2021
Núcleo de Pesquisas em Ciências Biológicas Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia PPGBIOTEC
Obtenção e estudo de adesivo tópico,
radioluminescente e
antioxidante para potencial aplicação como dosímetro e radioprotetor no tratamento radioterápico.
Tese
Mariane Satomi Weber Murase
OBTENÇÃO E ESTUDO DE ADESIVO TÓPICO, RADIOLUMINESCENTE E ANTIOXIDANTE PARA
POTENCIAL APLICAÇÃO COMO DOSÍMETRO E
RADIOPROTETOR NO TRATAMENTO RADIOTERÁPICO.
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia da Universidade Federal de Ouro Preto como parte das exigências para obtenção do grau de doutora em Biotecnologia
Orientador: Prof. Dr. Orlando David Henrique dos Santos - UFOP
OURO PRETO – MG 2021
Murase, Mariane Satomi Weber .
MurObtenção e estudo de adesivo tópico, radioluminescente e
antioxidante para potencial aplicação como dosímetro e radioprotetor no tratamento radioterápico. [manuscrito] / Mariane Satomi Weber Murase. - 2021.
Mur98 f.: il.: color., gráf., tab..
MurOrientador: Prof. Dr. Orlando David Henrique dos Santos.
MurCoorientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi.
MurTese (Doutorado). Universidade Federal de Ouro Preto. Núcleo de Pesquisas em Ciências Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia.
MurÁrea de Concentração: Biotecnologia Aplicada à Saúde Humana e Animal.
Mur1. Materiais biomédicos. 2. Radiação - Dosimetria. 3. Proteção radiológica. 4. Polímeros. I. Bianchi, Rodrigo Fernando. II. Santos, Orlando David Henrique dos . III. Universidade Federal de Ouro Preto. IV. Título.
Bibliotecário(a) Responsável: Celina Brasil Luiz - CRB6-1589 M972o
CDU 606:616
PRO-REITORIA DE PESQUISA, POS-GRADUACAO E INOVACAO
NUCLEO DE PESQUISAS EM CIENCIAS BIOLOGICAS PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM BIOTECNOLOGIA
FOLHA DE APROVAÇÃO
Mariane Satomi Weber Murase
Obtenção e estudo de adesivo transdérmico, radioluminescente e an oxidante para potencial aplicação como dosímetro e radioprotetor no tratamento radioterápico
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito parcial para obtenção do tulo de doutor
Aprovada em 14 de julho de 2021
Membros da banca
Doutor - Orlando David Henrique dos Santos - Orientador (Universidade Federal de Ouro Preto) Doutora - Giovana Ribeiro Ferreira - (Universidade Federal dos Vales do Jequi nhonha e Mucuri)
Doutora - Mariana de Melo Silva - (Universidade Federal de Ouro Preto) Doutora - Patrícia Nicolucci - (Universidade de São Paulo)
Doutor - André Luís Morais Ruela - (Universidade Federal de Ouro Preto)
Orlando David Henrique dos Santos, orientador do trabalho, aprovou a versão final e autorizou seu depósito no Repositório Ins tucional da UFOP em 20/09/2021
Documento assinado eletronicamente por Orlando David Henrique dos Santos, PROFESSOR DE MAGISTERIO SUPERIOR, em 21/09/2021, às 15:03, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.
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Referência: Caso responda este documento, indicar expressamente o Processo nº 23109.006998/2021-86 SEI nº 0193153
R. Diogo de Vasconcelos, 122, - Bairro Pilar Ouro Preto/MG, CEP 35400-000 Telefone: - www.ufop.br
“Onde meus talentos e paixões encontram as necessidades do mundo, lá está meu caminho, meu lugar.”
Aristóteles
Aos meus pais, como sempre foi e sempre será.
E ao Brasil que, mais do que nunca, precisa valorizar a ciência.
Agradecimentos
Agradeço a todas as mulheres que vieram antes de mim, cientistas ou não, que lutaram para que minha voz fosse ouvida e para que eu pudesse estar aqui. A todas as Chicas, Dandaras, Joanas, Judiths, Patrícias, Simones e Marielles.
Aos Meus pais por me inspirarem e me apoiarem. À minha irmã por ter se tornado uma grande amiga. Aos meus sobrinhos por me fazerem sorrir mesmo nos dias mais difíceis e por me incentivarem a ser sempre a minha melhor versão.
A todos os meus amigos que estiveram ao meu lado, nas alegrias e tristezas desse doutorado e da vida. À Fernanda, por ser uma versão de mim tão diferente e me dar força e coragem para tomar as decisões necessárias. E ao Almando, por ter dividido comigo a casa e a pessoa incrível que ele é.
Aos 47.040.906 brasileiros que, em outubro de 2018, tentaram fazer com que o Brasil não fosse entregue nas mãos de um governo fascista e desqualificado.
Ao Orlando, por ter aceitado me orientar, por ser tão compreensivo e por, durante todo o tempo de desenvolvimento deste trabalho, se mostrar disposto a me ensinar. Seguirei este exemplo sempre.
Ao Rodrigo, por ter me proporcionado a oportunidade de fazer parte de um laboratório tão incrível quanto o LAPPEM, de onde levo amizades para toda a vida.
A todos os pesquisadores que me auxiliaram durante a minha trajetória.
Por último, à Fabi, por cada momento juntas, por cada abraço apertado, por me acalmar quando preciso, por me entender, por me apoiar e por me dar todo esse amor, que eu nem sabia que merecia receber.
Que sorte a minha, por todos vocês.
RESUMO
O câncer é uma das principais causas de morbidade e mortalidade no mundo e a radioterapia é um dos tratamentos mais efetivos para a cura, sendo requerido em, pelo menos, 50% dos casos da doença. Porém, seu desempenho pode ser afetado por diversos fatores, de forma que frequentemente são noticiados casos de doses errôneas aplicadas durante o tratamento. Além disso, a utilização não monitorada da radiação pode danificar células saudáveis, como as da pele. Neste contexto, este trabalho traz uma proposta inédita: unir em um filme uma substância capaz de proteger a pele dos danos causados pela radioterapia e um material que apresente mudanças óticas frente a radiação e possa servir como um indicador de dose. Para tanto, foram estudados, por espectroscopia de luminescência e de absorção no UV- Vis, os comportamentos óticos frente à radiação ionizante (Raios x) de dois cintiladores plásticos: 2,5-difeniloxazol (PPO) e 1,4-di(5-fenil-2-oxazolil)benzeno (POPOP), e de um polímero conjugado: poli[2-metóxi,5-(2'etil-hexiloxi)-p-fenilenovinileno] (MEH-PPV). Foram preparados filmes contendo estas substâncias em matrizes de poliestireno (PS) e policloreto de vinila (PVC) e a influência dessas no comportamento ótico dos filmes foi avaliada. Além disso, foi desenvolvido um filme contendo N-acetilcisteína (NAc), um derivado da cisteína que apresenta ação antioxidante e tem grande potencial para tratamento de lesões cutâneas.
Possíveis interações entre a substância antioxidante e a matriz polimérica foram avaliados por espectroscopia de absorção na região do infravermelho (espectroscopia IV), já o perfil de liberação da substância ativa foi avaliada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE).
Os espectros dos filmes de PS apresentaram resposta apenas a doses altas. Já os filmes de PVC apresentaram boa resposta ótica a doses baixas e, portanto, se mostraram mais promissores como dosímetro para doses baixas de radiação ionizante. Os resultados da espectroscopia IV mostraram que não houve interação química entre a substância antioxidante e a matriz polimérica e, portanto, foi possível admitir que a NAc manteve suas propriedades. Não obstante, foram preparados filmes com ambas as propriedades: radioluminescentes e antioxidantes. Esses foram preparados com três metodologias distintas e suas propriedades óticas e de liberação também foram analisadas. Os resultados mostraram que a deposição do filme antioxidante sobre o filme radioluminescente apresentou os melhores resultados para a aplicação desejada. O filme obtido se mostrou de grande potencial como dosímetro e radioprotetor para aplicação no tratamento radioterápico, sendo necessária a realização de testes quantitativos e in vivo, em estudos posteriores.
Palavras-chave: Biomateriais, Dosimetria, Radioproteção, Polímeros.
ABSTRACT
Cancer is one of the leading causes of morbidity and mortality in the world and radiotherapy is one of the most effective treatments for cure, being required in at least 50% of the cases. However, its performance can be affected by several factors and cases of erroneous doses applied during treatment are often reported. Moreover, the unmonitored use of radiation can damage healthy cells, such as those of the skin. In this context, this work brings a new proposal: to produce and study a film with a substance capable of protecting the skin from radiotherapy damage and a material that presents optical changes under radiation and can work as a dose indicator. For this, the optical behavior of two plastic scintillators was studied by luminescence spectroscopy and UV-Vis absorption, under ionizing radiation (X-rays): 2,5- diphenyloxazole (PPO) and 1,4-di(5-phenyl-2-oxazolyl)benzene (POPOP). Furthermore a conjugated polymer have also been studied under these conditions: poly[2-methoxy,5-(2'ethyl- hexyloxy)-p-phenylenevinylene] (MEH-PPV). Films containing these materials were prepared on polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC) matrices and the influence of these on the optical behavior of the films was evaluated. In addition, a film containing N-acetylcysteine (NAc), a cysteine-derivated that presents antioxidant action, was developed. Possible interactions between the antioxidant substance and the polymeric matrix were evaluated by infrared absorption spectroscopy (IR spectroscopy), and the release profile of the active substance was evaluated by high performance liquid chromatography (HPLC). The spectra of PS films showed response only at high doses. PVC films showed good optical response at low doses and, therefore, are more promising as dosimeters for low doses of ionizing radiation. The IR spectroscopy results showed that there was no chemical interaction between the antioxidant substance and the polymeric matrix and, therefore, it was possible to admit that NAc kept its properties. Nevertheless, films with both radioluminescent and antioxidant properties were prepared. These were prepared with three different methodologies and their optical and release properties were also analyzed. The results showed that the deposition of the antioxidant film over the radioluminescent film presented the best results for the desired application. The film obtained showed great potential as a dosimeter and radioprotector for application in radiotherapeutic treatment, requiring further quantitative and in vivo tests in subsequent studies.
Keywords: Biomaterials, Dosimetry, Radioprotection, Polymers, Transdermal.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Estrutura química do polímero conjugado trans-poliacetileno (t-PA) ... 27
Figura 2: Um carbono hibridizado sp2. Os três orbitais híbridos equivalentes sp2 situam-se em um plano e são separados uns dos outros por ângulos de 120°, e um único orbital p não hibridizado, perpendicular ao plano sp2. ... 28
Figura 3: Sobreposição de dois carbonos hibridizados sp2 para formar a dupla ligação carbono–carbono. Uma parte da dupla ligação resulta da sobreposição σ (frontal) de orbitais sp2 e a outra parte resulta da sobreposição π (lateral) de orbitais p não hibridizado. ... 28
Figura 4: Diagrama, em distribuição de energia, da formação de orbitais moleculares entre dois átomos de carbono sp2 ... 30
Figura 5: Estrutura de Bandas de polímeros conjugados. ... 30
Figura 6: Representação esquemática do processo de transferência de energia responsável por transformar o detector plástico em chave ótica para o polímero fotoluminescente. ... 34
Figura 7: Estrutura monomérica do MEH-PPV ... 37
Figura 8: Espectros de absorção e luminescência do MEH-PPV em clorofórmio (adaptado de FERREIRA, 2013) ... 38
Figura 9: Fórmulas estruturais dos cintiladores PPO e POPOP. ... 39
Figura 10: Espectros de absorção e emissão dos cintiladores POPOP e PPO comparados aos espectros do MEH-PPV. (Adaptado de BRUÇÓ, 2009 e FERREIRA, 2013) ... 39
Figura 11: Fórmula estrutural do poliestireno ... 40
Figura 12: Fórmula estrutural do policloreto de vinila ... 41
Figura 13: Soluções de PS:CHCl3 e PVC:THF ... 43
Figura 14: Lâmina de microscópio utilizada como base para a formação dos filmes. ... 43
Figura 15: Vista frontal e lateral dos filmes de PS (a e b) e PVC (c e d) ... 44
Figura 16: Filmes de a) PS:PPO:POPOP:MEH-PPV e b) PVC:PPO:POPOP:MEH-PPV ... 45
Figura 17: Fórmula estrutural da N-acetilcisteína ... 46
Figura 18: Fórmula estrutural do Kollicoat Protect. ... 47
Figura 19: Filme radioprotetor a) KP:NAC ... 48
Figura 20: Fórmula estrutural da Polivinilpirrolidona. ... 49
Figura 21: Espectros de absorção de filmes de MEH-PPV; fotoluminescência de filmes de MEH-PPV; radioluminescência de filmes contendo PPO e POPOP; radioluminescência de filmes de MEH-PPV contendo PPO e POPOP e emissão de LED azul; tendo como matriz a)Poliestireno e b)Policloreto de Vinila ... 57
Figura 22: Radioluminescência de filme de PPO:POPOP ... 58
Figura 23: Radioluminescência do Filme RA (PPO:POPOP:MEH-PPV) ... 59
Figura 24: Espectros de radioluminescência para os filmes PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV para 0; 3,6 e 7,2 KGy ... 60
Figura 25: Diminuição da intensidade do pico de luminescência do MEH-PPV em 575 nm. . 61
Figura 26: Amostra do filme PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV iradiados com a) 0; b) 3,6 e c) 7,2 KGy ... 62
Figura 27: Espectros de radioluminescência para os Filmes R com matriz de PS para 0 e 40 Gy ... 62
Figura 28: Espectros de radioluminescência dos filmes PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV:PB para 0 Gy ; 40 Gy, 3,6 KGy e 7,2 KGy. ... 63
Figura 29: Filme PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV:PB ... 64
Figura 30: Espectros de radioluminescência de 550 a 625 nm dos filmes PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV:PB para doses de 0 Gy ; 40 Gy, 3,6 KGy e 7,2 KGy. ... 65
Figura 31: Diminuição da intensidade do pico de luminescência do MEH-PPV em 585 nm. . 66
Figura 32:Espectros de radioluminescência dos filmes PVC:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV para doses de 0 Gy ; 40 Gy, 3,6 KGy e 7,2 KGy. ... 67
Figura 33: Diminuição da intensidade do pico de luminescência do MEH-PPV em 580 nm. . 68
Figura 34: Espectros de radioluminescência dos filmes PVC:DINP:PPO:POPOP:MEH- PPV:PB para doses de 0 Gy ; 40 Gy, 3,6 KGy e 7,2 KGy. ... 70
Figura 35:Diminuição da intensidade do pico de luminescência do MEH-PPV em 580 nm. .. 71
Figura 36: Amostras de a) PS:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV:PB; b) PVC:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV e c) PVC:DINP:PPO:POPOP:MEH-PPV:PB; após serem expostas a 7,2 KGy ... 72
Figura 37: Espectros de infravermelho obtidos para o KP, a NAc e KP:NAc. ... 73
Figura 38: Curva de calibração utilizando padrão interno. ... 75
Figura 39: Perfil de liberação do filme A ... 76
Figura 40: Espectro do Filme RA(i) antes e após receber 40 Gy de radiação. ... 78
Figura 41:Espectro do Filme C(ii) antes e após receber 40 Gy de radiação. ... 79
Figura 42:Espectro do Filme C(iii) antes e após receber 40 Gy de radiação. ... 81
Figura 43: Perfil de liberação dos Filmes A, RA(i), RA(ii), RA(iii) ... 83
Figura 44: Sistema tópico controlado por camada matricial adesiva. (HANUMANAIK,2012) ... 84
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 12
2. OBJETIVO ... 14
2.1. Objetivos específicos ... 14
2.2. Estrutura do trabalho ... 14
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
3.1. CÂNCER ... 16
3.2. RADIOTERAPIA ... 17
3.2.1. Pele e radiodermite ... 19
3.3. RADIOBIOLOGIA ... 21
3.3.1. Radioprotetores ... 22
3.3.2. Atividade Antioxidante ... 23
3.3.3. Sistemas Transdérmicos ... 24
3.4. DOSIMETRIA DAS RADIAÇÕES ... 26
3.4.1. Polímeros Conjugados ... 27
3.4.2. Luminescência em Polímeros Conjugados ... 29
3.4.3. Dosímetros Orgânicos ... 31
3.4.4. Cintiladores e Detectores plásticos ... 32
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 34
4.1. FILME RADIOLUMINESCENTE (FILME R) ... 35
4.1.1. REAGENTES E COMPOSTOS UTILIZADOS ... 35
4.1.1.1 Poli[2-metóxi,5-(2'etil-hexiloxi)-p-fenilenovinileno] (MEH-PPV) ... 37
4.1.1.2. 2,5-difeniloxazol (PPO) e 1,4-di(5-fenil-2-oxazolil)benzeno (POPOP) ... 38
4.1.1.3. Peróxido de Benzoíla – Formador de radicais livres ... 40
4.1.1.4. Poliestireno (PS) ... 40
4.1.1.5. Policloreto de Vinila (PVC) ... 41
4.1.1.6. Diisononil ftalato (DINP) ... 42
4.1.2. PREPARO DAS AMOSTRAS ... 42
4.1.2.1. Preparo das soluções de PS e PVC... 42
4.1.2.2. Preparo das soluções e dos filmes cintiladores ... 44
4.1.2.3. Preparo das soluções e dos filmes luminescentes contendo MEH-PPV ... 44
4.2. FILME ANTIOXIDANTE (FILME A) ... 45
4.2.1. REAGENTES E COMPOSTOS UTILIZADOS ... 46
4.2.1.1. N-acetilcisteína (NAC) ... 46
4.1.1.2. Kollicoat® Protect (KP) ... 47
4.2.2. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ... 47
4.2.2.1. Preparo das soluções e dos filmes antioxidantes ... 48
4.3. FILME RADIOLUMINESCENTE-ANTIOXIDANTE (FILME RA) ... 48
4.3.1. REAGENTES E COMPOSTOS UTILIZADOS ... 49
4.3.1.1. Polivinilpirrolidona (PVP) ... 49
4.3.2. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS ... 50
4.3.2.1. Deposição da solução R sobre filme A (i)... 50
4.3.2.2. Deposição da solução A sobre filme R (ii) ... 50
4.2.2.3. União simples dos filmes R e A (iii) ... 50
5. EQUIPAMENTOS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 52
5.1. ANÁLISES ÓTICAS ... 52
5.1.1. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NO UV-VIS ... 52
5.1.2. ESPECTROFOTOMETRIA DE LUMINESCÊNCIA ... 53
5.2. ANÁLISE ESTRUTURAL ... 53
5.3. ESTUDOS DE LIBERAÇÃO ... 54
5.3.1. Curva Padrão ... 54
5.3.2. Liberação in vitro ... 55
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 56
6.1. ANÁLISES DOS FILMES R ... 56
6.1.1. Avaliação da influência da adição de PPO e POPOP nos filmes contendo MEH- PPV... 56
6.1.2. Espectroscopia de radioluminescência ... 59
6.1.2.1. Filme R, com matriz de PS... 60
6.1.2.2. Filme R, com matriz de PS e aditivo PB ... 63
6.1.2.3. Filme R, com matriz de PVC ... 66
6.1.2.4. Filme R, com matriz de PVC e aditivo PB ... 69
6.2. ANÁLISES DO FILME A ... 72
6.2.1. Espectroscopia no infravermelho ... 72
6.2.2. Curva padrão ... 75
6.2.3. Ensaio de liberação in vitro ... 75
6.3. ANÁLISES DO FILME RA ... 77
6.3.1. Espectroscopia de radioluminescência ... 77
6.3.2. Filme RA (i): deposição da solução radioluminescente sobre o Filme A ... 78
6.3.3. FILME RA (II): DEPOSIÇÃO DA SOLUÇÃO ANTIOXIDANTE SOBRE O FILME R ... 79
6.3.4. FILME RA (III): UNIÃO DOS FILMES POR SUBSTÂNCIA ADESIVA. ... 81
6.3.5. LIBERAÇÃO IN VITRO ... 82
7. CONCLUSÃO ... 86 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 88
1. INTRODUÇÃO
O câncer é uma das principais causas de morbidade e mortalidade no mundo e, atualmente, um dos tratamentos mais utilizados é a radioterapia. Depois da cirurgia, esse é o tratamento mais efetivo para a cura, sendo requerido em, pelo menos, 50% de todos casos da doença. Seu mecanismo de ação é causar danos irreversíveis ao DNA celular, impedindo-o de reparar-se ou replicar-se. Para tanto, a aplicação da radiação é feita em um volume tumoral previamente definido, resultando na diminuição ou erradicação do tumor. Os tumores malignos contêm células que se dividem rapidamente e, já que o efeito da radioterapia acontece durante a divisão celular, isso faz com que se tornem vulneráveis ao tratamento radioterápico (NAYLOR e MALLET, 2001; BURNET, et. al., 2004; PEER et. al., 2007; KHAN e ALHOMIDA, 2011).
Sabe-se, porém, que o desempenho dos equipamentos utilizados na radioterapia pode ser afetado por diversos fatores, tais como: acidentes físicos, quebra mecânica, falha de componentes, alterações sofridas pelo tempo de uso, ou erro de manuseio. Desta forma, casos de doses errôneas aplicadas durante o tratamento são frequentes dentro dos tratamentos diários na área de radioterapia hospitalar no Brasil e no mundo. Além disso, mesmo quando o tratamento é feito respeitando as doses corretas, células saudáveis, que apresentam uma taxa naturalmente alta de divisão, podem ser afetadas pela radiação, já que esta, para alcançar as células cancerosas, atravessa tecidos adjacentes saudáveis, causando danos colaterais em vários tecidos do corpo. Neste contexto, devido à sua elevada taxa de proliferação, a pele é um dos órgãos mais afetados pelo tratamento radioterápico (NAYLOR e MALLET, 2001; SAWADA et. al., 2005; BURDAK-ROTHKAMM e PRISE, 2009; CARVALHO, 2014; GIANFALDONI et. al., 2017; SMITH e PREWETT, 2017).
Um dos efeitos colaterais mais comuns provenientes do tratamento radioterápico é uma reação localizada na pele conhecida como radiodermite e estima-se que aproximadamente 95%
dos pacientes tratados com radiação externa desenvolvam alguma forma de reação cutânea.
Desta forma, a alta porcentagem de complicações decorrentes da radioterapia tem despertado uma crescente preocupação que deu origem a diversos campos de pesquisa, dentre eles a radiobiologia em 1928 e a dosimetria das radiações em 1932, que juntos podem agir de forma a proteger o paciente em tratamento radioterápico (DE CONNO et al., 1991; NAYLOR e
MALLET, 2001; PONTUAL et. al., 2004; SAWADA et. al. 2005; BLECHA e GUEDES, 2006;
SCHNUR et. al. 2011; SCHNUR et. al., 2012).
Dentro da radiobiologia, um grande número de pesquisadores tem conduzido estudos sobre a ação radioprotetora de substâncias químicas. Estes efeitos são de considerável importância visto que permitem a redução de danos induzidos pela radiação, bem como providenciam tratamento profilático para estes efeitos deletérios. Estas substâncias, chamadas de radioprotetores, podem ser administrados por via oral ou tópica. Neste sentido, um sistema de liberação de fármacos pode apresentar grandes vantagens e, além disso, com a crescente preocupação no desenvolvimento de dispositivos que permitam o controle em tempo real da dose de radiação administrada, a utilização de um adesivo de liberação tópica permite que na parte superior do adesivo seja confeccionado um sistema radioluminescente que seja capaz de funcionar como dosímetro e suprir esta demanda. (VARANDA E TAVARES, 1998; ARORA et. al.,2005)
Neste contexto, os polímeros conjugados têm sido amplamente estudados como materiais de destaque na confecção de dosímetros devido às alterações de suas propriedades óticas frente à interação com a radiação. Dentre outras características, estes semicondutores orgânicos podem apresentar luminescência quando excitados por corrente elétrica (eletroluminescência), ou radiação (radioluminescência). Além disso, quando há presença de radiação e oxigênio ocorre a perda de eficiência luminosa. Este fato é de grande interesse na confecção de dosímetros radioluminescentes pois permite que se produza um material que apresenta resposta ótica à incidência de radiação, permitindomensurar a quantidade de radiação de forma simples e em tempo real a partir da mudança de sua emissão. Neste sentido, os conhecimentos sobre radiobiologia, juntamente com a dosimetria das radiações, podem abrir portas para o desenvolvimento de um material ou produto que seja capaz de proporcionar maior segurança ao tratamento radioterápico (SCURLOCK 1995; ATREYA, 1999; SCHIMITBERGER, 2011;
SILVA, M., 2011; FERREIRA, 2013; BRAGA, 2015; MURASE, 2015; LOPES, 2016).
2. OBJETIVO
__________________________________________________________________________________
O objetivo deste trabalho foi, a partir dos conhecimentos sobre radiobiologia e dosimetria das radiações: produzir um filme radioluminescente 100% orgânico, um filme a partir de uma substância anti-oxidante, e, por fim, um filme radioluminescente e antioxidante. Tal filme teria potencial aplicação no tratamento radioterápico, na radiocirurgia, bem como em diversos outros nos quais seres humanos são expostos à radiação.
2.1. Objetivos específicos
Para alcançar o objetivo deste estudo, algumas etapas foram definidas:
• encontrar um material que sirva de chave-óptica para o meh-ppv, a fim de ativar sua resposta frente à radiação ionizante;
• produzir filmes radioluminescentes com diferentes matrizes poliméricas (PS e PVC);
• eleger o filme radioluminescente mais viável para potencial utilização como dosímetro;
• escolher um material com propriedades antioxidantes e radioprotetoras;
• produzir filmes antioxidantes;
• produzir filmes que contenham tanto as propriedades radioluminescentes quanto as propriedades antioxidantes.
2.2. Estrutura do trabalho
Para facilitar a leitura e a compreensão do texto, os filmes radioluminescentes serão chamados de Filme R, os filmes antioxidantes de Filme A e o filme que possui ambas as propriedades será denominado Filme RA.
Esta tese foi dividida em 7 partes. No Capítulo 3 é apresentada a revisão da literatura, que aborda desde as principais características do câncer, passando pelo entendimento de seus tratamentos e dos possíveis efeitos deletérios, até as vantagens da utilização de polímeros conjugados e substâncias antioxidantes na prevenção de tais efeitos. Em seguida, no Capítulo
4, são apresentadas as principais características das substâncias utilizadas, além dos métodos de preparação das amostras utilizadas nesse trabalho. Na sequência, no Capítulo 5, são descritos os equipamentos utilizados na caracterização dos filmes. Os resultados obtidos são, então, mostrados, analisados e discutidos no Capítulo 6 e a conclusão é apresentada no Capítulo 7.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo é apresentada uma breve revisão sobre os aspectos teóricos cujo estudo e compreensão se fazem necessários para o desenvolvimento deste estudo. Neste sentido, o presente capítulo aborda desde dados sobre a incidência do câncer e seu tratamento, passando pelos efeitos da radiação no corpo humano e pela necessidade de proteção e monitoramento durante o tratamento radioterápico, até as propriedades de materiais que podem ser utilizados para suprir estas demandas.
Para tanto, é demonstrada a importância da radiobiologia e a possibilidade de se desenvolver materiais que protejam a pele dos efeitos deletérios da radiação. Além disso, é discutida a necessidade do desenvolvimento de sensores que permitam o monitoramento das doses utilizadas durante a radioterapia, a partir do estudo da dosimetria das radiações. Ademais, foram discutidos aspectos teóricos relacionados às características de substâncias radioprotetoras e seus mecanismos de ação, bem como dos polímeros conjugados e suas propriedades luminescentes. Tais aspectos foram apresentados a fim de que estes conceitos sejam úteis na compreensão da utilidade destes materiais na confecção de sistemas que funcionem como adesivos radioprotetores de liberação tópica e também como dosímetros luminescentes para utilização concomitante ao tratamento radioterápico.
3.1. CÂNCER
De acordo com a definição aceita pelo Instituto Nacional do Câncer José Alencar Gomes da Silva (INCA) e pela Organização Mundial de Saúde (OMS), câncer é um termo usado para denominar um grande grupo de doenças que podem afetar qualquer parte do corpo e tem em comum o crescimento exacerbado e acelerado de células anormais que invadem diversos órgãos e tecidos. As células malignas se espalham do tumor primário para locais distantes, por meio da metástase, onde proliferam e podem causar falha nos órgãos vitais (MASSAGUÉ et al., 2017; INCA, 2018).
Com base no World Cancer Report 2014 da International Agency for Research on Cancer (Iarc) o câncer é um dos principais problemas de saúde pública no mundo, sendo
responsável por uma a cada seis mortes mundialmente. Isso pode ser evidenciado pela mais recenteestimativa mundial, feita no ano de 2018, que aponta que apenas neste ano ocorreram 18 milhões de novos casos no mundo e 9,6 milhões de óbitos causados pela doença. Além disso, a estimativa é que esse número cresça em 70% nas próximas duas décadas, além de esperar-se que em 2025 existam 20 milhões de novos casos no mundo. Ademais, segundo o INCA, o Brasil deve registrar cerca de 625 mil novos casos para cada ano do triênio 2020-2022 (MCGUIRE, 2014; INCA, 2019).
Atualmente, os tratamentos mais utilizados são a quimioterapia, a radioterapia e a intervenção cirúrgica e, frequentemente, torna-se necessária a combinação de mais de uma dentre estas modalidades. A radioterapia é de grande importância no tratamento do câncer e, depois da cirurgia, é o tratamento mais efetivo para a cura, sendo requerido em pelo menos 70%
dos casos da doença. Por este motivo, a próxima seção traz uma breve descrição a respeito deste tratamento (BURNET, et. al., 2004; PEER et. al., 2007, WEI, et. al., 2019).
3.2. RADIOTERAPIA
Após a descoberta dos raios x em 1895 por Wilhelm Conrad Roentgen a medicina, que até então contava com poucas opções para o tratamento de doenças, vivenciou uma mudança drástica de cenário. Apenas um ano depois, em 1896, a medicina teve seu primeiro paciente de câncer tratado por este método e, desde então, a radioterapia vem sendo cada vez mais utilizada em abordagens curativas ou paliativas (LUTZ et. al., 2014; BARTON et. al., 2017;
GIANFALDONI et al., 2017).
Este tratamento baseia-se no uso de radiação eletromagnética (Raios x e Gama) e particulada (elétrons, nêutrons e prótons), que são geradas a partir da energia elétrica ou de fontes de isótopos radioativos. Esta radiação é chamada de ionizante por possuir energia suficiente para ionizar os átomos de um material. Este tipo de radiação pode ser aplicado de forma externa ou interna, sendo que os aparelhos que geram radiação a partir de energia elétrica são usados como fontes externas na radioterapia clínica (teleterapia) enquanto que os isótopos radioativos são aplicados, na maior parte das vezes, de forma intersticial ou intracavitária na radioterapia cirúrgica (braquiterapia) (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 1993; GIANFALDONI et al., 2017).
A Tabela I mostra informações publicadas pelo INCA, que relacionam as diversas fontes usadas na radioterapia, os seus tipos de radiação gerada, energias e métodos de aplicação.
Tabela I: Fontes, radiação, enerias e métodos de aplicação da radioterapia (INCA)
Fonte Tipo de radiação Energia Método de aplicação Contatoterapia Raios X (superficial) 10 - 60 KV Terapia
superficial Roentgenterapia Raios X
(ortovoltagem)
100 - 300 KV Terapia semiprofunda Unidade de
cobalto
Raios gama 1,25 MeV Teleterapia
profunda Acelerador linear Raios X de alta
energia e elétrons
1,5 - 40 MeV Teleterapia profunda Isótopos
radioativos
Raios gama e/ou beta Variável conforme o isótopo utilizado
Braquiterapia
O mecanismo de ação da radioterapia é causar danos irreversíveis ao DNA celular, impedindo-o de reparar-se ou replicar-se. Para tanto, a aplicação da radiação é feita em um volume tumoral previamente definido resultando na diminuição ou erradicação do tumor. O efeito máximo da radioterapia ocorre antes e durante a divisão celular e, desta forma, populações de células que se dividem rapidamente são mais suscetíveis ao dano causado pela radiação, já que elas apresentam uma maior proporção de células em estágio de divisão a todo momento. O fato de tumores malignos conterem células que se dividem em uma taxa anormalmente alta, e de serem incapazes de reparar danos intracelulares, faz com que se tornem suscetíveis à radioterapia e, desta forma, este tratamento torna-se bem-sucedido no tratamento de diversos tipos de tumores (NAYLOR e MALLET, 2001; KHAN e ALHOMIDA, 2011).
Entretanto, sabe-se que o desempenho dos equipamentos utilizados na radioterapia pode ser afetado por diversos fatores, tais como: acidentes físicos, quebra mecânica, falha de componentes, alterações sofridas pelo tempo de uso, ou erro de manuseio. Desta forma, vários casos de sobredosagem, subdosagem ou ausência de radiação ainda são frequentes dentro dos
tratamentos diários na área de radioterapia hospitalar no Brasil e no mundo. Por exemplo, nos Estados Unidos, entre 2001 e 2009, mais de 1.000 casos de superdosagem de radiação foram registrados tanto em hospitais públicos quanto privados. Não obstante, no Brasil, segundo a Comissão Nacional de Energia Nuclear – CNEN, entre 2011 e 2014 ocorreram 4 acidentes radiológicos no tratamento radioterápico, dos quais 1 levou o paciente ao óbito. Além disso, em 2016 o Ministério Público Federal Brasileiro descobriu que hospitais estariam utilizando elementos vencidos nas máquinas de radioterapia a fim de estender a vida útil dos aparelhos além dos limites. Esta prática põe em risco a saúde dos pacientes já que doses elevadas e não controladas de exposição a este tipo de radiação podem, dentre outros problemas, originar efeitos somáticos e genéticos capazes de produzir mutações, pois alteram o patrimônio hereditário da espécie humana. (BITELLI, 2006;SCHIMITBERGER, 2011; PORTER, 2012;
MURASE, 2015; FAGUNDES et. al., 2018)
Além disso, mesmo quando o tratamento é feito respeitando as doses corretas, células saudáveis que apresentam uma taxa naturalmente alta de divisão podem ser afetadas pela radioterapia, já que para alcançar as células cancerosas, a radiação atravessa tecidos adjacentes saudáveis, causando danos agudos em vários tecidos do corpo. Outrossim, podem ocorrer efeitos tardios como, por exemplo, ulceração mucosa, edema, lesões vasculares, atrofia dos tecidos, perda de dentes, dentre outros. Neste contexto, devido à sua elevada taxa de proliferação, a pele é um dos órgãos mais afetados pelo tratamento radioterápico. Por este motivo, a próxima seção traz um resumo das principais características deste órgão (NAYLOR e MALLET, 2001; SAWADA et. al., 2006; BURDAK-ROTHKAMM e PRISE, 2009;
CARVALHO, 2014; GIANFALDONI et. al., 2017; SMITH e PREWETT, 2017)
3.2.1. Pele e radiodermite
A pele é o maior órgão do corpo humano, com uma área de aproximadamente 2 m² e é anatomicamente constituída de duas camadas: a derme e a epiderme. Estas camadas possuem características e origens embrionárias distintas, porém apresentam grande adesão e interatividade entre si e sua composição e espessura variam de acordo com a sua localização no corpo, sendo que a epiderme se mostra mais fina em partes como as pálpebras e mais grossa, por exemplo, na sola dos pés. Ademais, abaixo da derme há a hipoderme, que não faz parte da pele, é formada por tecido adiposo e constitui-se em tecido subcutâneo que dá suporte à derme
e faz a união com os órgãos subjacentes. Cerca de 10% das células basais da epiderme realizam mitose a cada dia, de forma que a epiderme está, então, em constante processo de renovação celular (BOURROUL, 2004; FORE, 2006; CARVALHO, 2014).
Uma das maiores funções da pele é fornecer uma barreira física que protege o corpo dos riscos do ambiente, além de controlar a perda de líquidos e eletrólitos, prevenir infecções e ser de vital importância na termoregulação do corpo e no sistema imunológico do organismo.
Sendo assim, danos na pele podem ter como consequência diversas alterações sistêmicas, tais como perda de fluidos ou infecções severas (HOPEWELL, 1990; BOURROUL, 2004).
Um dos efeitos colaterais mais comuns provenientes do tratamento radioterápico é uma reação adversa na pele, conhecida como radiodermite. Estima-se que aproximadamente 95%
dos pacientes tratados com radiação externa desenvolvam alguma forma de reação na pele.
Estas reações ocorrem devido aos danos causados às células da camada basal da epiderme e a intensidade destas reações pode variar de um leve eritema, passando por descamação e podendo ocasionar necrose tecidual irreversível. Sendo assim, a fisiopatologia da radiodermite é uma complexa combinação dos danos diretos causados pela radiação e a reação inflamatória subsequente, culminando em comprometimento da função de barreira exercida pela pele, colonização bacteriana e consequente infecção (DE CONNO et al., 1991; NAYLOR e MALLET, 2001; BLECHA e GUEDES, 2006).
Segundo os Critérios Comuns de Terminologia para Eventos Adversos v3.0 (do inglês: CTCAE – Common Terminology Criteria for Adverse Events), definidos pelo Instituto Nacional do Câncer dos Estados Unidos em 2006, as radiodermites são classificadas em 5 graus diferentes:
• Grau 1: eritema fraco ou descamação seca.
• Grau 2: eritema moderado a intenso, descamação úmida irregular principalmente nas regiões com dobras e vincos; edema moderado.
• Grau 3: descamação úmida não limitada a dobras e vincos; sangramento induzido por pequenos traumas ou abrasões.
• Grau 4: necrose ou ulcerações na pele; sangramento espontâneo.
• Grau 5: morte.
As alterações na pele em decorrência da terapia com radiação dependem de fatores associados ao tratamento e ao paciente, tais como: local irradiado, tipo de radiação, estado
nutricional do paciente, presença de dobras na pele e quimioterapia concomitante (MADDOCKS-JENNINGS et al., 2005).
Além do desconforto físico, essas manifestações cutâneas estão associadas com prejuízos na qualidade de vida do paciente, incluindo: fadiga, problemas com a imagem corporal, alterações de sono, stress emocional e mudanças na funcionalidade cotidiana do paciente. O aumento nos custos do tratamento devido a gastos com medidas para minimizar os distúrbios físicos e emocionais também é relatado (SCHNUR et. al. 2011; SCHNUR et. al., 2012).
Desta forma, a alta porcentagem de complicações decorrentes da radioterapia tem despertado uma crescente preocupação que deu origem a diversos campos de pesquisa, dentre eles a radiobiologia em 1928 e a dosimetria das radiações em 1932, que juntos podem agir de forma a proteger o paciente em tratamento radioterápico. Neste sentido, a radiobiologia surgiu de forma a possibilitar a pesquisa de substâncias que reduzam os efeitos deletérios provocados pela exposição às radiações ionizantes, denominados radioprotetores, a partir do estudo da interação entre a radiação e o corpo humano. A próxima seção traz mais informações a respeito deste campo de pesquisa (PONTUAL et. al., 2004; SAWADA et. al. 2006).
3.3. RADIOBIOLOGIA
Os átomos do corpo humano são unidos por ligações químicas, a fim de formarem as moléculas necessárias para a composição e o funcionamento do mesmo, desde as mais simples, como a água, até as mais complexas, como o DNA. A radiação ionizante, ao interagir com estas moléculas, é capaz de arrancar elétrons dos átomos que a formam, causando sua desestabilização e quebra da molécula (BOLUS, 2001; SILVA, H., 2011; OKUNO, 2013).
Os efeitos biológicos da radiação podem ser divididos em três estágios, sendo eles: o estágio físico, quando a energia veiculada pela radiação é transferida para a matéria viva, conduzindo a ionizações; o estágio físico-químico, caracterizado pela reação dos produtos da fase anterior entre si ou com moléculas vizinhas, levando à formação de produtos secundários e o estágio biológico quando surgem alterações bioquímicas e fisiológicas, provocando alterações morfológicas e/ou funcionais (BOLUS, 2001; SILVA, H., 2011; OKUNO, 2013).
Ademais, a interação da radiação com o corpo humano pode ocorrer de forma direta ou indireta. O mecanismo direto se dá quando a interação ocorre diretamente entre a radiação e
macromoléculas como as do DNA podendo causar desde mutação genética até morte celular.
Já o mecanismo indireto se dá pela cisão homolítica das moléculas de água, causada pela radiação (radiólise) e pela consequente formação de radicais livres, que são átomos ou moléculas altamente reativos. Estes radicais livres são capazes de se difundir e causar danos às biomoléculas celulares. Considerando que o corpo humano é composto de mais de 70% de água, os danos causados pelo mecanismo indireto são muito mais comuns do que os causados pela interação direta. Neste contexto, pode-se considerar que uma das formas de reduzir os danos causados pela interação indireta é neutralizar as espécies reativas formadas em tecidos saudáveis. A próxima seção trata dos agentes radioprotetores, bem como dos seus possíveis mecanismos de ação, já que a compreensão destes é de grande importância para o entendimento deste estudo (CHURCHILL-DAVIDSON, 1964; BOLUS, 2001; SILVA, H., 2011; RSSC, 2011; OKUNO, 2013; REISZ, 2014; HORSMAN et. al., 2009).
3.3.1. Radioprotetores
Desde 1949,após a realização do primeiro estudo sobre radioproteção in vivo, em que se administrou cisteína (Cy) previamente a uma dose letal de radiação em ratos, e o consequente descobrimento dos efeitos radioprotetores desta substância, um grande número de pesquisadores tem conduzido estudos sobre a ação radioprotetora de substâncias químicas.
Estes efeitos são de considerável importância, visto que permitem a redução de danos induzidos pela radiação, bem como providenciam tratamento profilático para estes efeitos deletérios.
(VARANDA E TAVARES, 1998; ARORA et. al.,2005; TUJI et.al., 2005)
Os radioprotetores são agentes que protegem contra a lesão induzida por radiação se administrados antes, durante ou depois da irradiação. O ideal é que um radioprotetor evite os efeitos adversos em tecidos normais, seja de fácil administração e tenha a menor toxicidade inerente possível. Esses agentes são denominados profiláticos quando administrados anteriormente à radioterapia para prevenir a ocorrência de efeitos agudos ou crônicos. Os mitigadores são aplicados durante ou um pouco após a terapia, com o intuito de reduzir as ações da radiação sobre os tecidos normais, antes do surgimento de sintomas. Já os que são utilizados após a irradiação para evitar seus efeitos tardios, quando os sintomas já foram desenvolvidos, são denominados agentes terapêuticos (WEISS e LANDAUER, 2009; BEGG et. al., 2011;
BARCHELOT et. al., 2012).
Os agentes protetores da radiação podem exercer sua ação por diferentes mecanismos, como suprimir a formação de espécies reativas, detoxificar as espécies reativas formadas, estabilizar o alvo ou, ainda, aumentar os processos de recuperação e reparo. Outra forma de ação é neutralizar as espécies reativas para que não interajam com estruturas celulares saudáveis, evitando que danos sejam causados. Esse ato pode decorrer do sequestro de radicais livres, da doação de hidrogênio para estas espécies, ou por ação de atividade antioxidante. Desta forma, o próximo tópico trata sobre o funcionamento da atividade oxidante como mecanismo de prevenção de danos causados pela radiação (BEGG et. al., 2011; CARVALHO, 2014).
3.3.2. Atividade Antioxidante
As espécies reativas de oxigênio (EROs) são formadas naturalmente no organismo e as células possuem mecanismos endógenos capazes de combatê-las. Entretanto, quando as células são expostas à radiação, essas espécies são formadas em elevada quantidade e, consequentemente, ocorre um desequilíbrio entre as EROs e os antioxidantes do organismo, o que leva a uma condição denominada estresse oxidativo. Neste sentido, substâncias com propriedades antioxidantes representam uma possível forma de proteger as células saudáveis dos efeitos maléficos da radiação, visto que Halliwell, em 2007, definiu substância antioxidante como toda aquela que atrasa, previne ou remove danos oxidativos de uma molécula alvo (HALLIWELL, 2007; YOUSRI et. al, 2011; BARRERA, 2012).
O papel das EROs nas lesões causadas pela radiação ionizante, bem como o potencial dos antioxidantes na redução destes efeitos deletérios tem sido estudado em modelos animais por mais de 50 anos. Neste sentido, a literatura demonstra que há uma importante relação entre os efeitos das EROs e a exposição à radiação ionizante, sendo que substâncias que tenham atividade antioxidante podem diminuir estes efeitos. Tal atividade pode ser decorrente de diferentes mecanismos, como a inibição de reações de oxidação de radicais livres ou da formação dos mesmos; interrupção da propagação da auto-oxidação em cadeia; supressão de oxigênio singlete; conversão de hidroperóxidos em compostos estáveis; conversão de metais pró-oxidantes em produtos estáveis; e inibição de enzimas pró-oxidantes. Nesse contexto, pesquisas envolvendo o uso de substâncias antioxidantes na diminuição dos efeitos causados pela radiação ionizante permanecem sendo uma área de grande força na área biomédica (HALLIWELL, 2007; CAROCHO, 2013; WEISS, 2019).
Visto que é desejável que um radioprotetor tenha baixa toxicidade e seja de fácil administração, a literatura nos mostra que a N-acetilcisteína (NAC) pode ser uma boa candidata, já que apresenta um bom potencial de radioproteção para doses baixas de radiação ionizante.
Porém, a NAC em altas concentrações pode irritar a pele, mas este efeito pode ser evitado utilizando uma forma de liberação tópica, na qual a concentração do fármaco pode ser muito baixa. Ademais, quanto à facilidade de administração, um sistema de liberação tópica de fármacos pode apresentar grandes vantagens, como será visto na próxima seção (DURANTE, 2008; CARVALHO, 2014, WEISS, 2019).
3.3.3. Sistemas de liberação Tópica
O conceito de liberação de fármacos através da pele foi introduzido na década de 50 e, apesar de ter promovido diversos avanços na pesquisa científica, apenas em 1979 esta nova tecnologia foi aprovada nos EUA pelo Food and Drug Administration (FDA). Os primeiros medicamentos comercializados em forma de filmes de aplicação tópica, foram os sistemas transdérmicos destinados a náuseas e vômitos, porém, o que promoveu o impulso desta tecnologia foram os adesivos transdérmicos de nicotina utilizados no tratamento do tabagismo (PRAÇA, 2010).
Os sistemas transdérmicos são um tipo de sistema de liberação tópica que possibilita a passagem do fármaco pela pele, até atingir a corrente sanguínea. Por outro lado, a liberação tópica pode ser utilizada para aplicação de medicamentos diretamente na área que se deseja tratar, sendo assim, ocorre a absorção cutânea e não é necessário que a substância ativa penetre a pele chegando em camadas mais profundas. Sendo assim, os filmes de liberação tópica foram desenvolvidos como um método de superar algumas limitações existentes nas vias de administração convencionais e, desta forma, aumentar a eficácia terapêutica. Neste contexto, tal tecnologia apresenta diversas vantagens em comparação com a administração oral ou parenteral. Dentre estas vantagens, podemos destacar:
✓ a ausência da interferência do pH gastrointestinal ou da atividade enzimática, bem como das interações medicamentosas decorrentes da administração via oral;
✓ a possibilidade de substituir a administração por via oral quando esta não é adequada, como em casos de vômito e/ou diarreia;
✓ evitar os riscos associados à administração parenteral;
✓ a possibilidade de administrar várias doses com uma única aplicação;
✓ o aumento da atividade do fármaco com meia-vida curta por meio da liberação estendida;
✓ permitir a rápida administração da medicação em casos de emergências onde o paciente encontra-se inconsciente e também a rápida interrupção do efeito do fármaco, quando desejável, com a sua simples remoção.
Além destas, quando a aplicação tópica se faz pela utilização de adesivo, uma maior concentração do fármaco é obtida no local de aplicação e regiões adjacentes, como tecido adiposo, músculo, etc. Isto favorece a utilização como sistema de liberação localizada de fármacos, por um período determinado e limitado pela presença do dispositivo em contato com a pele. Sendo assim, os sistemas de liberação tópica se mostram como uma opção promissora para a aplicação de substâncias radioprotetoras na pele. (KENKEM,1991;
PRAÇA, 2010; DIAS, 2013)
Existem dois principais tipos de filmes de liberação tópica de fámacos: os sistemas de reservatório (controlados por membrana) e os sistemas matriciais (controlados por matriz).
Este segundo é o mais comercializado atualmente devido ao baixo custo de produção, às dimensões pequenas e à fina espessura. Um exemplo é o sistema transdérmico para administração da rivastigmina utilizada no tratamento do Alzheimer (DIAS, 2013).
É importante considerar que há também uma crescente preocupação com o desenvolvimento de dispositivos que permitam o controle da dose de radiação administrada para que se previna todos os danos causados pela aplicação da dose equivocada no tratamento radioterápico e, neste sentido, a utilização de um adesivo de liberação tópica permite que na parte superior seja confeccionado um filme radioluminescente que funcione como um dosímetro e seja capaz de suprir esta demanda. A próxima seção tratará da dosimetria das radiações, ramo de pesquisa que possibilita o desenvolvimento de tais filmes.
(SCHIMITBERGER, 2011).
3.4. DOSIMETRIA DAS RADIAÇÕES
Após a descoberta dos raios X em 1895, por Wilhelm Conrad Roentgen e da radioatividade em 1899 por Marie Curie, inúmeros avanços científicos surgiram e, junto destes avanços, foi possível observar que a interação da radiação com organismos vivos levava a efeitos indesejáveis como dermatites, ou mesmo à indução do câncer. Assim, com a introdução de uma câmara de ionização, em 1932, tornou-se possível medir as doses de radiação utilizadas e, desta forma, a dosimetria das radiações surgiu como forma de determinar a dose absorvida resultante da interação da radiação com a matéria, com a finalidade de tornar mais segura a interação do ser humano com as radiações (MARTINS, 1990; SALVAJOLI, 1999;
SCHIMITBERGER, 2011; GIANFALDONI et. al. 2017).
A fim de que essa medida seja feita de forma eficaz, são utilizados equipamentos e sistemas conhecidos como dosímetros, que podem funcionar de diversas formas, visto que existem muitos processos pelos quais a radiação pode interagir com diferentes materiais. Dentre estes processos podemos citar a geração de cargas elétricas, que possibilitam a dosagem por câmaras de ionização; a criação de traços no material, processo pelo qual são desenvolvidos os dosímetros fotográficos; a mudança de temperatura, na qual consistem os dosímetros termoluminescentes; e alterações na dinâmica de alguns processos químicos que resultam na mudança das propriedades óticas dos materiais, o que permite a utilização de dosímetros poliméricos radioluminescentes. Devido a estas diferenças, cada dosímetro apresenta uma aplicação onde terá melhor eficiência e maior precisão (DEUS, 1976; SCHIMITBERGER, 2011; GIANFALDONI et. al. 2017).
Ademais, um dos principais fatores que define a escolha de um dosímetro são suas características operacionais, como a facilidade de utilização. Neste sentido, no caso do tratamento radioterápico, é muito importante que exista um sistema que possa indicar a dose recebida pelo paciente em que a resposta possa ser lida de forma ágil, a fim de que o médico e o paciente possam acompanhar a seguridade do andamento do tratamento. Neste contexto, os polímeros conjugados têm sido amplamente estudados como materiais de destaque na confecção de dosímetros devido às alterações de suas propriedades óticas frente à interação com a radiação. Suas principais propriedades são discutidas na seção seguinte (SILVA et. al., 2005; FERREIRA, 2013; MURASE, 2015; BRAGA, 2015; LOPES, 2016).
3.4.1. Polímeros Conjugados
Os polímeros conjugados são compostos com massa molar da ordem de 104 a 106 g/mol que, diferente dos polímeros convencionais, apresentam propriedades de semicondutores. Estas propriedades se dão devido à alternância de ligações duplas e ligações simples na sua cadeia principal, como pode-se observar na Figura 1, que mostra a estrutura do trans-poliacetileno (t- PAc) (FERREIRA, 2013; MURASE, 2015).
Figura 1: Estrutura química do polímero conjugado trans-poliacetileno (t-PA)
O que confere a estes polímeros as suas propriedades exclusivas é a alternância das ligações C-C (σ) e C=C (σ e π) ao longo de sua cadeia polimérica principal. Os átomos de sua cadeia principal são hibridizados em sp², o que significa que os orbitais atômicos da camada de valência do carbono se combinam e formam orbitais híbridos. Isso ocorre quando o orbital s se combina com dois dos três orbitais p resultando em três orbitais híbridos sp² e um orbital p- puro. Os orbitais sp² encontram-se no mesmo plano, separados entre si por ângulos de 120º, enquanto o orbital p-puro está perpendicular a este plano, como pode-se ver na Figura 2 (HÜMMELGEN, 1998; SILVA, M. 2011; MURASE, 2015).
Figura 2: Um carbono hibridizado sp2. Os três orbitais híbridos equivalentes sp2 situam-se em um plano e são separados uns dos outros por ângulos de 120°, e um único orbital p não hibridizado, perpendicular ao plano sp2.
Ao se aproximarem, dois carbonos hibridizados em sp2 formam uma ligação σ por meio da sobreposição de dois orbitais sp2, concomitantemente os orbitais p-puro se aproximam de forma que ocorra uma sobreposição lateral originando a formação de uma ligação π. A sobreposição dos orbitais formados resulta em uma dupla ligação entre os átomos de carbono, apresentada na Figura 3 (SCHIMITBERGER, 2011; SILVA, M., 2011).
Figura 3: Sobreposição de dois carbonos hibridizados sp2 para formar a dupla ligação carbono–carbono. Uma parte da dupla ligação resulta da sobreposição σ (frontal) de orbitais sp2 e a outra parte resulta da sobreposição π (lateral) de orbitais p
não hibridizado.
Na Figura 3 observa-se que a sobreposição dos orbitais p não é tão efetiva quanto a sobreposição dos orbitais sp². Desta forma, ligações σ são mais fortes e estáveis do que as ligações π. Além disso, os átomos de carbono ligados por ligações π conjugadas apresentam
menor distância interatômicas se comparadas às ligações entre carbonos hibridizados em sp³, onde ocorrem apenas ligações covalentes simples (MCMURRY; SCHIMITBERGER, 2011;
SILVA, M., 2011).
A combinação dos comprimentos de ligação dos carbonos com hibridização sp² e sp³, confere a estes materiais um comportamento eletrônico de caráter semicondutor associado aos orbitais π deslocalizados ao longo da cadeia polimérica. Dentre outras características, estes semicondutores orgânicos podem apresentar luminescência quando excitados por corrente elétrica (eletroluminescência) ou radiação (radioluminescência). Além disso, quando há presença de radiação e oxigênio, ocorre, nestes materiais, a oxidação das ligações vinílicas (C=C) e consequente formação de ligações carbonílicas (C=O), o que acarreta em diminuição do comprimento da conjugação da cadeia principal e consequente perda de eficiência luminosa.
Estas propriedades são de grande interesse na confecção de dosímetros radioluminescentes pois permitem que se produza um material que apresenta resposta ótica à incidência de radiação e que permitem mensurar a quantidade de radiação a partir da diminuição de sua eficiência luminosa. A próxima seção traz mais detalhes sobre o mecanismo de luminescência nos polímeros conjugados (SCURLOCK 1995; ATREYA, 1999; SCHIMITBERGER, 2011;
SILVA, M., 2011; FERREIRA, 2013; BRAGA, 2015; MURASE, 2015).
3.4.2. Luminescência em Polímeros Conjugados
Energeticamente, os orbitais σ e π ligantes e anti-ligantes, respectivamente σ, π, σ* e π*, são distintos como mostrado na Figura 4, na qual observa-se a diferença de energia entre os orbitais σ, σ*, π e π*. (SCHIMITBERGER, 2011)
Figura 4: Diagrama, em distribuição de energia, da formação de orbitais moleculares entre dois átomos de carbono sp2
É possível notar que o orbital π é o de maior energia dentre os orbitais ligantes (HOMO – highest occupied molecular orbital) e o orbital π* o de menor energia dentre o anti-ligantes (LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Quando um elétron é excitado, ele salta para a próxima camada de energia disponível, emitindo radiação ao retornar ao seu estado fundamental. A estrutura de banda de um polímero conjugado pode ser observada na Figura 5.
Figura 5: Estrutura de Bandas de polímeros conjugados.
Desta forma, a diferença energética entre o HOMO e o LUMO (gap) nessas moléculas é dada pela diferença entre as energias dos orbitais π e π*. Desta forma, quando o gap se encontra entre 1,4 e 3,3 eV, correspondendo a comprimentos de onda compreendidos entre 890 e 370 nm, ou seja, compreendendo a região do espectro eletromagnético visível, a molécula é capaz de emitir radiação visível quando seus elétrons são excitados por meio de corrente elétrica (eletroluminescência), ou luz (fotoluminescência) (ALLINGER; HÜMMELGEN, 1998;
FRIEND, 1999; SILVA, 2011).
O item 3.4.3 descreve como tais propriedades podem ser utilizadas na confecção de dosímetros orgânicos.
3.4.3. Dosímetros Orgânicos
O uso de polímeros conjugados como materiais ativos para detecção de radiação ionizante teve início em 1990, quando filmes de poli(p-fenilenovinileno)-PPV e seus derivados foram estudados como dosímetros para radiações ionizantes. Desde então, diversas pesquisas foram realizadas onde os polímeros conjugados foram estudados com objetivo de detectar partículas carregadas e, consequentemente, observou-se mudanças nas propriedades óticas dos polímeros derivados do PPV quando submetidos a radiações não ionizantes, como a luz UV ou a luz azul, utilizada no tratamento fototerápico de diversas doenças, como a hiperbilirrubinemia neonatal, também conhecida como icterícia (SILVA, M., 2011; FERREIRA, 2013).
Além disso, pesquisadores observaram que as propriedades óticas do poli[2-metóxi,5- (2'etil-hexiloxi)-p-fenilenovinileno] (MEH-PPV), um derivado do PPV, se mostraram altamente dependentes da radiação ionizante quando o MEH-PPV é dissolvido em clorofórmio, não sendo observado o mesmo comportamento para filmes confeccionados a partir das mesmas soluções.
Portanto, até então, a resposta ótica do MEH-PPV à radiação ionizante se mostrava altamente dependente de solventes a base de cloro e, desta forma, não era verificada em forma sólida (SILVA et. al. 2005).
Porém, as soluções líquidas apresentam desvantagens, como a dificuldade de estoque e a impossibilidade de haver contato direto com a pele, devido à presença de solvente. Desta forma, em 2012, cientistas do mesmo grupo de pesquisa, propuseram a utilização do Tungstato de Cádmio
(CdWO4) como aditivo na confecção de filmes de polímeros conjugados, a fim de melhorar a eficiência dos mesmos. Essa melhora ocorre, pois, quando exposto à radiação, o CdWO4 absorve energia e apresenta emissão com pico de luminescência na região de ~500 nm onde o MEH-PPV apresenta pico de absorção. Desta forma, o CdWO4 funciona como janela ótica, isto é: permite que a radiação ionizante seja “convertida” em luz azul, a fim de excitar os elétrons do MEH-PPV, que emitirão luminescência ao voltarem ao seu estado fundamental. Sendo assim, a resposta ótica do polímero ocorrerá de forma mais pronunciada e torna-se possível observar a alteração dos espectros dos dosímetros em forma de filmes, não dependendo da presença de solvente (SILVA et. al., 2012).
Porém, sabe-se que o CdWO4 apresenta toxicidade e, além disso, por ser insolúvel, não forma filmes homogêneos, o que diminui a confiabilidade das respostas óticas verificadas. Desta forma, a utilização de materiais orgânicos não tóxicos como chave óptica no desenvolvimento de dosímetros de polímeros conjugados se torna uma interessante possibilidade e uma alternativa são os cintiladores plásticos, mostrados na próxima seção (SILVA et. al., 2012, GIUSEPPE et. al., 2020).
3.4.4. Cintiladores e Detectores plásticos
Os detectores plásticos são materiais que apresentam resposta luminosa sob a incidência de radiação e foram propostos como sensores na década de 50. Estes materiais apresentam resposta luminosa extremamente rápida (~2ns), rendimento de luz elevado, baixo custo e apresentam a possibilidade de se confeccionar filmes de grande extensão e em diversos formatos, pois são soluções sólidas, obtidas pela adição de compostos orgânicos cintiladores a matrizes poliméricas. Os espectros de absorção e de emissão óticas desses cintiladores possuem valores bastante variados, o que possibilita a transformação das energias de baixo comprimento de onda em luz visível.
O processo de cintilação em um filme detector plástico ocorre em uma sequência de eventos: Primeiramente, a cadeia polimérica é excitada predominantemente pela energia da radiação incidente, devido à sua alta concentração, em comparação com os compostos cintiladores. O principal processo responsável pela cintilação é o de excitação de orbitais. A radiação ionizante produz espécies excitadas na matriz polimérica, que tendem a se desexcitar e voltar ao seu estado fundamental. Essa desexcitação ocorre por transferência de energia para uma molécula não excitada. Desta forma, a segunda etapa do processo de cintilação do detector
acontece, quando toda energia disponível é transferida para as moléculas não excitadas do cintilador orgânico. O cintilador que absorve essa energia é considerado o cintilador primário, que ao receber a energia proveniente da matriz, a transforma em fótons com comprimento de onda na região do ultravioleta, por processo de fluorescência. Estes fótons, por sua vez, são capturados pelo cintilador secundário. A desexcitação das moléculas do cintilador secundário também ocorre com a emissão de fótons, porém com energia menor, na região da luz visível.
(HAMADA E MESQUITA, 1988; COSTA JÚNIOR et. al., 1999).
Os principais cintiladores primários utilizados são:
• PPO (2,5-Difeniloxazol) - É um dos cintiladores primários mais utilizados, apresentando boa solubilidade na presença de soluções aquosas e em baixas temperaturas. Possui uma emissão máxima próxima a 350 nm;
• para-terfenil - Foi o mais utilizado nos primeiros estudos com cintilação líquida, mas teve que ser abandonado por apresentar pouca solubilidade em baixas temperaturas;
• PBD (Fenil-Bifenil-Oxidiazol) - É um excelente cintilador, tanto em relação a sua eficiência luminosa como pelo comprimento de onda que emite, porém possui baixa solubilidade e é mais caro que o PPO.
Os cintiladores secundários são adicionados às soluções sólidas com a finalidade de absorver os fótons emitidos pelos cintiladores primários e emitirem outros em maiores comprimentos de onda. O composto 1,4 bis-2(5feniloxazolil)-benzeno (mais conhecido como POPOP) é largamente utilizado como cintilador secundário e possui emissão máxima em aproximadamente 420 nm, segundo a Agência Internacional de Energia Atômica (do inglês:
IAEA – International Atomic Energy Agency). Desta forma, a emissão do detector plástico pode atuar de forma semelhante àquela do CdWO4 citada no item 3.4.3 deste estudo, com a vantagem de não apresentarem toxicidade (MARTINI, 1995; COSTA JÚNIOR, 1999).
Um esquema representativo sobre o funcionamento do sistema formado pelo detector plástico e o polímero fotoluminescente é mostrado na Figura 6.
Figura 6: Representação esquemática do processo de transferência de energia responsável por transformar o detector plástico em chave ótica para o polímero fotoluminescente.
Desta forma, tendo em vista as possíveis complicações provenientes do uso da radiação e a consequente necessidade de monitorar as doses utilizadas no tratamento radioterápico, bem como de proteger a pele dos pacientes dos danos causados à pele, este trabalho visa unir os conhecimentos da radiobiologia e da dosimetria das radiações para desenvolver um material que tenha propriedades antioxidantes e radioluminescentes, de forma a apresentar um grande potencial para a aplicação na radioterapia a fim de tornar o tratamento do câncer mais seguro e eficaz.
4. MATERIAL E MÉTODOS
No presente Capítulo são apresentados o material escolhido e os métodos utilizados no preparo das amostras. A fim de facilitar a compreensão, as seguintes denominações serão utilizadas:
FILMES R: Filmes com propriedades radioluminescentes;
FILMES A: Filmes com propriedades antioxidantes;
FILMES RA: Filmes com ambas as propriedades.
Tendo em mente que os Filmes R e A foram, primeiramente, produzidos e analisados de forma individual, o presente Capítulo será subdividido em seções que tratarão dos materiais e métodos de preparo dos Filmes R, dos filmes A e, por fim, dos Filmes RA.
4.1. FILME RADIOLUMINESCENTE (FILME R)
Esta Seção trata-se da produção dos filmes radioluminescentes. Portanto serão apresentadas desde as principais características e propriedades que levaram à escolha do material utilizado, até os métodos empregados na preparação das amostras.
4.1.1. REAGENTES E COMPOSTOS UTILIZADOS
No presente estudo, utilizou-se o polímero conjugado poli[2-metóxi,5-(2'etil-hexiloxi)-p- fenilenovinileno] (MEH-PPV), como material ativo do filme radioluminescente e os cintiladores 2,5-difeniloxazol (PPO), como cintilador primário, e 1,4-di(5-fenil-2-oxazolil)benzeno (POPOP), como cintilador secundário. Além disso, para produção da matriz, utilizou-se duas substâncias oticamente transparentes, a fim de comparação, o poliestireno (PS) e o policloreto de vinila (PVC), além de um plastificante (DINP).
Plastificantes são moléculas relativamente pequenas e de baixa massa molar. Estas espécies químicas são adicionadas aos materiais poliméricos com intenção de aumentar a flexibilidade e a maleabilidade de materiais rígidos, assim como a aplicabilidade desse material, considerando que com a incorporação destes aditivos pode-se atingir praticamente quaisquer propriedades desejadas. Mesmo alterando as propriedades físico–químicas da matriz polimérica, os plastificantes não alteram a estrutura do material e sua ação consiste basicamente em diminuir a intensidade, ou força, de ligação entre as moléculas do polímero. Estas ligações, conhecidas como força de Van der Walls, fazem com que os filmes de PS e PVC sejam rígidos e quebradiços. Então, o plastificante diminui estas forças, reduzindo a atração intermolecular e, por consequência, aumentando a flexibilidade da cadeia polimérica (BRASKEM, 2002).
