La radiothérapie

La radiothérapie (RT) est une stratégie thérapeutique impliquant l’utilisation de radia-tions pour détruire des cellules cancéreuses. Cette stratégie est l’une des plus anciennes et l’une des plus utilisées en complément de la chirurgie. On définit le Transfert d’Éner-gie Linéaire (LET) pour caractériser la dose, c’est-à-dire la quantité d’énerd’Éner-gie que reçoit une cible. L’augmentation de cette énergie se traduit par une augmentation des dommages induits par ces radiations. Le LET décrit également la capacité de pénétration des rayon-nements dans les tissus humains. Les radiations utilisées sont de toutes sortes : rayons X, gamma, radiations avec protons, neutrons, électrons, ions carbone ....

Il existe deux catégories de radiothérapie : la radiothérapie interne et la radiothérapie externe. La radiothérapie externe (ou trans-cutanée) utilise une source de radiation (géné-ralement gamma) placée à l’extérieur du patient. La source utilisée était anciennement un télécobalt à base de cobalt 60. Plus récemment les accélérateurs linéaires de particules se sont imposés. Les rayonnements émis par la source sont dirigés sur le patient dont ils traversent la peau afin d’atteindre la tumeur où ils sont focalisés. Le principal effet secondaire de la radiothérapie est l’irradiation de cellules et de tissus sains. Afin de limiter cela, de nouvelles technologies dite de radiothérapies conformationnelles 3D permettent de faire correspondre le plus précisément possible le volume de la tumeur et la distribution des radiations sur le patient. Nombre d’examen médicaux sont réalisés (scanners, IRM...) dans le but d’obtenir une image en 3D la plus fidèle possible de la tumeur mais également des organes sains qui lui sont proches. Ces données permettent ainsi de réaliser un traitement plus sécurisé pour le patient tout en réduisant l’exposition des tissus sains aux radiations. Il en résulte un taux de survie beaucoup plus élevé qu’avec une méthode conventionnelle [76].

A partir d’une démarche similaire, une nouvelle stratégie a été développée : la RT stéréo-taxique. Pour cette technique il est impératif d’avoir la représentation en 3D de la tumeur et des organes proches. Les radiations gamma ne sont plus émises par une seule source mais par 201 (ou 192 suivant la date de fabrication) sources de cobalt 60 de plus basse intensité et réparties autour du patient. Un logiciel optimise l’orientation et la focalisation de chaque source afin d’adapter la zone irradiée à la morphologie de la tumeur. Ainsi, les zones saines

proches de la tumeur ne reçoivent que peu de radiations alors que la tumeur reçoit une dose extrêmement importante. On peut observer une représentation de ce mode de traitement et l’estimation de la dose reçue sur la figure 1.3.3. On estime ainsi que la zone de focali-sation des radiations reçoit une dose environ mille fois supérieure à la dose reçue par les cellules saines alentours. Cette technique est particulièrement indiquée pour le traitement de tumeurs à risques où la chirurgie et les autres modes de radiothérapie sont trop risqués ce qui est notamment le cas des tumeurs sur la moelle épinière [77].

Le second mode de traitement, dit interne, consiste à utiliser une source de rayonnement (généralement une source radioactive) à l’intérieur du patient ou à proximité immédiate des cellules cancéreuses. La méthode la plus couramment utilisée est la Curiethérapie. Diffé-rentes sources radioactives sont utilisées dont : l’iridium 192, l’iode 125 et le césium 137. L’implantation de ces sources se fait sous la forme de billes et de petits fils pour une durée limitée (dans le cas de traitements à forte dose) ou permanente (traitement à bas débit de dose) dans le corps du patient.

Les radiations ionisantes vont permettre un certain nombre d’interactions avec les atomes des milieux visés. Ainsi par transfert d’énergie et même par ionisation, les molécules irradiées vont induire des dommages à l’ADN des cellules et altérer les protéines de leur environne-ment. La cellule étant composée principalement d’eau, la génération de radicaux libres par radiation ionisante va conduire in fine à des dommages importants pour la cellule. On peut donc facilement comprendre que la présence d’oxygène est importante pour la génération des radicaux oxygénés utilisés par la radiothérapie pour le traitement des cellules cancéreuses.

Figure 1.1.1 – Nombre de nouveaux cas de cancer par an par site de localisation chez les hommes (a) et chez les femmes (b), standardisé en âge, en France au cours de l’année 2012

Figure 1.1.2 – Nombre de nouveaux cas de cancer colorectal par an par tranche d’âge en France au cours de l’année 2012

Figure 1.2.2 – Mécanismes d’altérations conduisant à la cancérisation cellulaire, d’après [2]

Figure 1.3.1 – Structures des adduits générés par l’alkylation de l’ADN (extrait de[3]).

Figure 1.3.3 – Radiothérapie stéréotaxique utilisant le gamma knife. Direction des fais-ceaux d’irradiations (haut) et modulation d’intensité (bas) pour le traite-ment d’un paragangliome (extrait de [5])

Plasmas froids à la pression

atmosphérique et applications

biomédicales

Le plasma est un état de la matière composé d’électrons, d’ions et d’espèces neutres élec-triquement mais pouvant être dans un état d’énergie fondamental ou excités. Bien que le milieu plasma soit électriquement neutre à une échelle macroscopique, il est constitué d’élé-ments porteurs de charges électriques ce qui en fait par conséquent un milieu électriquement conducteur. Le plasma génère également des photons couvrant une région du spectre élec-tromagnétique allant des rayons X à l’infrarouge lointain ainsi qu’un champ électrique.

Les dispositifs utilisés pour générer des plasmas froids sont généralement de nature élec-trique. Ils peuvent opérer sous différentes conditions de pressions, avec différents modes d’excitation (continu, alternatif, impulsionnel) et sur une plage de fréquences très large al-lant du régime continu au domaine micro-onde. Ainsi les compositions et les propriétés des plasmas froids sont très variables d’un dispositif à un autre. Les dispositifs générant des plasmas froids sont utilisés pour de nombreuses applications parmi lesquelles on peut citer la modification de surface, la propulsion spatiale, la découpe de matériaux, le traitement de gaz pollué et enfin la thématique sur laquelle portent ces travaux de thèse : les applications biomédicales et plus particulièrement le traitement de cancer colorectal.

Ce chapitre à pour objectif de présenter différentes sources de plasma froid couramment utilisées pour des applications biomédicales à la pression atmosphérique.

2.1 Caractéristiques des plasmas froids à la pression

atmosphérique pour des applications biomédicales

Le terme plasma regroupe l’ensemble des gaz en partie ou en totalité ionisés. Pour pouvoir réaliser une classification plus précise, nous disposons de nombreux critères :

— Le degré d’ionisation α (Eq2.1.1) par exemple compare la concentration des électrons libres (ne : nombre d’électrons libres par unité de volume) par rapport à celle des éléments neutres (n0). La génération de ces porteurs de charges électriques à partir d’un gaz composé uniquement d’éléments neutres électriquement demande une énergie suffisamment importante pour pouvoir modifier la structure électronique des espèces produisant ainsi des espèces excitées puis des espèces ionisées. Le degré d’ionisation peut ainsi varier de 10−8 pour des gaz très faiblement ionisés comme le plasma inter-stellaire jusqu’à 1 pour un gaz complètement ionisé rencontré dans le cœur des étoiles ou les plasmas de fusion nucléaire. Les plasmas utilisés pour des applications médicales à la pression atmosphérique ont un degré d’ionisation généralement compris entre 10−7

et 10−4.

α= ⁿe

ne+ n0

(2.1.1) — La température des plasmas est un critère complexe dans le domaine des plasmas. En effet, dans un plasma, il peut exister une seule et unique température pour toutes les espèces1 composant ce dernier comme il peut en exister une multitude. Suivant la nature des transferts d’énergie entre les particules du plasma, chacune des espèces peut avoir une distribution d’énergie (à laquelle on associe une température) qui lui est propre ou qui est commune avec les autres espèces. Ainsi on classe généralement les plasmas en deux grandes catégories : les plasmas à l’équilibre thermodynamique ou les plasmas hors équilibre thermodynamique. Dans le cas de l’équilibre thermodynamique les particules possèdent une température identique T = Te = Ti = Tn (avec pour indice e correspondant aux électrons, i aux ions et n pour les neutres). A l’inverse, pour des plasmas hors équilibre thermodynamique, les électrons ont généralement une énergie moyenne (et donc une température) beaucoup plus élevée que celle des autres espèces du plasma (ions et neutres). Ces plasmas, généralement faiblement ionisés, présentent un intérêt certain pour les applications biomédicales car leur température apparente est proche de la température ambiante. Leur dénomination la plus courante est « plasmas froids ».

— La pression n’est pas à proprement dit une propriété du plasma mais est au contraire un paramètre qui va conditionner en partie le type de plasma obtenu. En effet, à basse pression les collisions sont relativement peu nombreuses et le transfert de quantité de mouvement entre les électrons et les atomes reste faible. Ainsi le plasma n’est pas à l’équilibre thermodynamique avec une température des électrons bien supérieure (d’un à deux ordres de grandeur) par rapport à la température des espèces lourdes. En augmentant la pression, le libre parcours moyen entre les particules du plasma diminue, le nombre de collisions augmente et les différentes températures se rapprochent faisant tendre le plasma vers l’équilibre thermodynamique.

Alors que la température élevée que l’on peut obtenir avec un plasma à l’équilibre

modynamique est essentielle pour un grand nombre d’applications, la plupart (pour ne pas dire la totalité) des applications biomédicales nécessite au contraire des températures rela-tivement basses pour ne pas porter atteinte aux tissus biologiques ou au matériel médical exposés au plasma. Cette contrainte de température va de paire avec la pression. En effet, si un plasma basse pression peut être utilisé pour la stérilisation de matériel médical, il n’est pas envisageable de soumettre un patient à la basse pression. C’est pourquoi de nombreuses techniques ont été développées pour générer des plasmas froids à la pression atmosphérique. Nous dresserons dans la suite de ce chapitre une liste non exhaustive des sources plasmas utilisées pour des applications biomédicales à la pression atmosphérique en mettant en avant les sources de plasma qui ont été utilisées au cours de ces travaux. Nous aborderons ensuite l’action indirecte des plasmas froids à la pression atmosphérique sur le vivant.

2.2 Dispositifs générant des plasmas froids à la pression