Application of cold plasma in oncology, multidisciplinary experiments, physical, chemical and biological modeling

par Bruno Honnorat

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Antoine Rousseau.

Soutenue le 08-02-2018

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas / LPP (laboratoire) .

Le président du jury était Chantal Stehlé.

Le jury était composé de Annemie Boggaerts, Géraldine Lescaille, Sharon Lori Bridal, Georg Daeschlein.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Pouvesle, Luis Mir.

  • Titre traduit

    Applications des plasmas froids à l’oncologie, approche expérimentale multidisciplinaire, modèles et modélisations physiques, chimiques et biologiques


  • Résumé

    « La médecine- plasma» est le domaine de recherche décrivant les applications médicales des plasmas, principalement à pression atmosphérique. Les plasmas froids sont un état de la matière caractérisé par la présence d'électrons libres ayant une énergie cinétique de plusieurs eV alors même que les ions et les neutres peuvent être à température ambiante. Cet état transitoire, hors équilibre thermique, produit des espèces chimiques très réactives. L’objectif de ce travail multidisciplinaire a été d’évaluer le potentiel anti-tumoral des plasmas-froids. Deux types de dispositifs ont été conçus et fabriqués par impression 3D: des Décharges à Barrière Diélectrique et des jets plasmas. Des études in-vitro et in-vivo ont été menées avec les lignées cellulaires TC1 et CT26. La production d’espèces réactives produites dans un liquide exposé à un plasma a été étudiée afin de comprendre les résultats in-vitro et de comparer les dispositifs plasma entre eux. Différents dispositifs à plasmas ont été réalisés afin d’étudier in-vivo, l’effet de l’énergie déposée lors du traitement sur la peau et les tumeurs. Afin de limiter l’échauffement cutané et les lésions induites un dispositif refroidi à l’azote liquide a été développé. Enfin, une simulation numérique modélisant les transferts thermiques des tumeurs et tissus sous exposition plasmas a permis de quantifier l’hyperthermie et les lésions associées en validant le modèle sur des résulats expérimentaux. Une revue critique d’études in-vivo de « médecine plasma » publiées dans la littérature est proposée afin d’évaluer le rôle de l’hyperthermie dans les effets thérapeutiques observés.


  • Résumé

    Plasma-medicine is the field of research describing the medical applications of plasmas, mainly at atmospheric pressure. Cold plasmas are a state of matter characterized by the presence of free electrons with a kinetic energy of several electron volts even though the ions and neutrals may be at room temperature. This transient state, apart from thermal equilibrium, produces highly reactive chemical species. The objective of this multidisciplinary work was to evaluate the anti-tumor potential of cold plasmas. Two types of devices have been designed and manufactured by 3D-printing: Dielectric Barrier Discharge and plasma-jets. In-vitro and in-vivo studies were conducted with TC1 and CT26 cell lines. The production of reactive species produced in a liquid exposed to plasma has been studied in order to understand the in-vitro results and to compare the plasma devices with those of other teams. Various plasma devices have been made to study the effect of the energy deposited during the in-vivo treatment of skin and subcutaneous tumors. A device cooled with liquid nitrogen has been developed to limit skin damage induced by heating. Finally, a numerical simulation modeling the heat transfers of tumors and tissues under plasmas exposure enables to quantify the hyperthermia and the associated lesions by validating the model on experimental results. A critical review of in-vivo plasma-medicine studies published in the literature is proposed to evaluate the role of hyperthermia in the therapeutic effects reported.

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