Cold plasma endoscopy applied to biliary ducts: feasibility risk assessment on human-like and porcine models for the treatment of cholangiocarcinoma - Sorbonne Université Access content directly
Journal Articles (Data Paper) Journal of Physics D: Applied Physics Year : 2022

Cold plasma endoscopy applied to biliary ducts: feasibility risk assessment on human-like and porcine models for the treatment of cholangiocarcinoma

Endoscopie par plasma froid appliquée aux voies biliaires : évaluation des risques de faisabilité sur des modèles humains et porcins pour le traitement du cholangiocarcinome

Henri Decauchy
Allan Pavy
Marine Camus
Laura Fouassier
Thierry Dufour

Abstract

For the past 12 years, cold plasmas (i.e. weakly ionized gas) have been positioned as a breakthrough technology for treating cancer thanks to their antitumor properties. The innovation of ad hoc plasma sources and personalized protocols appears crucial to treat cancers with a very poor prognosis. This is the case for cholangiocarcinoma (CCA), a biliary tract cancer, whose treatment with cold plasma is envisioned but requires the innovation of catheters and endoscopic devices for local therapies. Before conducting clinical trials, the performances and limitations of cold plasma endoscopy (CPE) must be evaluated in terms of safety for both the patient and clinician as well as in terms of therapeutic efficacy. These objectives are pursued in the present work, in which a transferred plasma catheter is used, powered by 8–10 kV, 1–2 µ s wide, 5–10 kHz repeated pulses, allowing guided streamers to be transferred over lengths of at least 2 m. In a first step, the catheter is utilized without the duodenoscope and directly inserted into an artificial model reproducing the topography and the electrical response of the biliary tree. This model allows to validate the technical feasibility of the technology and to demonstrate the absence of electrical and thermal risks. Indeed, the voltage and current deposited are as low as 3.98 V and 1.19 mA (RMS values) respectively, while the temperature locally increases from 23 °C to 27 °C. In a second step, the catheter is inserted into the duodenoscope, the whole being applied to a porcine anatomical model. After passing through the esophagus, stomach and duodenum, the distal part of the duodenoscope is placed at the entrance to the papilla so that the catheter can easily enter the choledoc and then the common bile duct. Interestingly, the electrical power values deposited are of the order of 100 mW especially because the current values are at least ten times higher. These more elevated values of electrical parameters but also electromagnetic effects are discussed considering physical aspects like eddy currents. The absence of electrical and thermal risks is demonstrated and consolidated by the medical devices standards fixed by the International Electrotechnical Commission (IEC). In a third time, we demonstrate that the cold plasma catheter can induce antitumor effects on in vitro experimental models of human CCA. The methodology proposed in this article validates the relevance of CPE as a potential local treatment for CCA and allows bridging cognitive and patient-oriented research.
Depuis 12 ans, les plasmas froids (c'est-à-dire les gaz faiblement ionisés) sont positionnés comme une technologie de rupture pour le traitement du cancer grâce à leurs propriétés antitumorales. L'innovation de sources de plasma ad hoc et de protocoles personnalisés apparaît cruciale pour traiter les cancers de très mauvais pronostic. C'est le cas du cholangiocarcinome (CCA), un cancer des voies biliaires, dont le traitement par plasma froid est envisagé mais nécessite l'innovation de cathéters et de dispositifs endoscopiques pour les thérapies locales. Avant de réaliser des essais cliniques, les performances et les limites de l'endoscopie au plasma froid (EPC) doivent être évaluées en termes de sécurité pour le patient et le clinicien ainsi qu'en termes d'efficacité thérapeutique. Ces objectifs sont poursuivis dans le présent travail, dans lequel un cathéter à plasma transféré est utilisé, alimenté par des impulsions répétées de 8-10 kV, d'une largeur de 1-2 µ s, de 5-10 kHz, permettant de transférer des streamers guidés sur des longueurs d'au moins 2 m. Dans un premier temps, le cathéter est utilisé sans duodénoscope et directement inséré dans un modèle artificiel reproduisant la topographie et la réponse électrique de l'arbre biliaire. Ce modèle permet de valider la faisabilité technique de la technologie et de démontrer l'absence de risques électriques et thermiques. En effet, la tension et le courant déposés sont aussi faibles que 3,98 V et 1,19 mA (valeurs RMS) respectivement, tandis que la température augmente localement de 23 °C à 27 °C. Dans un deuxième temps, le cathéter est inséré dans le duodénoscope, l'ensemble étant appliqué à un modèle anatomique porcin. Après avoir traversé l'œsophage, l'estomac et le duodénum, la partie distale du duodénoscope est placée à l'entrée de la papille afin que le cathéter puisse facilement pénétrer dans le cholédoque puis dans le canal biliaire commun. Il est intéressant de noter que les valeurs de puissance électrique déposées sont de l'ordre de 100 mW d'autant plus que les valeurs de courant sont au moins dix fois plus élevées. Ces valeurs plus élevées des paramètres électriques mais aussi des effets électromagnétiques sont discutés en considérant des aspects physiques comme les courants de Foucault. L'absence de risques électriques et thermiques est démontrée et consolidée par les normes relatives aux dispositifs médicaux fixées par la Commission électrotechnique internationale (CEI). Dans un troisième temps, nous démontrons que le cathéter à plasma froid peut induire des effets antitumoraux sur des modèles expérimentaux in vitro d'ACC humaine. La méthodologie proposée dans cet article valide la pertinence de l'ECP comme traitement local potentiel de l'ACC et permet de faire le lien entre la recherche cognitive et la recherche orientée vers le patient.
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hal-03939808 , version 1 (15-01-2023)

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Henri Decauchy, Allan Pavy, Marine Camus, Laura Fouassier, Thierry Dufour. Cold plasma endoscopy applied to biliary ducts: feasibility risk assessment on human-like and porcine models for the treatment of cholangiocarcinoma. Journal of Physics D: Applied Physics, 2022, 55 (45), pp.455401. ⟨10.1088/1361-6463/ac8c4d⟩. ⟨hal-03939808⟩
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