2010bEquipe06

MATRIZ DE LED´S PARA USO EM PESQUISA COM MICROORGANISMOS, NA ÁREA DE TERAPIA FOTODINÂMICA

• Apresentação

Orientação: Professor Arandi G. Bezerra Junior (DAFIS). O uso da terapia fotodinâmica é vantajoso porque não apresenta os mesmos riscos que os tratamentos convencionais, como o desenvolvimento de resistência em fungos e bactérias. A aplicabilidade dessa técnica foi demonstrada em bactérias, vírus e protozoários, sendo utilizada no tratamento de cânceres e infecções.

• Objetivo

A idéia do projeto é montar uma placa composta por 16 LEDs, para que possam irradiar 16 amostras ao mesmo tempo. Os LEDs devem permanecer ligados por um intervalo de tempo a ser determinado pelo manipulador.

Atividades Realizadas

Desde o dia 20/08/10 a equipe utiliza um grupo do Google <http://groups.google.com.br/group/oficina-i> para facilitar a comunicação e definir quais as ações a serem tomadas. Todos recebem por e-mail as mensagens e arquivos postados.

• 25/08/10
  • Contato por e-mail com Profª Josmaria, da área de radiologia, envolvida no projeto de inativação fotodinâmica. -> Thayse

• 31/08/10
  • Contato com Profª Josmaria, pessoalmente -> Thayse e Allyson

• 01/09/10
  • Pesquisa sobre dispositivos de controle de tempo. -> Stefan
  • Pesquisa sobre LEDs -> Allyson, Stefan, Thayse
  • Contato por e-mail com Profº Rubens do Departamento de Eletrônica -> Thayse

• 05/09/10
  • Esboço do circuito do timer, para simulação. -> Stefan

• 07/09/10
  • Adição da apresentação do projeto e seu objetivo na Wiki. -> Vanessa
  • Pesquisa sobre LEDs com temporizador. -> Vanessa

• 08/09/10
  • Trabalho no documento para qualificação -> Stefan
  • Pesquisa sobre o funcionamento do timer -> Stefan
  • Contato com Rodrigo Barbosa e Silva, aluno orientado pelo professor Merkle no mestrado do PPGTE -> Stefan

• 10/09/10
  • Contato com Prof. Rubens A. de Faria, que assumiu a co-orientação do projeto e sugeriu como pesquisa:controle de potência por PWM -> Thayse

• 13/09/10
  • Pesquisa sobre PWM -> Stefan
  • Complementação do documento para qualificação, com informações do controle de potência, e uma alternativa para controle de tempo. -> Stefan

• 13/09/10
  • Edição/formatação da monografia -> Allyson, Stefan, Thayse

Andamento da monografia

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTEMENTO ACADÊMICO DE INFORMÁTICA CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

ALLYSON DOS REIS MOREIRA STEFAN CAMPANHA FUCHS THAYSE MARQUES SOLIS VANESSA BRAGANÇA WREZINSKI

MATRIZ DE LEDS PARA USO EM PESQUISA COM MICOORGANISMOS, NA ÁREA DE TERAPIA FOTODINÂMICA (PDT)

DOCUMENTO PARA QUALIFICAÇÃO

CURITIBA 2010

ALLYSON DOS REIS MOREIRA STEFAN CAMPANA FUCHS THAYSE MARQUES SOLIS VANESSA BRAGANÇA WREZINSKI

MATRIZ DE LEDS PARA USO EM PESQUISA COM MICROORGANISMOS, NA ÁREA DE TERAPIA FOTODINÂMICA (PDT)

Documento para qualificação apresentado à Disciplina Oficina de Integração I, do Curso Superior de Engenharia de Computação do Departamento Acadêmico de Informática da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Orientador: Prof. Arandi G. Bezerra Junior

Co-Orientador: Prof. Rubens A. de Faria

CURITIBA 2010 MATRIZ DE LEDS PARA USO EM PESQUISA COM MICOORGANISMO, NA ÁREA DE TERAPIA FOTODINÂMICA (PDT)

Documento para qualificação do projeto de Oficinas de Integração I sob título “Matriz de LEDs para o uso em Pesquisa com Microorganismos, na Área de Terapia Fotodinâmica (PDT)”, aprovada por:

___________________________________ Professor Orientador

___________________________________ Aluno 1

___________________________________ Aluno 2

___________________________________ Aluno 3

___________________________________ Aluno 4

LICENÇA Este trabalho está licenciado sob uma Licença Creative Commons Atribuição - Uso Não - Comercial - Compartilhamento pela mesma Licença 2.5 Brasil. Para ver uma cópia desta licença, visite http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/br/ ou envie uma carta para Creative Commons, 171 Second Street, Suite 300, San Francisco, California.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus, responsável por todas as dádivas recorrentes em nossas vidas, e que possibilitou nós fazermos este trabalho. Ao nosso orientador Arandi G. Bezerra Junior, ao nosso co-orientador Rubens, e ao Rodrigo Barbosa e Silva, que se dispuseram a nos ajudar na realização desta complexa tarefa.

Que bom que não sou o melhor de todos Porque ainda me resta um caminho a percorrer para procurar melhorar. Que bom que não tenho tudo, só assim me animo a lutar pelo que me falta. É realmente bom que não saiba tudo. Se soubesse, não teria que aprender. Que bom que eu tenho defeitos. Se não os tivesse, viveria só, não compreenderia as faltas do meu próximo... Que bom que não sou o mais forte do mundo. Se o fosse, não precisaria de quem me auxiliasse. E não compreenderia a solidariedade e a ajuda, porque tentaria fazer tudo sozinho. Que bom que não estou sozinho. Se você não existisse, não perceberia o quanto preciso corrigir-me. Que bom que somos uma equipe, que necessitamos uns dos outros, que buscamos caminhos e alternativas para transformar e crescer... (Autor desconhecido) resumo

Este projeto tem como objetivo final produzir uma placa de circuito eletrônico a ser usada como fonte luminosa, em experimentos de terapia fotodinâmica (PDT). A solução escolhida foi o LED (light emiting diode), visto que é extremamente barato, além de ser de fácil manuseio e instalação, se comparado com alternativas como lasers ou similares. Todo o equipamento a ser produzido tem a finalidade de facilitar as pesquisas em laboratório. Para tanto, é previsto um sistema temporizador automatizado, além de controle de potência. O utilizador não necessitará de conhecimentos avançados de eletrônica para manusear o aparelho, pois os ajustes de tempo e potência poderão ser feitos através de botões, ou semelhantes. Este texto discute os principais tópicos relacionados ao PDT, e ao referido equipamento de iluminação. Palavras-chave: Terapia fotodinâmica. Fotossensibilizadores. LED. PDT.

abstract This project aims to produce a circuit board as a light source, for use in experiments of photodynamic therapy (PDT). The choice for the lighting unit is the LED (Light Emitting Diode), since it is extremely cheap, and it is easy to handle and install, compared to alternatives such as lasers or similar. All equipment to be produced is intended to facilitate the researches in the laboratory. Thus, it will be provided an automated timer system, and power control. There will be no need of advanced knowledge of electronics to operate the machine, because the time and power adjustments can be made using buttons, or similar. This paper discusses the main topics related to PDT, and the said illumination equipment. Keywords: Photodynamic Therapy. Photosensitizers. LED. PDT.

LISTA DE FIGURAS

SUMÁRIO

1INTRODUÇÃO 12 1.1.Histórico 12 2APARATOS DE PESQUISA 12 2.1.Agentes fotossensibilizadores 12 2.2.Matriz de tubos de teste 13 2.3.Placa de LEDs 13 3PROJETO 13 3.2.Circuito temporizador 13 1.Circuito integrado (CI) 555 14 2.Microcontrolador 14 3.3.Controle de potência 14 4CONCLUSÃO 14 REFERÊNCIAS 16 APÊNDICES 17

1INTRODUÇÃO Várias técnicas atualmente usadas no combate a doenças têm se mostrado, em muitos casos, ineficazes. Isto principalmente em razão do surgimento de bactérias resistentes a antibióticos, e também do crescente número de casos de câncer e tumores. Estes problemas trazem a necessidade de novos tipos de tratamento, que devem ser eficazes em eliminar as células prejudiciais ao organismo, sem prejudicar demasiadamente as benéficas. Uma alternativa, que em estudos tem se mostrado viável, é a terapia foto dinâmica (cuja sigla em inglês é PDT). Ela consiste basicamente na associação de um produto químico fotossintetizante e luz. Aquele, em contato com raios luminosos de comprimento de onda específico, sofre um processo chamado de fotoativação. Com a ativação, é produzida uma espécie de oxigênio altamente reativa, denominada singlet, além de radicais livres. Estes, por sua vez, oxidam proteínas, lipídios e outros componentes de células próximas, eliminando-as. Utilizando-se os métodos certos, é capaz de destruir células provocadoras de doenças. Numerosas pesquisas produzidas in vitro, no mundo inteiro, incluindo o Brasil, o PDT demonstrou ser altamente efetivo na destruição de fungos, bactérias, protozoários, vírus, e até células cancerígenas. É uma alternativa eficiente e de baixo custo a tratamentos em diversas áreas da medicina. Em muitos casos é mais eficiente que métodos convencionais, que podem prejudicar células sadias. O PDT não apresenta os efeitos da seleção de bactérias resistentes, ao contrário do que acontece com antibióticos, visto que tem um poder de eliminação muito maior. Isto evita o demasiado uso de drogas, que podem ser prejudiciais à saúde do paciente. O fotossintetizante Rosa de Bengala, sobre o qual o foco do projeto estará mais voltado, é ativado pela exposição à luz verde, de comprimento de onda especifico (verde = 534 nm). Será produzida uma matriz de LEDs, cuja luz deve possuir o comprimento de onda citado.

1.1.Histórico A terapia originou-se no século XX, em 1990 Munique, quando o estudante de medicina, Oscar Raab, orientado pelo professor Herman Von Tappeiner, observou os efeitos decorrentes da fotossensibilização em paramécio utilizando corante acridina em suas experiências, constatou que o protozoário morria entre 60 a 100 minutos. Em 1903, Von Tappeiner denominou estes efeitos de “reação fotodinâmica”; junto a ele, Jesionek, na mesma época, conduziram os primeiros testes clínicos no tratamento de tumores em humanos empregando eosina como fotossensibilizador. Em 1924, Policard, observou que porfirinas podiam ser encontradas em elevadas concentrações em tumores malignos. Essas porfirinas são completamente atóxicas, mas na presença de luz visível e oxigênio elas se tornam altamente tóxicas ao tecido celular. Estas pesquisas foram realizadas antes mesmo da segunda guerra mundial, devido o surgimento de novas drogas á sulfonamidas e da penicilina, e embora os resultados das pesquisas fossem bastante positivos, esses trabalhos não tiveram continuidade. A partir disto, a indústria farmacêutica concentrou-se cada vez mais em produzir mais drogas visando obter lucro e lucros, quando surgiam novas doenças, devidos várias mutações, surgiam em paralelo novas drogas pra combater o mesmo, e se não surtiam mais efeitos sobre estas, novos remédios eram lançado, assim sucessivamente. Como os remédios têm o poder acumulativo em nosso organismo, novos estudos obtidos comprovou que isto prejudica muito o organismos que esta fazendo tratamento, ocasionando até a morte do individuo. No final dos anos 60, Lipson relatou um tratamento bem sucedido de câncer de seio empregando derivados de hematoporfirina (HpD) e irradiação seletiva do tumor com luz visível. Em 1976, Weishaupt postulou que o oxigênio singlet (1O2), gerado na PDT, era o agente citotóxico responsável pela destruição das células tumorais. E só no fim dos anos 70, a partir dos brilhantes trabalhos de Thomas Dougherty e de seus colaboradores, a PDT passou a ser reconhecida como uma alternativa para o tratamento do câncer, tendo sido empregada com sucesso no tratamento de vários tipos de tumores e de outras patologias. Tornando-se viável, devido seu baixo custo comparado com tratamentos convencionais como: quimioterapia e radioterapia. 2APARATOS DE PESQUISA Muitas pesquisas em laboratório envolvendo PDT requerem apenas aparatos básicos, como uma matriz de tubos de teste, agentes fotossensibilizadores, microorganismos e uma fonte de iluminação. Apesar dos itens parecerem simples, o último equipamento citado, a fonte de luz, tem trazido muita dificuldade aos pesquisadores. Isso em razão do foco da maioria deles estar longe da área da eletrônica. Com isso, gastam-se tempo e energia desnecessários para preparar os equipamentos. Abaixo, serão explicados com maiores detalhes cada aparato:

2.1.Agentes fotossensibilizadores Estes agentes químicos, ao absorverem certo comprimento de onda de luz, sofrem um processo químico de fotoativação. Este processo produz uma espécie altamente reativa de oxigênio, denominada singlet. Este composto, por sua vez, oxida células próximas, que na maioria dos casos não sobrevivem. Os principais agentes utilizados em pesquisas, por serem relativamente simples, baratos e eficazes são dois compostos, usualmente chamados de Azul de Metileno e Rosa de Bengala. Cada composto específico absorve melhor certos comprimentos de onda, como demonstrado nas figuras 1 e 2. Em termos mais práticos, a cor da luz utilizada deve ser compatível com o reagente, para que este seja ativado em maior grau. No caso do Azul de Metileno, a cor preferível de luz é a vermelha, e no outro composto citado, verde.

Figura – Absorção luminosa do Azul de Metileno. Fonte: OPTICAL (2010)

Figura – Absorção luminosa da Rosa de Bengala. Fonte: Paulino (2005)

2.2.Matriz de tubos de teste A matriz é basicamente um agrupamento de tubos experimentais, de forma que preenchem um retângulo, como demonstrado na Figura – . As séries de experimentos são realizadas nos tubos, sendo que eles podem conter soluções diferentes entre si.

Figura – Matriz de tubos de teste. Fonte: Kagel (2010) 2.3.Placa de LEDs Para a iluminação das amostras preparadas na matriz de tubos, o meio mais eficiente encontrado envolve o uso de LEDs, posicionados de acordo com o centro de cada tubo. A idéia principal do projeto é facilitar a parte do uso do equipamento de iluminação, ao produzirmos basicamente uma placa com esses dispositivos. Ela deve se encaixar em uma matriz de tubos experimentais, parecida com a da Figura – . Cada LED deve ficar posicionado exatamente no centro de cada tubo, garantindo uma iluminação uniforme às amostras. O utilizador deve ser capaz de operar sozinho o aparelho, mesmo sem nenhum conhecimento técnico em eletrônica. Deve-se simplesmente ligá-lo na tomada, escolher o tempo de iluminação desejado, e os LEDs então devem ficar acesos durante esse tempo. Outro ponto a considerar é a possibilidade de controle de potência de iluminação, a partir do próprio aparato. 3PROJETO 3.1.Disposição dos LEDs Cada LED deve estar posicionado com certo espaçamento entre os outros, seguindo um modelo de acordo com uma matriz de tubos, que está atualmente sendo utilizado nos laboratórios (Figura ):

Figura – Tampa da matriz de tubos atualmente utilizada. Os LEDs devem ser posicionados no centro de cada círculo. No caso deste modelo (Figura 4), o espaçamento entre eles deve ser de 2 cm.

3.2.Circuito temporizador Um dos focos do projeto é dar ao utilizador a capacidade de controlar o tempo de iluminação, de maneira automatizada. No tópico a seguir, serão explicitadas algumas opções disponíveis para alcançar este objetivo.

Circuito integrado (CI) 555 A principal solução pensada, até agora, para o controle do tempo de iluminação, é baseada no Circuito Integrado (CI) 555. Esta escolha foi feita em razão de existirem várias soluções desse tipo disponíveis na internet, e também pelo fato desse CI ser muito barato (custa apenas alguns centavos). O circuito encontrado que se mostrou mais relevante ao nosso trabalho foi o seguinte (Figura ):

Figura – Temporizador com o CI 555. Fonte: http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/129 Este circuito funciona em estado monoestável, o que em termos simples significa que o relé é ativado por certo tempo, e depois desliga. Este relé, nesse circuito, funciona como um interruptor, ou seja, quando ativo permite a passagem de corrente, e quando inativo não. O tempo em que ele permanece acionado pode ser calculado pela expressão: T = 1.1 C1 x R1. Isto significa que ao se variar a resistência de R1, pode-se controlar o tempo de ação. Para um usuário comum, após o equipamento estar montado, variar o tempo de iluminação será um processo bem simples, bastando girar o botão de um potenciômetro (resistor variável).

Microcontrolador A principal vantagem do uso de um microcontrolador é a maior precisão na contagem do tempo. A implementação desse tipo de circuito é de maior complexidade do que o 555 (tópico anterior), visto que se torna necessária a programação deste. Os custos também são mais elevados. Pouco foi pesquisado sobre esta opção, visto que o foco do trabalho atualmente se encontra mais na que foi apresentada no tópico anterior.

3.3.Controle de potência Outro ponto importante a considerar no projeto é a capacidade de controlar a potência desejada dos LEDs. Uma solução viável a isso seria o controle direto da corrente de entrada, visto que a potência elétrica depende desta e da voltagem. Outra opção é o controle por PWM (Pulse width modulation), que teoricamente pode ser implementado utilizando-se o próprio CI 555 (citado na seção Circuito integrado (CI) 555). 4CONCLUSÃO O principal foco do projeto é a criação do dispositivo de LEDs, discutido neste texto, que simplifique o trabalho em laboratório. Os pesquisadores não devem gastar tempo, ou disposição, sem necessidade, no que envolver o aparato de iluminação de experimentos em PDT.

REFERÊNCIAS

BAGNATO, V. S. et al. PDT experience in Brazil: A regional profile. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 22 June 2005. 107—118. KAGEL, H. In-vitro analysis of the influence of the photosensitizer Methylin Blue and metallic nanoparticles on S.Aureus growth in the non-oncological photodynamic therapy. Master's Thesis, 23 July 2010. MACHADO, A. E. D. H. Terapia fotodinâmica: princípios, potencial de aplicação e perspectivas. Terapia fotodinâmica: princípios, potencial de aplicação e perspectivas, 08 Julho 1999. MANG, T. S. Dosimetric concepts for PDT. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, n. 5, 26 October 2008. 217-223. OPTICAL Absorption of Methylene Blue. Oregon Medical Laser Center. Disponivel em: <http://omlc.ogi.edu/spectra/mb/index.html>. Acesso em: 13 Setembro 2010. PAULINO, T. P. et al. Use of Visible Light-based Photodynamic Therapy to Bacterial Photoinactivation. Biochemistry and Molecular Biology Education, 33, n. 1, 2005. 46-49.

APÊNDICES APÊNDICE A – Cronograma do projeto (feito no Google Calendar)

Figura - Cronograma de Setembro

Figura - Cronograma de Outubro