Monte Carlo simulations and experimental characterizations of air microplasma inducing poration of cell membranes for gene transfection
Simulations Monte Carlo et caractérisations d'un microplasma d'air induisant la poration de membranes cellulaires pour la transfection de gènes
Résumé
Gene transfection is a technique of deliberately introducing DNA into cells through the membrane. The cold atmospheric plasma CAP is potentially a new alternative, safe and damage-free technique. It can lead to a transient permeabilization of the cell membrane allowing processes of gene transfection in which DNA and cells are both exposed to fluxes of active plasma species (electrons, ions, and neutral radicals). The mechanisms of more particularly membrane poration are far to be clear and controlled. Therefore, the aim of this thesis is to numerically study the mechanisms of plasma-induced membrane permeabilization using a specific micro-air plasma. More precisely, is to develop and exploit a specific Monte Carlo poration model. This model is aimed to simulate the pore formation of few nm of width through cell membranes when irradiated by micro-air plasma. This developed model requires a prior input data on the density of charged particles and the temperature of gas and electrons. Thus, an experimental characterisation by OES of the micro-air corona discharge is performed. Rotation temperature was determined (between 700K to 2350K) even though under our non-equilibrium conditions Tg remains ~300K. OES also has given the space variation from the high voltage tip to the grounded plate of vibration temperatures (between 3000K up to about 6500K) and Te (about 6.75 eV down to 3.4 eV near the plate). A magnitude around 1015cm-3 for the electron and ion densities have been also determined. Moreover, knowing that there are no literature simulations devoted to membrane permeabilization and pore formation when impacted by plasma actives species, we developed for the first time in literature a specific Monte Carlo poration model. In this framework, we assumed each plasma species (electrons, ions, and neutral radicals) as a super-particle grouping a large number of particles. The species fluxes were estimated from a plasma reaction kinetic model and OES study. The membrane layers were assumed as a simple membrane model superposing four layers of phospholipids and proteins. Each layer was constituted by a succession of super-sites subjected to specific super-processes (recombination, reflection, activation of a site, opening, etc). For an accurate exploitation of our model, the estimation of the probability of occurrence of the whole considered super-processes is absolutely necessary. Thus, a large parametric study is conducted. The aim is to evaluate the effects of the initial simulation parameters as well as the magnitude of the occurrence probabilities of each reaction process on pore formation.
La transfection est le processus de transfert de gènes (ADN) dans des cellules. L'utilisation des plasmas froids à la pression atmosphérique est un excellent vecteur pour la transfection de gènes. Cela peut conduire à une perméabilisation temporaire de la membrane cellulaire permettant ainsi le processus de transfection de gènes, dans lequel l'ADN et les cellules sont exposées aux flux des espèces actives du plasma (électrons, ions et radicaux neutres). Cependant beaucoup de questions restent sans réponse notamment sur les mécanismes de transfection par plasma, en particulier de formation de pores et de perméabilisation de la membrane par interactions avec les espèces actives du plasma. Ainsi, nous avons développé un modèle Monte Carlo simulant la formation de pores de quelques nm de largeur sous l'effet d'un microplasma d'air. Ce model nécessite a priori des données d'entrées sur la densité des espèces chargées et la température du gaz et des électrons. C'est pourquoi nous avons aussi effectué une caractérisation expérimentale par spectroscopie d'émission optique OES de la micro décharge couronne. On a estimé les températures rotationnelles de plusieurs espèces variant entre (700K-2350K) même si dans nos conditions de plasma hors équilibre la température du gaz demeure ~300K. Les variations spatiales de la température vibrationnelle Tvib et des électrons Te le long de l'espace inter-électrode (de la pointe vers l'électrode de masse) ont aussi été estimées (Tvib:3000K-6500K et Te:6.75 eV-3.4eV). Les densités des ions et des électrons ont été déterminées et valent environ 1015 cm-3. Par ailleurs, sachant qu'il n'existe dans la littérature aucune modélisation consacrée à la perméabilisation de la membrane et la formation de pore par interactions avec les espèces actives du plasma, nous avons développé pour la première fois dans la littérature un modèle spécifique de simulation Monte Carlo pour la poration. Chaque espèce du plasma (électrons, ions, neutres radicaux) est considérée comme une macro-espèce (ou super-particule) représentant un grand nombre de particules. La proportion des espèces du plasma arrivant sur la membrane est estimée à partir de leurs flux, calculés à l'aide d'un modèle de cinétique réactionnelle et par mesures spectroscopiques. La membrane est supposée comme une simple structure multicouche de phospholipides et protéines. Les interactions avec les couches membranaires sont considérées comme étant des super-processus (recombinaison, réflexion, activation, ouverture). Une probabilité d'occurrence de chacun de ces super-processus est assignée à chaque super-particule sur la base d'une étude paramétrique. Le but est d'évaluer les effets des paramètres de simulation initiaux ainsi que l'effet des probabilités d'occurrence de chaque processus sur la formation de pores. Plusieurs résultats importants ont été obtenus. Les électrons jouent un rôle principal sur l'activation et l'ouverture des sites dus à leur forte anisotropie dans la direction avant. Malgré les faibles énergies, proche de celle du gaz, des ions et des radicaux, leur processus de réflexion est déterminant pour élargir et approfondir les dimensions des pores. Il a été montré que le nombre initial de particules NP est le paramètre qui contrôle le plus efficacement la formation de pores. De plus, nous avons observé une corrélation directe entre NP et la durée d'exposition de la membrane cellulaire au plasma. Dans les conditions actuelles de simulation, on a obtenu une dynamique de formation de pores avec des dimensions (diamètres~10nm) compatibles pour la transfection de gènes. Les résultats de simulation Monte Carlo ont été qualitativement validés par une comparaison préliminaire avec les mesures des taux de transfection d'ADN et de survie de cellules fibroblaste de souries. La méthode de Monte Carlo développée dans ce travail représente un outil très prometteur pour une meilleure compréhension des mécanismes de transfection de gènes par plasma.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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