Application radio-oncologique d'un plasma jet, l’APGD-t, pour le traitement de cancer du sein

Abstract

Le travail effectué dans cette étude s’inscrit dans le cadre de la recherche et du développement de nouveaux traitements du cancer utilisant un procédé plasma. Selon de récentes études, le traitement par plasma des cellules cancéreuses semblerait être une technique très prometteuse. Parmi les caractéristiques du plasma non-thermique qui en font un bon candidat pour éradiquer les cellules cancéreuses, on trouve (a) la présence d’espèces oxydantes chimiquement très réactives, (b) une faible température respectant l’intégrité des tissus biologiques et (c) la possibilité d’un traitement localisé tout en préservant les régions avoisinantes… Les résultats très encourageants sur les traitements in-vivo et in-vitro, ainsi que la possibilité d’un traitement sélectif laisse entrevoir un futur prometteur pour les technologies plasmas en thérapie oncologique. La source de plasma utilisée dans cette étude est l’APGD-t (Atmospheric plasma glow discharge-torch) qui génère un plasma froid à la pression atmosphérique à partir d’un mélange He+O2. Après avoir caractérisé la décharge plasma, nous avons testé cette technologie sur plusieurs lignées tumorales (STS117, MCF7, MDA-MB-231). Après avoir optimisé les paramètres d’exposition permettant de maintenir l’adhésion cellulaire et, idéalement, d’induire une perméabilisation des cellules, nous avons constaté que s’il n’y avait pas de sillons durant l’exposition, l’efficacité du traitement était fortement réduite : les taux de mortalité ne dépassaient pas les 20%. Par contre, en présence de sillons, on atteint de hauts taux de mortalité (supérieur à 90%) comme le montre l’utilisation d’un double marquage Dapi/Calcein AM des cellules. Ces sillons générés par l’application du jet de plasma dans le milieu de culture cellulaire (recouvrant les cellules) permettent au plasma de traiter efficacement les cellules tumorales. Toutefois, on découvre que pour des conditions d’opération plasma induisant de sévères modifications de la morphologie de la cellule, la méthode d’analyse FACS (Cytométrie en flux) devient inappropriée puisque les taux de mortalité sont sous-estimés et qu’elle identifie l’apoptose précoce comme le principal mécanisme menant à la mort cellulaire 24h après leur traitement. Les conditions létales pour les cellules cancéreuses ayant été définies, nous avons voulu explorer la possibilité d’observer la sélectivité lors d’un traitement utilisant l’APGD-t. Des résultats prometteurs nous ont permis d’identifier des conditions d’opération du plasma pour lesquelles le traitement est sélectif. Par contre, durant ces derniers tests, la reproductibilité des résultats s’est complexifiée : des changements observés de la température du gaz d’Hélium pourraient avoir été causés par des modifications opératoires (remplacement de la bonbonne d’Hélium, variation des conditions atmosphériques…). Les résultats in-vitro présentés dans ce mémoire confirment, en utilisant une nouvelle source plasma l’APGD-t, que les jets de plasmas froids peuvent traiter de façon sélective des cellules cancéreuses du sein, ce qui donne un réel espoir quant à leurs futures applications cliniques pour le traitement du cancer du sein.

This study takes place in the context of research and development of new cancer treatments using plasma technology: a recently discovered new application of plasma discharges. The latest scientific studies show that cancer cells (also including breast cancer cells) treatment with plasma has a promising future. Main characteristics that made non-thermal plasma a good candidate to eradicate cancer cells are (a) the production of a variety of reactive oxygen species (ROS), (b) the weak temperature operating conditions which respect biological tissues integrity, and (c) the possibility of a precise local treatment preserving adjacent area... Very good results in in-vitro and in-vivo treatments and, also, the possibility to have selectivity between healthy and tumoral cells let us see a promising future for clinical applications in oncological therapy. The plasma source used in this study is the APGD-t (Atmospheric plasma glow discharge-torch) which generates a He+O2 atmospheric non-thermal plasma discharge. This plasma was firstly characterized electrically; after that, this non-thermal plasma was used to treat cancer cells like STS117 (sarcoma) and MCF7, MDA-MB-231 (breast cells). After optimizing experimental parameters to avoid cells detachment and, ideally, inducing permeability in treated cells, we noticed that if no furrow (or track) was observed, treatment efficacy was reduced since mortality rate never exceed 20%. Nevertheless, if furrows (or tracks) are observed during plasma treatment, mortality rate can reach more than 90% as Dapi/Calcein AM staining shows. If damages induced by plasma treatment involve severe morphological changes of cells, FACS analysis become inappropriate since results are under-estimated (because of, amongst others, the weak number of cells detected). These furrows generated by application of the plasma jet on the media (which covered cells) allow the plasma to treat cells effectively. As we were able to identify lethal experimental conditions, the existence of selectivity using APGD-t treatment was explored. Result seems very hopeful. Indeed, we found some experimental settings providing us to have selectivity by killing cancer cells (MCF7 and MDA-MB-231) and preserving healthy cells (Arpe). However, during these latest tests, the reproductibility of the results was more complex: the observed changes of the He gas temperature may have been due to changes in the operating conditions (replacing the He bottle, variation in atmospheric conditions...). The in-vitro results presented in this thesis clearly confirm that the jet of a cold plasma, namely APGD-t, can selectively treated tumoral breast cells, which really give real hope for future clinical applications in the breast cancer treatment.