Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761
Estudo do estímulo de colágeno através da aplicação de luz led
Study of collagen stimulation through led light application
DOI:10.34117/bjdv6n7-578Recebimento dos originais: 03/06/2020 Aceitação para publicação: 22/07/2020
Maiara Forte Pires de Camargo Bacharel em Engenharia Biomédica
Instituição: Pontifícia Universidade Católica de São Paulo
Endereço: Rua Marquês de Paranaguá,111, Consolação, São Paulo, Brasil E-mail: maiara.forte.mf@gmail.com
Talitha Nicoletti Regis
Doutora em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Instituição: Pontifícia Universidade Católica de São Paulo
Endereço: Rua Marquês de Paranaguá,111, Consolação, São Paulo, Brasil E-mail: tnregis@pucsp.br
RESUMO
Atualmente, o uso e o interesse em aplicações dos diodos emissores de luz, conhecidos como – LEDs, não se limitam ao campo da Engenharia Eletrônica uma vez que esses dispositivos estão sendo cada vez mais explorados no campo da Engenharia Biomédica e na Medicina, como forma de terapia alternativa, principalmente na dermatologia. A fototerapia e a terapia dinâmica com o emprego de fontes de luz de baixa potência podem propiciar um recurso terapêutico opcional aos convencionais ou ser utilizado em conjunto com estes, com a vantagem do baixo custo, fácil manuseio, sem contra-indicação, além de se caracterizarem procedimentos não invasivos. A fototerapia com LED estimula a atividade celular, por meio da ativação de fotorreceptores disponíveis nas mitocôndrias, dessa forma, são aumentadas a circulação sanguínea e a taxa de ATP no organismo, o que fornece maior quantidade de oxigênio e nutrientes para produção de fibroblastos, responsáveis pela formação de colágeno. Deste modo, o objetivo deste trabalho é projetar um circuito elétrico de um equipamento de fototerapia simples com um comprimento de onda que estimule a produção de colágeno, em uma placa de circuito impresso didática, que possa ser utilizada pelos alunos nos laboratórios de eletrônica médica.
Palavras-chave: Colágeno, fibroblastos, fototerapia, LED, dermatologia. ABSTRACT
Currently, the use and interest in applications of light emitting diodes, known as - LEDs, are not limited to the field of Electronic Engineering since these devices are being increasingly explored in the field of Biomedical Engineering and Medicine, as a way alternative therapy, mainly in dermatology. Phototherapy and dynamic therapy with the use of low power light sources can provide an optional therapeutic resource to conventional ones or be used in conjunction with them, with the advantage of low cost, easy handling, without contraindication, in addition to characterize non-invasive procedures. LED phototherapy stimulates cell activity by activating photoreceptors available in mitochondria, thereby increasing blood circulation and the rate of ATP in the body, which provides a greater amount of oxygen and nutrients for the production of fibroblasts, responsible for by the formation of collagen. Thus, the objective of this work is to design an electrical circuit for a simple
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phototherapy equipment with a wavelength that stimulates the production of collagen, on a didactic printed circuit board, which can be used by students in medical electronics laboratories.
Keywords: Collagen, fibroblasts, phototherapy, LED, dermatology. 1 INTRODUÇÃO
O colágeno é uma proteína fundamental insolúvel, presente no tecido conjuntivo, proveniente da matriz extracelular produzida naturalmente pelo corpo que tem a função de estruturar, proporcionar firmeza e elasticidade à pele, no entanto, é importante ressaltar que a partir dos 50 anos de idade, ocorre uma redução drástica na sua produção, tendo uma queda de 35%, o que ao longo do tempo, leva a uma aparência mais envelhecida [1]. A importância dessa proteína está relacionada a sua propriedade de manter as células firmes e unidas, influenciando também na integridade dos músculos, ligamentos, tendões e das articulações [1]. A ausência do colágeno no organismo pode causar diversos problemas, onde destacamos com maior relevância os ligados com a parte estética, que acabam ocasionando danos a autoestima pessoal, acarretando abalos psicológicos e emocionais. A falta dessa substância que nos remete a juventude provoca: o aumento da flacidez, perda de elasticidade da pele, surgimento de rugas e linhas de expressão, pele fina e desidratada e no considerável aumento do tempo de cicatrização e regeneração [1]. A perda do colágeno pode ser acelerada pelo consumo de álcool e açúcar, pela prática do tabagismo e exposição inadequada ao sol, porém pode ser evitada pelo hábito diário da atividade física e da boa alimentação.
Cada molécula de colágeno é formada por três cadeias polipeptídicas, formadas por cerca de 1000 aminoácidos cada uma, em forma de hélice orientadas para a direita, enroladas uma em torno da outra [2].
A fototerapia realizada por meio dos dispositivos com LED – Diodo Emissor de Luz, não coerente e de baixa potência, vem se destacando como uma solução na prevenção do envelhecimento de pele, pois serve como uma forma de estímulo na produção de novas fibras de colágeno [3].
O LED é um diodo semicondutor que, quando energizado, produz luz visível de espectro limitado, em forma de eletroluminescência [3]. Experimentos, utilizando LEDs com diferentes comprimentos de onda, demonstraram um significativo aumento da proliferação celular em uma variedade de linhagens celulares, como fibroblastos, osteoblastos, células musculares, células epiteliais humanas e células mesenquimais [4].
A LED terapia baseia-se na ativação das mitocôndrias propiciando um incremento da síntese de trifosfato de adenosina (ATP) e, consequentemente do metabolismo celular. Esse processo pode ser notado nos fibroblastos que, aumentam a formação de colágeno. Além de estimular a produção
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761 de fibras colágenas (proteínas que dão sustentação à pele), o LED promove a redução da produção de colagenase que é uma enzima responsável pela destruição do colágeno em excesso [4].
Estudos desenvolvidos pela NASA (National Aero Space Agency) nos Estados Unidos demonstraram que a eficiência dos LEDs em processos de foto estimulação celular é semelhante à dos lasers de baixa potência mas com as vantagens de serem mais baratos, de maior facilidade de manuseio e operarem com correntes elétricas relativamente baixas em comparação aos últimos [4,5].
A fototerapia de baixa intensidade a partir do uso de LEDs transporta energia para as células, atingindo a camada mais profunda da pele através da irradiação eletromagnética de baixa frequência. Esta terapia se caracteriza por ser não invasiva pois não emite raios UV (ultra violeta), o que acaba permitindo uma inibição do aumento da temperatura da superfície epitelial. Estas características possibilitam um resultado de recuperação gradativo, seguro e indolor, propiciando um recurso terapêutico opcional aos convencionais ou ser utilizado em conjunto com estes [6] [7] [8].
O fibroblasto, célula mais comum do tecido conjuntivo é o grande responsável pela formação de colágeno no nosso organismo. No tecido conjuntivo, essa célula não se divide com frequência, entretanto entram em mitose quando induzidas por um fator externo de radiação luminosa ou quando solicitados em caso de lesões [9].
O estímulo luminoso à proliferação de fibroblastos se dá por uma intensificação do gradiente eletroquímico na matriz mitocondrial, acelerando a proliferação e a produção do colágeno do tipo 1. Esse processo ocorre devido a modulação da expressão do gene de colágeno na transcrição, que aumenta o nível de RNA do colágeno, intensificando a captação de ácido ascórbico. Este, eleva a formação de hidroxiprolina, que é precursora da molécula de colágeno [10] [11].
Estudos tem mostrado que a terapia LED ajuda no aumento do nível de ácido ascórbico nos fibroblastos, contribuindo de maneira mais significativa com a formação da hidroxiprolina citada anteriormente. A vitamina C constitui um cofator primordial para a hidroxilação da prolina e lisina durante a síntese colagênica [6] [10].
Outro fator importante na elevação dos níveis de colágeno com a aplicação da ledterapia, se baseia no fato de que a radiação luminosa age como fotoinibidor da enzima colagenase, a qual é responsável pela degradação do colágeno bom em excesso no organismo [10] [11].
2 MÉTODOS E PROCEDIMENTOS
O equipamento de ledterapia desenvolvido no decorrer desse projeto, consiste, basicamente, nos seguintes componentes: diodos emissores de luz, resistores, transistores, botões tácteis de 4 pinos e microcontrolador arduino UNO.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Para o desenvolvimento do circuito, foi avaliada a possibilidade da colocação de mais um tipo de coloração de LED no projeto proposto, pois desta forma, a gama de utilizações e tratamentos seria amplificada, retornando em benefícios aos usuários e pacientes submetidos aos tratamentos de ledterapia envolvendo tais equipamentos. O circuito completo utilizado para a realização de procedimentos de ledterapia na cor vermelha será utilizado para desencadear um maior potencial de ação das células envolvidas no processo de cicatrização, proporcionando um aumento considerável na produção de fibroblastos com consequente extensão do número de fibras de colágeno no nosso organismo. Desta forma, foi escolhido o LED azul como forma de tratamento adicional e complementar ao LED vermelho, o qual é o foco do projeto em questão.
O LED com luz visível azul (420-490nm) age como um bactericida, pois seu comprimento de onda atinge a parte superficial da pele (epiderme), produzindo oxigênio que gera estresse oxidativo, ocasionando a destruição das bactérias presentes como as que desenvolvem a acne. Portanto, a fototerapia com luz incidente azul tem como principal indicação o tratamento da acne vulgaris, pois estimula a produção de citocinas pró-inflamatórias, acelerando a fisiologia da inflamação e reduzindo as lesões e consequentemente a dor [12].
Como exemplo, foram utilizados o LED vermelho com tensão de 1,8 – 2,0V e corrente máxima de 20 mA e o LED azul com tensão de 2,5 – 3,0V e corrente máxima de 20 mA. O valor da resistência mínima que deverá ser utilizada para limitar a corrente nos LEDs é calculada através da equação (1): Considera-se fonte de tensão contínua de 5 V.
𝑅𝑆é𝑟𝑖𝑒 ≥ 𝑉𝐹𝑜𝑛𝑡𝑒 − 𝑉𝐷𝑖𝑟𝑒𝑡𝑎 𝐼𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 (1)
No desenvolvimento completo dos circuitos para a construção do protótipo de um equipamento de Ledterapia foram utilizados resistores de 150Ω e 1kΩ, LEDs de coloração vermelha e azul, transistores do tipo BC548 [13], botões tácteis de 4 pinos e um arduino uno. O circuito foi desenvolvido e projetado a partir do software Multisim e é apresentado na figura 1.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 1 – Circuito completo para o tratamento de fototerapia desenvolvido no software Multisim.
O projeto conta ainda com uma programação construída a partir da linguagem computacional C/C++. O código elaborado possui a incumbência de tornar o sistema do equipamento de fototerapia automatizado e inteligente, fazendo com que o microcontrolador presente no arduino execute leituras analógicas, como por exemplo se comunicar com algum módulo ou dispositivo. O código implementado possui a função de controlar o manuseio dos botões presentes nos circuitos com as funções ligado/desligado, além de controlar o tempo e intensidade luminosa dos LEDs, a partir do momento em que o botão é acionado para ligar as fontes luminosas
3 RESULTADOS
O circuito elétrico do protótipo de um equipamento de Ledterapia desenvolvido com duas opções de fontes luminosas foi implementado no software Ultiboard de modo a projetar o desenho que seria inserido na placa do circuito impresso. Em seguida, foi realizado todo o procedimento para a impressão da placa do circuito e a soldagem dos dispositivos que o compõe, figura 2.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Figura 20 – Circuito concluído na PCI, mostrando o funcionamento dos LEDs vermelhos e azuis.
Os diodos emissores de luz (LEDs) devem ser posicionados próximos da região da pele designada para o tratamento de fototerapia, os quais são responsáveis por promover um aumento do metabolismo celular através de uma reação fotoquímica causada pela penetração da luz para tecidos superficiais e profundos, dependendo basicamente do seu comportamento e onda, variando assim a sua coloração [14].
A terapia pode ser escolhida de acordo com cada paciente, podendo este, utilizar somente uma ou ambas as formas de tratamento, viabilizando e otimizando custo e tempo de procedimento.
O tratamento pode ser intercalado, fazendo-se o uso das duas opções de cor de LED em uma única sessão, ou então contínuo, onde faz-se o uso de apenar uma incidência de luz em todo o período designado para o tratamento.
O código executado pelo arduino para o correto funcionamento do projeto foi feito a partir do controle dos botões presentes nos circuitos, os quais possuem a função de ligar ou desligar cada um deles, sendo esses independentes, podendo acender ou apagar os LEDs de ambos ao mesmo tempo ou então de forma isolada, assegurando que apenas um circuito fique ligado.
A programação realizada também visa controlar a intensidade e frequência com que os LEDS atuam nos circuitos, provocando um melhor desempenho no tratamento, onde serão estimuladas as células superficiais e profundas do tecido epitelial. A profundidade de penetração dos LEDs é relacionada com o comprimento de onda dos mesmos, sendo que, LEDs com elevados comprimento de onda penetram mais profundamente que os LEDs de pequenos comprimentos de onda. Isso ocorre porque quanto menor o comprimento de onda, maior é a frequência do LED.
Braz. J. of Develop., Curitiba, v. 6, n. 7, p. 49796-49803, jul. 2020. ISSN 2525-8761 Dessa forma, o tempo de intensidade luminosa utilizado pelo LED vermelho deve ser alto, pois a frequência de incidência de luz vermelha deve ser baixa, possibilitando assim, uma maior penetração de luz a partir do momento em que ela é dirigida sobre a região da pele designada para o tratamento do aumento de colágeno, acionando todas as células responsáveis no decorrer desse processo.
No entanto, quando colocamos um tempo de intensidade luminosa mais baixo, o resultado será uma frequência maior para o desempenho do LED azul, esse, terá um menor comprimento de onda, portanto um menor grau de penetração, o que acarreta em um melhor desempenho para o tratamento da acne e outros problemas localizados na parte superior da pele.
4 CONCLUSÕES
O estudo bibliográfico realizado ao longo do trabalho, possibilitou a compreensão da ledterapia como instrumento de intensificação do desencadeamento metabólico onde dois comprimentos de ondas foram estudados. Além da implementação do circuito elétrico em PCI, utilizou-se Arduino para programação e execução da lógica para diferenciar os dois tipos de circuitos. Tendo em vista que o LED vermelho age na parte mais profunda da pele, atingindo os fotorreceptores disponíveis nas mitocôndrias, colaborando assim com uma maior produção de fibroblastos responsáveis pelo aparecimento do colágeno no organismo, o uso do LED azul mostra-se ter uma maior influência na parte superior da pele, agindo como um bactericida e eliminando os efeitos da acne, proporcionando também clareamento de manchas e hidratação.
REFERÊNCIAS
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[3] IMAMURA, S. T. et al. Efeitos do envelhecimento e do exercício físico sobre o colágeno do músculo esquelético humano. Rev Bras Reumatol, v. 39, n. 1, p. 35-40, 1999.
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[11] PAGNATO, L. O. Aspectos Básicos do processo cicatricial e fatores gerais relacionados com a reparação tecidual. Revista científica eletrônica de medicina veterinária, n. 12, 2009.
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[13] Fairchild Semiconductor – BC548: NPN General Purpose Amplifier– Datasheet.
[14] PAOLILLO, F. R., et al. Fototerapia na função muscular, perfil metabólico e qualidade de vida de mulheres na pós-menopausa. Sociedade Brasileira de Engenharia Biomédica - SBEB, 2014.
