Steering of magnetotactic bacterial microrobots by focusing magnetic field for targeted pathogen killing

International audienceTargeted steering of magnetotactic bacterial microrobots is a growing tendency for their various biomedical applications. However, real-time monitoring during their movements and targeted cell killing in specific locations remains challenging. Here, we steered bacterial microrobots to target and attach to Staphylococcus aureus that was subsequently killed in a magnetic target device, which can realize guiding, mixing, and killing for targeted therapy. The generated focusing magnetic field was applied to magnetotactic bacterial microrobots, and the realizability of control strategies was analyzed. We successfully guided magnetotactic bacterial microrobots in microfluidic chips without real-time monitoring of their location. After mixing with microrobots under a rotating magnetic field for their attachment, the pathogen was killed under a swinging magnetic field. These results suggest that targeted therapy with these microrobots by using a magnetic target device is a promising approach

Études des configurations spatio-temporelles du champ magnétique sur le contrôle des bactéries magnétotactiques

Depuis que les scientifiques se sont intéressés à travailler à l’échelle nano et micro, la création de véhicules qui puissent y travailler est devenue une nécessité. Ces véhicules sont des nano-micro robots qui doivent fonctionner dans ces milieux de manière autonome et contrôlée. L’une des plus grandes utilités de ces nano-micro robots, par exemple, est leur utilisation dans un système microvasculaire pour transporter des agents thérapeutiques vers les tumeurs cancéreuses de façon contrôlée. La technologie de fabrication des robots artificiels actuelle n’est pas en mesure de fournir ce nano-micro robot. Pour contourner cette limitation, nous avons choisi un micro robot déjà existant dans la nature. C’est la bactérie magnétotactique Magnetococcus Marinus souche MC-1, d’une taille de 2 µm de diamètre et ayant : 1) une autonomie de mouvement grâce à son propre système de propulsion fourni par deux moteurs moléculaires (flagelles), 2) une chaîne de particules nanométriques magnétiques (magnétosomes), qui permet à la bactérie de s’aligner avec le champ magnétique et de se propulser dans la direction du champ. En plus, les microrobots ont la capacité de réaliser des tâches dans l’environnement micrométrique comme : la microfabrication et le transport. L’équipe du laboratoire NanoRobotique de Polytechnique de Montréal a développé une plateforme de contrôle des bactéries magnétiques dans le but de contrôler leurs déplacements dans un système in vivo, et ainsi de transporter des agents thérapeutiques directement dans le cancer. Autrement dit, cette nouvelle plateforme permet de guider la bactérie magnétotactique vers une cible prédéfinie. L’objectif de ce mémoire de recherche est d’améliorer la modélisation du champ magnétique de cette plateforme. Cette nouvelle modélisation permettra de réduire les durées d’agrégation et de déplacement des bactéries magnétiques tout en augmentant la performance de la plateforme. D’abord, une méthode de contrôle basée sur la géométrie spatiale du champ magnétique a été développée et validée. Finalement, une étude de comportement des bactéries magnétiques exposées au champ magnétique alternatif a été effectuée afin de pouvoir développer une technique novatrice de contrôle.----------ABSTRACT Working at the nano and micro scale environment has provided scientists with an immense opportunity to explore within small and previously unreachable areas. Evidently, creation of vehicles that could facilitate such careful maneuver has gained a lot of interest. These vehicles are nanomicrorobots that perform autonomously under controlled environment. Among many research disciplines that could advance with such miniature system, drug delivery and navigation is one of the most beneficial uses for these controlled nanomicrorobots; acting as therapeutic agent carriers targeting cancerous tumors by traveling through complex microvascular structures. Current artificial robot technology lacks maturity in manufacturing mass scale nanomicrorobots. Therefore, inspired by nature, we chose special bacteria bona fide to serve as microrobots. Magnetotactic Magnetococcus Marinus strain MC-1 has: 1) an autonomy movement with its own propulsion system provided by two molecular motors (flagella) and 2) a chain of magnetic nanoparticles (magnetosomes) acting as a compass that aligns the moving bacteria in the direction of external magnetic field. These 2 µm diameter bacteria have the ability to perform as actuators, micro-fabricators and transporters. Polytechnique NanoRobotics Montreal laboratory team has developed a magnetic controller platform to control these bacteria in vivo and deliver therapeutic agents directly into the cancer tissue. In other words, this platform helps navigate the magnetotactic bacteria to the predefined target. The objective of this research thesis is to improve the magnetic field modeling of this platform. Our new proposed model will reduce the bacteria displacement and aggregation time while increasing the performance of the platform. At the beginning, a control method based on the spatial configuration of the magnetic field has been developed and validated. And at the end, a study on magnetic bacteria behavior exposed to alternating magnetic field is performed in order to develop an innovative control technique

Drug-Loaded IRONSperm clusters: modeling, wireless actuation, and ultrasound imaging

Individual biohybrid microrobots have the potential to perform biomedical in vivo tasks such as remote-controlled drug and cell delivery and minimally invasive surgery. This work demonstrates the formation of biohybrid sperm-templated clusters under the influence of an external magnetic field and essential functionalities for wireless actuation and drug delivery. Ferromagnetic nanoparticles are electrostatically assembled around dead sperm cells, and the resulting nanoparticle-coated cells are magnetically assembled into three-dimensional biohybrid clusters. The aim of this clustering is threefold: First, to enable rolling locomotion on a nearby solid boundary using a rotating magnetic field; second, to allow for noninvasive localization; third, to load the cells inside the cluster with drugs for targeted therapy. A magneto-hydrodynamic model captures the rotational response of the clusters in a viscous fluid, and predicts an upper bound for their step-out frequency, which is independent of their volume or aspect ratio. Below the step-out frequency, the rolling velocity of the clusters increases nonlinearly with their perimeter and actuation frequency. During rolling locomotion, the clusters are localized using ultrasound images at a relatively large distance, which makes these biohybrid clusters promising for deep-tissue applications. Finally, we show that the estimated drug load scales with the number of cells in the cluster and can be retained for more than 10 h. The aggregation of microrobots enables them to collectively roll in a predictable way in response to an external rotating magnetic field, and enhances ultrasound detectability and drug loading capacity compared to the individual microrobots. The favorable features of biohybrid microrobot clusters place emphasis on the importance of the investigation and development of collective microrobots and their potential for in vivo applications

Retrieval of magnetic medical microrobots from the bloodstream

Untethered magnetic microrobots hold the potential to penetrate hard-to-reach areas of the human body and to perform therapy in a controlled way. In the past decade, impressive advancements have been made in this field but the clinical adoption of magnetoresponsive microrobots is still hampered by safety issues. A tool appointed for magnetic microrobots retrieval within body fluids could enable a real paradigm change, fostering their clinical translation.By starting from the general problem to retrieve magnetic microrobots injected into the bloodstream, the authors introduce a magnetic capture model that allows to design retrieval tools for magnetic cores of different diameters (down to 10 nm) and in different environmental conditions (fluid speed up to 7 cms-1). The model robustness is demonstrated by the design and testing of a retrieval catheter. In its optimal configuration, the catheter includes 27 magnets and fits a 12 F catheter. The model provides a good prediction of capture efficiency for 250 nm magnetic particles (experimental data: 77.6%, model prediction: 65%) and a very good prediction for 500 nm particles (experimental data: 93.6%, model prediction: 94%). The results support the proposed model-based design approach, which can be extended to retrieve other magnetoresponsive agents from body compartments

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

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.----------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

MRI-Based Tumour Targeting Enhancement with Magnetotactic Bacterial Carriers

RÉSUMÉ 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

Switching between magnetotactic and aerotactic displacement controls to enhance the efficacy of MC-1 magneto-aerotactic bacteria as cancer-fighting nanorobots

The delivery of drug molecules to tumor hypoxic areas could yield optimal therapeutic outcomes. This suggests that effective cancer-fighting micro- or nanorobots would require more integrated functionalities than just the development of directional propelling constructs which have so far been the main general emphasis in medical micro- and nanorobotic research. Development of artificial agents that would be most effective in targeting hypoxic regions may prove to be a very challenging task considering present technological constraints. Self-propelled, sensory-based and directionally-controlled agents in the form of Magnetotactic Bacteria (MTB) of the MC-1 strain have been investigated as effective therapeutic nanorobots in cancer therapy. Following computer-based magnetotactic guidance to reach the tumor area, the microaerophilic response of drug-loaded MC-1 cells could be exploited in the tumoral interstitial fluid microenvironments. Accordingly, their swimming paths would be guided by a decreasing oxygen concentration towards the hypoxic regions. However, the implementation of such a targeting strategy calls for a method to switch from a computer-assisted magnetotactic displacement control to an autonomous aerotactic displacement control. In this way, the MC-1 cells will navigate to tumoral regions and, once there, target hypoxic areas through their microaerophilic behavior. Here we show not only how the magnitude of the magnetic field can be used for this purpose but how the findings could help determine the specifications of a future compatible interventional platform within known technological and medical constraints

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

RÉSUMÉ 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

Particle computation: Designing worlds to control robot swarms with only global signals

Micro- and nanorobots are often controlled by global input signals, such as an electromagnetic or gravitational field. These fields move each robot maximally until it hits a stationary obstacle or another stationary robot. This paper investigates 2D motion-planning complexity for large swarms of simple mobile robots (such as bacteria, sensors, or smart building material). In previous work we proved it is NP-hard to decide whether a given initial configuration can be transformed into a desired target configuration; in this paper we prove a stronger result: the problem of finding an optimal control sequence is PSPACE-complete. On the positive side, we show we can build useful systems by designing obstacles. We present a reconfigurable hardware platform and demonstrate how to form arbitrary permutations and build a compact absolute encoder. We then take the same platform and use dual-rail logic to build a universal logic gate that concurrently evaluates AND, NAND, NOR and OR operations. Using many of these gates and appropriate interconnects we can evaluate any logical expression.National Science Foundation (U.S.) (CPS-1035716