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Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 BOA TARDE! Jorge Humberto Nicola.

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1 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 BOA TARDE! Jorge Humberto Nicola

2 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Faculdade de Filosofia Ciências e Letras – UFRGS – Bacharel em Ciências – 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

3 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 O FÍSICO

4 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 O FÍSICO O MÉDICO

5 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).

6 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 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)

7 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 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 ) areas-de-conhecimento

8 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Física e Interdisciplinaridade: o retorno às origens!

9 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Física e Interdisciplinaridade: o retorno às origens! Um exemplo: Física e Medicina

10 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Relacionamento pessoal com a medicina Casei com uma estudante de medicina (...por que este exemplo?)

11 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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?)

12 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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 CO 2 para microcirurgias (1980) Industrialização de laser de CO 2 para uso médico (1981 –83) (...por que este exemplo?)

13 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Diagnóstico Tratamento Fisiologia

14 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Diagnóstico

15 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

16 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)...

17 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Relacionada a patologias Fluorescência nativa Nicola & Nicola

18 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Relacionada a patologias Neste caso a fluorescência vermelha é das porfirinas produzidas por bactérias, especialmente Porphiromona gengivallis. Fluorescência nativa Nicola & Nicola

19 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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

20 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Optical fiber and filter LEDs 410 nm 5 mw Nicola & Nicola Sistema simples para aquisição de dados.

21 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Optical fiber and filter LEDs 410 nm 5 mw Sistema simples para aquisição de dados. VENTER OF TONGUE 500 nm 630 nm Nicola & Nicola

22 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Fluorescência exógena

23 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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

24 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. CAM = chick chorioallantoic membrane

25 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Tratamento

26 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Física Química Biologia Medicina... Terapia Fotodinâmica (PDT - Photo Dynamic Therapy)

27 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.

28 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 O oxigênio molecular (O 2 ) 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); Oxigênio Molecular na PDT

29 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 O oxigênio molecular (O 2 ) 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 vezes mais oxidante do que o triplete, portanto citotóxico! Oxigênio Molecular na PDT

30 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 ToTo S1S1 Estado fundamental Primeiro excitado Energia 0,9769 ev 1 electron volt (ev) = 1.6 x joules MOLÉCULA DE OXIGÊNIO Oxigênio Molecular na PDT

31 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 ToTo S1S1 Estado fundamental Primeiro excitado Energia 0,9769 ev 1 electron volt (ev) = 1.6 x 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 T 0 S 1. Oxigênio Molecular na PDT

32 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 ToTo S1S1 Estado fundamental Primeiro excitado Energia 0,9769 ev 1 electron volt (ev) = 1.6 x 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 T 0 S 1. Portanto: 0,9769 ev é energia capaz de destruir vida! Oxigênio Molecular na PDT

33 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de µm O ESPECTRO SOLAR É RICO EM 1,27 µm MAS, SOBREVIVEMOS! Oxigênio Molecular na PDT

34 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 T1T1 S0S0 Molécula de Oxigênio λ= 1,27 µm proibida A transição T 1 S 0, por absorção de fótons é fisicamente proibida! Transferência de Energia por Absorção de Fótons

35 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Outra forma de Transferência de Energia (Fluorescence resonance energy transfer (FRET)) S0 S1 Vermelho T1 Tn T1 S0 1,27 m Molécula intermediária Oxigênio

36 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Outra forma de Transferência de Energia (Fluorescence resonance energy transfer (FRET)) S0 S1 Vermelho T1 Tn T1 S0 1,27 m Molécula intermediária Oxigênio Molécula intermediária Não radiativa FOTONS

37 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Derivados de Hematoporfirina (HpD), e outras substâncias, atuam como moléculas intermediárias (fotossensibilizadores); Em geral não são tóxicas e podem ser injetadas em animais; PDT

38 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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

39 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 HPD Oxigênio triplete Tecido PARÂMETROS: Concentração do foto- sensibilizador Concentração de Oxigênio TERAPIA FOTODINÂMICA

40 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 HPD Oxigênio triplete Fóton = 632 nm Tecido PARÂMETROS: Concentração do foto- sensibilizador Concentração de Oxigênio Fluência TERAPIA FOTODINÂMICA

41 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Tecido PARÂMETROS: Concentração do foto- sensibilizador Concentração de Oxigênio Fluência TERAPIA FOTODINÂMICA

42 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Tecido PARÂMETROS: Concentração do foto- sensibilizador Concentração de Oxigênio Fluência TERAPIA FOTODINÂMICA

43 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Tecido Destruição celular PARÂMETROS: Concentração do foto- sensibilizador Concentração de Oxigênio Fluência TERAPIA FOTODINÂMICA

44 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Oxigênio Fotossensibilizador TECIDO Luz visível Não radiativa (Fluorescence resonance energy transfer (FRET)) A t e n u a ç ã o DIFICULDADE TÉCNICA!

45 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 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, Não radiativa Vermelho

46 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 TECIDO Oxigênio Fotossensibilizador Partícula luminescente (nano) R x Encapsulamento por nano partículas Não radiativa Vermelho OUTRA SOLUÇÃO!

47 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre as disciplinas. Exatas! Biológicas Porca?

48 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de O grande problema para praticar a interdisciplinaridade é o desenvolvimento de uma linguagem de entendimento entre as disciplinas.

49 Instituto de Física – UFRGS Porto Alegre,14 de julho de 2009 Muito obrigado!

50 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. Nicola & Nicola PDT ativada por fosforescência. Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy MAIS UMA SOLUÇÃO!

51 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. Nicola & Nicola 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).

52 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. Nicola & Nicola Hipotermia terapêutica De 28 o C a 32 o C é considerado hipotermia moderada.

53 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. Nicola & Nicola * PTDEC - Phosphorescent temperature dependent energy carrier (Transportador de energia fosforescente, dependente de temperatura) PTDEC* co-encapsulado Excitação UV T = 29,5 o C

54 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. Nicola & Nicola Características para o carrier: Não tóxico; Ponto ótimo de absorção (excitação) de UV em torno de 29 0 C; Temperatura crítica para emissão entre 34 e 35 0 C; Emissão na região do vermelho (ressonante com o fotossensibilizador).

55 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. Nicola & Nicola TECIDO Oxigênio Encapsulamento PTDEC Fotossensibilizador T = 29,5 o C T = 36 o C

56 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. Nicola & Nicola PDT ativada por fosforescência. Phosphorescent self-lighting photodynamic therapy (Ainda uma ficção!) SOLUÇÃO # 03


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