Thèse soutenue

Physique des jets de plasma froid. Étude fondamentale des streamers guidés et applications à l’oncologie
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Auteur / Autrice : Henri Decauchy
Direction : Thierry Dufour
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 30/09/2022
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des plasmas (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
Jury : Président / Présidente : Farzaneh Arefi-Khonsari
Examinateurs / Examinatrices : Nofel Merbahi, Augusto Stancampiano
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Guillot

Mots clés

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Résumé

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Les sources à jet de plasma froid présentent un intérêt majeur pour les applications médicales, en particulier en oncologie. De par leurs propriétés chimiques (production d’espèces réactives de l’azote et de l’oxygène), radiatives (rayonnement UV/visible), thermiques et électriques (champ électrique, impulsions de courant), les jets de plasma froid constituent un outil thérapeutique innovant. En amont d’une utilisation clinique, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de physique fondamentale qui régissent leur fonctionnement mais aussi de créer des sources ad hoc pour obtenir une efficacité antitumorale significative à partir de modèles tumoraux à pronostic sombre. Cette thèse se positionne donc à l’interface de deux volets : d’une part un volet dédié à la physique des streamers et des sources à jet de plasma froid menée au LPP (Laboratoire de Physique des Plasmas, Paris) et d’autre part un volet dédié à l’oncologie mené au CRSA (Centre de Recherche Saint-Antoine, Paris) et au CRC (Centre de Recherche des Cordeliers, Paris). En un premier temps, cette thèse porte sur une étude fondamentale dédié à la physique de propagation et de contre-propagation des streamers générés dans des jets de plasma, en interaction avec 3 types de cibles métalliques : électrode annulaire à la masse, électrode plane à la masse et électrode grille à potentiel flottant. Ces cibles correspondent à des éléments pouvant être intégrés aux sources à jet de plasma froid en vue d’une utilisation thérapeutique, afin de garantir l’absence de risque électrique et thermique. A l’aide de diagnostics spectroscopiques, électriques et d’imagerie rapide, il a ainsi été possible de mettre en lumière l’existence de streamers négatifs se contre-propageant à des vitesses supérieures à celles des streamers incidents. Un modèle théorique de la contre-propagation a ainsi pu être élaboré. L’ajout d’une électrode grille à potentiel flottant entre la sortie du tube (source plasma) et l’électrode plane à la masse a permis d’identifier un phénomène de périodisation des streamers qui apparaît pour des conditions précises de tension et de distance : N streamers atteignant la grille (avec 1N entre 1 et 6) conduit à un unique streamer transmis atteignant la cible. Sur la base de mesures électriques et optiques, un modèle est proposé pour analyser les paramètres régissant cette périodisation. De cette compréhension approfondie des interactions « streamers-cibles », découle la possibilité de créer des sources à jet de plasma froid en vue de répondre à des applications oncologiques, notamment des catheters plasma utilisables par endoscopie. Deux modèles de tumeurs solides avec un mauvais pronostic ont ainsi été étudiés : le cholangiocarcinome (cancer des voies biliaires) et le cancer bronchique non à petites cellules (cancer du poumon). Dans le cas du cholangiocarcinome, des expériences in vitro ont démontré une efficacité antitumorale élevée, tout en présentant des avantages en termes de sélectivité biologique. Sur la base d’études in vivo menées sur des modèles murins et dans la perspective d’une applicabilité chez l’humain, un cathéter à plasma froid a été utilisé sur deux modèles précliniques : un ERCP trainer et un modèle anatomique post-mortem porcin. Il a ainsi été possible de montrer l’absence de risque électrique et thermique. En parallèle, l’analyse des effets du plasma froid sur le cancer du poumon non à petites cellules a fait l’objet de 9 campagnes in vivo menées sur des modèles murins au cours de cette thèse. Deux sources à plasma présentant des configurations d’électrodes différentes ont été comparées, les deux entrainant systématiquement des inflexions de croissance tumorale importantes (p-valeur < 1e-4). Un effet abscopal a aussi été démontré sur des modèles tumoraux ectopiques.