Establishing a Two-Regime Plasma Jet for Interdisciplinary Studies of Plasma Treatment of Chronic Wounds and Fibrosis

Le plasma froid comme traitement médical a fait son entrée dans les hôpitaux en 2013 avec l’obtention de la certification «CE» (Conformité Européenne). Ses domaines d’application principaux sont l’oncologie et le traitement de plaies telles que les brûlures et les plaies chroniques. Avec le vieillissement de la population et la hausse du diabète et de l’obésité, le taux d’incidence des plaies chroniques est grandissant. Le présent mémoire porte sur la fibrose, un type de plaie chronique. La fibrose est une maladie qui se traduit par une phase inflammatoire persistante et une hyper-cicatrisation des tissues. Le plasma physique froid génère des espèces hautement réactives à basse température, permettant un traitement des tissus humains in vivo. Ces espèces exogènes, aussi produites naturellement par nos cellules, peuvent induire des réactions d’oxydoréduction locales dans les organismes biologiques en agissant comme des messagers secondaires dans de nombreux processus cellulaires. Ainsi, le traitement par plasma déclenche des réponses inflammatoires et influence la prolifération, la maturation et la différenciation des cellules. Ultimement, il peut favoriser la guérison et la cicatrisation des plaies. Si nous parvenons à comprendre les mécanismes d’action des espèces réactives sur les processus cellulaires qui causent et maintiennent l’état chronique d’une plaie, et si nous arrivons à en contrôler le dosage pour inverser la pathologie, nous disposerons d’un outil prometteur. Le plasma froid permet de contrôler les concentrations et la composition des espèces réactives. L’objectif de la présente recherche est de développer un outil permettant de produire avec le plasma froid une composition contrôlée d’espèces réactives dans un contexte biologique de recherche fondamentale sur la médecine du plasma. Une approche simplifiée est proposée: développer un jet plasma produisant deux régimes d’espèces réactives opposés, soit un plasma produisant des espèces réactives d’oxygène et un plasma produisant des espèces réactives de nitrogène. L’hypothèse est que ces deux régimes engendrent des réponses cellulaires différentes. D’abord, des diagnostiques optiques sont réalisés afin de caractériser la production d’espèces dans le plasma froid et de définir deux régimes opposés. Différentes techniques spectroscopiques ont servi à identifier et à quantifier les espèces réactives produites par différents régimes de plasma, question de choisir les deux régimes optimaux. Une fois les deux régimes définis, un montage est conçu pour pouvoir utiliser la source en double-modalité dans un laboratoire de recherche hospitalier.

Abstract

Chronic wounds place a heavy burden on the Canadian healthcare system in terms of quality of life, as well as from a societal and economic perspective. A novel treatment for chronic wounds is cold atmospheric plasma. Non-equilibrium plasmas generate highly reactive species at low temperatures. This allows treatment of human tissue in vivo and can induce locally confined redox-chemistry in biological organisms, thus positively influencing cellular commu-nication. Reactive oxygen and nitrogen species are known to play a vital role in cell signaling and modulate a range of mechanisms involved in all phases of wound healing—hemostasis, inflammation, vascular formation, proliferation, remodeling of scar tissue. Plasma gives us a tool for controlling and modulating dosage of the redox species cocktail deposited on the wound. By better understanding the effect of reactive species on cells, we can tailor the plasma reactivity to supply an adapted redox-based treatment to the tissue. A special focus is put on fibrosis. Fibrosis is a form of disrupted wound healing where scar formation is hypertrophic due to excessive synthesis of extracellular matrix proteins e.g., collagen, fibronectin. Reactive species have dual functions depending on their concentrations, the state of the tis-sue, the healing phase, etc. This is why a good characterisation of the plasma composition is essential. Diagnostic techniques are necessary for characterising redox species cocktail pro-duced by the plasma. This work uses optical absorption and emission spectroscopy alongside Fourier transform infrared spectroscopy to measure a number of reactive oxygen and nitrogen species in the plasma effluent. Two opposing plasma regimes are established by modulation of plasma composition and electrical parameters. These regimes producing more oxygen oxides in one case, and more nitrogen oxides in the other, can be used to treat biological models and study the effects on specific healing processes, signaling pathways, cell functions, etc. The hypothesis is that both regimes might have dual or complementary effects on fibrosis. Reactive oxygen species are known to be pro-inflammatory by increasing the oxidative stress in the environment of the cells, and reactive nitrogen species have anti-inflammatory and angiogenesis effects. Establishing a dual-regime plasma source and designing a hospital compatible setup are the achieved objectives of this thesis.Cell biology experiments are conducted, analyzing cell behavior as a response to modulated plasma treatment. Fibroblasts cells are chosen as the biological model since they play a key role in fibrosis and produce a range of proteins that can be used as biomarkers.