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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2020.tde-13022020-121829
Documento
Autor
Nome completo
Marlon Rodrigues Garcia
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2019
Orientador
Banca examinadora
Magalhães, Daniel Varela (Presidente)
Bachmann, Luciano
Lins, Emery Cleiton Cabral Correia
Schiabel, Liliane Ventura
Siqueira, Adriano Almeida Gonçalves
Título em português
Desenvolvimento de um sistema para aplicação e monitoramento online da terapia fotodinâmica de câncer de pele do tipo não melanoma via imagens de fluorescência da protoporfirina-IX no infravermelho próximo
Palavras-chave em português
Dosimetria
Infravermelho próximo (NIR)
Monitoramento
Teranóstico
Terapia Fotodinâmica (TFD)
Resumo em português
O presente trabalho é dedicado ao desenvolvimento, caracterização e experimentação de um sistema capaz de realizar e monitorar a terapia fotodinâmica (TFD) de câncer de pele do tipo não melanoma, via imagens de fluorescência da protoporfirina-IX (PpIX). O monitoramento é realizado com a aquisição da fluorescência em torno de 700 nm, excitada pela própria iluminação de tratamento (633 nm), o que aumenta a penetração da luz no tecido, e simplifica a tecnologia. Utilizou-se um filtro óptico passa baixa para filtrar a excitação, e um passa banda para coletar a fluorescência. Quatro circuitos principais controlaram o sistema: de alimentação geral, de alimentação do laser, controle de temperatura, e circuito de fotodetecção. Juntamente com os circuitos, um computador portátil contendo um algoritmo escrito em LabVIEW (National Instruments, EUA) foi utilizado para se controlar o sistema: câmera digital, placa de aquisição, e espectrômetro (quando em uso). O sistema foi montado em uma caixa com 30 cm × 34 cm × 8 cm, contendo, também, uma ponta de prova que pode ser levada até ao paciente. Montado o sistema, o mesmo foi caracterizado para a medição da fluorescência da PpIX em um phantom feito para se mimetizar as propriedades ópticas da pele. Neste experimento, foi possível se obter uma alta linearidade, e uma considerável sensibilidade, sendo seu limite de detecção de aproximadamente 500 nM. Também realizou-se um estudo em modelo animal, com seis camundongos, nos quais foram induzidos tumores de células da linhagem carcinoma espinocelular. Para esse estudo, tratou-se os tumores com o presente equipamento, à uma irradiância de 50 mW/cm², durante 40 minutos. Durante o tratamento, imagens de fluorescência foram adquiridas utilizando-se o protótipo desenvolvido, e utilizando-se um equipamento comercial (Lince, MMOptics, Brasil) com excitação violeta (407 nm), para comparação. Obtendo-se as curvas de fotobranqueamento, foi possível se observar maiores valores de tempo de decaimento médio para a fluorescência excitada no vermelho (medida pelo protótipo), do que para a excitada pelo violeta (equipamento comercial). Esse resultado indica que a excitação vermelha pode penetrar regiões mais profundas, adquirindo informação de camadas mais internas do tumor. Para as imagens excitadas pelo violeta, foi possível se notar um rápido decaimento do sinal de fluorescência, de modo que, já na metade do tratamento, a fluorescência da lesão era menor do que no tecido saudável em redor. Para as imagens excitadas pelo vermelho, entretanto, até o final do tratamento a intensidade de fluorescência foi maior no interior da lesão, podendo-se, inclusive, delimitar a borda da lesão até na última imagem de fluorescência adquirida. Portanto, faz-se interessante a utilização desse sistema para o tratamento e monitoramento da TFD de lesões de pele, com potencial de quantificar o dano fotodinâmico, prever o resultado terapêutico, melhorar o entendimento da terapia, e permitir a aplicação de um protocolo customizado, que altera seus parâmetros para melhor atender as necessidades de cada lesão. Isso aumentaria as taxas de cura da TFD, possibilitando sua maior adesão entre os clínicos, como ferramenta padrão de tratamento de câncer de pele do tipo não melanoma.
Título em inglês
Development of a system to apply and online monitor photodynamic therapy of non-melanoma skin cancer using the near-infrared protoporphyrin-IX fluorescence
Palavras-chave em inglês
Dosimetry
Monitoring
Near Infra-Red (NIR)
Photodynamic Therapy (PDT)
Theranostic
Resumo em inglês
This work is dedicated to the development, characterization, and experimentation of a system capable to perform and monitor the photodynamic therapy (PDT) of nonmelanoma skin cancer, via protoporphyrin-IX (PpIX) fluorescence images. The monitoring is performed with the acquisition of fluorescence around 700 nm, excited by the red treatment light (633 nm) itself, which increases its penetration into the tissue and simplify the technology. We used a short-pass filter to filter the excitation, and a band-pass filter to collect fluorescence. Four main circuits controlled the system: general power, laser driver, temperature control, and photodetection circuit. Together with the circuits, a laptop with an algorithm written in LabVIEW (National Instruments, USA) was used to control the system, responsible to the control of the digital camera, the acquisition board, and the spectrometer (when in use). The system was assembled into a box with dimensions 30 cm × 34 cm × 8 cm, also containing a probe that can be taken to the patient. With the system assembled, it was characterized for the PpIX fluorescence measurement in a phantom made to mimic the skin optical properties. In this experiment, it was possible to obtain high linearity and a considerable sensitivity between the nominal concentration and the fluorescence detected, with a detection threshold of approximately 500 nM. An animal model study was carried out using six mice, in which squamous cell carcinoma cell tumors were induced. For this study, the tumors were treated with the here presented equipment, applying an irradiance of 50 mW/cm² for approximately 40 minutes. Throughout the treatment, fluorescence images were acquired using the developed prototype, and with a commercial equipment (Lince, MMOptics, Brazil) with violet excitation (407 nm), for comparison. Obtaining the photobleaching curves, it was possible to observe higher mean decay time values for the red-excited fluorescence (measured by the prototype), than for the violet-excited fluorescence (commercial equipment). This result indicates that the red excitation can penetrate into deeper tissue regions, acquiring information from the innermost layers of the tumor. For the violet-excited images, it was possible to note a fast decay of fluorescence signal, so that in the middle of the treatment, the fluorescence intensity in the lesion was smaller than in the surrounding healthy tissue. For the red-excited images, instead, the fluorescence intensity in the lesion was always higher than in the surrounding tissue, and even the lesion border could be delimited until the last acquired fluorescence image. Therefore, it is interesting to use this system for the PDT treatment and monitoring of skin lesions, with the potential to quantify photodynamic damage, predict the therapeutic outcome, improve the understanding of therapy, and allow the application of a customized protocol, which changes its parameters to better meet the needs of each lesion. This would increase the cure rates of PDT, enabling its greater adoption by clinicians as a standard non-melanoma skin cancer treatment.
 
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Data de Publicação
2020-02-17
 
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