Abstract: Monte Carlo simulations were used here to compare the radiation chemistry of pure water and aqueous bromide solutions after irradiation with two different types of radiation, namely, tritium β-electrons (~7.8 keV) and [superscript 60]Co γ-rays/fast electron (~1 MeV) or high energy protons. Bromide ions (Br-) are known to be selective scavengers of hydroxyl radicals •OH precursors of hydrogen peroxide H[subscript 2]O[subscript 2]. These simulations thus allowed us to determine the yields (or G-values) of H[subscript 2]O[subscript 2] in the radiolysis of dilute aqueous bromide solutions by the two types of radiations studied, the first with low linear energy transfer (LET) (~0.3 keV/μm) and the second with high LET (~6 keV/μm) at 25 °C. This study was carried out under a wide range of Br- concentrations both in the presence and the absence of oxygen. Simulations clearly showed that irradiation by tritium β-electrons favored a clear increase in G(H[subscript 2]O[subscript 2]) compared to [superscript 60]Co γ-rays. We found that these changes could be related to differences in the initial spatial distributions of radiolytic species (i.e., the structure of the electron tracks, the low-energy β-electrons of tritium depositing their energy as cylindrical “short tracks” and the energetic Compton electrons produced by γ-radiolysis forming mainly spherical “spurs”). Moreover, simulations also showed that the presence of oxygen, a very good scavenger of hydrated electrons (e-[subscript aq]) and H• atoms on the 10[superscript-7] s time scale (i.e., before the end of spur expansion), protected H[subscript 2]O[subscript 2] from further reactions with these species in the homogeneous stage of radiolysis. This protection against e-[subscript aq] and H• atoms therefore led to an increase in the H[subscript 2]O[subscript 2] yields at long times, as seen experimentally. Finally, for both deaerated and aerated solutions, the H[subscript 2]O[subscript 2] yield in tritium β-radiolysis was found to be more easily suppressed than in the case of cobalt-60 γ-radiolysis, and interpreted by the quantitatively different chemistry between short tracks and spurs. These differences in the scavengeability of H[subscript 2]O[subscript 2] precursors in passing from low-LET [superscript 60]Co γ-ray to high-LET tritium β-electron irradiation were in good agreement with experimental data, thereby lending strong support to the picture of tritium-β radiolysis in terms of short tracks of high local LET. / Résumé: Les simulations Monte Carlo constituent une approche théorique efficace pour étudier la chimie sous rayonnement de l'eau et des solutions aqueuses. Dans ce travail, nous avons utilisé ces simulations pour comparer l’action de deux types de rayonnement, à savoir, le rayonnement γ de [indice supérieur 60]Co (électrons de Compton ~1 Me V) et les électrons β du tritium (~ 7,8 keV), sur la radiolyse de l’eau et des solutions aqueuses diluées de bromure. Les ions Br- sont connus comme d’excellents capteurs des radicaux hydroxyles •OH, précurseurs du peroxyde d’hydrogène H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2]. Les simulations Monte Carlo nous ont donc permis de déterminer les rendements (ou valeurs G) de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] à 25 °C pour les deux types de rayonnements étudiés, le premier à faible transfert d'énergie linéaire (TEL) (~0,3 keV/μm) et le second à haut TEL (~6 keV/μm). L’étude a été menée pour différentes concentrations d’ions Br-, à la fois en présence et en absence d'oxygène. Les simulations ont montré que l’irradiation par les électrons β du tritium favorisait nettement la formation de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] comparativement aux rayons γ du cobalt. Ces changements ont pu être reliés aux différences qui existent dans les distributions spatiales initiales des espèces radiolytiques (i.e., la structure des trajectoires d'électrons, les électrons β du tritium déposant leur énergie sous forme de «trajectoires courtes» de nature cylindrique, et les électrons Compton produits par la radiolyse γ formant principalement des «grappes» de géométrie plus ou moins sphérique). Les simulations ont montré également que la présence d'oxygène, capteur d’électrons hydratés et d’atomes H• sur l'échelle de temps de ~10[indice supérieur -7] s (i.e., avant la fin des grappes), protégeait H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] d’éventuelles réactions subséquentes avec ces espèces. Une telle «protection» conduit ainsi à une augmentation de G(H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2]) à temps longs. Enfin, en milieu tant désaéré qu’aéré, les rendements en H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] obtenus lors de la radiolyse par les électrons β du tritium ont été trouvés plus facilement supprimés que lors de la radiolyse γ. Ces différences dans l’efficacité de capture des précurseurs de H[indice inférieur 2]O[indice inférieur 2] ont été interprétées par les différences quantitatives dans la chimie intervenant dans les trajectoires courtes et les grappes. Un excellent accord a été obtenu avec les données expérimentales existantes.

Les thérapies anticancéreuses basées sur des principes physiques (radiofréquences, ultrasons, laser, électroporation...) ont considérablement augmenté lors de la dernière décennie. Leurs objectifs sont de détruire directement les cellules cancéreuses, de favoriser l'entrée ciblée de molécules thérapeutiques ou encore de stimuler le système immunitaire du patient afin d'éliminer la tumeur. Le plasma froid suscite l'intérêt dans le domaine de l'oncologie grâce à sa capacité à générer des espèces réactives oxygénées (ROS) et azotées (RNS) qui peuvent être génotoxiques et cytotoxiques pour les cellules cancéreuses. Deux approches d'utilisation du plasma sont étudiées : soit l'exposition directe de cellules au jet plasma, soit l'exposition indirecte via l'utilisation d'un Milieu Activé par Plasma (PAM). Le PAM étant plus facile à délivrer par injection dans la tumeur, c'est cette approche qui est choisie lors de ces travaux. Le travail de thèse présenté consiste à étudier l'effet génotoxique et cytotoxique du PAM, obtenu après exposition du milieu au jet de plasma d'hélium, sur des tumeurs in vitro et in vivo. Pour les études in vitro, nous avons choisi d'utiliser un modèle 3D : le sphéroïde (MCTS - MultiCellular Tumor Spheroid). Ce modèle présente des caractéristiques proches du modèle in vivo grâce à son organisation en sphéroïde. Les MCTS présentent en effet des gradients de pénétration d'oxygène, de nutriments et de prolifération cellulaire. La première partie de la thèse concerne l'identification et la quantification des espèces générées dans le PAM. Les méthodes d'analyses utilisées sont la résonance paramagnétique électronique, la fluorimétrie, la colorimétrie, la chromatographie en phase liquide et la spectrométrie de masse. Ces analyses ont mis en évidence que la toxicité du PAM était due à plusieurs facteurs : d'un côté la génération de ROS et RNS mais aussi à la dégradation des nutriments pour les cellules contenues dans le milieu via par exemple l'oxydation et la nitrosylation des acides aminés. La deuxième partie est dédiée à l'étude des effets du PAM sur les MCTS HCT-116 (cancer du côlon).[...] / Cancer therapies based on physical principles (radiofrequency, ultrasound, laser, electroporation...) have considerably increased in the last decade. Their objectives are to directly destroy cancer cells, to favor the targeted entry of therapeutic molecules or to stimulate the patient's immune system in order to eliminate the tumor. Cold plasma still arouses interest in the field of oncology through its ability to generate reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) which can be genotoxic and cytotoxic for cancer cells. Two approaches to the use of plasma are studied: either direct exposure of cells to the plasma jet, or indirect exposure via the use of a Plasma Activated Medium (PAM). The PAM being easier to deliver by injection into the tumor, this approach was chosen in this work. The work presented consists in studying the genotoxic and cytotoxic effects of PAM resulting from exposure of the medium to the helium plasma jet on in vitro and in vivo tumors. For in vitro studies, we chose to use a 3D model: the spheroid (MCTS - MultiCellular Tumor Spheroid). This model has similar characteristics to the in vivo model thanks to its spheroidal organization. The spheroids have indeed gradients of oxygen penetration, nutrients and cell proliferation. The first part of the thesis concerns the identification and quantification of the species generated in PAM. The analytical methods used are paramagnetic electronic resonance, fluorimetry, colorimetry, liquid chromatography and mass spectrometry. These analyses revealed that the toxicity of PAM was due to several factors: on the one hand to the generation of ROS and RNS and on the other hand to the degradation of cell nutrients contained in the medium via, for example, the oxidation and nitrosylation of the amino acids. The second part is dedicated to the study of the effects of PAM on HCT-116 (colon cancer) spheroids[...]

Les plasmas froids sont des gaz partiellement ionisés, très riches d’un point de vue physico-chimique. Cette propriété se retrouve dans des plasmas froids aujourd’hui générés à pression atmosphérique et température ambiante et a été mise à profit depuis une quinzaine d’années environ pour des applications biomédicales (hématologie, dermatologie, cancérologie, odontologie etc…). L’efficacité de ces plasmas froids dans le domaine de la médecine a été prouvée par de nombreuses études. Cependant, les phénomènes biologiques mis en jeu ne sont pas encore bien compris, et il primordial de savoir quels pourraient être les éventuels effets secondaires indésirables de ces milieux ionisés réactifs. Le premier niveau d’interaction des plasmas avec le vivant est celui avec les milieux liquides, qui sont présents en surface des tissus, des cellules in vivo ou en culture. Depuis une décennie, une attention particulière a donc été portée aux interactions des plasmas avec les liquides, pour apporter un niveau de compréhension supplémentaire. La compréhension de ces interactions a constitué l’axe de ce travail. Différents réacteurs à plasmas froids (générés à pression atmosphérique et température ambiante) ont été développés, notamment afin de contrôler les interactions du plasma avec l’air ambiant qui peuvent être problématiques pour les applications visées. La nature du gaz servant à initier le plasma a été modifiée, pour connaître son influence sur la réactivité chimique de la phase gaz. Pour cela, des mesures de spectroscopie d’émission optique (SEO) ont été nécessaires. Par ailleurs, de nouveaux capteurs électrochimiques et des approches méthodologiques ont été développés pour identifier et quantifier les espèces réactives de l’oxygène et de l’azote (RONS) produites dans des milieux liquides physiologiques, exposés à ces gaz ionisés. Les analyses électrochimiques ont été combinées à de la spectroscopie d’absorption UV-visible ainsi qu’à d’autres méthodes de chimie (pH-métrie/conductimétrie). Un des objectifs visés est d’établir une corrélation entre les espèces réactives générées dans la phase gaz et dans la phase liquide. Enfin, des expérimentations nous ont permis d’analyser la production des RONS dans des liquides in situ en temps réel. Les mesures de SEO montrent qu’il existe de nombreuses espèces chimiques excitées au sein des différents plasmas (NO°, HO°, O, N2+ (FNS) etc…). Les analyses de la phase liquide ont révélé la présence d’espèces stables de l’oxygène et de l’azote (H2O2, NO2-, NO3-), directement reliées aux espèces détectées dans les plasmas. De plus, les diverses méthodologies d’analyse chimique mises en place ont permis la détection et la quantification de RONS tels que l’anion peroxynitrite ONOO-. L’ensemble des résultats obtenus devrait permettre d’appréhender de façon plus fine les effets induits par différents plasmas froids dans des milieux liquides physiologiques afin d’établir un lien avec les études menées sur des cellules en culture et sur la peau dans le cadre d’un programme de recherche financé par l’ANR, Agence Nationale de la recherche. / Cold plasmas are partially ionized gases, very rich in a physico-chemical point of view. This property characterizes cold plasmas today generated at atmospheric pressure and ambient temperature and was used since about fifteen years approximately for biomedical applications (haematology, dermatology, cancer research, odontology etc.). The efficiency of these cold plasmas in the field of the medicine was proved by numerous studies. However, the involved biological phenomena are not still well included, and it is essential to know what could be the possible unwanted side effects of these reactive ionized gases. The first level of interaction of plasmas with living matter is the one with the liquid phase, which is present on the tissue surface, in vivo cells or in culture. For a decade, a particular attention was thus worn in the interactions of plasmas with liquids, to bring a level of additional understanding. The understanding of these interactions constituted the axis of this work. Various cold plasmas reactors (generated at atmospheric pressure and ambient temperature) were developed, in order to control the interactions of these plasmas with the ambient air which can be problematic for the aimed applications. The nature of the gas used to initiate the plasma was modified, to know its influence on the chemical reactivity of the gas phase. For that purpose, measurements of optical emissive spectroscopy (OES) were necessary. Besides, new electrochemical sensors and methodological approaches were developed in order to identify and quantify the reactive nitrogen and oxygen (RONS) produced in physiological liquid media, exposed to these ionized gases. The electrochemical analyses were combined UV-visible absorption spectroscopy as well as other methods of chemistry (pH-metry/conductimetry). One of the aimed objectives is to establish a correlation between the reactive species generated in the gas phase and in the liquid phase. Finally, experiments allowed us to analyze the production of RONS in liquids in situ and in real time. OES measurements showed that there are numerous chemical species generated in various plasmas (NO°, HO°, O, N2+ (FNS) etc.). The analyses of the liquid phase revealed the presence of stable oxygen and nitrogen species (H2O2, NO2-, NO3-), directly correlated with the species detected in plasmas. Furthermore, the diverse methodologies of chemical analysis allowed the detection and quantification of RONS such as the peroxynitrite anion ONOO-. The obtained results should allow to arrest in a finer way the effects led by various cold plasmas in physiological liquid media to establish links with the studies led on cultured cells and on skin within the framework of a research program financed by the ANR, National Agency of the Research.