Le plasma et le monoxyde de carbone, alliés pour des applications médicales – MediCO-Plasma

WP1 | Conception du réacteur plasma comme source de CO | Un jet plasma fonctionnant dans un gaz noble tel que l’hélium ou l’argon sera conçu. Il sera caractérisé et optimisé en termes de température du gaz, de rayonnement UV et de courant électrique afin de rendre le plasma sûr pour une application à la cicatrisation des plaies en milieu hospitalier. La température du gaz sera mesurée à l’aide d’une sonde thermocouple et par spectroscopie d’émission du plasma. Une attention particulière sera portée à la nature de la cible, car celle-ci exerce une forte influence sur le plasma. Un gel d’agarose sera utilisé pour reproduire la surface de la peau ; sa conductivité, son pH et son hydratation seront ajustés afin de se rapprocher au mieux des propriétés de la peau réelle.

WP2 | Configurations directe et indirecte | Ce WP portera sur l’étude de la chimie du plasma en phase gazeuse afin de mieux comprendre les mécanismes de production du CO. Deux configurations seront étudiées : 1) un traitement plasma indirect, dans lequel le plasma n’est pas en contact direct avec la cible ; 2) un traitement plasma direct, dans lequel le plasma est en contact direct avec la cible. La concentration en CO sera mesurée à l’aide d’un analyseur de gaz. L’ajout de CO2 dans le mélange gazeux sera également étudié. Afin d’identifier par quels mécanismes le CO est produit, la concentration des atomes métastables (He et Ar) sera mesurée par spectroscopie d’absorption laser.

WP3 | Caractérisation du plasma en interaction avec un liquide | La concentration de CO dissous sera mesurée par absorption à l’aide d’une méthode basée sur de l’hémoglobine, tandis que le CO non dissous sera mesuré à l’aide d’un analyseur de gaz. Différents types de liquides seront testés, notamment de l’eau présentant différentes conductivités ainsi qu’une solution saline tamponnée au phosphate (PBS), couramment utilisée en recherche biologique. Une attention particulière sera portée à la mesure du pH, celui-ci jouant un rôle important dans la cicatrisation des plaies.

WP4 | Étude in vitro | Le réacteur développé et caractérisé précédemment sera testé dans le contexte de la cicatrisation des plaies cutanées. L’effet antibactérien du plasma sera également évalué sur différents types de surfaces en présence de bactéries cutanées. Une étude in vitro sera réalisée sur différents types de cellules cutanées. Dans un premier temps, les conditions de traitement seront déterminées par une évaluation de la viabilité et de la cytotoxicité. Dans un deuxième temps, la quantité de CO accumulée dans les cellules sera quantifiée. Enfin, la migration cellulaire in vitro sera étudiée au moyen d’un test de cicatrisation par « scratch assay ». La vitesse de fermeture de la zone dépourvue de cellules sera quantifiée afin d’évaluer la progression ainsi que la mobilité des cellules.

1) Développement d’une source plasma capable de produire du CO et adaptée à une application médicale.

2) Nous avons montré que la production de CO dans un jet plasma alimenté à 0,3% de CO2 n’est pas influencé par la nature du gaz porteur : hélium ou argon, mais dépend principalement de l’énergie spécifique.

3) Nous avons relevé le défi de développer un système automatique capable de s’adapter à la nature de la cible traitée. Les propriétés du plasma sont fortement influencées par la nature de la cible, mais grâce à un modèle prédictif, nous avons réussi à développer un système qui assure une température de cible inférieure à 42°C et une concentration constante de CO au cours d’un traitement, qu’importe la nature de la cible : conductrice ou isolante.

4) Nous avons évalué les propriétés antibactériennes de la source plasma, et nous nous l’avons comparée à une autre source plasma fonctionnant avec une fréquence d’excitation électrique différente (MHz contre kHz). Nous avons montré qu’en présence de CO2, gaz nécessaire pour la production de CO, les deux sources plasmas présentaient des propriétés antibactériennes contre Escherichia coli. L’ajout de CO2 renforce l’activité antibactérienne du jet MHz, tandis qu’il la diminue pour le jet kHz.

5) Nous avons montré que lorsque le CO est produit par un source plasma alimenté en argon, la cinétique de liaison avec l’hémoglobine est différente par rapport à du CO en provenance d’une source plasma d’hélium ou s’il provient d’une bouteille de gaz. Ce résultat montre que le plasma permet de modifier les propriétés du CO, ce qui pourrait présenter un avantage pour de futures applications médicales.

6) Nous avons montré que l'apport de CO produit par plasma permet de réduire la concentration d'espèces réactives de l'oxygène intracellulaire après un stress inflammatoire. Cette observation a été faite pour deux types de cellules : des kératinocytes (cellules de la peau) et des monocytes (cellules du système immunitaires). Ces résultats sont très prometteurs et suggèrent que le plasma pourrait constituer une nouvelle approche thérapeutique pour le traitement des maladies inflammatoires de la peau.

- Etudier la réponse inflammatoire des cellules après un traitement par CO produit par plasma.

- Développer une source plasma capable de s’adapter à tout type de surface.

- Développer une stratégie de contrôle prédictif pour générer un plasma sûr, efficace et reproductible.

- Evaluer les effets thérapeutiques du CO produit par plasma sur des modèles de maladie de peau, in vitro et in vivo.

Les plaies chroniques sont aujourd’hui un problème de santé majeur. En France, 3% de la population en souffre. Elles demandent des mois voire des années avant de se refermer, et représentent un véritable handicap dans la vie de tous les jours. Elles touchent principalement les personnes âgées, les diabétiques et les personnes obèses, et en Europe de l’Ouest, le nombre de personnes de ces trois catégories ne cesse d’augmenter. Une plaie devient souvent chronique à cause d’une inflammation chronique. Lorsque le niveau des médiateurs inflammatoires est trop élevé, un déséquilibre se produit entre les divers facteurs biologiques, ce qui induit une détérioration dans la structuration et la reconstruction des nouveaux tissus. La cicatrisation de la plaie est alors ralentie, et elle est davantage exposée aux bactéries, pouvant amener à une infection. L’infection induit une réponse inflammatoire, et amplifie le déséquilibre entre les facteurs biologiques, ce qui renforce l’aspect chronique. Il est donc vital de développer de nouvelles méthodes pour réduire l’inflammation. Le monoxyde de carbone (CO) est anti-inflammatoire et a un rôle clé dans la cicatrisation. Or actuellement, délivrer du CO dans des conditions sécurisées pour la cicatrisation de plaie reste compliquée.
MediCO-Plasma propose une stratégie à contre-courant, où l’idée est de développer un nouvel outil sur la prévention de plaies chroniques qui permettra d’éviter l’inflammation chronique et tous les problèmes afférents. L’originalité réside dans l’utilisation des plasmas, un gaz ionisé, pour produire du CO localement. Les plasmas hors équilibre ont la capacité de générer diverses espèces réactives en produisant un champ électrique, des radiations et des particules chargées, tout en ayant une température proche de la température ambiante, permettant ainsi au plasma d’interagir avec le vivant sans le brûler. Ce type de plasma a la capacité de diminuer significativement la charge bactérienne pour une grande variété de bactéries dont des souches ultrarésistantes, et d’améliorer la cicatrisation. MediCO-Plasma a l’ambition d’utiliser de tels plasmas pour produire du CO à partir du CO2 afin de combiner les effets positifs du plasma et du CO. Ce traitement aura un rôle dans toutes les étapes de la cicatrisation, combinant en un seul outil plusieurs traitements : la décontamination sera assurée par le plasma, la régulation de l’inflammation par le CO, et la vasodilatation et la formation des nouveaux vaisseaux sanguins, assurant l’apport en nutriment et en oxygène, sera assuré conjointement par le plasma et le CO.
Pour relever ce défi, ce projet multidisciplinaire de 4 ans est divisé en 4 tâches :
WP1 | Construction de la source CO la plus prometteuse pour la prévention de plaie chronique à partir d’une technologie plasma, et adaptation de cette source pour une utilisation médicale.
WP2 | Etude de la chimie du plasma en phase gazeuse afin d’en déduire les principaux mécanismes de production du CO.
WP3 | Etude de la chimie du plasma en interaction avec un liquide afin d’en déduire les principaux mécanismes de production du CO.
WP4 | Détermination du rôle du CO produit par le plasma sur la cicatrisation en étudiant le traitement plasma in vitro sur des cellules de peau, et in vivo sur des souris blessées.
L’aboutissement de MediCO-Plasma permettra de développer un prototype portable, efficace et à faible coût pour la prévention de plaies chroniques. Les infirmières ou médecins pourront ainsi le transporter pour traiter les patients chez eux. Un tel outil améliora donc la qualité de vie des personnes susceptibles d’avoir des plaies chroniques, et diminuera le nombre de médicaments qu’ils ont besoin de prendre. Par ailleurs, un tel outil pourra également être utile pour traiter d’autres types de plaies, comme des morsures ou des brûlures.