BOA TARDE!
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Instituto de Física – UFRGSPorto Alegre,14 de julho de 2009
BOA TARDE!
Jorge Humberto Nicola
Instituto de Física – UFRGSPorto Alegre,14 de julho de 2009
Faculdade de Filosofia Ciências e Letras – UFRGS – Bacharel em Ciências – 1963 - 1966Instituto de Física – UFRGS – Mestre em Ciências – 1970Instituto de Física – UFRGS – Doutor em Ciências – 1974
(de 1967 a 1976 – Professor do IF / UFRGS)
De 1976 a 1994 – Professor do IFGW – UNICAMPAposentado desde junho de 1994
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O FÍSICO
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O FÍSICO O MÉDICO
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O FÍSICO O MÉDICO
Erro de tradução?
“The Physician”, do inglês, significa médico. O tradutor teria confundido physician com physicist, que significa físico. Na verdade, isto foi intencional, já
que na Idade Média, época descrita no livro, médicos eram chamados de físicos (“estudiosos da natureza”).
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...A organização e profissionalização das ciências é um fenômeno relativamente moderno, tendo sido estabelecido somente no século XIX quando o termo “cientista” passou a ser conhecido. Usava-se: natural historian; natural philosopher; man of science...
(“A relação entre as diferentes ciências na antiguidade” - T.E.Rihel) http://fds.oup.com/www.oup.co.uk/pdf/0-19-815248-5.pdf
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...No último século o aumento considerável do volume de conhecimento científico e técnico trouxe a necessidade de especializações (grandes áreas, áreas e subáreas ).
TABELAS DAS ÁREAS DO CONHECIMENTO - CAPES/CNPq (27 páginas – 5639 palavras )
http://www.capes.gov.br/avaliacao/tabela-de-areas-de-conhecimento
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Física e Interdisciplinaridade: o retorno às origens!
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Física e Interdisciplinaridade: o retorno às origens!
Um exemplo: Física e Medicina
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Relacionamento pessoal com a medicina•Casei com uma estudante de medicina
(...por que este exemplo?)
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Relacionamento pessoal com a medicina•Casei com uma estudante de medicina
Chefia da oficina mecânica e vácuo do IF•Atendimento à constantes solicitações da medicina
(...por que este exemplo?)
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Relacionamento pessoal com a medicina•Casei com uma estudante de medicina
Chefia da oficina mecânica e vácuo do IF•Atendimento à constantes solicitações da medicina
Interesse por laser•Construção de laser de HeNe e outros (1968 – 72)•Aquisição de laser de Ar (1972)•Montagem de laboratório de espectroscopia Raman (1972)•Surgimento no Brasil do interesse por laser aplicado à ORL (1972)•Construção de protótipo de laser de CO2 para microcirurgias (1980)•Industrialização de laser de CO2 para uso médico (1981 –83)
(...por que este exemplo?)
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DiagnósticoTratamento
Fisiologia
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Diagnóstico
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Urine analysis by laser Raman spectroscopy Premasiri WR, Clarke RH, Womble ME. Lasers Surg Med 2001;28(4):330-4
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Espectroscopia Raman, facilitada hoje por CCD e fibras óptica (ex vivo e in vivo):
a) Detecção precoce de câncerb) Composição de placas ateroscleróticasc) Identificação da ação de vários agentes na peled) Identificação rápida de microorganismos patogênicose) ...
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Relacionada a patologias
Fluorescência “nativa”
Nicola & Nicola
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Relacionada a patologias
• Neste caso a fluorescência vermelha é das porfirinas produzidas por bactérias, especialmente “Porphiromona gengivallis.
Fluorescência “nativa”
Nicola & Nicola
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Fluorescência “nativa”
Nicola & Nicola
Relacionada à normalidade
• Neste caso a fluorescência vermelha também é de porfirina, Protoporfirina IX (PpIX) produzida na Glândula Harderiana de ratos Wistar.
• Obs: também em casos de porfiria (patologia).
Luz branca
Luz UV
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Optical fiber and filter
LEDs410 nm5 mw
Nicola & Nicola
Sistema simples para aquisição de dados.
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Optical fiber and filter
LEDs410 nm5 mw
Sistema simples para aquisição de dados.
0
1000
2000
3000
4000
400 500 600 700 800 900 1000
Intensity (counts)
Wavelength (nm)
MasterMucosa jugal.Master.Sample
VENTER OF TONGUE
0
1000
2000
3000
4000
400 500 600 700 800 900 1000
Intensity (counts)
Wavelength (nm)
MasterAssoalho de boca.Master.Sample
500 nm
500 nm
630 nm
630 nm
Nicola & Nicola
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Fluorescência exógena
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• Derivados de Hematoporfirina (HpD), e outras substâncias semelhantes, quando injetadas em animais acumulam-se em tecidos cancerígenos;
• Em geral não são tóxicas;• Com excitação no UV próximo (e mesmo no azul)
apresentam fluorescência na região do vermelho (630nm).
Fluorescência exógena
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“Fluorescence imaging of MGH human bladder tumor.”
(A) White light image of the tumor before drug administration, (B) Ce6-PVP induced red fluorescence in tumor imaged under blue light illumination at 3 h post drug administration. (C) By displaying the fluorescent image in a pseudo color using simple image processing technique.
www.biomedcentral.com/1471-2342/9/1
CAM = chick chorioallantoic membrane
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Tratamento
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• Física• Química• Biologia• Medicina• ...
Terapia Fotodinâmica(PDT - Photo Dynamic Therapy)
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Terapia Fotodinâmica(PDT - Photo Dynamic Therapy)
• Física• Química• Biologia• Medicina• ...
A PDT é um exemplo claro de atividade interdisciplinar.
Seu estágio atual ainda oferece espaço para a pesquisa pura.
Apresenta importância significativa como técnica.
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Oxigênio Molecular na PDT
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Oxigênio Molecular na PDT
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To
S1
Estado fundamental
Primeiro excitado
Energia 0,9769 ev
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
Oxigênio Molecular na PDT
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To
S1
Estado fundamental
Primeiro excitado
Energia 0,9769 ev
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
Uma energia de 0,9769 eV
(equivalente a λ = 1,27 µm no
vácuo) é o suficiente para
propiciar a transição T0 → S1.
Oxigênio Molecular na PDT
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To
S1
Estado fundamental
Primeiro excitado
Energia 0,9769 ev
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
Uma energia de 0,9769 eV
(equivalente a λ = 1,27 µm no
vácuo) é o suficiente para
propiciar a transição T0 → S1.
Portanto: 0,9769 ev é energia
capaz de destruir vida!
Oxigênio Molecular na PDT
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1.27 µm
O ESPECTRO SOLAR É RICO EM 1,27 µm MAS, SOBREVIVEMOS!
Oxigênio Molecular na PDT
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T1
S0
Molécula de Oxigênio
λ= 1,27 µm
proibidaA transição T1 → S0, por
absorção de fótons é
fisicamente proibida!
Transferência de Energia por Absorção de Fótons
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Outra forma de Transferência de Energia(Fluorescence resonance energy transfer (FRET))
S0
S1
Vermelho T1
Tn
1,27 m
Molécula intermediária
Oxigênio
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Outra forma de Transferência de Energia(Fluorescence resonance energy transfer (FRET))
S0
S1
Vermelho T1
Tn
1,27 m
Molécula intermediária
Oxigênio
Oxigênio
Molécula intermediária
Não radiativa
FOTONS
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• Derivados de Hematoporfirina (HpD), e outras substâncias, atuam como moléculas intermediárias (fotossensibilizadores);
• Em geral não são tóxicas e podem ser injetadas em animais;
PDT
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• Derivados de Hematoporfirina (HpD), e outras substâncias, atuam como moléculas intermediárias (fotossensibilizadores);
• Em geral não são tóxicas e podem ser injetas em animais;
• Tecidos biológicos normais, em geral, eliminam rapidamente tais fotossensibilizadores de suas células;
• Tecidos malignos (câncer), em geral, mantém o fotossensibilizador em suas células.
PDT
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HPD Oxigênio triplete
Tecido PARÂMETROS:
• Concentração do foto- sensibilizador
• Concentração de Oxigênio
TERAPIA FOTODINÂMICA
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HPD Oxigênio triplete
Fóton = 632 nm
Tecido PARÂMETROS:
• Concentração do foto- sensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
TERAPIA FOTODINÂMICA
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HPD Oxigênio triplete
Transferência deenergia
não radioativa
Tecido PARÂMETROS:
• Concentração do foto- sensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
TERAPIA FOTODINÂMICA
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HPD Oxigênio singlete
Tecido PARÂMETROS:
• Concentração do foto- sensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
TERAPIA FOTODINÂMICA
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HPD Oxigênio singlete
Tecido
Destruição
celular
PARÂMETROS:
• Concentração do foto- sensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
TERAPIA FOTODINÂMICA
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Oxigênio
Fotossensibilizador
TECIDOLuz visível
Não radiativa
(Fluorescence resonance energy transfer (FRET))
Atenuação
Atenuação
DIFICULDADE TÉCNICA!
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TECIDO
Oxigênio
Fotossensibilizador Infra Vermelho 1
Infra Vermelho 2
Molécula conversora de dois fótons (eficiente)
Encapsulamento por nano partículas (Nano agregação) – ORMOSIL: Organicaly Modified Silica.Sehoon Kim et al, 2007.
Não radiativa
Vermelho
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TECIDO
Oxigênio
Fotossensibilizador
Partícula luminescente(nano)
R x
Encapsulamento por nano partículas
Não radiativa
Vermelho
OUTRA SOLUÇÃO!
Instituto de Física – UFRGSPorto Alegre,14 de julho de 2009
... O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre as disciplinas.
Exatas! Biológicas
Porca?
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... O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre as disciplinas.
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
PDT ativada por fosforescência.
“Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy”
MAIS UMA SOLUÇÃO!
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
Fosforescência
• A re-emissão de radiação não ocorre imediatamente, como no caso da fluorescência;
• Isto ocorre quando há diferença de estados de spin entre os níveis;
• O tempo de armazenamento da energia depende de temperatura (entre outros parâmetros).
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
Hipotermia terapêutica
• De 28 oC a 32 oC é considerado hipotermia moderada.
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
* PTDEC - Phosphorescent temperature dependent energy carrier (Transportador de energia fosforescente, dependente de temperatura)
PTDEC* co-encapsulado
Excitação UV
T = 29,5 oC
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
Características para o “carrier”:
• Não tóxico;• Ponto ótimo de absorção (excitação) de UV em
torno de 29 0C;• Temperatura crítica para emissão entre 34 e 35 0C;• Emissão na região do vermelho (ressonante com o
fotossensibilizador).
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
TECIDO
Oxigênio
EncapsulamentoPTDEC
Fotossensibilizador
T = 29,5 oCT = 36 oC
Workshop em “Terapia Fotodinâmica: Integração dos Aspectos Moleculares,Tecnológicos e Aplicações na Área de Saúde”, 03 a 06 de junho de 2007, Hotel Fazenda Fonte Colina Verde, São Pedro, São Paulo.
Nic
ola
& N
i col
a
PDT ativada por fosforescência.
“Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy”
(Ainda uma ficção!)
SOLUÇÃO # 03