17-010 - Slabo

DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL PARA TESTES ÓTICOS E
DIAGNÓSTICO DE TECIDOS CANCERÍGENOS
1
1
2
Breno Yuzo Tachibana Nishida ; Eduardo Guy Perpétuo Bock ; Gustavo Alonso Pereira. ;
3
4
4
Evandro Drigo ; Marcello Fonseca ; Roberto Baginski Batista Santos ; Marcilei Aparecida
4
Guazzelli Silveira ;
1
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, Rua Pedro Vicente, 625
2
Instituto do Câncer do Estado de São Paulo, Av. Dr. Arnaldo, 251
3
Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia, Av. Dr. Dante Pazzanese, 500
4
Fundação Educacional Inaciana, Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, 3972-B
Endereço: Rua Pedro Vicente, 625
Email: [email protected]
RESUMO
O câncer é definido como um grupo de doenças que estão relacionadas com a
perda do controle das funções celulares e com a capacidade das células
doentes se proliferarem e invadirem outros tecidos sadios. Os estudos das
propriedades óticas dos tecidos influência na detecção dessas doenças, pois
quando a luz incide no tecido é logo influenciado pelos componentes celulares
oferecendo uma resposta proporcional. O presente trabalho propõe o
desenvolvimento de um bancada para o estudo dessas respostas. Inicialmente,
o espectro de luz de um LED de alta luminosidade acoplado a um filtro
polarizador colorido foi estudado. O experimento foi conduzido por um
equipamento que utiliza diagrama de difração que mostram as intensidades
das faixas e comprimentos de onda estudada. Depois de coletar as
informações necessárias, os resultados dos melhores filtros foram comparados
com a literatura em relação à resposta dos tecidos cancerígenos. No final da
experiência entre os filtros das cores verde, azul, vermelho, roxo e amarelo, os
resultados mais promissores foram os filtros de cor verde e amarelo, pois sua
faixa espectral condiz com a curva de absorção da luz do sangue e sua
intensidade luminosa é considerável depois da polarização. Os filtros de cores
vermelho, azul e roxo não tiveram resultados expressivos com o gráfico de
absorção da luz e também a intensidade luminosa não foi satisfatória depois da
polarização.
Palavras-chave: Tecido, câncer, diagnóstico, bioptica
ABSTRACT
Cancer is a group of diseases related to the loss of control of cell function and
the ability of diseased cells to proliferate and invade other healthy tissues. The
studies of optical properties of tissues have influence in these diseases,
because when light falls on the tissue, the cellular components offer a
proportionate response. This paper proposes the development of a bench for
the study of these responses. Initially, the spectrum of light of a high brightness
LED coupled to a color-polarizing filter was studied. The experiment was
conducted by equipment that uses diffraction diagram showing the intensities of
the bands and studied wavelengths. After collecting the necessary information,
the results of the best filters were compared with the literature about the light
response of cancerous tissues. At the end of the experience between the filters
of green, blue, red, purple and yellow, the most promising results were the
green and yellow color filters, because their spectral range matches the curve of
the light absorption of blood and its light intensity after the polarization is
considerable. The red color filter, blue and purple have had impressive results
with the light absorption chart and the light intensity was not satisfactory after
the polarization.
Keywords: Tissue, cancer, diagnosis, bioptics
INTRODUÇÃO
Muitas pesquisas são realizadas para procurar formas de retirar as
células cancerígenas e poupando as células saudáveis, mas para resolver este
problema é necessário a compreensão das propriedades que permitem as
células cancerígenas de evoluir, multiplicar e propagar. (1)
Por definição, elas se proliferam diferente dos métodos normais e são
capazes de invadir e colonizar tecidos vizinhos que origina tumores
secundários ou metástases. Os cânceres são classificados de acordo com o
tipo de tecido e o tipo de célula que deu origem, logo, a célula cancerígena que
desenvolveu-se em tecido epitelial é chamado de carcinoma, em tecidos
conjuntivos e musculares são chamados de sarcomas e aqueles que não se
enquadram nestas duas categorias anteriores são chamados de leucemias.
Cerca de 90% dos cânceres humanos são carcinomas, a provável razão é que
os tecidos epiteliais são frequentemente expostos a vários ambientes físicos e
químicos que são danosos, logo, favorecendo o desenvolvimento de câncer.
(1)
Podendo explicar a evolução do tumor em estágios, o primeiro estágio
as células sofrem o efeito dos agentes cancerígenos ou carcinógenos que
provocam modificações em alguns de seus genes, nesta fase as células ficam
geneticamente alteradas, porém ainda não é possível se detectar um tumor
clinicamente. O segundo estágio, as células geneticamente alteradas sofrem o
efeito contínuo dos agentes cancerígenos, transformando-se em célula
maligna, de forma lenta e gradual e para que ocorra essa transformação é
necessário um longo e contínuo contato com o agente cancerígeno. A
suspensão do contato com agentes promotores muitas vezes interrompe o
processo nesse estágio. Alguns componentes da alimentação e a exposição
excessiva e prolongada a hormônios são exemplos de fatores que promovem a
transformação de células iniciadas em malignas. O terceiro estágio, as células
se multiplicam mais rapidamente do que as células normais do tecido à sua
volta e, geralmente, têm capacidade para formar novos vasos sanguíneos para
nutrir as atividades de crescimento descontrolado. (1)
A detecção e o tratamento eficaz, geralmente, ocorre no início do
terceiro estágio, quando o tumor é visível ao olho nu ou por equipamentos.
Após o terceiro estágio, ocorre a formação de tumores secundários ou
metástase, ou seja, o tumor, já formado, consegue atravessar a lâmina basal e
chegar na corrente sanguínea ou linfático e se dissemina pelo corpo e, assim,
formando tumores secundários, complicando o tratamento do câncer. (2)
Uma das formas de detecção e tratamento é a análise microscópica e o
uso da luz que não são recentes, sendo os primeiros relatos de seu uso na
pele datam de 1663, quando Kolhaus observou pequenos vasos no leito
ungueal com o auxílio de um microscópio. Contudo, apenas em 1920, por
Saphier, que publicou as primeiras descrições detalhadas de seu uso na pele.
Seu estudo buscava estabelecer critérios de diferenciação entre tuberculose e
sífilis e descrevia capilares cutâneos em condições normais e patológicas. Ao
resumir dez anos de experiência e vários progressos, Goldman, cita o
diagnóstico de queratoses seborréicas incipientes, identificadas precocemente
pela visualização de dobras semelhantes a crateras irregulares.(2) O autor
ressalta que, com o desenvolvimento da lesão, tampões foliculares tornam-se
mais marcados e a pigmentação torna-se mais difusa, destacando a utilidade
do método na diferenciação de queratoses seborreicas de melanomas, nevos
melanocíticos e carcinomas basocelulares pigmentados. Em 1958, o mesmo
autor introduziu o primeiro equipamento que usa análise microscópica e luz
chamado dermatoscópio. O instrumento baseava-se em um microscópio,
utilizado por técnicos que ajustavam televisão em cores, que conferia um
aumento de 25 vezes e, segundo o autor, não era excessivo para o exame de
lesões cutâneas pigmentadas. MacKie, em 1971, utilizou um microscópio
binocular Zeiss, com aumento de 6 a 40 vezes, e descreveu os aspectos
dermatoscópicos presentes nos melanomas, nevos melanocíticos, nevos azuis,
carcinomas basocelulares e angiomas cavernosos (3).
Usando a pele como referência inicial do estudo das propriedades óticas
de tecido cancerígeno, por ser o órgão com mais estudos de reflexão, de
absorção e de espalhamento que foram realizados in vivo e in vitro por
inúmeras pesquisas, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma
bancada para o estudo dessas respostas, sendo, inicialmente, estudado o
espectro de luz de um LED de alta luminosidade acoplado a um filtro
polarizador colorido, para a análise do espectro de emissão do conjunto e
depois, de coletar as informações necessárias, os resultados dos melhores
filtros foram comparados com a literatura em relação à resposta dos tecidos
cancerígenos.
MATERIAIS E MÉTODOS
Quando a luz é incidida em um tecido, ela é espalhada e absorvida por
suas propriedades físicas e por sua composição fisiológica, podendo ser
considerada como uma superfície difusa, ou seja, é uma superfície não regular
que não possui um direcionamento luminoso definido. Logo os estudos de
reflexão, de absorção e de espalhamento foram realizados in vivo e in vitro por
inúmeras pesquisas, como o (4), (7), (8), (15) e (16). A absorção da luz é
descrita como uma redução da potência luminosa emitida, logo na derme e na
epiderme, a hemoglobina e a melanina são substâncias dominantes na
absorção de luz na pele. A hemoglobina é o fator dominante na absorção da
luz na derme, considerando uma hemoglobina adulta que é uma proteína de
quatro cadeias de polipeptídeos, sendo cada uma é ligada a uma estrutura
ligada ao átomo ferro chamado de heme. Essa heme é responsável pela maior
absorção da luz no sangue, sua composição é explicada no apêndice B. A
melanina é encontrada na região da epiderme e possuem uma absorção que
reduz gradativamente do ultravioleta (UV) até ao infravermelho (IR). Outras
absorções de luz podem ocorrer com outras estruturas da pele como lipídios,
núcleos celulares e outros. O espalhamento descreve a mudança de direção,
de polarização ou fase da luz, contribuindo significantemente com a aparência
visual da pele. Já foi estimado que 4% a 7% da luz visível são refletidas pela
superfície da pele, independentemente da cor da pele ou comprimento da
onda. A luz remanescente é refratada e passa do ar para a pele. O
espalhamento é causado pelas proteínas da epiderme, da derme e das veias
sanguíneas.
Absorção
Nos capilares sanguíneos o fator dominante de absorção são as
hemoglobinas e seus subtipos, deoxihemoglobina (Hb), oxihemoglobina
(HbO2), carboxihemoglobina (HbCO) e a methemoglobina (MetHb).
Na investigação feita por (14), sendo o objetivo o espectro de absorção
de deoxihemoglobina (Hb), oxihemoglobina (HbO2), carboxihemoglobina
(HbCO) e a methemoglobina (MetHb) de fetos e adultos humanos,
conseguiram, experimentalmente, a absorção das hemoglobinas com os
comprimentos de luz.
Figura 1 – Espectro de absorção dos quatro tipos de ligações da Hemoglobina na região da luz
visível. Fonte: (7)
Existem dois picos peculiares na região da luz verde, entre 500 a 600
nm, tornando a cor visível da hemoglobina em vermelho.
A melanina é geralmente encontrada na região da epiderme e possui um
espectro de absorção que decai gradualmente do ultravioleta até o
infravermelho. (15)
Espalhamento
Assim como absorção, o espalhamento contribui significantemente na
aparência visual da pele. O espalhamento contribui na mudança de direção da
luz, na polarização ou fase da luz e as interações de luz com micropartículas.
Já foi estimado que 4% a 7% da luz visível são refletidas pela superfície
da pele, independentemente da cor da pele ou comprimento da onda. (7)
A propriedade do espalhamento depende do tamanho das substâncias
da pele e seus formatos. A primeira ocorrência de espalhamento na pele ocorre
com a queratina por ocuparem a maior parte do volume da epiderme.
A melanina contribui significantemente no espalhamento da luz na pele,
porém seu índice varia para cada indivíduo, um trabalho de (15) mostra,
experimentalmente, essa individualização.
Figura 2 – Gráfico do nível da reflexão difusa do melanoma pelo comprimento de onda.
Fonte: (7)
O sangue ocupa 0.2% a 0.6% do volume físico da derme (8) e depende
da região do corpo. As veias na derme possuem cerca de 10 a 12 micrometros
de diâmetro na região epidérmica, 25 micrometros no começo da derme e 30
micrometros no meio da derme. (7) O espalhamento de luz por causa dessas
estruturas é significante, principalmente o índice de refração, e variam de
localidade e de profundidade.
Detecção do espectro de emissão
Foi realizado uma bateria de experimentos nos conjuntos para o
levantamento de suas características utilizando a banca da de testes de
difração utilizando o sensor de luz CI-6504A que é mais adequado quando o
experimento está em nível de luz ambiente, luzes monocromáticas que passam
nas fendas de difração podem ser medidas e para luzes que possuem uma
intensidade alta podem ser medidas de acordo com nível de luz ambiente. A
faixa do comprimento de onda que este sensor consegue obter está entre
320nm à 1100nm, possui um ajuste de ganho de 1X, 10X, 100X sendo que na
parte superior do sensor, o nível de medição máxima é de 500, 50, 5 lux.
®
Figura 3 – Sensor de luz da Pasco Fonte: (13)
Usando o experimento de Thomas Young que serve para demonstrar a
interferência da luz e provando a luz como uma onda, também serve como
aplicação a obtenção da informação do comprimento de luz estudado.
Este experimento tem três anteparos onde o primeiro anteparo tem uma
fenda (difração simples) e o segundo anteparo possui duas fendas, onde
ocorre na saída das duas fendas a interferência das duas ondas recorrente das
fendas e no terceiro anteparo, serve para ver as “faixas” provenientes do
experimento, como mostrado na Figura 4.
Figura 4 – Esquema do funcionamento de duas fendas e exemplo físico do diagrama de
difração no terceiro anteparo. Fonte: (13)
Cada faixa clara é considerada um máximo e uma faixa escura é um
mínimo, assim pelo experimento e a teoria da óptica podemos concluir pela
equação 1.
a*sin(Θ) = m*λ
Equação 1
Sendo que ‘a’ é a largura da fenda, “m” o máximo da onda do feixe de
radiação ou número da ordem da onda e ‘ϴ’ o ângulo entre o máximo e o
máximo central. Sendo m pertencente ao conjunto dos inteiros e maiores do
que zero. (13)
Usando a equação 1 é possível determinar a faixa de comprimento de onda
dos conjuntos estudados.
Materiais utilizados
O material utilizado é um conjunto de filtros polarizadores coloridos das cores
verde, azul, vermelho, roxo e amarelo que são acoplados a uma fonte de luz de
LED branco.
O esperado é que o conjunto filtro e LED consiga ter o comprimento de onda
esperado que seja compatível com o espalhamento e a absorção da literatura
encontrada.
DISCUSSÃO E RESULTADOS
Levantado o espectro de emissão dos conjuntos, teve-se as seguintes
curvas e faixas de espectro de emissão, mostrado na Figura 5.
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
Figura 5 – Gráfico do espectro de emissão do filtro verde (A), filtro azul (B), filtro roxo (C), filtro
amarelo (D) e filtro vermelho (E) capturados pelo diagrama de difração.
Tabela 1 – Espectro de emissão dos conjunto filtro e LED branco
Conjunto
Primeira faixa
Pico
Secunda faixa
Verde
516nm
555nm
596nm
Azul
415nm
458nm
558nm
Roxo
391nm
455nm
478nm
Amarelo
495nm
575nm
609nm
Vermelho
495nm
575nm
609nm
Comparando com o gráfico da Figura 1, os filtros polarizadores da cor
verde e amarelo consegue ter maior absorção, abrindo a possibilidade de
observar a formação dos capilares no estágio da formação do tumor. O
problema encontrado com o filtro azul e roxo é que a absorção não é alta na
curva da hemoglobina, porém a absorção da melanina é favorável, podendo
contribuir para a detecção de câncer de melanoma. O filtro vermelho houve
problemas com o espectro de emissão, pois o LED branco tem mais potência
luminosa no espectro ultravioleta, azul e verde.
CONCLUSÕES
Com os espectros levantados, foi possível observar que o espectro
verde tem mais capacidade de detectar os capilares sanguíneos no estágio da
formação e crescimento do tumor, além disso, tem uma resposta média com a
melanina.
Os espectros azul e roxo não são muito compatíveis com a absorção de
luz do sangue mostrado na Figura 1, porém como citado em (16) tem alto grau
de absorção na melanina podendo detectar o câncer melanoma.
Os espectros vermelho e amarelo indicam que o LED branco utilizado
não possua as características nessa faixa de comprimento de onda, porém é
possível que em um próximo trabalho pode-se usar LED de comprimento de
onda específico ou fontes de luz com todos os comprimentos de onda.
REFERÊNCIAS
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Alegre: Artmed, 2010.seja top afiliado
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(13) YOUNG; HUGH D.; Fisica IV: ótica e fisica moderna. 12ªedição. São
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