Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
BOA TARDE!
Jorge Humberto Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Faculdade de Filosofia Ciências e Letras – UFRGS – Bacharel em Ciências – 1963 - 1966
Instituto de Física – UFRGS – Mestre em Ciências – 1970
Instituto de Física – UFRGS – Doutor em Ciências – 1974
(de 1967 a 1976 – Professor do IF / UFRGS)
De 1976 a 1994 – Professor do IFGW – UNICAMP
Aposentado desde junho de 1994
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
O FÍSICO
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
O FÍSICO
O MÉDICO
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
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”).
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
...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
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
...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-deareas-de-conhecimento
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Física e Interdisciplinaridade: o
retorno às origens!
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Física e Interdisciplinaridade: o
retorno às origens!
Um exemplo: Física e Medicina
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
(...por que este exemplo?)
Relacionamento pessoal com a medicina
•Casei com uma estudante de medicina
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
(...por que este exemplo?)
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
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
(...por que este exemplo?)
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)
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Diagnóstico
Tratamento
Fisiologia
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Diagnóstico
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Urine analysis by laser Raman spectroscopy
Premasiri WR, Clarke RH, Womble ME. Lasers Surg Med 2001;28(4):330-4
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Espectroscopia Raman, facilitada hoje por CCD e fibras
óptica (ex vivo e in vivo):
a) Detecção precoce de câncer
b) Composição de placas ateroscleróticas
c) Identificação da ação de vários agentes na pele
d) Identificação rápida de microorganismos patogênicos
e) ...
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Fluorescência “nativa”
Relacionada a patologias
Nicola & Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Fluorescência “nativa”
Relacionada a patologias
• Neste caso a fluorescência
vermelha é das porfirinas
produzidas por bactérias,
especialmente “Porphiromona
gengivallis.
Nicola & Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Fluorescência “nativa”
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
Nicola & Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Sistema simples para
aquisição de dados.
LEDs
410 nm
5 mw
Optical fiber
and filter
Nicola & Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Sistema simples para
aquisição de dados.
LEDs
410 nm
5 mw
Optical fiber
and filter
VENTER OF TONGUE
Master
Assoalho de boca.Master.Sample
Intensity (counts)
4000
3000
500 nm
2000
630 nm
1000
0
400
500
600
700
800
900
1000
Wavelength (nm)
Master
Mucosa jugal.Master.Sample
Intensity (counts)
4000
3000
500 nm
2000
630 nm
1000
0
400
500
600
700
800
900
1000
Wavelength (nm)
Nicola & Nicola
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Fluorescência exógena
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Fluorescência exógena
• 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).
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
“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
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Tratamento
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Terapia Fotodinâmica
(PDT - Photo Dynamic Therapy)
•
•
•
•
•
Física
Química
Biologia
Medicina
...
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
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.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
•
O oxigênio molecular (O2) é substância de vital importância para a
manutenção da vida celular;
•
Ocorre em duas formas (estados), fisicamente distintas:
• Singlete
• Triplete
•
Na natureza se encontra no estado triplete (mais baixa energia);
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
•
O oxigênio molecular (O2) é substância de vital importância para a
manutenção da vida celular;
•
Ocorre em duas formas (estados), fisicamente distintas:
• Singlete
• Triplete
•
Na natureza se encontra no estado triplete (mais baixa energia);
•
O oxigênio singlete é cerca de 1.500 vezes mais oxidante do que o
triplete, portanto citotóxico!
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
S1
Primeiro excitado
Energia
To
0,9769 ev
Estado fundamental
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
Uma energia de 0,9769 eV
S1
Primeiro excitado
(equivalente a λ = 1,27 µm no
vácuo) é o suficiente para
Energia
To
0,9769 ev
Estado fundamental
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
propiciar a transição T0 → S1.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
MOLÉCULA DE OXIGÊNIO
Uma energia de 0,9769 eV
S1
Primeiro excitado
(equivalente a λ = 1,27 µm no
vácuo) é o suficiente para
Energia
To
0,9769 ev
Estado fundamental
1 electron volt (ev) = 1.6 x 10-19 joules
propiciar a transição T0 → S1.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Oxigênio Molecular na PDT
O ESPECTRO SOLAR É RICO EM 1,27 µm MAS, SOBREVIVEMOS!
1.27 µm
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Transferência de Energia por Absorção de Fótons
λ= 1,27 µm
S0
proibida
A transição T1 → S0, por
absorção de fótons é
fisicamente proibida!
T1
Molécula de Oxigênio
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Outra forma de Transferência de Energia
(Fluorescence resonance energy transfer (FRET))
S1
Vermelho
Tn
T1
S0
1,27 m
S0
Molécula
intermediária
T1
Oxigênio
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Outra forma de Transferência de Energia
(Fluorescence resonance energy transfer (FRET))
S1
Vermelho
Tn
T1
FOTONS
S0
1,27 m
S0
Molécula
intermediária
Oxigênio
T1
Oxigênio
Molécula intermediária
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
PDT
• Derivados de Hematoporfirina (HpD), e outras
substâncias, atuam como moléculas intermediárias
(fotossensibilizadores);
• Em geral não são tóxicas e podem ser injetadas em
animais;
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
PDT
• 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.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
TERAPIA FOTODINÂMICA
PARÂMETROS:
Tecido
• Concentração do fotosensibilizador
• Concentração de Oxigênio
HPD
Oxigênio
triplete
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
TERAPIA FOTODINÂMICA
PARÂMETROS:
Tecido
• Concentração do fotosensibilizador
• Concentração de Oxigênio
Fóton l = 632 nm
HPD
• Fluência
Oxigênio
triplete
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
TERAPIA FOTODINÂMICA
PARÂMETROS:
Tecido
• Concentração do fotosensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
Transferência de
energia
não radioativa
HPD
Oxigênio
triplete
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
TERAPIA FOTODINÂMICA
PARÂMETROS:
Tecido
• Concentração do fotosensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
HPD
Oxigênio
singlete
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
TERAPIA FOTODINÂMICA
PARÂMETROS:
Tecido
• Concentração do fotosensibilizador
• Concentração de Oxigênio
• Fluência
HPD
Oxigênio
singlete
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
DIFICULDADE TÉCNICA!
Luz visível
TECIDO
(Fluorescence resonance
energy transfer (FRET))
Oxigênio
Fotossensibilizador
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Infra Vermelho 2
TECIDO
Infra Vermelho 1
Fotossensibilizador
Oxigênio
Molécula
conversora de
dois fótons
(eficiente)
Encapsulamento por nano partículas (Nano
agregação) – ORMOSIL: Organicaly Modified Silica.
Sehoon Kim et al, 2007.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Rx
OUTRA SOLUÇÃO!
TECIDO
Fotossensibilizador
Oxigênio
Encapsulamento por nano partículas
Partícula
luminescente
(nano)
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
... O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o
desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre
as disciplinas.
Porca?
Exatas!
Biológicas
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
... O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o
desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre
as disciplinas.
Instituto de Física – UFRGS
Porto Alegre,14 de julho de 2009
Muito obrigado!
[email protected]
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.
MAIS UMA SOLUÇÃO!
PDT ativada por fosforescência.
“Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy”
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.
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.
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.
Excitação UV
PTDEC* co-encapsulado
T = 29,5 oC
* PTDEC - Phosphorescent temperature dependent energy carrier
(Transportador de energia fosforescente, dependente de temperatura)
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.
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.
TECIDO
Fotossensibilizador
Oxigênio
PTDEC
Encapsulamento
T =T
36=o29,5
C 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.
SOLUÇÃO # 03
PDT ativada por fosforescência.
“Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy”
(Ainda uma ficção!)