Contribution à l'étude de plasmas froids à pression atmosphérique pour le traitement des substrats biologiques

The objective of this work was to study the interaction between non-thermal plasmas at atmospheric pressure and biological media in perspective of the application of this type of technology to the biomedical sector.In a first step, plasma sources were designed, realized, and characterized. These reactors implement dielectric barrier discharges in various gases in flow (synthetic air, argon, with or without water vapor admixture). The use of argon allowed the selection of conditions in which the plasma remained confined in the inter-electrode zone (relative humidity higher than 95% at room temperature) or on the contrary propagated either in free atmosphere or guided in an insulating tube in which the gas was flowing (dry argon). In the latter case, the propagation phenomenon was examined by time-resolved electrical measurements and the results were discussed with the help of previous works available in the literature. The choice of air as reactor feed-gas was also considered because of the application constraints that do not systematically allow the use of another gas.Two specific studies were conducted, one likely to find applications in the field of "plasma medicine", the other in the field of control of viral epidemics.In the latter case, the work focused on the inactivation of bacterial viruses, bacteriophages, infecting Escherichia coli. These were phage T4, a double-stranded DNA phage, and phage MS2, a single-stranded RNA phage. The phage suspensions were diluted in different buffer solutions and deposited on a water-soluble paper substrate to be exposed to different non-thermal plasma treatments. The original use of this substrate solved the difficult problem of phage particle recovery after treatment. This substrate also corresponds to an unfavorable application situation for this type of treatment (complex surface with volume diffusion of the suspension, as opposed to a smooth non-adsorbent surface such as a glass slide), leading to more realistic results that can be transposed to a real application. Phage inactivation was quantified by counting lysis plaques on E. coli culture. Thus, inactivation rates ranging from 0.66 log/min to 2 log/min were measured depending on the type of phage, the nature of the buffer solution and the type of treatment. The influence of the temperature imposed on the substrate was also examined.For the plasma medicine application, human adenocarcinoma cells (lung cancer) from five patients were treated in-vitro using the dielectric barrier reactor under two operating conditions determined by the composition of the feed-gas: plasma jet with dry argon and reactive oxidizing species (ROS) source with argon saturated with water vapor at room temperature. After a 5-minute exposure to the humid argon discharge treatment, 65% of the cells were in an apoptotic/necrotic state. For the dry argon plasma treatment, the overall proliferation and apoptosis assays did not show much efficacy. However, the dry argon plasma jet exhibited a rapid and localized effect on the cancer cells, inducing inhibition of the cells' ability to proliferate and migrate. These two operating conditions are of interest for clinical application, allowing to have a single plasma device able to deliver a very localized treatment of cells (plasma jet) or to transfer ROS on a larger surface leading to apoptosis mechanisms (humid argon discharge).L'objectif de ces travaux était d'étudier l'interaction entre des plasmas froids à pression atmosphérique et des milieux biologiques en vue d'application de ce type de technologie au secteur biomédical.Dans un premier temps, des sources plasma ont été conçues, réalisées et caractérisées. Il s'agissait de réacteurs mettant en œuvre des décharges sur barrière diélectrique dans différents gaz en flux (air synthétique, argon, avec ou sans apport de vapeur d'eau). L'utilisation de l'argon a permis de sélectionner des conditions dans lesquelles le plasma demeurait confiné dans la zone inter-électrodes (humidité relative supérieure à 95% à température ambiante) ou au contraire se propageait soit en atmosphère libre, soit guidé dans un tube isolant dans lequel circulait le gaz (argon sec). Dans ce dernier cas, le phénomène de propagation a été examiné par des mesures électriques résolues dans le temps et les résultats ont été discutés à l'aide des travaux antérieurs disponibles dans la littérature. Le choix de l'air comme gaz plasmagène a également été considéré en raison des contraintes d'application ne permettant pas systématiquement l'utilisation d'un autre gaz.Deux études spécifiques ont été conduites, l'une susceptible de trouver des applications dans le domaine de la « plasma médecine », l'autre dans le domaine de la lutte contre les épidémies virales.Dans ce dernier cas, les travaux ont porté sur l'inactivation de virus bactériens, ou bactériophages, infectant Escherichia coli. Il s'agissait du phage T4, phage à ADN double brin, et du phage MS2, phage à ARN simple brin. Les suspensions de phages ont été diluées dans différentes solutions tampons et déposées sur un substrat de papier hydrosoluble pour être exposées aux différents traitements par plasma froid. L'utilisation originale de ce substrat a permis de résoudre le problème difficile de la récupération des particules de phage après traitement. Ce substrat correspond également à une situation d'application défavorable à ce type de traitement (surface complexe avec diffusion en volume de la suspension, au contraire d'une surface lisse non-adsorbante telle qu'une lamelle de verre), conduisant à obtenir des résultats plus réalistes et transposables à une application réelle. L'inactivation des phages a été quantifiée par comptage de plages de lyse sur culture de E. coli. Ainsi, des taux d'inactivation compris entre 0,66 log/min et 2 log/min ont été mesurés suivant le type de phage, la nature de la solution tampon et le type de traitement. L'influence de la température imposée au substrat a également été examinée.Dans le cadre de l'application en plasma médecine, des cellules d'adénocarcinome humain (cancer du poumon) provenant de cinq patients ont été traitées in-vitro à l'aide du réacteur à barrière diélectrique dans deux conditions de fonctionnement déterminées par la composition du gaz d'alimentation : jet de plasma avec de l'argon sec et source d'espèces oxydantes avec de l'argon saturé en vapeur d'eau à température ambiante. A l'issue d'une exposition de 5 minutes au traitement par décharge d'argon humide, 65% des cellules étaient dans un état apoptotique/nécrotique. Pour le traitement par plasma d'argon sec, les tests globaux de prolifération et d'apoptose n'ont pas montré une grande efficacité. Toutefois, le jet de plasma d'argon sec a présenté un effet rapide et localisé sur les cellules cancéreuses, induisant une inhibition de la capacité des cellules à proliférer et à migrer. Ces deux conditions de fonctionnement sont d'intérêt pour l'application clinique, permettant d'avoir un seul dispositif plasma capable de délivrer un traitement très localisé des cellules (jet plasma) ou de transférer des espèces oxydantes sur une plus grande surface conduisant à des mécanismes d'apoptose (décharge d'argon humide)