMT) a été mise en place pour transporter de façon ciblée une quantité optimale de médicaments profondément dans les zones tumorales. Ces bio-robots autopropulsés de dimensions adéquates sont équipés d’un système de propulsion dirigeable, d’un système de navigation, et de capacités sensorielles. Divers types de complexes BMT ont été fabriquées en attachant aux BMT (i) des liposomes vides (BMT-LP), (ii) des liposomes contenant un agent anticancéreux SN38 (BMT-LSC), et (iii) des nanoparticules superparamagnétiques de magnétite (BMT-S200). L’efficacité de l'attachement des charges et du comportement des bactéries soumises à un champ magnétique directionnel ont été étudiés. Par la suite, la capacité des complexes BMT à naviguer le long d’une trajectoire prédéterminée, à infiltrer profondément l'espace interstitiel, et à cibler des zones tumorales inaccessibles, ont été étudiés dans un modèle animal soumis à un champ magnétique externe. Pour parvenir à des complexes BMT aptes à transporter suffisamment de produits pharmaceutiques et de s’accumuler préférentiellement dans les régions affectées, il faut assurer un attachement solide et stable qui ne compromet pas la motilité des BMT.----------ABSTRACT Despite the substantial achievements of modern medicine, current medical therapies cannot eradicate cancer. Due to nonspecific targeting, the multiple physiological barriers that blood-borne agents must encounter, and the rapid sequestration of drugs by the immune system, a suboptimal fraction of the total injected dose reaches the intended target. These obstacles necessitate frequent dosing to compensate therapeutic effects, resulting in systemic toxicity, undesirable side effects, and treatment failure. In addition, existing medical imaging modalities struggle to provide high quality clinical images of tumor structures for treatment purposes due to limitations in spatial resolution and lack of penetration of contrast agents into tumoral regions to induce sufficient signal intensity. To address these issues, the development of new therapeutic agents alongside improved strategies for targeting therapy with the ability to control their fate is required. The attachment of payloads to the flagellated Magnetococcus Marinus MC-1 magnetotactic bacteria (MTB) to directly transport optimal quantities of pharmaceutical agents to regions located deep in tumors is what has been proposed during the accomplishment of this PhD project. These engineered self-propelled bio-robots with an appropriate dimension are equipped with steerable propulsion, navigation system, and onboard sensory capabilities. MTB complexes were fabricated by attaching the MTB to (i) empty liposomes (MTB-LP), (ii) SN38 anticancer drug encapsulated in liposomes (MTB-LSC), and (iii) 200 nm superparamagnetic magnetite nanoparticles (MTB-S200). The attachment efficacy and magnetic response behavior from the influence of a directional magnetic field of loaded bacteria with therapeutic or imaging agents were studied. Subsequently, results showed that the attachment method was suitable to allow MC-1 MTB to transport therapeutic and imaging agents along a planned trajectory prior to penetrate deep through the interstitial space in order to reach the hypoxic regions of a tumor in an animal model. To achieve MTB complexes capable of carrying sufficient pharmaceutical agents and accumulating preferentially at disease sites, the attachment must be strong and stable without compromising the natural motility of MTB. The MTB-LP were prepared by direct covalent attachment of functionalized liposomes to the amine groups naturally presented on the surface of MTB using carbodiimide (EDC/NHS) chemistry